CH681808A5 - Gassing cell suspension in circulation reactor with minimal circulation power input - with liq. contents pumped through the reactor without dead zone prodn., and dosing reaction gas to give quasi-stationary bubble suspension - Google Patents

Description

  
 



  Beim Eintrag eines Gases, z.B. Sauerstoff, in eine schubspannungsempfindliche Mikroorganismen oder Zellen, z.B. tierische Zellen, enthaltende Suspension sind primär folgende Faktoren wichtig:
 - hohe Ausnutzung des Gases durch Optimierung der Gasverweilzeit bei gleichzeitig hohen Stoffübergangskoeffizienten. Durch diese Massnahme wird unmittelbar der Frischgasbedarf und damit auch der Aufwand zur allenfalls notwendigen nachträglichen Abgasreinigung minimiert.
 - Minimierung der Schaumbildung, damit die mit dem Platzen der Schaumblasen verbundene Zellschädigung vernachlässigbar wird. 



  Geringstmögliche Schubspannungsbeeinflussung der Suspension durch das Förderorgan zur Minimierung mechanischer Zellschädigungen. 
 - Homogene, d.h. totzonenfreie Durchmischung der Reaktionsflüssigkeit, damit alle darin suspendierten Zellen den gleichen Umgebungsbedingungen und damit identischen Wachstumsbedingungen unterworfen sind. 



  Aus dem Stand der Technik, z.B. der CH-563 801 und der DE-PS 1 283 763, sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die die beiden ersten obigen Faktoren gut erfüllen. Durch Variation der mittleren Strömungsgeschwindigkeit im Zentralrohr dieser Reaktoren wird eine quasi stationäre Gasblasenschwebezone hoher Gasdichte mit entsprechender intensiver Stoffübertragungsleistung erreicht. Die Gasblasen werden durch die Abwärtsströmung der Flüssigkeit im Bereich der Blasenschwebezone in Schwebe gehalten. Da bei biologischen Züchtungen meist Sauerstoff aus den Gasblasen verbraucht wird, müssen die Einzelblasen von Zeit zu Zeit aber durch neue ersetzt werden. Man bezeichnet daher eine derartige Blasenschwebezone als quasistationär. 



  Bei den genannten Verfahren und Vorrichtungen wird daher mittels der besonderen Strömungsführung eine direkte Beeinflussung der Blasenverweilzeit im Reaktor erreicht. Da ihr Einsatz aber primär zum Eintragen grosser Mengen Sauerstoff  in verschmutztes Abwasser geplant wurde, stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, diese Verfahren bzw. Apparate derart zu modifizieren, dass auf mechanische Einflüsse empfindlich reagierende Zellen, z.B. tierische Zellen, damit begast werden können. Gleichzeitig soll im Reaktionsgemisch Homogenität hinsichtlich Konzentration der gelösten und suspendierten Komponenten herrschen. Während des Begasungsvorganges soll zudem die mittlere Gasverweilzeit im Reaktor ohne Umbau des Reaktors beeinflusst werden können, z.B. zur Berücksichtigung sich während der Züchtung verändernder Grenzflächenaktivitäten.

  Weiter sollen das Verfahren und die zur Ausführung benötigten Reaktoren in wirtschaftlicher Hinsicht Vorteile bringen. 



  Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 5 aufgeführt. Die Ansprüche 6 bis 9 definieren besonders geeignete Schlaufenreaktoren zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. 



  Gemäss den im Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen wird zur Schonung der Zellen nur soviel mechanische Energie in den Reaktor über den Propeller eingetragen, dass dessen gesamter  Reaktionslösungsinhalt von der Rezirkulationsströmung erfasst wird. Damit wird verhindert, dass sog. Totzonen vorliegen oder sich während der Züchtung bilden. Frischgas wird unmittelbar in das Innenrohr eingetragen, wobei die Zumischstelle unter- oder oberhalb des Propellers liegen kann. Je nach Koaleszenzverhalten und Grenzflächenaktivität der Reaktionslösung resultiert ein spezifisches Blasenspektrum, welches wiederum den Gas-hold-up im Innenrohr bestimmt. Folglich muss die zur Erzeugung und Aufrechthaltung der quasistationären Blasenschwebezone notwendige Minimalrezirkulationsrate stets den aktuellen Züchtungsparametern angepasst werden.

  Die Rezirkulationsströmung wird zweckmässigerweise direkt über die Propellerdrehzahl eingestellt. 



  Die Verfahrensvariante nach Anspruch 2 ermöglicht mittels der Veränderung des freien Strömungsquerschnittes im Innenrohr eine noch weitergehende Beeinflussung der Reaktorfluiddynamik. Praktisch unabhängig von der Rezirkulationsrate kann dadurch die direkt auf die die Blasen in der Blasenschwebezone einwirkende Strömungsgeschwindigkeit der flüssigen Phase gesteuert werden. Bei grösserem Querschnitt kann zugelassen werden, dass Blasen ab einer gewissen Grösse entgegen der Flüssigkeitsströmungsrichtung im Innenrohr aufsteigen können. Wird der Querschnitt durch Verstellen des  Verdrängungskörpers vermindert, kann verhindert werden, dass Blasen im Innenrohr nach oben entgasen. In diesem Fall erfolgt der Gasaustausch im Reaktor nur durch Mitreissen von Kleinblasen durch den Rezirkulationsstrom, d.h. diese Blasen entgasen erst nach Durchfliessen des äusseren Ringkanals.

  Im letzteren Fall wird die Gasverweilzeit im Reaktor maximal und der Frischgasbedarf  erreicht  sein  Minimum  (vgl. Anspruch  3). 



  Durch die Massnahmen des Anspruchs 4 wird eine besonders schonende Umwälzung der Reaktionslösung erreicht. Der im Durchmesser grösstmögliche Propeller erbringt die zur Aufrechthaltung der Blasenschwebezone notwendige minimale Flüssigkeitsumwälzmenge mit der kleinstmöglichen Drehzahl. Demzufolge resultiert die geringstmögliche mechanische Belastung (d.h. lokale Schubspannungswerte) auf das Fluid. Wird zudem der Leistungseintrag unterhalb der Blasenschwebezone vorgenommen, wie dies der Anspruch 5 fordert, kann einerseits direkt Einfluss auf die Grösse der schwebenden Kleinstblasen genommen werden, d.h. die durch die Flüssigkeitsströmung aus der Blasenschwebezone mitgerissenen Blasen verlassen daher mit grosser Wahrscheinlichkeit die Blasenschwebezone. Andererseits kann durch Wahl der Betriebsposition unterhalb des Ortes max.

  Gasgehaltes der Leistungseintrag beeinflusst werden, steht doch die Dichte des Rührgutes in einem  linearen Zusammenhang mit der vom Propeller aufgenommenen Leistung. 



  Selbstverständlich werden mit Vorteil Propellergeometrien mit hoher Axialförderleistung bei bestimmter Drehzahl eingesetzt. Da entsprechende Wahlkriterien der bekannten Rührliteratur entnommen werden können, wird an dieser Stelle nicht näher auf die Rührertypenwahl und Dimensionierung eingegangen. 



   Zusammenfassend kann das erfindungsgemässe Verfahren folgendermassen umschrieben werden: 



  Die Begasung findet im Innenrohr eines Schlaufenreaktors statt, dessen Flüssigkeitsinhalt vollständig mittels eines Propellers umgewälzt wird. Um die Verweilzeit der Gasblasen im Reaktor zu erhöhen, werden sie durch die abwärtsgerichtete Flüssigkeitsströmung im Innenrohr in Schwebe gehalten. Dank eines axialen Gradienten der Flüssigkeitsströmung über die Innenrohrlänge lassen sich Blasen unterschiedlichen Durchmessers bei konstanter Propellerdrehzahl in Schwebe halten. Dieser Geschwindigkeitsgradient wird erzeugt, indem die Innenkontur des Innenrohres in der Art einer Düse mit nach unten gerichtetem Diffusor ausgebildet ist. Jede  Blase, deren Durchmesser grösser als ein Grenzdurchmesser ist, steigt somit im Diffusor so weit nach oben, bis ihre Aufstiegsgeschwindigkeit gleich der abwärtsgerichteten Flüssigkeitsgeschwindigkeit ist.

  Durch die Positionierung des Propellers im grössten Querschnitt des Innenrohres erzielt er die notwendige Pumpleistung mit kleinstmöglicher Drehzahl. Dies stellt für die Zellen die schonendste Betriebsweise dar. Da zudem mit geringem Frischgasbedarf hohe Stoffübertragungswerte erreicht werden, resultiert eine minimale Schaumbildung. 



  Im folgenden werden anhand der beiliegenden Figuren drei Ausführungsformen der erfindungsgemässen Schlaufenreaktoren gezeigt und z.T. näher beschrieben. 



  Die Fig. 1 zeigt einen Reaktor mit einem Innenrohr, dessen Innenquerschnitt über die Lauflänge variiert. 



  Im Reaktor gemäss Fig. 2 wird die Querschnittsbeeinflussung im Innenrohr durch eine Rührerwelle nichtkonstanten Querschnitts über deren Lauflänge erreicht. Dies kann entweder mittels einer entsprechend gearbeiteten Welle oder mittels eines oder mehrerer über eine herkömmliche zylindrische Welle geschobener Profilteile erreicht werden. 



  Die Fig. 3 zeigt einen Schlaufenreaktor mit variabel einstellbarem Verdrängungskörper im Innenrohr. Der hier nicht dargestellte Verstellmechanismus kann von aussen bedient werden. 



  Derartige Reaktoren verfügen im allgemeinen über einen drehzahlsteuerbaren Propellerantrieb 1. Der Propeller 2 pumpt die Flüssigkeit durch das Innenrohr 3 nach unten. Im Ringraum 4 stellt sich daher eine Aufwärtsströmung ein. Die Rührerdrehzahl wird so hoch eingestellt, dass auch die grössten Blasen gerade noch in der Schwebe gehalten werden. 



  Über ein Begasungsrohr 5 wird Gas, z.B. Luft oder Sauerstoff, in das Innenrohr eingetragen. Das Begasungsrohr kann sowohl oberhalb wie unterhalb des Propellers liegen. Die Einzelblase möchte aufgrund ihrer im Vergleich zur Flüssigkeit geringeren Dichte nach oben aufsteigen. Die nach unten strömende Flüssigkeit verhindert oder bremst nun diesen Blasenaufstieg in Funktion des Blasendurchmessers und der Blasenform. Der Verdrängungskörper 6 erzeugt dank seiner konischen Form im Innenrohr einen von oben nach unten kontinuierlich zunehmenden freien Strömungsquerschnitt. 



  Damit nimmt die Strömungsgeschwindigkeit der flüssigen Phase im Innenrohr von oben nach unten ab. 



  Die Form des Verdrängungskörpers beschränkt sich dabei nicht auf den in Fig. 3 gezeigten Konus. Vielmehr lassen sich durch geeignete Oberflächenverläufe des Verdrängungskörpers beliebige lokale Abwärtsströmungszonen (lokale oder feldmässig ausgedehnte) erzielen. Auf diese Weise können gezielt Blasenschwebezonen mit bestimmten Blasengrössenspektren erzeugt werden. 



   Im Verlauf der Zellzüchtung kann z.B. der Sauerstoffgehalt der Reaktionslösung in situ gemessen werden. Liegt der Gehalt über einem bestimmten Grenzwert, kann die Frischgaszufuhr für eine gewisse Zeit unterbrochen werden. Während dieser Unterbrechungsphase liefern die in der Blasenschwebezone verbleibenden Blasen den für die Zellaktivität notwendigen Sauerstoff. 



  Es wird darauf hingewiesen, dass der Schutzumfang sich auch auf Reaktoren der beschriebenen Bauarten erstreckt, unabhängig davon, ob in ihnen das erfindungsgemässe Verfahren durchgeführt wird oder nicht. 

Claims (9)

1. Verfahren zum Begasen einer Zellsuspension in einem mit einem Propeller ausgerüsteten Schlaufenreaktor, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsinhalt des Reaktors unter Aufwendung des kleinstmöglichen mechanischen Leistungseintrags totzonenfrei durch die Reaktorschlaufe gepumpt wird und dass das Reaktionsgas derart der Flüssigkeit zudosiert wird, dass im Reaktorinnenrohr eine quasistationäre Blasenschwebezone entsteht und aufrechterhalten bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines in der abwärts gerichteten Strömung in Axialrichtung des Innenrohres verstellbar angeordneten Verdrängungskörpers die Strömungsgeschwindigkeit der Suspension eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdurchsatz minimal gehalten wird oder intervallweise auf Null gesetzt wird.

4.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der grösstmögliche im Innenrohr positionierbare Propeller verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller unterhalb der Zone höchster Gasdichte betrieben wird.

6. Schlaufenreaktor mit einem Leitrohr zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der frei durchströmbare Innenquerschnitt des Leitrohres sich zumindest längs einem Teilbereich der Leitrohrlänge erweitert und dass ein Propeller im grössten Innenquerschnitt angeordnet ist.

7. Schlaufenreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsveränderung durch Mittel bewirkt wird, die im Bereich der Propellerachse angeordnet sind oder sich mit dieser drehen.

8.

Schlaufenreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel in der Verlängerung der Propellerachse liegen.

9. Schlaufenreaktor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der engste Querschnitt im Leitrohr durch die Mittel frei einstellbar ist.