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Die Erfindung bezieht sich auf Ausrüstungen für die mikrobiologische Industrie, insbesondere auf einen Apparat zur Züchtung von Mikroorganismen, beispielsweise von aeroben Mikroorganismen im Submersverfahren.
Besonders erfolgreich kann die Erfindung bei der grosstechnischen Herstellung von Futtereiweiss aus nichtessbarem Rohstoff, darunter aus Holz und Abfällen der Zellulose-Papier-Produktion, angewendet werden.
Es sind Apparate zur Züchtung von Mikroorganismen bekannt (s. FR-PS Nr. 1. 064. 433), wobei in dem Behälter des Apparates, der einen Gaszufuhrstutzen aufweist, koaxial zu diesem ein ringförmiger Druckmischer und eine ringförmige Trennwand, die für den Kreislauf eines Kühlmittels vorgesehen ist und deren unterer Rand in der Nähe des Behälterbodens liegt, angeordnet sind.
In solchen Apparaten ist die Trennwand in Form eines an den beiden Stirnseiten offenen Zylinders ausgeführt. Die Trennwand ist am Boden des Behälters befestigt und bildet mit dessen Wandungen einen ringförmigen Raum. Im Unterteil dieses Raumes ist ein ringförmiger Druckmischer zum gleichmässigen Belüften und Rühren des flüssigen Mediums angeordnet, das die Mikroorganismen enthält und den Behälter ausfüllt.
Bei der Zufuhr von Gas durch den ringförmigen Druckmischer bilden sich in dem Behälter des Apparates zwei Ströme, ein aufsteigender in dem ringförmigen Raum an der Wandung des Behälters und ein absteigender in der mittleren Zone des Behälters im Inneren der Trennwand.
Die Trennwand der beschriebenen Konstruktion gewährleistet nicht die erforderliche Intensität des Prozesses und eine wirksame Ausnutzung von Gas bei steigendem Gasverbrauch. Zur Steigerung der Intensität des Prozesses muss die Umlaufgeschwindigkeit der Ströme des flüssigen Mediums erhöht werden, wozu in dem mittleren Teil des Behälters häufig mechanische Rührwerke angeordnet werden, was eine Komplizierung der Konstruktion und Verschlechterung der Betriebsbedingungen des Apparates nach sich zieht.
Das Vorliegen von Stauzonen infolge einer reichlichen Schaumbildung über dem Spiegel des flüssigen Mediums führt zu einer unvollständigen Ausnutzung des Arbeitsvolumens des Apparates (40 bis 60%) und zu einer Verschlechterung der Qualität des Produktes.
Gemäss der DE-AS 2224196 besteht ein ähnlicher Apparat aus einem Behälter mit einem ringförmigen Druckmischer und einer Trennwand sowie einem aus dem Behälter ragenden Schaumbrecher mit einem äusseren Zirkulationsrohr zum Rückführen der abgesonderten flüssigen Phase des Schaumes in den Behälter. Dieses Zirkulationsrohr ist an einen Düsenejektor angeschlossen, in dem das notwendige Druckgefälle infolge des Gefälles der Flüssigkeit, die mittels der Pumpe aus dem Behälter gefördert wird, erzeugt wird. Bei diesem Apparat ist die Trennwand ein mit einem Kühlmantel ausgestatteter vertikaler Zylinder mit einem sich erweiternden Trichter im oberen Teil und Seitenöffnungen im geschlossenen unteren Teil.
Gemäss der DE-OS 1619907 und US-PS Nr. 3, 649, 557 erfolgt die Zerstörung des Schaumes infolge der mechanischen Einwirkung der rotierenden Entschäumer. Diese Entschäumer sind unter der Apparatabdeckung unmittelbar in der Schaumschicht untergebracht und begrenzen das obere Niveau des Schaumes.
Bei diesen Konstruktionen gibt es keine genaue Trennung des Apparates der Höhe nach in eine Reaktions- und eine Separationszone.
Der Erfindung wurde die Aufgabe zugrundegelegt, einen Apparat mit einer solchen ringförmigen Trennwand zu entwickeln, die es möglich macht, die Umlaufgeschwindigkeit des flüssigen Mediums zu erhöhen, das zugeführte Gas wirksamer auszunutzen, um die erforderliche Intensität des Prozesses der Züchtung der Mikroorganismen zu gewährleisten, sowie das Volumen des Apparates vollständiger auszunutzen und dadurch seine Leistungsfähigkeit zu erhöhen.
Der erfindungsgemässe Apparat zum Züchten von Mikroorganismen, bestehend aus einem Behälter, welcher mit einem Gaszuführungsstutzen, einem koaxial zu diesem angeordneten ringförmigen Druckmischer, einer zur Zirkulierung eines Kühlmittels ausgebildeten Trennwand, deren unterer Rand in der Nähe des Behälterbodens liegt, und mit Schaumbrechern in seinem oberen Teil ausgestattet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Trennwand in bezug auf die Vertikalachse des Apparates aus zwei konzentrisch in einem Zwischenraum voneinander angeordneten Wänden gebildet wird, deren jede aus zwei übereinander angeordneten Hohlkegelstümpfen besteht, wobei die konischen Abschnitte der äusseren Ringwand an ihren kleinen Grundflächen und die konischen Abschnitte der inneren Ringwand an
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ihren grossen Grundflächen miteinander verbunden sind,
so dass der Zwischenraum im axialen Schnitt die Form eines Venturirohres aufweist, und dass der ringförmige Druckmischer in dem unterhalb der Verengung des Zwischenraumes liegenden Teil desselben und die Schaumbrecher über dem Zwischenraum entlang seiner Mittellinie angeordnet sind.
Eine solche technische Lösung macht es möglich, eine verhältnismässig hohe Umlaufgeschwindigkeit des flüssigen Mediums und dadurch eine intensive Durchmischung zu erzielen. Die Erhöhung der Zufuhrgeschwindigkeit der Luft bewirkt eine feinere Dispergierung und eine wirksamere hydrodynamische Wechselwirkung der Ströme des Gases und des flüssigen Mediums in dem verengten Teil des Zwischenraumes der Trennwand, der die Form eines Venturirohres aufweist. Das Vorliegen des sich erweiternden Teils des Zwischenraumes der Trennwand gewährleistet eine wirksamere Entwicklung des Abgases.
Zweckmässigerweise sind die Schaumbrecher in einer den Querschnitt überdeckenden und von der Wand des Behälters nach unten konisch zulaufenden ringförmigen Trennwand befestigt, welche den Behälter der Höhe nach in zwei Teile trennt und eine zentrale Öffnung aufweist, die mit dem oberen Ende eines zur Zirkulation des verflüssigten Schaumes dienenden Rohres verbunden ist, dessen unteres Ende etwas höher als der ringförmige Druckmischer liegt. Dabei sind die Schaumbrecher in der konischen Trennwand derart befestigt, dass das untere Ende jedes Schaumbrechers mit dem unteren Teil des Behälters und das obere Ende mit dem oberen Teil des Behälters verbunden ist.
Die Anordnung der konischen Trennwand mit den darin befestigten Schaumbrechern ermöglicht eine vollständigere Abtrennung des Abgases von dem flüssigen Medium, wodurch es möglich wird, das Volumen des sich bildenden Schaumes zu verringern und folglich die Umlaufgeschwindigkeit des von dem Schaum befreiten flüssigen Mediums bedeutend zu erhöhen und das Volumen des Behälters des Apparates wirksamer auszunutzen.
Es ist auch zweckmässig, wenn die Schaumbrecher über dem Zwischenraum der ringförmigen Trennwand gleichmässig, annähernd nach seiner Mittellinie, angeordnet sind.
Eine solche Anordnung der Schaumbrecher bewirkt eine gleichmässige Verteilung des Gases über den Querschnitt des Apparates oberhalb des oberen Randes der ringförmigen Trennwand und eine Senkung des hydraulischen Widerstandes beim Entschäumen, was eine über den Querschnitt des Behälters gleichmässige und wirksame Entschäumung bewirkt.
Nachstehend wird eine ausführliche Beschreibung einer der möglichen Varianten der Ausführung der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen angeführt, in denen zeigen : Fig. l eine schematische Gesamtansicht des erfindungsgemässen Apparates im Vertikalschnitt ; Fig. 2 die erfindungsgemässe
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Baugruppe B der Fig. 1 in vergrössertem Massstab.
Der Apparat zur Züchtung von Mikroorganismen besitzt einen vertikal angeordneten zylindrischen Behälter--1-- (Fig. 1), der oben offen ist. Im Inneren des Behälters --1-- sind koaxial zu diesem ein ringförmiger Druckmischer --2-- und eine ringförmige Trennwand --3-- angeordnet. Die Trennwand--3-stellt ein Paar von mit einem kleinen Zwischenraum-S--konzentrisch angeordneten Hohlwänden--4 und 5--dar. Der Hohlraum --t-- (Fig. 2) jeder dieser Wände --4 und 5--ist in bekannter Weise in miteinander aufeinanderfolgend kommunizierende Sektionen getrennt und für den Kreislauf des Kühlmittels bestimmt.
Die Wand --4-- (Fig. 1) ist durch zwei Kegelstümpfe gebildet, die übereinander angeordnet und an ihren kleineren Grundflächen miteinander verbunden sind. An der Innenseite der Wand --4-- ist konzentrisch zu dieser die Wand --5-- angeordnet, die ebenfalls durch zwei Kegelstümpfe gebildet ist, die übereinander angeordnet und mit ihren grösseren Grundflächen verbunden sind. Die Wände --4 und 5--sind in gleicher Höhe angeordnet. Die Verbindungsstellen der Grundflächen der Kegel sind ebenfalls in gleicher Höhe angeordnet. Dadurch weist der Zwischenraum --S-- zwischen den Wänden --4 und 5-- im axialen Schnitt die Form eines Venturirohres auf.
Die ringförmige Trennwand --3-- ist an dem Boden und den Wänden des Behälters --1-- durch Konsolen --6-- starr befestigt. Die Wände-4 und 5-- der ringförmigen Trennwand --3-- sind durch Zickzackverrippung --7-- (Fig. 3) miteinander verbunden, wobei jede Rippe eine Platte mit einer dem axialen Schnitt des Zwischenraumes-S-identischen Kontur darstellt. Diese Rippen --7-- sind radial und in gleichem Abstand voneinander am Kreisumfang der Trennwand--3-angeordnet. Der untere Rand der ringförmigen Trennwand-3- (Fig. l) ist in der Nähe des Bodens des Behälters-l-angeordnet.
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Am Boden des Behälters --1-- befindet sich in der Mitte ein Gasverteilungskorb --8--, in dessen oberer Wand ein Gaszufuhrstutzen --9-- befestigt ist, der in der Vertikalachse des Behälters-l- angeordnet ist. Das obere Ende des Gaszufuhrstutzens --9-- ist an die Zentralgasleitung (in den Zeichnungen nicht angedeutet) angeschlossen. In den Seitenwänden des Gasverteilungskorbes--8--sind unter gleichem Winkel zueinander radial angeordnete Stutzen --10-- eingebaut, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Sie verbinden den Gasverteilungskorb--8--mit dem ringförmigen Druckmischer --2--, der in dem Unterteil der Trennwand --3-- unter dem engen Teil --C-- des Zwischenraumes --S-- angeordnet ist.
Dieser Druckmischer --2-- stellt ein zu einem Ring gebogenes Rohr dar, dessen Wandungen in ihrem oberen Teil gelocht sind.
In dem Behälter --1-- ist über der ringförmigen Trennwand --3-- fest mit den Wänden des Behälters - eine konische Trennwand-11-- (Fig. l) verbunden, die mit dem Konus nach unten angeordnet ist und eine zentrale Öffnung aufweist, an deren Rand das obere Ende eines Rohres --12-- an der konischen Trennwand --11-- befestigt ist. Durch das Rohr --12-- erstreckt sich der Stutzen --9--, der ringförmige Zwischenraum zwischen diesen beiden Rohren ermöglicht den Kreislauf des flüssigen Mediums in der in der Fig. l durch Pfeile angedeuteten Richtung. Das untere Ende des Rohres - -12-- liegt etwas höher als der ringförmige Druckmischer --2--, wie dies in der Fig. 1 gezeigt ist.
Die konische Trennwand --11-- trennt den Behälter --1-- in Höhenrichtung in zwei Teile, in den unteren Teil, den Reaktionsteil, und den oberen, den Separationsteil. An der konischen Trennwand - 11-- sind Schaumbrecher --13-- montiert, die am Kreisumfang gleichmässig angeordnet sind und durch die Öffnung der konischen Trennwand --11-- hindurch reichen. Jeder Schaumbrecher --13-- stellt ein vertikal angeordnetes Venturirohr --14-- dar, dessen unterer Teil in der konischen Trennwand --11-derart befestigt ist, dass das untere Ende des Venturirohres mit dem unteren Teil, dem Reaktionsteil, des Behälters --1--, und das obere Ende mit dem oberen Teil, dem Separationsteil desselben (s. Fig. 1), in Verbindung steht.
Am oberen Ende des Rohres --14-- ist mittels der Träger-15- (Fig. 4) ein Reflexionsschirm --16-- befestigt, der die Form einer nach aussen gewölbten hohlen Halbkugel aufweist.
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--13--angeordnet.
Im Separationsteil des Behälters-l-ist an seiner Wand in der Nähe der konischen Trennwand - ein ringförmiges Rohr --17-- befestigt, das zum Zuführen der Flüssigkeit zum Spülen der konischen Trennwand --11-- bestimmt ist. Das Rohr --17-- ist über den Stutzen --18-- mit dem Zentralkollektor (in den Zeichnungen nicht angedeutet) verbunden. Die Wände des Rohres --17-- sind in ihrem unteren Teil gelocht.
Im mittleren Teil der Wand des Behälters-l-ist ein Stutzen --19-- zum Zuführen des flüssigen Mediums und unterhalb des Stutzens --19-- ein Stutzen --20-- zum Ableiten des flüssigen Mediums aus dem Behälter-l-befestigt.
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Zentralgasleitung leitet man durch den Stutzen --9-- und die radialen Stutzen --10-- Gas unter Druck in den Druckmischer --2-- ein. Durch die Löcher in der Wand des Druckmischers --2-- tritt das Gas in den engen Teil des Zwischenraumes --S-- der ringförmigen Trennwand --3--. Im unteren Teil des Zwischenraumes --S-- bildet sich gasgesättigtes flüssiges Medium, welches nach oben steigt.
In dem oberen, sich erweiternden Teil des Zwischenraumes --S-- und über dem oberen Rand der ringförmigen Trennwand --3-- verringert sich die Ausflussgeschwindigkeit des Mediums, wodurch sich ein Teil des Gases aus diesem ausscheidet. Dabei fliesst ein grosser Teil des flüssigen Mediums an den beiden Seiten der ringförmigen Trennwand --3-- nach unten und gelangt wieder in den unteren Teil des Zwischenraumes --S-- unter Bildung von Kreislaufströmen. Der übrige Teil des flüssigen Mediums gelangt in Form von vom Gasstrom mitgerissenem Schaum mit grosser Geschwindigkeit zu den Schaumbrechern --13-- und passiert die Rohre --14--. In dem engen Querschnitt des Rohres --14-- wird der Schaum unter der Wirkung des dynamischen Druckes des Gases zum Teil zerstört und der nichtzerstörte Teil desselben an die Innenfläche des Reflexionsschirmes --16-- geleitet.
Es kommt zu einer intensiven Entschäumung (Separation). Dadurch wird der Reaktionsteil des Behälters-l-teilweise von Schaum zum Teil befreit
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und es wird möglich, den Reaktionsteil des Behälters--l-mit dem flüssigen Medium maximal zu füllen und dieses wirksamer für die Züchtung der Mikroorganismen auszunutzen.
Aus dem Separationsteil des Behälters --1-- entweicht das Gas in die Atmosphäre und das flüssige Medium fliesst an der Oberfläche der konischen Trennwand --11-- und durch das Rohr --12-- in den Reaktionsteil des Behälters-l-hinab. Da das untere Ende des Rohres --12-- unter den Spiegel des flüssigen Mediums reicht und das Rohr --12-- mit dem flüssigen Medium gefüllt ist, ist ein Flüssigkeitsverschluss erzeugt, der den Austritt des Gases aus dem Reaktionsteil des Behälters-l-durch das Rohr --12-- in den Separationsteil desselben verhindert.
Die sich an der Oberfläche der konischen Trennwand --11-- absetzenden Schaumreste werden mit der Flüssigkeit weggespült, die man dem gelochten ringförmigen Rohr --17-- durch den Stutzen --18-zuführt.
Somit kommt es in dem Behälter-l-unterhalb der konischen Trennwand --11-- zu einem intensiven Belüften und Verrühren des die Mikroorganismen enthaltenden flüssigen Mediums innerhalb des ganzen Volumens des Reaktionsteiles, zur intensiven Auflösung und Zufuhr der Nährstoffkomponenten des Mediums zu den Zellen der Mikroorganismen, was deren beschleunigtes Wachstum bewirkt.
Unter den Bedingungen der periodischen Züchtung der Mikroorganismen führt das zu einer Verkürzung des Produktionszyklus. Bei der kontinuierlichen Durchführung des Prozesses ist es möglich, die Konzentration der Mikroorganismen in dem flüssigen Medium zu steigern und die Menge der durch den Apparat durchfliessenden Flüssigkeit zu erhöhen. Die Ermöglichung der hohen Wachstumsgeschwindigkeit der Mikroorganismen in dem erfindungsgemässen Apparat in Verbindung mit der wirksameren Ausnutzung des Volumens des Reaktionsteiles des Behälters --1-- führt zu einer bedeutenden Steigerung der Leistungsfähigkeit des Apparates und zur Erhöhung der Qualität des Produktes.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Apparat zum Züchten von Mikroorganismen, bestehend aus einem Behälter, welcher mit einem Gaszuführungsstutzen, einem koaxial zu diesem angeordneten ringförmigen Druckmischer, einer zur Zirkulierung eines Kühlmittels ausgebildeten Trennwand, deren unterer Rand in der Nähe des Behälterbodens liegt, und mit Schaumbrechern in seinem oberen Teil ausgestattet ist, d a d u r c h g e k e n n - zeichnet, dass die ringförmige Trennwand (3) in bezug auf die Vertikalachse des Apparates aus zwei konzentrisch in einem Zwischenraum (S) voneinander angeordneten Wänden (4 und 5) gebildet wird, deren jede aus zwei übereinander angeordneten Hohlkegelstümpfen besteht, wobei die konischen Abschnitte der äusseren Ringwand (4)
an ihren kleinen Grundflächen und die konischen Abschnitte der inneren Ringwand (5) an ihren grossen Grundflächen miteinander verbunden sind, so dass der Zwischenraum (S) im axialen Schnitt die Form eines Venturirohres aufweist, und dass der ringförmige Druckmischer (2) in dem unterhalb der Verengung des Zwischenraumes (S) liegenden Teil desselben und die Schaumbrecher (13) über dem Zwischenraum (S) entlang seiner Mittellinie angeordnet sind.