CH472496A - Einrichtung zur Durchführung mikrobiologischer Fermentationsverfahren - Google Patents

Description

      Einrichtung        zur        Durchführung    mikrobiologischer     Fermentationsverfahren       Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Durch  führung mikrobiologischer     Fermentationsverfahren.    In  der modernen Verfahrenstechnik gewinnen biochemi  sche Prozesse zunehmend grössere Bedeutung zur Her  stellung von     Antibiotica    und anderen biologisch wirksa  men Stoffen, aber auch schon zur Gewinnung organi  scher Säuren, welche auf biochemischem Wege leichter  und billiger zu gewinnen sind als auf rein chemischem  Wege. Oft auch können durch biologische Prozesse  schwer verwertbare Abfallstoffe in hochwertige Produkte  umgewandelt werden.

   Die für diese Verfahren tauglichen  Organismen können sowohl Bakterien, als auch Hefen  oder Schimmelpilze sein, welche für ihre Züchtung und  für die Durchführung der verschiedenen Aufgaben ver  schiedenste Ansprüche an Nährsubstrat, Belüftung,       Durchmischung    stellen. Viele Prozesse     erfordern    feinste       Durchmischung    während der Einleitung des Prozesses  oder während seines ganzen Verlaufes, so bei der  Fermentation durch     aerobe    Mikroorganismen, wo für  eine möglichst     feine    und gleichmässige Verteilung der  Luft zu sorgen ist, so dass es sich um ein dreiphasiges  System aus     Nährsubstratflüssigkeit-Luft-Organismen     handelt.

   In neuster Zeit gewinnen Verfahren Bedeutung,  in denen die Flüssigkeit selbst aus zwei Phasen besteht,  nämlich zwei nicht ineinander mischbaren Flüssigkeiten,  so bei der Züchtung von Hefe oder Bakterien (zur  Eiweissgewinnung) aus der Emulsion von Erdölproduk  ten in Wasser, welchem das Nährsubstrat beigemischt  ist. So wird bei biologischen     Entparaffinierungsverfahren     das Erdölprodukt in der Nährflüssigkeit     emulgiert,    in  welcher dann auch die zu züchtende Hefe und die Luft  sehr     gleichmässig        gemischt    werden und feinverteilt erhal  ten bleiben muss.

   Anderseits gibt es Verfahren, wo die  Organismen - so bei Schimmelpilzen - zu     Klumpen-          und        Deckenbildung    neigen und für die     Durchmischung     und Aufteilung der aus langen Fäden bestehenden       Mycelien    besondere Verfahren angewandt werden müs-         sen,    um eine für einen ungestörten Verfahrensablauf       erforderliche    Suspension zu erzeugen.

   Die verschiedene  Viskosität der     Nährsubstrate,    die verschiedenartige  Struktur der     Organismenverbände,    die Zu- und Abfuhr  von Gasen während des Verfahrens stellen an die hierzu  einzusetzende Einrichtung vielfältigste Anforderungen,  besonders dann, wenn wie bei einer Laboratorium- oder  Versuchsanlage verschiedene     Fermentationsprozesse    mit  derselben Apparatur durchgeführt werden sollen.

   In der  Forschung und im halbtechnischen Versuchsbetrieb ist  vielfach nicht voraussehbar, welche Form, Konsistenz,  Viskosität die heterogenen Gemische während der Züch  tung und während des Verlaufes der     Fermentationspro-          zesse    annehmen werden und bei Entwicklungsarbeiten  dieses Gebietes müssen die Bedingungen, das Nährsub  strat und     oft    auch die Organismen geändert werden.  



  Die Einrichtungen, welche zur Durchführung solcher  Verfahren zur Verfügung stehen, sind Behälter, die für  die bei den Gärungen zu erwartenden Innendrücke  bemessen sind, u. U. Kühl- und Wärmemäntel,     ausser-          dem    Zu- und     Abfuhranschlüsse    für Flüssigkeiten und  Gase besitzen und meistens auch mit Vorrichtungen  ausgestattet sind, die einer     Durchmischung    und Belüftung  des Behälterinhaltes dienen, wie     Rührer,        Injektoren,          Umwälzpumpen.    Die Ausstattung richtet sich nach den  Eigenschaften der zu verarbeitenden Flüssigkeit und den  Ansprüchen der für den Prozess eingesetzten Organis  men.

   Müssen andere Probleme bearbeitet werden, für  die andere Organismen, andere Nährmedien und damit  andere Apparaturen günstiger oder allein einsetzbar  sind, so müssen die Einrichtungen entweder umgebaut  oder für diese Aufgabe neu beschafft werden. Da wie  erwähnt bei     Forschungs-    und technischen Entwicklungs  arbeiten oft erst im Laufe der Versuche sich die Not  wendigkeit zur Änderung ergibt, müssten zur Vermei  dung von Zeitverlusten spezielle Apparate für alle in  Betracht kommenden Verfahren zur Verfügung stehen.      Dies     wäre    ein Aufwand, der nur selten vertretbar  erscheint.

   Andrerseits müssen gerade solche Entwick  lungsarbeiten mit     Mitteln        durchgeführt    werden, welche  den gestellten Aufgaben     möglichst    optimal     angepasst     sind, damit bei der technischen     Durchführung    auf die  Erfahrungen des Versuchsbetriebes gebaut werden kann.  Bei     einem        behelfsmässigen    Umbau der Versuchsappara  tur ist dies aber nicht zu     erwarten.     



  Die Erfindung vermeidet diese Nachteile durch  Schaffung eines Mehrzweckgerätes zur Bearbeitung aller  praktisch in Frage kommenden     Fermentationsprobleme.     Die Einrichtung besteht aus einem     sterilisierbaren     Druckbehälter, in dem Werkzeuge zur Bewegung der im       Behälter    befindlichen Flüssigkeit angeordnet sind und  die     Erfindung    besteht     darin,    dass diese Werkzeuge leicht  auswechselbar und je nach dem durchzuführenden Ver  fahren als     Umwälz-,    Misch-, Zerteil- oder     Emulgier-          werkzeuge    ausgebildet sind.  



       Beispielsweise        Ausführungen    der     Erfindung    sind in  den beigefügten Zeichnungen,     Fig.    1-7 im schemati  schen     Längsschnitt    dargestellt.  



       Fig.    1 zeigt eine     erfindungsgemässe    Einrichtung für  die     Durchführung    einfacher Gärprozesse. Sie besteht aus  dem     sterilisierbaren        Druckbehälter    1 mit     Doppelmantel    2  zur Heizung und Kühlung, einem Deckel 3 mit einer  Anzahl     Anschluss-Stutzen    4 für Messungen (Tempera  tur,     pH,    Flüssigkeitstand,     Fühlelektroden    zur Steuerung  von     Antischaumzusätzen        u.a.)    und     Luft-Aus-    und     Ein-          lass    (5, 6)

   sowie     Beobachtungsfenster.        Im    Behälterboden  befindet sich der Antriebsteil 7 für das     Rührwerkzeug    8,  welches in dieser Ausführung nach Art eines Schrauben  pumpen-Laufrades ausgebildet ist. Der Antrieb erfolgt  durch einen Elektromotor 9, welcher in seiner Drehzahl  durch     Polumschaltung    und durch Widerstände 10 oder  andere bekannte Mittel in weiten Grenzen verändert  werden kann. Die Motorwelle 12 ist durch     Gleitringdich-          tung    11 oder ein anderes     sterilisierbares    Dichtungsorgan  druckdicht eingeführt.

   Das Rührwerkzeug 8 ist durch  eine leicht lösbare Verbindung auf der     Antriebwelle     befestigt. Nach Art einer     Schraubenrad-Pumpe    wird  durch dieses Werkzeug eine vorwiegend axiale Flüssig  keitsströmung erzielt, welche durch das als Leitrohr 14  ausgebildete feststehende Werkzeug geführt wird. Dieses  Leitrohr ist auf demselben     Antriebstutzen    7 aufgesteckt,  durch Vermittlung eines     zylindrischen    oder konischen  Kupplungsteiles 13.

   An der Verbindungsstelle ist aber  der     Flüssigkeitsdurchgang        möglichst    weit offen zu halten,  damit im Behälter die durch Pfeile angegebene Flüssig  keitsströmung erhalten wird, durch     Änderung    der Dreh  richtung des     Antriebsmotors    kann die Flüssigkeitsströ  mung in     umgekehrte    Richtung     geführt    werden.  



  Mit dieser einfachen Vorrichtung können noch rela  tiv dickflüssige Kultursuspensionen     umgewälzt    werden.  In einem     Vierphasensystem    kann eine auf der wässrigen       Substratlösung    16 schwimmende darin unlösliche Sub  stanz - z. B. Erdöl 15 - grob     eingemischt    werden,  wenn das Leitrohr 14 in diese Flüssigkeit ragt. Die durch  das Rauchrohr 17 eingeführte Luft wird ebenfalls nur  ganz grobblasig der     umgewälzten    Flüssigkeit beigegeben,  da das     Schraubenpumpen-Werkzeug    keine feine     Emul-          gierung    bewirkt.

   Um die erforderliche     Feinst-Durchmi-          schung    zu erreichen, können     mit    dieser Einrichtung  zusätzliche aussenliegende     Emulgiergeräte    verbunden  werden.  



       Fig.    2     zeigt    im Schema eine Anordnung, in welcher  zu einer Einrichtung nach     Fig.    1 ein     Dispergier-    und       Emulgier-Kreislauf    zugeschaltet ist.

   Das durch das         Schraubenpumpen-Werkzeug    8 grob gemischte Substrat  wird durch die Pumpe 20 über eine     Emulgierdüse    21 in  das Leitrohr 14     zurückgegeben.    Die     Luft    wird     vorteilhaft     durch Rohr 23 in dieselbe     Emulgierdüse    eingebracht, in  welcher eine     Feinstmischung    aller vier Komponenten  erfolgt.     Die    beiden nicht ineinander löslichen Flüssigkei  ten, die Luft und die Gärungsorganismen, werden zu  einer feinen Emulsion verarbeitet, was z.

   B. bei der       erwähnten        Entparaffinierung    von Erdölprodukten durch  Hefen oder Bakterien erforderlich ist. Wenn die Pumpe  20 durch eine rotierende     Emulgier-    oder     Homogenisier-          maschine    vertreten wird, die nebenbei auch als Pumpe  wirkt, kann auf die     Emulgierdüse    21 verzichtet und die  Luft auf der Saugseite der      Homogenisierpumpe     bei 24  eingeleitet werden.  



  Die     Fig.    3 zeigt eine     Ausführungsform,    bei welcher  die     Emulgierung    im Behälter selbst vorgenommen wird.  Das rotierende Werkzeug ist als Schleuderrad 26 ausge  bildet, das Leitrohr 25 ist in Höhe des Schleuderrades 26  mit kleinen Löchern oder Schlitzen 27 versehen, also  siebartig durchbrochen. Bei der Rotation schleudern die  Flügel des Rades 26 die Flüssigkeit durch die Öffnung  27. Durch diese Arbeitsweise wird eine äusserst feine       Dispergierung    erreicht, so dass aus einem Drei- oder       Vierphasengemisch    eine sehr feine Emulsion entsteht.

    Die Luft wird hierbei wieder durch das Düsenrohr 6  zugeführt und durch     axiale    Saugwirkung des Schleuder  rades wird eine stetige Umwälzung der Flüssigkeit im       Behälter    aufrechterhalten, die durch die Pfeile angege  ben ist.  



       In        Fig.    4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei  welcher ebenfalls eine     Feinstmischung    im Behälter er  folgt. Am Leitrohr befindet sich eine Scheibe 18 mit  konzentrischen Stiftreihen und das     drehbare    Werkzeug  ist ebenfalls eine Scheibe 19 mit konzentrischen Stiftrei  hen, die so mit den Reihen der festen Scheibe 18  zusammenarbeiten, dass die Wirkung einer Stiftmühle  erreicht wird. Die Flüssigkeit wird nach aussen getrieben  und durch die Stiftreihen zerteilt und gemischt.  



       Fig.    5 zeigt eine Vorrichtung, wie sie bei Organismen  mit langfädigen     Mycelien,    bei Neigung zu Klumpen- und  Deckenbildung vorteilhaft ist. Das bewegliche Werkzeug  besteht dabei aus einem     Zerteilorgan    28 mit messerarti  gen, in verschiedene Richtungen gestellten Flügeln,  welche eine turbulente     Durchmischung    im Behälter ver  ursachen, die Klumpen     zerteilen,    ein Anwachsen der  Organismen an der Behälterwand und eine Deckenbil  dung     verhindern    und auch eine relativ feine     Verteilung     der am Düsenrohr 6     eingeführten        Luft    bewirken.

   Zur  Vermeidung ungünstiger Rotation der Flüssigkeit dienen  Leitschienen 29, die anstelle des Leitrohres als festste  hendes Werkzeug eingesetzt sind.  



       Fig.    6 zeigt, wie ein     Plattenrührer    bekannter Bauart  30 eingesetzt ist, dessen oberes Wellenende in einem  Lager 33     geführt    ist. Dieses Lager ist am gekrümmten       Luftabsaugrohr    32 angebracht.  



       Fig.    7 zeigt eine Ausführung mit kugelförmigem  Behälter, der bei manchen Aufgaben     strömungstechni-          sche    Vorteile besitzt.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Einrichtung zur Durchführung mikrobiologischer Fermentationsverfahren, welche einen sterilisierbaren Druckbehälter und darin befindliche Werkzeuge zur Bewegung des Behälterinhalts umfasst, dadurch gekenn- zeichnet, dass die im Behälter befindlichen Werkzeuge leicht auswechselbar und je nach dem durchzuführenden Verfahren als Umwälz-, Misch- oder Zerteilwerkzeuge ausgebildet sind. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die im Behälter befindlichen Werk zeuge teilweise feststehend, teilweise durch ein unterhalb des Druckbehälters angeordnetes Antriebsorgan (7) be wegbar sind, dessen Antriebswelle (12) druckdicht durch den Behälterboden eingeführt und innerhalb des Behäl ters mit Verbindungsmitteln zum Anschluss der aus wechselbaren Werkzeuge versehen ist. 2. Einrichtung nach Patentanspruch und Unteran spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die feststehen den Werkzeuge (14, 1.8, 25, 29) durch leicht lösbare Verbindungsmittel (13) am Boden des Behälters befe stigt sind. 3.

   Einrichtung nach Patentanspruch und den Unter ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, das die beweglichen Werkzeuge als Umwälz- und Rührorgane (8), der feststehende Teil als um das Rührorgan konzen trisch angeordnetes Leitrohr (14) ausgebildet sind. 4. Einrichtung nach Patentanspruch und den Unter- ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Werkzeug aus einem Schleuderrad (26) und der feststehende Teil aus einem in Höhe des Schleuder rades siebartig durchbrochenen Rohr (25) besteht. 5. Einrichtung nach Patentanspruch und den Unter ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche (19) und das feststehende (18) Werkzeug als Scheiben mit um die Drehachse in konzentrischen Kreisen angeordneten Stiften ausgebildet sind. 6.

   Einrichtung nach Patentanspruch und den Unter ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Teil aus einem Zerteilorgan mit messerarti gen in verschiedene Richtungen gestellten Flügeln (28), der feststehende Teil aus radial und axial angeordneten Leitmitteln (29) besteht. 7. Einrichtung nach Patentanspruch und Unteran spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Steuermittel (10) vorgesehen sind, welche durch Änderung der Drehrichtung und Drehzahl des Antriebmotors (9) die Richtung und Geschwindigkeit der Flüssigkeitsumwäl zung im Behälter wahlweise ändern. B. Einrichtung nach Patentanspruch und Unteran spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter Kugelform besitzt.

   <I>Anmerkung des</I> Eidg. <I>Amtes für geistiges Eigentum:</I> Sollten Teile der Beschreibung mit der im Patentanspruch gegebenen Definition der Erfindung nicht in Einklang ste hen, so sei daran erinnert, dass gemäss Art. 51 des Patentgesetzes der Patentanspruch für den sachlichen Geltungsbe reich des Patentes massgebend ist.