BRPI0621228A2 - recipientes de fermentação - Google Patents

Abstract

RECIPIENTES DE FERMENTAçãO. A presente invenção refere-se a aparelho de fermentação (10), com um recipiente de fermentação (12) dotado de um agitador de baixa velocidade, o agitador compreendendo um eixo (14) penetrando no recipiente através de uma abertura (16) no fundo do recipiente 12; um ou mais elementos de agitação (18), sendo montados no eixo para rotação com o mesmo dentro do recipiente, uma vedação (20) sendo proporcionada para vedar o espaço entre o eixo e a abertura, a vedação é localizada em um alojamento cilíndrico fixado ao fundo do recipiente, a vedação sendo dotada de primeiro e segundo conjuntos de vedação (30, 50) axialmente espaçados entre si para definir uma câmara (64) entre os mesmos; uma entrada (66) que se abre dentro da câmara para conexão da câmara a um fornecimento de gás de processamento, o primeiro conjunto de vedação (30) sendo localizado entre o recipiente de fermentação e a câmara compreendendo uma vedação (32) montada no eixo para rotação com o mesmo e um anel de vedação (36) em uma relação rotacional fixa mas axialmente móvel com relação ao alojamento, uma face de vedação (44) do anel correspondente sendo flexivelmente orientada em engate com a face de vedação (42) da base, a face de vedação de um anel correspondente ou da base dotada de ranhuras (68), que irão proporcionar separação hidrodinâmica das faces de vedação com a rotação do eixo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "RECIPIEN- TES DE FERMENTAÇÃO".

A presente invenção refere-se a recipientes de fermentação e em particular a um aparelho para a aeração de culturas celulares ou micró- bios submergidos, para fins biológicos.

Nos referidos recipientes, um fornecimento suficiente de oxigê- nio é essencial para o desenvolvimento de microorganismos aeróbicos as- sim como culturas celulares e é portanto fundamental para se obter rendi- mentos de produtos econômicos em biotecnologia usando processos de fermentação submersos. O fornecimento de oxigênio padrão de processos de fermentação submersos é realizado ao se introduzir um gás contendo oxigênio por meio de um anel de aeração estacionário no fundo do recipiente de fermentação. A eficácia do processo de fermentação depende do coefici- ente de transferência de oxigênio através da interface gás/líquido ao meio de desenvolvimento de líquido. O referido coeficiente de transferência depende principalmente da superfície de interface total, que depende do tamanho das bolhas de oxigênio introduzidas no recipiente, quanto menor as bolhas, mai- or a interface de superfície.

Com o aparelho de fermentação convencional, as bolhas de gás introduzidas no fundo do recipiente, apresentam a tendência de coagular em bolhas maiores, na medida em que as bolhas percorrem através do recipien- te. Produtos químicos anticoagulantes podem ser usados para reduzir este efeito. Entretanto, os referidos produtos químicos podem afetar adversamen- te a qualidade do produto.

Até o presente, uma solução alternativa para o problema da co- agulação tem sido de usar agitadores mecânicos para romper bolhas maio- res. Para serem eficazes, os referidos agitadores necessitam de mistura que pode ser prejudicial às culturas celulares usadas em biotecnologia moderna. Ademais, a rápida agitação da massa biológica induzirá a formação de calor, necessitando de um aparelho de resfriamento de modo a manter as tempe- raturas apropriadas de operação e portanto resulta em um alto custo de e- nergia. A especificação de patente européia EP 1479758 descreve um aparelho de fermentação no qual o oxigênio é introduzido no recipiente de fermentação por meio de um eixo agitador oco, em uma pluralidade de ní- veis distintos dentro do recipiente, meios de agitação de baixa velocidade sendo proporcionados em cada nível. A referida construção permite que um aumento na interface total de gás /líquido seja alcançado, em baixas veloci- dades de agitação. Entretanto, a referida solução é relativamente antieco- nômica e é apenas adequada para meio de recipientes de fermentação de grande escala.

A presente invenção fornece uma solução de custo eficaz ao problema de coagulação, que é adequada para recipientes de fermentação de pequena escala.

Daqui adiante o termo gás de processamento deve significar um gás puro ou uma mistura de gases que contém pelo menos um componente, o referido gás puro ou pelo menos um componente sendo capaz de ser me- tabolizado por microorganismos no processo de fermentação.

De acordo com um aspecto da presente invenção, um aparelho de fermentação compreende um recipiente de fermentação dotado de um agitador de baixa velocidade, o agitador compreendendo um eixo que pene- tra no recipiente através de uma abertura no fundo do recipiente, um ou mais elementos de agitação sendo montados no eixo para rotação com o mesmo, o elemento ou cada um dos elementos de agitação sendo disposto dentro do recipiente; e meios de vedação sendo proporcionados para vedar o espaço entre o eixo e a abertura, o referido meio de vedação dotado de um aloja- mento cilíndrico fixado ao fundo do recipiente, externamente ao mesmo, e circundando o eixo à medida que ele passa através do fundo do recipiente, primeiro e segundo conjuntos de vedação agindo entre o eixo e o alojamen- to, são proporcionados em locais axialmente espaçados entre si, para definir uma câmara entre os mesmos, uma abertura de entrada no interior da refe- rida câmara para conexão da câmara a um fornecimento de gás de proces- samento, o primeiro conjunto de vedação sendo localizado entre o recipiente de fermentação e a câmara compreendendo uma base montada no eixo pa- ra rotação com o mesmo e um anel correspondente montado em uma rela- ção rotacional fixa mas axialmente móvel do alojamento, uma face de veda- ção do anel correspondente sendo flexivelmente orientada em engate com a face de vedação da base; a face de vedação de um dos anéis corresponden- tes da base sendo dotada de ranhuras, que irão proporcionar uma separa- ção hidrodinâmica das faces de vedação com rotação do eixo, permitindo que o gás de processamento na câmara flua para dentro através das faces de vedação e para dentro do recipiente de fermentação, as ranhuras sendo limitadas por uma contínua formação de barreira adjacente à periferia exter- na do anel correspondente ou base, de modo que quando o eixo estiver es- tacionário, a formação de barreira em uma face de vedação irá engatar com vedação a outra face de vedação.

As faces da base e o anel de montagem são configurados para proporcionar separação hidrostática e/ou hidrodinâmica entre as faces de vedação suficientes para permitir uma ótima passagem do gás de proces- samento para dentro do recipiente de fermentação para preencher as ne- cessidades dos microorganismos em uso.

Com o aparelho acima descrito, quando o eixo está girando, os efeitos hidrostáticos/hidrodinâmicos farão com que as faces de vedação se movam em afastamento uma da outra, o gás fluindo entre as faces de veda- ção a partir da câmara para dentro do recipiente de fermentação. O gás de processamento que é alimentado para a câmara definida pelo alojamento de vedação é assim alimentado para dentro do recipiente de fermentação. Em virtude do estreito espaço que é formado entre as faces de vedação e as altas forças de cisalhamento, bolhas muito pequenas são formadas deste modo e as forças centrífugas geradas pela rotação da base misturam efici- entemente as bolhas com o líquido no recipiente de fermentação. Ambos os referidos efeitos aumentam a interface de gás/líquido no recipiente de fer- mentação e portanto o coeficiente de transferência do gás de processamen- to mesmo em baixas velocidades. As faces de vedação podem ainda ser movidas em afastamento uma da outra por forças hidrostáticas, quando a pressão na câmara for superior a um valor predeterminado, de modo que o gás de processamento pode ser alimentado para o recipiente de fermenta- ção enquanto há pressão suficiente na câmara, mesmo que o eixo não este- ja girando. Quando o eixo pára de girar e a pressão do fluido na câmara cai abaixo do valor predeterminado, a orientação flexível dos anéis de vedação irá forçar a formação de barreira em um anel para engatar de modo vedável o outro anel para formar uma vedação hermética a fluido.

O uso de uma vedação hidrodinâmica de acordo com a presente invenção proporciona ainda a vantagem de que quando o eixo está girando as faces de vedação são separadas de modo que não haverá desgaste das faces de vedação, os detritos poderiam de outro modo contaminar o produto do processo de fermentação.

De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção, formações de desvio são proporcionadas na circunferência externa da base adjacente à face de vedação das mesmas, de modo a aumentar a distribui- ção das bolhas no recipiente de fermentação.

A presente invenção será agora descrita, apenas como exemplo, com referência aos desenhos anexos, nos quais;

A figura 1 é uma ilustração diagramática em elevação secciona- da, de um aparelho de fermentação de acordo com a presente invenção;

A figura 2 mostra uma modificação na modalidade ilustrada na figura 1; e

As figuras 3 e 4 mostram modificações adicionais ao aparelho mostrado na figura 1.

Como mostrado na figura 1 um aparelho de fermentação 10 compreende um recipiente de fermentação 12 no qual, por exemplo, uma cultura líquida de desenvolvimento microbiano é contida. O eixo 14 é rotati- vamente montado através de uma abertura 16 no fundo do recipiente 12. Os elementos de mistura 18 são montados no eixo 14, dentro do recipiente 12 e o eixo 14 é conectado ao meio de acionamento (não mostrado) externamen- te ao recipiente 12, por meio do qual o eixo 14 pode ser girado em baixas velocidades, para proporcionar baixa energia de agitação da cultura de de- senvolvimento microbiano. A abertura 16 é fechada por um meio de vedação hidrodinâmica 20, para proporcionar uma vedação entre o eixo 14 e o recipiente 12. O meio de vedação 20 compreende um alojamento cilíndrico 22 fixado ao fundo do recipiente 12 e circundando o eixo 14 na medida em que o mesmo entra no recipiente 12. Um primeiro conjunto de vedação 30 apresenta uma base 32 que é montada para rotação no eixo 14, dentro do recipiente de fermentação 12. A base 32 é vedada com relação ao eixo 14 por um anel elastomérico 34. Um anel correspondente 36 é montado ao alojamento 22 adjacente à extremidade interna do mesmo. O anel correspondente 36 é fixado ao alo- jamento para evitar a rotação do mesmo, mas é axialmente móvel ao aloja- mento 22. Um anel de vedação 38 veda deslizavelmente o anel correspon- dente 36 ao alojamento 22 e uma série de anéis de compressão helicoidais angularmente espaçados entre si 40 atuam axialmente entre o alojamento 22 e o anel correspondente 36, para lançar uma face de vedação 42 do anel correspondente 36, em engate de vedação com a face de vedação 44 da base 32.

Um segundo conjunto de vedação 50 é montado adjacente à extremidade externa do alojamento 22. O segundo conjunto de vedação 50 apresenta uma base 52 montada em uma relação rotacional fixa e axial ao alojamento 22 e vedada ao mesmo por meio de um anel elastomérico 54. Um anel correspondente 56 é montado no anel veículo 58 no eixo 14, e o anel correspondente sendo rotacionalmente fixo ao eixo mas móvel axial- mente ao mesmo, o anel correspondente sendo vedado deslizavelmente ao anel veículo 58 pelo anel de vedação 60. Uma série de molas de compres- são helicoidais angularmente espaçadas 62 atuam axialmente entre o anel veículo 58 e o anel correspondente 56 lançando o mesmo em engate de ve- dação com a base 52.

Os primeiro e segundo conjuntos de vedação 30, 50 deste modo definem uma câmara 64 externamente ao recipiente de fermentação 12. Uma entrada 66 é proporcionada na câmara, a entrada 66 sendo conectada a uma fonte de gás de processamento.

A face de vedação 44 da base 32 apresenta uma série de ranhu- ras helicoidais angularmente espaçadas 68. As ranhuras 68 se estendendo para fora, a partir de um diâmetro radialmente para dentro do diâmetro inter- no da face de vedação 42 do anel correspondente 36 a um diâmetro radial- mente para dentro do diâmetro externo das faces de vedação 42 e 44, as ranhuras 68 sendo inclinadas em ângulo obtuso com relação à direção de rotação do eixo 14. Deste modo, uma formação de barreira contínua 70 é proporcionada na face de vedação 44, a qual quando o eixo 14 é estacioná- rio e pressão na câmara 60 está abaixo de um valor predeterminado, é en- gatada pela face de vedação 42, para evitar o vazamento da cultura de de- senvolvimento microbiano, a partir do recipiente de fermentação 12.

Quando o eixo 14 gira, o gás de processamento na câmara 64 é forçado para dentro das ranhuras 68, criando uma zona de alta pressão ad- jacente à formação de barreira 70 e forçando as faces de vedação 42, 44 em afastamento uma da outra para formar um espaço estreito entre as faces de vedação 42, 44. O espaço estreito permite que o gás flua entre as faces de vedação criando pequenas bolhas na cultura de desenvolvimento microbia- no, as bolhas sendo distribuídas através do recipiente 12 pela ação centrifu- ga da base 32. Mesmo quando o eixo 14 está estacionário, desde que a pressão de gás na câmara 60 esteja acima de um valor predeterminado, por exemplo, 0,2 MPa (2,5 bar), as forças hidrostáticas abrirão as faces de ve- dação 42, 44 e permitirão que o gás entre no recipiente 12.

Como ilustrado na figura 2, palhetas estendendo-se axialmente 72 podem ser proporcionadas de superfície circunferencial da base 32 para aumentar ou substituir os elementos de mistura 18, para aumentar o efeito centrifugo e aprimorar a distribuição das bolhas através da cultura em de- senvolvimento.

Nas modalidades ilustradas nas figuras 3 e 4, formações anula- res em formato de cunha 74, 76 são proporcionadas na superfície circunfe- rencial da base 32, adjacente à face de vedação 44. As formações de cunha 74, 76 aumentarão o diâmetro no qual as bolhas se destacam da base 32 e assim a distribuição das bolhas através da cultura em desenvolvimento. As formações de cunha 74, 76 podem ser formadas integralmente da base 32 ou podem ser formadas separadamente, por exemplo, a partir de um materi- al de baixa fricção, tal como PTFE.

De modo a inibir as bolhas de gás de se prender nas faces de vedação, a base 32 e o anel correspondente 36 são de forma preferida pro- duzidos a partir de materiais de baixa energia de superfície, ou as faces de vedação dos mesmos podem ser revestidas com materiais dotados de baixa energia de superfície. Os referidos materiais incluem fluorocarbonos tais como PTFE, ou diamante e materiais como diamante.

Diversas modificações podem ser incluídas sem se desviar da presente invenção. Por exemplo, embora na modalidade acima, as ranhuras 68 na face de vedação 44 proporcionem separação hidrostática e hidrodi- nâmica, alternativamente, as faces de vedação 42, 44 podem ser anguladas para proporcionar separação hidrostática das faces 42, 44, quando pressão na câmara 64 exceder um valor predeterminado.

Claims (12)

1. Aparelho de fermentação (10), compreendendo um recipiente de fermentação (12) dotado de um agitador de baixa velocidade, o agitador compreendendo um eixo (14) montado coaxialmente ao recipiente (12) e penetrando no recipiente (12) através de uma abertura (16) no fundo do re- cipiente (12); um ou mais elementos de agitação (18, 72), sendo montados no eixo (14) para rotação com o mesmo, o elemento de agitação ou cada um dos mesmos (18, 72) sendo disposto dentro do recipiente (12); e meios de vedação (20) sendo proporcionados para vedar o espaço entre o eixo (14) e a abertura (16), o referido meio de vedação é dotado de um alojamento ci- líndrico (22) fixado ao fundo do recipiente (12), externamente ao mesmo e circundando o eixo (14) na medida em que o mesmo passa através do fundo do recipiente (12); caracterizado pelo fato de que os primeiro e segundo con- juntos de vedação (30, 50) que atuam entre o eixo (14) e o alojamento (22), são proporcionados em locais axialmente espaçados, para definir uma câ- mara (60) entre os mesmos, uma abertura de entrada (62) dentro da referida câmara (64) para conexão da câmara (60) com o fornecimento de gás de processamento; o primeiro conjunto de vedação (30) sendo localizado entre o recipiente de fermentação (12) e a câmara (64) compreendendo um pri- meiro anel de vedação (32) montado no eixo (14) para rotação com o mes- mo e um segundo anel de vedação (36) montado em uma relação rotacional fixa com o alojamento (22), os primeiro e segundo anéis de vedação sendo axialmente moveis com relação um ao outro e sendo flexivelmente orienta- dos em direção um ao outro, de modo que a face de vedação (44) do primei- ro anel de vedação (36) pode ser orientada em engate com a face de veda- ção (42) do segundo anel de vedação (32), a face de vedação (42, 44) de um dos primeiro e segundo anéis de vedação (32, 34) dotada de ranhuras (68), que proporcionarão separação hidrodinâmica das faces de vedação com a rotação do eixo (14), permitindo que o gás de processamento na câ- mara (64) flua para dentro através das faces de vedação (42, 44) e para dentro do recipiente de fermentação (12), as ranhuras (68) sendo limitadas por uma formação de barreira contínua (70) adjacente à periferia externa do anel de vedação (32, 34), de modo que quando a face de vedação (42) en- gata a face de vedação (44) na formação de barreira (70) em uma face de vedação (42, 44) irá engatar de modo vedável a outra face de vedação (42, -44).

2. Aparelho de fermentação (10), de acordo com a reivindicação -1, caracterizado pelo fato de que quando o eixo está estacionário, as faces de vedação (42, 44) são forçadas hidrostaticamente em afastamento uma da outra, quando a pressão na câmara está acima de um valor predeterminado.

3. Aparelho de fermentação (10), de acordo com a reivindicação -1 ou 2, caracterizado pelo fato de que as ranhuras (68) proporcionam sepa- ração hidrostática.

4. Aparelho de fermentação (10), de acordo com a reivindicação -2, caracterizado pelo fato de que as faces de vedação são anguladas de modo a proporcionar separação hidrostática.

5. Aparelho de fermentação, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que as faces de ve- dação da base e/ou anel correspondentes são formadas a partir de um ma- terial dotado de uma baixa energia de superfície.

6. Aparelho de fermentação (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o anel correspon- dente (36) ou a base (32) do primeiro conjunto de vedação (30) apresenta uma série de ranhuras helicoidais angularmente espaçadas (68), as ranhu- ras (68) sendo inclinadas em um ângulo obtuso com relação à direção de rotação do eixo (14), as extremidades internas das ranhuras (68) sendo ex- postas ao gás de processamento dentro da câmara (64).

7. Aparelho de fermentação (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que as forma- ções (72, 74, 76) são proporcionadas na base (32) do primeiro conjunto de vedação (30) para aumentar a distribuição das bolhas de gás de processa- mento através do líquido dentro do recipiente (12).

8. Aparelho de fermentação (10), de acordo com a reivindicação -7, caracterizado pelo fato de que as palhetas que se estendem axialmente angularmente espaçadas (72) são proporcionadas na superfície circunferen- cial da base (32), para aumentar ou substituir os elementos de mistura (18).

9. Aparelho de fermentação (10), de acordo com a reivindicação -7 ou 8, caracterizado pelo fato de que a formação anular em formato de cu- nha (74, 76) é proporcionada na superfície circunferencial da base (32), a formação anular (74, 76) sendo localizada adjacente à face de vedação (44) da base (32).

10. Aparelho de fermentação (10), de acordo com a reivindica- ção 9, caracterizado pelo fato de que a formação anular (76) é integralmente formada da base (32).

11. Aparelho de fermentação (10), de acordo com a reivindica- ção 10, caracterizado pelo fato de que a formação anular (74) é formada se- paradamente da base (32), a partir de um material de baixa fricção.

12. Aparelho de fermentação (10), substancialmente como aqui descrito, com referência a e como mostrado nas figuras 1 a 4.