CS255974B1 - Fermentor - Google Patents

Abstract

Fermentor sestává ze svislé nádoby obsahující radiální narážky, distributor vzduchu a nejméně tři axiální míchadla. Pro zabezpečení potřebného dispergačňího a homogenizačního účinku jsou míchadla umístěna nad sebou na společné hřídeli ve vzdálenosti 0,25 až 1,0 průměru nádoby a jsou opatřena minimálně dvěma vodorovnými lopatkami, vykazujícími lomený profil. Průměr míchadel činí min. 0,6 průměru nádoby a největší šířka lopatek nepřesahuje 0,25 průměru míchadla. Distrubutor je umístěn pod néjnižším michadlem ve vzdálenosti 0,2 až 1,0 průměru nádoby. Jeho vzdálenost ode dna činí 0,05 až 0,6 průměru nádoby. Lopatky mohou na vnějším obvodu nést radiální usměrňovače. Při použití usměrňovačů je účelné volit provedení, při němž jsou lopatky orientovány vypuklou částí nahoru.

Description

Vynález se týká fermentoru pro aerobní kultivace, opatřeného axiálními lopatkovými míchadly s lomenou plochou lopatek.

%

U fermentačních zařízení pro aerobní kultivace se do fermentační nádoby přivádí vzduch, který je třeba v kapalné fermentační zápaře intenzivně dispergovat do jemných bublin. Většinou se k tomuto účelu užívají rotační míchadla turbinového typu. Z bublin přechází kyslík do kapalné fáze a zde je třeba jej spolu s dalšími komponentami procesu homogenizovat v celém objemu vsádky. Oba procesy, jak dispergace plynu tak i následná homogenizace celé vsádky, jsou určujícími faktory pro výtěžnost procesu a tím i jeho efektivnost.

Dosud užívané systémy fermentorů, kupříkladu fermentory v uspořádání podle čs. AO 148 540 nebo 210 535, se sice vyznačují dostatečnou dispergační kapacitou, vykazují však vesměs nízké homogenizační účinky. Přitom u řady fermentačních procesů, zejména u procesů prováděných v provozním měřítku, je právě dokonalá homogenita vsádky určující složkou. Nedostatečná homogenizační účinnost dosavadních fermentorů se musí v těchto případech kompenzovat zvýšenou spotřebou energie na míchání a dmýchání.

Dalším důležitým technologickým požadavkem je rovnoměrné rozdělení disipace mechanické energie a pole střižných sil v celém objemu nádoby. Dosavadní systémy fermentorů pracují vesměs s menšími průměry míchadel a vyššími otáčkami, což vede často k překročení přípustného namáhání procesních mikroorganismů v oblasti okrajů míchadel a tím i ke snížení aktivity těchto organismů nebo dokonce jejich porušení.

Dané požadavky naproti tomu splňuje axiální míchadlo pro homogenizační míchání kapalin i vícefázových kapalných soustav podle čs. AO 248 314. Toto míchadlo, které tvoří náboj a nejméně dvě vodorovné lopatky, je charakterizováno tím, že plocha lopatek je nejméně jednou lomená. Při jednoduchém lomu svírá přitom horní náběžná plocha se spodní náběžnou plochou lopatek úhel nejméně 160°, přičemž horní náběžná plocha svírá s rovinou rotace míchadla úhel nejméně 10°, zatímco spodní náběžná plocha úhel menší než 75°. Obecně, při vícenásobném lomu, se úhel, který svírají jednotlivé náběžné plochy s rovinou rotace míchadla, postupně zvětšuje. Náběžné plochy vykazují trojúhelníkový či čtyřúhelníkový tvar a horní náběžná plocha je zakončena ostřím, jehož vnitřní úhel činí 10 až 45°.

Fermentor v provedení podle vynálezu využívá příznivých pevnostních a hydrodynamických vlastností axiálního lopatkového míchadla podle čs. AO 248 314. Sestává ze svislé nádoby opatřené radiálními narážkami, distributorem vzduchu a míchacím zařízením, zahrnujícím axiální míchadla s nejméně dvěma vodorovnými lopatkami, jejichž plocha je alespoň jednou lomena s postupně se zvětšujícím úhlem náběhových ploch lopatek vzhledem k rovině rotace míchadla. Podstata fermentoru v provedení podle vynálezu spočívá v tom, že v nádobě fermentoru jsou na společné hřídeli nad sebou umístěna nejméně tři axiální míchadla ve vzdálenosti odpovídající 0,25 až 1,0 průměru nádoby a pod nejnižŠím míchadlem je ve vzdálenosti 0,2 až 1,0 průměru nádoby od míchadla a 0,05 až 0,5 průměru nádoby ode dna nádoby umístěn distributor vzduchu.

Průměr míchadel činí přitom nejméně 0,6 průměru nádoby, průměr distributoru nejméně 0,5 průměru nádoby a největší šířka lopatek míchadel je rovna nebo menší než 0,25 průměru míchadla. Pro zvýšení dispergačního a homogenizačního účinku jsou lopatky míchadel popřípadě orientovány vypuklou částí směrem dolů a alespoň u některých z nich jsou na vnějším obvodu umístěny radiální usměrňovače, jejich pracovní plocha svírá v místě upevnění na lopatce s tečnou obvodové kružnice úhel 15 až 45°. Sousední axiální míchadla jsou přitom s výhodou navzájem pootočena o úhel 10 až 90°.

Výhody uspořádání fermentoru podle vynálezu spočívají v tom, že umístěním většího počtu velkoprůměrových axiálních lopatkových míchadel nad sebou ve spojení s rovněž velkoprůměrovým distributorem vzduchu umístěným pod nejnižším míchadlem, se dosáhne potřebného přestupu kyslíku do kapaliny při nižší spotřebě energie než^:’u dosud známých systémů.

Disipace mechanické energie a pole střižných sil ve fementačním mediu jsou rovnoměrně, takže nedochází ke snížení aktivity přítomných mikroorganismů. Hlavní výhodou nového uspořádání fementoru je však především rychlejší homogenizace uvnitř fermentačního media, jež se příznivě odráží na celkové výtěžnosti technologického procesu.

Počet míchadel je v zásadě závislý především na poměru výšky kapalinové náplně k průměru nádoby. Vzdálenost sousedních míchadel se volí v závislosti na počtu lopatek u jednotlivých míchadel a počet lopatek závisí opět především na povolené výši smykového namáhání mikroorganismů přítomných v míchaném fermentačním mediu. Zvýšení počtu lopatek je možno při zachování konstantní spotřeby energie snížit otáčky míchadla a obvodovou rychlost lopatek a tím současně snižit i nerovnoměrnosti v polí smykových sil. Z důvodů rovnoměrného rozdělení disipace mechanické energie je dále účelně volit provedení, při němž největší šířka lopatek axiálních míchadel je rovna nebo nebo menší než 0,25 průměru míchadla. Ohel pootočení sousedních míchadel se pak volí v závislosti na počtu míchadel a počtu lopatek u jednotlivých míchadel.

Další intenzifikaci dispergačního a homogenizačního účinku míchacího ústrojí přináší nadto použití radiálních usměrňovačů, umístěných na vnějším obvodu lopatek axiálních míchadel Usměrňovače vytvářejí na koncích lopatek dílčí radiální tok, kterým je část bublin strhávána ve směru ke stěně nádoby fermentoru. Tímto způsobem se zejména ve spojení s natočením lopatek lomenou, vypuklou částí směrem dolů vyvolá cirkulace směsi kapaliny a vzduchových bublin podél stěny nádoby směrem dolů a středovou částí nádoby nahoru. Prodlouží se tak dobapbbytu bublin v kapalině a zvýší se přenos kyslíku mezi plynnou a kapalnou fází.

Toto opatření je zejména důležité u velkoobjemových fermentačních zařízení s velkými nároky na spotřebu kyslíku.

Příkladné provedení fermentoru podle vynálezu je dále znázorněno na připojeném výkrese, kde obr. 1 představuje svislý řez nádobou fermentoru s pěti nad sebou umístěnými axiálními míchadly, opatřenými vždy dvojicí lopatek orientovaných vypuklou částí směrem dolů, obr. 2a detailní boční pohled na míchadlo se dvěma lopatkami podle obr. 1 v rovině rotace míchadla, kolmo na podélnou osu lopatek, obr. 2b odpovídající půdorysný pohled na míchadlo podle obr. 2a a obr. 2c boční pohled na míchadlo podle obr. 2a a 2b v rovině rotace míchadla, ve směru podélné osy lopatek.

Fermentor v provedení znázorněném na obr. 1 sestává ze svislé nádoby 1_ s klenutým dnem a radiálně rozloženými svislými narážkami 2· Ve svislé· ose nádoby 1_ je otočně uložen hřídel 6_, na němž je v rovnoměrném odstupu nad sebou upevněno pět axiálních míchadel 4_, opatřených vždy dvojicí lopatek 5.. Sousední míchadla 4_ jsou navzájem pootočena o 90°. Pod nejnižším míchadlem 4 je umístěn distributor 2 vzduchu.

Vlastní provedení axiálních míchadel 4. je dobře patrno z obr. 2a až 2c. Lopatky 2 míchadel 4 vykazují lomený profil 1_ a jsou orientovány vypuklou částí směrem dolů. NáběŽné plochy lopatek 2 mají čtyřúhelníkový tvar a jejich roviny svírají navzájem úhel 160°.

Horní náběžná plocha přitom svírá s rovinou rotace míchadla 4_ úhel 45°, zatímco spodní náběžná plocha úhel 25°. Lopatky jsou na vnějším obvodu opatřeny radiálními usměrňovači 2 ve tvaru svislých plošek, které s tečnou obvodové kružnice v místě upevnění usměrňovačů 2 k lopatce 5_ svírají úhel 15°.

Cirkulace směsi kapalné a plynné fáze (vzduchu) probíhá ve znázorněném zařízení, založeném na použití míchadel s lopatkami orientovanými vypuklou částí směrem dolů, následujícím způsobem : vzduch přiváděný distributorem o relativně velkém průměru se rovnoměrně rozptýlí po celém průměru nádoby. Účinkem axiálních míchadel s lomeným profilem lopatky jsou vzniklé bubliny vzduchu rozptýleny v jemnou disperzi, která je vlivem proudění, vyvolaného rotací míchadel, unášena střední částí nádoby fermentoru směrem k hladině fermentační zápary. Působením radiální složky rychlosti proudění na koncích lopatek je přitom část stoupající disperze vrhaná proti stěně nádoby a účinkem sestupného proudu recirkulována podél stěny nádoby směrem ke dnu.

Tímto způsobem se podstatně zvýší podíl recirkulujícího vzduchu, přičemž při každém průchodu disperze oblastí lopatek dochází opakovaně k další dispergaci vzduchových bublin a jejich postupném zmenšování při současném zvětšení celkové mezifázové plochy. Intenzivní cirkulace směsi v nádobě s převládající axiální složkou zajištuje nadto rychlou homogenizaci všech komponent procesu.

Konstrukční provedení fermentoru podle vynálezu není ovšem omezeno jen na znázorněné uspořádání. Svislé radiální narážky mohou být kupříkladu nahrazeny narážkami jiného provedení, příkladně narážkami vytvořenými z teplosměrnných trubkových svazků.

U axiálních míchadel je možno použít i lopatek obrácených vypuklou částí směrem nahoru a to popřípadě i v kombinaci s radiálními usměrňovači. Tok směsi v nádobě je v tomto případě obrácený: disperze vzduchových bublin v kapalném fermentačním mediu proudí podél stěn nádoby směrem vzhůru a středovou částí recirkuluje směrem ke dnu nádoby. Použití usměrňovačů při tomto uspořádání míchadel a obráceném toku směsi dává ovšem horší výsledky.

V některých případech není nutno, aby radiálními usměrňovači byly opatřeny lopatky všech míchadel. Aby se předešlo předčasnému úniku vzduchových bublin z kapalného fementačního media v horní části nádoby a posílil se recirkulační účinek axiálních míchadel, často postačí, jestliže jsou usměrňovače upevněny pouze na lopatkách horních míchadel.

Pro jednoduchost nebylo znázorněno vytváření ostří na horních náběžných plochách lopatek axiálních míchadel, třebaže toto provedení má zejména u velkoobjemových fermentorů s velkým průměrem míchadel obzvláštní význam, neboř snižuje odpor lopatek při zachování nebo dokonce zvýšení čerpacího a tudíž homogenizačního účinku míchadel.

Claims (2)

1. Fermentor sestávající ze svislé nádobky opatřené radiálními narážkami, distributorem vzduchu a míchacím zařízením zahrnujícím axiální míchadla s nejméně dvěma vodorovnými lopatkami, jejichž plocha je alespoň jednou lomena s postupně se zvětšujícím úhlem náběhových ploch vzhledem k rovině rotace míchadla, vyznačený tím, že v nádobě (1) fermentoru jsou na společné hřídeli (6) nad sebou umístěna nejméně tři axiální míchadla (4) ve vzdálenosti odpovídající 0,25 až 1,0 průměru nádoby (1) a pod nejniřším míchadlem (4) je ve vzdálenosti 0,2 až 1,0 průměru nádoby (1) od míchadla (4) a 0,05 až 0,5 průměru nádoby (1) ode dna nádoby (1) umístěn distributor (3) vzduchu, přičemž průměr míchadel (4) činí nejméně 0,6 průměru nádoby (1), průměr distributoru (3) míchadel (4) je rovna nebo menší než 0,25 průměru míchadla (4), přičemž lopatky (5) míchadel jsou popřípadě dále vypuklou částí orientovány směrem dolů a alespoň u některých z nich jsou na vnějším obvodu umístěny radiální usměrňovače (8), jejichž pracovní plocha svírá v místě upevnění na lopatce (5) s tečnou obvodové kružnice úhel 15 až 45°.

2. Fermentor podle bodu l, vyznačený tím, že sousední axiální míchadla (4) jsou navzájem pootočena o úhel 10 až 90°.

2 výkresy