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.
When entering a gas, e.g. Oxygen, into a microorganism or cell sensitive to shear stress, e.g. Animal cells containing suspension are primarily the following factors important:
- High utilization of the gas by optimizing the gas residence time with a high mass transfer coefficient. This measure immediately minimizes the fresh gas requirement and thus also the effort required for subsequent exhaust gas purification.
- Minimization of foam formation so that the cell damage associated with the bursting of the foam bubbles is negligible.
The lowest possible shear stress influence on the suspension by the conveyor to minimize mechanical cell damage.
- Homogeneous, i.e. Dead zone-free mixing of the reaction liquid so that all cells suspended therein are subjected to the same environmental conditions and thus identical growth conditions.
From the prior art, e.g. CH-563 801 and DE-PS 1 283 763, methods and devices are known which well meet the first two factors above. By varying the mean flow velocity in the central tube of these reactors, a quasi-stationary gas bubble floating zone with a high gas density is achieved with a corresponding intensive mass transfer performance. The gas bubbles are kept in suspension by the downward flow of the liquid in the area of the bubble floating zone. Since oxygen is mostly consumed from the gas bubbles in organic cultivation, the individual bubbles must be replaced from time to time with new ones. Such a bubble hover zone is therefore called quasi-stationary.
In the methods and devices mentioned, the special flow control therefore has a direct influence on the bubble residence time in the reactor. However, since their use was primarily planned for introducing large amounts of oxygen into contaminated wastewater, the object of the present invention is to modify these processes or apparatuses in such a way that cells which are sensitive to mechanical influences, e.g. animal cells so that they can be fumigated. At the same time, the reaction mixture should be homogeneous with regard to the concentration of the dissolved and suspended components. During the gassing process, the average gas residence time in the reactor should also be able to be influenced without having to convert the reactor, e.g. to take into account changing interfacial activities during breeding.
Furthermore, the process and the reactors required to carry it out should bring economic advantages.
This object is achieved by the features listed in claim 1. Preferred embodiments of the method are listed in claims 2 to 5. Claims 6 to 9 define particularly suitable loop reactors for carrying out the method according to the invention.
According to the features listed in claim 1, only so much mechanical energy is introduced into the reactor via the propeller to protect the cells that its entire reaction solution content is detected by the recirculation flow. This prevents so-called dead zones from occurring or forming during breeding. Fresh gas is fed directly into the inner tube, whereby the mixing point can be below or above the propeller. Depending on the coalescence behavior and the interfacial activity of the reaction solution, a specific bubble spectrum results, which in turn determines the gas hold-up in the inner tube. Consequently, the minimum recirculation rate required to generate and maintain the quasi-stationary bladder levitation zone must always be adapted to the current breeding parameters.
The recirculation flow is expediently set directly via the propeller speed.
The method variant according to claim 2 enables the reactor fluid dynamics to be influenced even further by changing the free flow cross section in the inner tube. The flow rate of the liquid phase acting directly on the bubbles in the bubble floating zone can be controlled practically independently of the recirculation rate. With a larger cross-section, bubbles can be allowed to rise in the inner tube from a certain size against the direction of liquid flow. If the cross-section is reduced by adjusting the displacement body, bubbles in the inner tube can be prevented from degassing upwards. In this case, the gas exchange in the reactor only takes place by entraining small bubbles through the recirculation stream, i.e. these bubbles only degas after flowing through the outer ring channel.
In the latter case, the gas residence time in the reactor becomes maximum and the fresh gas requirement reaches its minimum (cf. claim 3).
A particularly gentle circulation of the reaction solution is achieved by the measures of claim 4. The diameter of the largest possible propeller provides the minimum amount of liquid circulation required to maintain the bubble levitation zone at the lowest possible speed. As a result, the lowest possible mechanical stress (i.e. local shear stress values) results on the fluid. If, in addition, the power input is made below the bladder levitation zone, as claimed in claim 5, on the one hand, the size of the floating tiny bubbles can be directly influenced, i.e. the bubbles entrained by the flow of liquid from the bladder levitation zone therefore leave the bladder levitation zone with a high probability. On the other hand, by choosing the operating position below the location, max.
Gas content of the power input are influenced, since the density of the material to be stirred is in a linear relationship with the power consumed by the propeller.
Of course, it is advantageous to use propeller geometries with a high axial flow rate at a certain speed. Since appropriate selection criteria can be found in the known stirring literature, the choice of stirrer type and dimensioning will not be discussed in more detail here.
In summary, the method according to the invention can be described as follows:
The gassing takes place in the inner tube of a loop reactor, the liquid content of which is completely circulated by means of a propeller. In order to increase the residence time of the gas bubbles in the reactor, they are kept in suspension by the downward flow of liquid in the inner tube. Thanks to an axial gradient of the liquid flow over the length of the inner tube, bubbles of different diameters can be kept in suspension at a constant propeller speed. This speed gradient is generated in that the inner contour of the inner tube is designed in the manner of a nozzle with a diffuser directed downward. Each bubble, the diameter of which is larger than a limit diameter, rises upwards in the diffuser until its rate of ascent is equal to the downward liquid velocity.
By positioning the propeller in the largest cross-section of the inner tube, it achieves the necessary pumping power at the lowest possible speed. This is the gentlest mode of operation for the cells. Since high mass transfer values are also achieved with a low fresh gas requirement, minimal foaming results.
In the following, three embodiments of the loop reactors according to the invention are shown with the aid of the attached figures and some of them. described in more detail.
Fig. 1 shows a reactor with an inner tube, the inner cross section of which varies over the length of the barrel.
In the reactor according to FIG. 2, the cross-sectional influence in the inner tube is achieved by a stirrer shaft with a non-constant cross-section over its length. This can be achieved either by means of a correspondingly machined shaft or by means of one or more profile parts pushed over a conventional cylindrical shaft.
3 shows a loop reactor with a variably adjustable displacement body in the inner tube. The adjustment mechanism, not shown here, can be operated from the outside.
Such reactors generally have a speed-controllable propeller drive 1. The propeller 2 pumps the liquid down through the inner tube 3. An upward flow therefore occurs in the annular space 4. The stirrer speed is set so high that even the largest bubbles are just suspended.
Gas, e.g. Air or oxygen, entered in the inner tube. The gassing pipe can be both above and below the propeller. The single bubble wants to rise due to its lower density compared to the liquid. The liquid flowing down prevents or slows down this bubble rise as a function of the bubble diameter and the bubble shape. Thanks to its conical shape in the inner tube, the displacement body 6 produces a free flow cross section which increases continuously from top to bottom.
The flow rate of the liquid phase in the inner tube thus decreases from top to bottom.
The shape of the displacement body is not limited to the cone shown in FIG. 3. Rather, any local downward flow zones (local or extended in terms of field) can be achieved by suitable surface courses of the displacement body. In this way, bladder levitation zones with specific bubble size spectra can be generated in a targeted manner.
In the course of cell growth e.g. the oxygen content of the reaction solution can be measured in situ. If the content is above a certain limit, the fresh gas supply can be interrupted for a certain time. During this interruption phase, the bubbles remaining in the bladder levitation zone provide the oxygen necessary for cell activity.
It is pointed out that the scope of protection also extends to reactors of the types described, regardless of whether the method according to the invention is carried out in them or not.