CH642679A5

CH642679A5 - Verfahren zum durchfuehren von bioreaktionen.

Info

Publication number: CH642679A5
Application number: CH992678A
Authority: CH
Inventors: Hat Auf Nennung Verzichtet Erfinder
Original assignee: Luwa Ag
Priority date: 1978-09-22
Filing date: 1978-09-22
Publication date: 1984-04-30
Also published as: GB2032956B; GB2032956A; JPS5589750A; DE2936092A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen von Bioreaktionen in einem geschlossenen Behältnis gemäss Oberbegriff von Anspruch 1 sowie einen Bioreaktor zur Durchführung des Verfahrens.

Bekannte Bioreaktoren dieser Art, welche in der Erprobung sind, weisen einen stehenden, z.B. zylindrischen Kessel auf, der ein koaxial angeordnetes Leitrohr enthält. Die Reaktionsmasse wird entweder mittels eines Rührers oder mittels einer einen Treibstrahl erzeugenden Flüssigkeitspumpe in

Umlauf gehalten und durch eine Begasungszone getrieben. Durch das Leitrohr wird eine definierte Umlaufbahn gebildet, welche sich auf eine Einengung des Verweilzeitspektrums und auf die Versorgung der Zellen günstig auswirkt. Dementsprechend lassen sich mit Bioreaktoren dieser Art ansprechende Resultate bezüglich Produktqualität und spezifischer Produktionsleistung erreichen.

Die bisherige Erprobung hat aber schon gezeigt, dass die Aufrechterhaltung der Umlaufströmung insbesondere aber die Erreichung ausreichend hoher Sauerstoff-Transfer-Koeffizienten eine erhebliche spezifische Antriebsleistung voraussetzen. Daneben ist, wenn nicht mit vielfach unerwünschten Inhibitoren gearbeitet werden soll, auch für die Schaumab-scheidung bzw. Vernichtung ein beträchtlicher Energieaufwand notwendig. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Anteil an im nassen Schaum gefangenen Zellen vergleichsweise gross ist und dass diese Zellen ungenügend versorgt werden, wobei die Gefahr des Verkümmerns derselben besteht.

Aufgabe der Erfindung ist nun die Schaffung hydrodynamischer Verhältnisse in einem Bioreaktor, welche hohe Gas-Transferkoeffizienten bei verringerter spezifischer Antriebsleistung erreichen lassen. Bei der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass optimalere Bedingungen für das Zellwachstum durch Vergrösserung der Grenzflächen und Verbesserung bzw. Vergleichmässigung der Strömungsbedingungen im Reaktor bzw. der Umlaufbahn erreichbar sind.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Suspension in einer Ringströmung mit überwiegend turbulentem Strömungsverhalten geführt wird bzw. dass das Gefäss durch eine geschlossene, im wesentlichen horizontal verlaufende Rohrschleife gebildet ist, wobei das Rohr über seinen Umfang eine mindestens annähernd konstante Querschnittsfläche und -Form aufweist, und wobei die Antriebsmittel ausgebildet sind, um der Reaktionsmasse beim Umlauf durch die Rohrschleife ein überwiegend turbulentes Strömungsverhalten aufzuzwingen.

Dementsprechend definiert die Kammer des erfindungsge-mässen Bioreaktors eine impulserhaltende Umlaufbahn, in welcher Totwasserzonen vermieden sind.

Ein besonders homogenes Strömungsbild lässt sich vorzugsweise dann erreichen, wenn die Rohrschlaufe die Form eines Kreisringes aufweist. In jedem Fall aber ergeben sich infolge des Zwangsumlaufes und der Turbulenz der Strömung nahezu ideale Versorgungs- und Vermischungsverhält-nisse. Dementsprechend sind Gas-Transferkoeffizienten ki.a bis 800 h"1 bei einem spezifischen Energieverbrauch für Antrieb und Gaseintragung von weniger als 4 W 1_1 erreichbar.

Als besonders vorteilhaft hat sich ein Reaktor erwiesen, bei welchem der Querschnitt des Rohres kreisförmig ist und Mittel vorgesehen sind, um der in der Kreisringbahn fliessenden Strömung einen schraubenlinienförmigen Verlauf zu geben.

Im Betrieb eines in der vorerwähnten Art erfindungsgemäss ausgestalteten Bioreaktors hat sich überraschend gezeigt, dass der Anfall an Schaum ausserordentlich gering ist. Insbesondere hat es sich gezeigt, dass bei den interessierenden Strömungsgeschwindigkeiten von z.B. 0,5 m sek.-1 der Schaumanfall geringer ist, als bei kleineren Strömungsgeschwindigkeiten, die u.U. noch keine ausreichend intensive Umwälzung bzw. Vermischung und Versorgung ergeben.

Diese überraschende Erscheinung lässt sich dadurch erklären, dass die Reaktionsmasse, welche mit vergleichsweise hoher Strömungsgeschwindigkeit durch die ringförmige Rohrschleife getrieben wird, auf den Schaum erhebliche Scherkräfte einwirken lässt. Der sich durch Zentrifugalab-

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Scheidung an der Innenseite des Ringes sammelnde Schaum unterliegt einer Scherung zwischen der Reaktionsmasse und der Rohrwandung. Dabei hat die Rotationsbewegung der Strömung um die Bahnachse aber zur Folge, dass der Schaum nicht entlang einer Bahn konstanten freien Querschnittes getrieben wird, sondern in einen sich etwa keilförmig verengenden Spalt, der dort endet, wo die Reaktionsmasse die Rohrwandung wieder berührt. In dieser Zone wird auf die Schaumblasen nicht nur scherend eingewirkt sondern es werden auch Druckkräfte ausgeübt. Sowohl durch die Scherung als auch durch den Druck werden die Schaumblasen aufgebrochen bzw. zerstört. Im freien Querschnitt kann sich deshalb über längere Dauer nur relativ trockener Schaum halten, dessen Anteil an Zellen vernachlässigbar ist. Es hat sich gezeigt, dass mindestens in einzelnen Fällen auf einen konventionellen Schaumabscheider verzichtet werden kann bzw. dieser nicht in Betrieb gehalten werden muss.

Nachfolgend ist eine beispielsweise Ausführungsform des erfindungsgemässen Bioreaktors anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Horizontalschnitt entlang Linie I-I in Fig. 2 und

Fig. 2 einen Vertikalschnitt entlang Linie II-II in Fig. 1.

Mit 2 ist in der Zeichnung das Gefäss eines Bioreaktors bezeichnet, das eine Reaktionskammer 4 enthält. Dabei wird das Gefäss 2 durch eine horizontal angeordnete geschlossene Rohrschlaufe in Form eines Kreisringes gebildet, wobei das Rohr selbst kreisförmigen Querschnitt aufweist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, besitzt der Bioreaktor einen Kühl- bzw. Heizmantel 6, welcher das Rohr auf einem Teil seines Umfanges umgibt und sich entlang der ganzen Rohrschlaufe erstreckt. Mit 8 ist eine Rohrleitung und mit 10 ein Ventil des schematisch angedeuteten Zirkulationssystems für das Kühl- bzw. Heizmedium bezeichnet.

In die Reaktionskammer 4 erstreckt sich tangential zur Rohrachse 11 eine Hohlwelle 12, welche an ihrem freien Ende eine Antriebsschraube 14 trägt. Die Hohlwelle 12, welche die Wandung des Gefässes 2 bei 16 durchsetzt, ist in nicht näher dargestellter Weise in einem Flanschkörper 18 gelagert, der an der Gefässaussenwand befestigt ist. Mit dem Flanschkörper 18 ist ein elektrischer Antriebsmotor 20 z.B. ein Gleichstrommotor über dessen Gehäuse verbunden, währenddem die Motorwelle (nicht dargestellt) mit der Welle 12 gekuppelt ist. An den Flanschkörper 18 ist eine Gasversorgungsleitung 22 angeschlossen, welche in nicht näher dargestellter Weise mit dem Inneren der Welle 12 in Verbindung steht. Die Nabe der Schraube 14 trägt eine Mehrzahl von der Gaseintragung dienenden Stutzen 24, welche mit dem Inneren der Hohlwelle 12 verbunden sind und in die Reaktionskammer 4 münden.

Der Pfeil 26 deutet die von der Schraube 14 erzwungene Umlaufrichtung der Strömung in der mit Reakionsmasse gefüllten Reaktionskammer 4 an. In Strömungsrichtung vor der Schraube 14 ist die Reaktionskammer über einen auf642 679

wärts ragenden Stutzen 28 mit einem konventionellen Schaumabscheider 30 verbunden, dessen Motor mit 32 bezeichnet ist. Der Übersichtlichkeit halber sind die Öffnungen bzw. Stutzen des Gefässes, welche der Füllung und Entleerung bzw. Zugabe und Entnahme sowie der Impfung, ebenso wie die Einrichtung, welche der Messung bzw. Überwachung dienen, nicht dargestellt.

Die Schraube 14 und ihr Antrieb sind so ausgelegt, dass in der Bioreaktionsmasse, welche generell in Richtung des Pfeiles 26 umläuft, eine turbulente Strömung erzeugt werden kann. Dabei wird durch die Auslegung und Anordnung des Antriebes, d.h. der Schraube, der Strömung eine Rotationsbewegung um die Bahnachse erteilt, so dass die Strömung sich auf einer schraubenlinienförmigen Bahn bewegt. Bei jedem Durchgang eines Strömungsquerschnittes durch die von der Schraube gebildete Antriebszone erfolgt eine Eintragung von angesaugtem oder unter Überdruck zugeführtem Gas, wobei dessen Dispergierung durch die Rotation der Stutzen und die Turbulenz der Strömung schon beim Verlassen der Antriebszone weit fortgeschritten ist. Währenddem durch die regelmässige geometrische Form des Gefässes erreicht werden kann, dass der Antriebsimpulse erhalten bleibt, unterstützt die horizontale Anordnung des Gefässes die Homogenität der Strömung über die Umlaufbahn. Durch die Rotationsbewegung der Strömung um die Bahnachse wird dem Aufsteigen der Gasblasen aus der flüssigen Phase heraus entgegengewirkt und damit deren Aufenthaltszeit in der flüssigen Phase verlängert, womit das eingetragene Gas seine Versorgungsfunktion in hohem Masse erfüllen kann.

In Fig. 2 ist durch die Pfeile 34 die Rotationsbewegung der Strömung um die Bahnachse 26 innerhalb der Reaktionsmasse 36 schematisch angedeutet. Der sich bei 38 oberhalb der Reaktionsmasse sammelnde Schaum wird wie erwähnt durch Scherung und Druck in weitgehendem Masse fortlaufend aufgebrochen. Der Schaumabscheider 30 muss deshalb nur bei stark schäumenden Reaktionsmassen in Betrieb genommen werden.

Es sei erwähnt, dass der beschriebene Bioreaktor sich infolge seiner regelmässigen geometrischen Form besonders leicht sterilisieren lässt. Insbesondere wenn der Antrieb nicht durch eine Schraube erfolgt, können in einem oder in mehreren voneinander distanzierten Querschnitten der Rohrschleife schraubenförmige Leitorgane vorgesehen sein,

welche der Strömung die schraubenlinienförmige Bahn aufzwingen. Insbesondere dort, wo die Rohrschlaufe eine vergleichsweise lange Umlaufbahn bildet, kann die Verwendung mehrerer solcher Organe beispielsweise zusätzlich zu einer Antriebsschraube vorteilhaft sein.

Infolge seiner vergleichsweise grossen Gefässwandfläche eignet sich der beschriebene Reaktor insbesondere auch für die Durchführung von Fotosyntheseverfahren, wobei es möglich ist, über den ganzen Umfang verteilte Lichtquellen vorzusehen. In einfacher Weise können solche Lichtquellen beispielsweise lichtdurchlässige Wandteile des Gefässes umfassen.

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Durchführen von Bioreaktionen in einem geschlossenen Behältnis, in welchem Zellen suspendiert in einer Nährsubstratlösung gehalten werden, wobei die Suspension unter Zuführung eines sauerstoffhaltigen Gases einer Umwälzströmung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension in einer Ringströmung mit überwiegend turbulentem Strömungsverhalten geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ringströmung eine schraubenlinienförmige Bewegung erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der auf einer Ringbahn geführten Strömung eine Rotationsbewegung um die Bahnachse überlagert und das resultierende Schergefälle am abgeschiedenen Schaum zur Einwirkung gebracht wird.
4. Bioreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer durch ein Gefäss begrenzten, eine Rezirkulationsbahn definierenden Reaktionskammer und Antriebsmitteln, um darin enthaltene Reaktionsmasse in Umlauf zu halten, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäss durch eine geschlossene, im wesentlichen horizontal verlaufende Rohrschleife gebildet ist, wobei das Rohr über seinen Umfang eine mindestens annähernd konstante Querschnittsfläche und -Form aufweist und wobei die Antriebsmittel ausgebildet sind, um der Reaktionsmasse beim Umlauf durch die Rohrschleife ein überwiegend turbulentes Strömungsverhalten aufzuzwingen.
5. Bioreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
6. Bioreaktor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr einen Kreisring bildet.
7. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 4,5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr Mittel enthält, um der Strömung eine schraubenlinienförmige Bahn zu erteilen.
8. Bioreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der schraubenlinienförmigen Strömungsbahn eine die Antriebsmittel bildende angetriebene Schraube umfassen, welche auf einer etwa tangential zur Rohrachse verlaufenden Welle angeordnet ist.
9. Bioreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der schraubenlinienförmigen Strömungsbahn mindestens einen stationären schraubenförmigen Leitkörper umfassen.
10. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrumfang mindestens teilweise von einem Kühl- oder Heizmantel umgeben ist.
11. Bioreaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle der Antriebsschraube als Hohlwelle ausgebildet ist und im Bereich der Schraube angeordnete Austrittsstutzen aufweist, wobei das antriebsseitige Wellenende ausserhalb des Reaktors mit einer Gasquelle verbindbar ist.
12. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 4 bis 11,

dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktorkammer Lichtquellen zugeordnet sind.