DD279824A1 - Vorrichtung zur unterdrueckung des bewachsens der inneren wandung submers arbeitender bioreaktoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Unterdrueckung des Bewachsens der Innenwand submers arbeitender Bioreaktoren, insbesondere von Laborfermentoren. Sie verfolgt das Ziel, bei solchen Reaktoren Bewuchsfreiheit der inneren Wandung durch eine automatisch arbeitende Abstreifvorrichtung zu erreichen, die mit der ungestoerten Funktion des Ruehrersystems und der mechanischen Schaumbekaempfung vertraeglich ist. Die diesem Ziel zugeordnete Aufgabe wird geloest, indem die Traegerwelle des mechanischen Schaumzerstoerers zusaetzlich das Abstreiforgan sowie eine drehrichtungsselektive Kupplung traegt. Durch eine zusaetzliche Steuerelektronik wird in periodischen Abstaenden bei Beruecksichtigung der Prioritaet des Reglers der mechanischen Schaumbekaempfung der Drehsinn des Antriebsmotors der mechanischen Schaumbekaempfung umgeschaltet, seine Drehzahl auf einen vorgewaehlten Wert reduziert und auf diese Weise der Abstreifvorgang der inneren Wandung mittels mehrfachen Umlaufs der wandanliegenden Wischerblaetter des Abstreiforgans realisiert. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Unterdrückung des Bewachsens der inneren Wandung submers arbeitender Bioreaktoren außerhalb der Kulturlösung (im Gasraum-Wandbereich) von Labor- und Pilotfermentoren.

Dementsprechend liegt das Anwendungsgebiet der Erfindung im Fermentorbau bzw. in der Verfahrensentwicklung mikrobieller Fermentationen mit hochviskosen Kulturlösungen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bereits auf der Stufe des Glas-Schüttelkolbens entstehen bei der Kultivierung mycelialer Mikroorganismen außerhalb der Kulturlösung ringförmige Bewüchse an der Kolbeninnenwand. Folglich liegt keine homogene Submersphase vor. Der emers vorhandene Biomasseantsil fehlt in der aus Submersproben ermittelten Wachstumskinetik, geht aber voll in die Substratbilanz ein. Im Extremfall bestimmen lysiert in die Kulturlösung zurückkehrende Anteile der emersen Biomasse das gesamte Stoffwechselverhalten, indem sie störende oder sogar ausbeutemindernde Mehrphasigkeiten von Wachstum bzw. Produktbildung verursachen.

Für Pilotfermentoren bis zum Arbeitsvolumen von etwa 30 Litern, insbesondere aber für Pilotfermentoren mit Arbeitsvolumina von weniger als 10 Litern, stellt sich die Problematik des Wandbewuchses erheblich schärfer dar, sofern aerobs myceliale Mikroorganismen (z. B. Pilze) in Laborfermentationen (länger als 50 Stunden) bei ständiger Aufrechterhaltung von Wachstum kultiviert werden.

Die Ursache liegt darin, daß infolge der benötigten hohen Turbulenz für Homogenisierung und GyVersorgung derartiger Kulturen im Zusammenwirken mit austre bend wirkenden Baugruppen, wie Schikanen, Wärmetauschern und Sensoren, im Fermentorgefäß entstehende Spritzer der hochviskosen Kulturlösung zur ständigen Vergrößerung der Biomasseschicht an der feststehenden Wandung führen. Im Fall von Benzylpenicillin-Fermentationen im Laborfermentermaßstab kann auf diese Weise mehr als ein Drittel der Gesamtbiomasse außerhalb der Kulturlösung vorliegen. Es ergeben sich schwerwiegende Fehlaussagen, indem scheinbare Substratkonversionen und damit Fahlanpassungen der Mediumskompositionen zum O₂-Eintrag größerer Fermentoren sowie ein verfälschtes Produktbildungsverhalten ermittelt werden.

Aus den dargelegten Gründen stellt der material- und konstruktionsbedingte Wandbewuchs ein wichtiges apparatives Auswahlkriterium für die Eignung von Fermentoron dar (vgl. I.ADLER, A. FIECHTER, Charakterisierung von Bioreaktoren mit biologischen Testssystemen, Vortrag auf dem Jahrestreffen der Verfahrensingenieure, 29.9.-1.10.1982, Basel).

Der bekannte technische Stand ist durch die Verwendung silikonisierter Glaszylinder bzw. hochpolierter Edelstahlbleche jls Wandungsmaterial charakterit!.":'«.

Aktive automatisch arbeitende Abstreifeinrichtungen für wandanhaftende Biomasse sind bisher nicht beschrieben worden. Der bekannte technische Stand der Ausrüstung von Fermentoren mit Untenrlur-Dispergierorgt η schließt ein eigenständig arbeitendes automatisches mechanisches Schaumbekämpfungssystem ein, dessen Trägerwelle mit Rotor am Deckel des Fermentors installiert ist. Der Antrieb erfolgt bevorzugt über eine Magnetkupplung, wobei Festtourbnzahlen von etwa 3000min^' in entgegengesetzter Drehrichtung zur Unterflur-Rührerwolle realisiert werden. Die automatische Auslösung der mechanischen Schaumbekämpfung erfolgt im allgemeinen mit Hilfe einer höhenverstellbaren Leitfähigkeitssonde.

Somit sind bei derartig ausgerüsteten Fermentoren die Möglichkeiten zur Realisierung von inneren Drehbewegungen über zentral gelagerte Achsen im Boden für die Suspendierung des Kulturmediums bzw. die Gasverteilung und im Deckel für die mechanische Schaumbekämpfung ausgeschöpft.

Weiterhin sind Abstreifeinrichtungen für Rührerwellen bekannt. Diese bestehen aus mindestens einer feststehenden Schneide, an der sich die Rührerwelle vorboidreht. Derartige Rührerwellenabstreifungen sind von Bedeutung, wenn die Entmischungsneigung wachsartiger Komponenten des Fermentationsmediurrs durch bevorzugtes Aufziehen auf der rotierenden Rührerwelle unterdrückt werden soll. Diese Rührerwollenabstreifungen ergeben keine Ansatzpunkte für die Lösung des Problems der Wandabctreifung.

Für Festsubstrat-Bioreaktoren sind mit der langsam drehenden Mischerwelle fest verbundene Wandungswischer bekannt. Diese technische Lösung kommt für hochtourige und während der Fermentation oft mit variabler Drehzahl laufende Submersreaktoren jedoch nicht in Betracht.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung beinhaltet das Ziel, bei submers arbeitenden Bioreaktoren, insbesondere bei Laborfermentoren, in effektiver Weise Bewuchsfreiheit der inneren Wandung zu erreichen, um Verfälschungen der Wachstums- und Produktbildungskinetik infolge der an der Wandung abgesetzten bzw. angewachsenen Biomasse zu vermeiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur wirksamen Unterdrückung des Bewachsens der inneren Wandung submers arbeitender Bioieaktoren anzugeben, die mit der ungestörten Funktion dos Unterflur-Rührwerks und der mechanischen Oberflur-Schaumbekämpfung verträglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die vom Fermentordeckel hör in das Kulturgefäß ragende Trägerwelle des mechanischen Schaumzerstörers zusätzlich eine drehrichtungselektive Kupplung und ein Abstreiforgan für die zylindrische innere Wandung trägt, das mittels elektronisch ausgelöster Umschaltung dos Drehsinns der Welle bei gleichzeitiger Reduzierung der Drehzahl periodisch wirksam wird. Das Abstreiforgan besteht aus mindestens einem Wischerblatt, bevorzugt jedoch zwei Wischerblättern, das bzw. die mittels Führung durch einen Doppelgelenkhebel durch die Wirkung der Schwerkraft an der Wandung anliegt bzw. anliegen. Die Gelenke sind ebene Kippgelenke. Das am Wischerblatt ansetzende Gelenk liegt höher als das zweite Gelenk, da der Doppelgelenkhebel zur Erzeugung der anpressenden Schwerkraftkomponente von unten nach oben zur Wandung geneigt ist, wobei seine Verlängerungslinie die Achse des Fermentors schneidet (radiale Anordnung). Das untere Gelenk stellt die Verbindung zum Zentralschenkel her, der in sich starr mit dem tragenden Zentrum verbunden ist, das sich axial verschiebbar und frei drehbar auf der Trägerwelle des mechanischen Schaumzerstörers befindet. Dazu ist das tragende Zentrum als dicke Kreisscheibe mit Zentralbohrung ausgeführt und enthält Elemente zur Realisierung der drehrichtungsselektiven Kupplung. Zur Begrenzung des Winkels zwischen dem Doppelgelenkhebel und dem Zentralschenkel, die für das ungehinderte Aufsetzen des Fermentordeckels erforderlich ist, dient die Winkelbrücke, die einen Winkelbereich von 30° bis 80° zwischen Trägerwelle und der Verlängerung des Doppelgelenkhebels zuläßt. Der Zentralschenkel hat vom unteren Gelenk zum tragenden Zentrum die entgegengesetzte Neigungsrichtung des Doppelgelenkhsbels.

Die drehrichtungsselektive Kupplung besteht in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus einem Kupplungsunterteil und einem Kupplungsoberteil. Das Kupplungsunterteil weist mindestens eine Zahnflanke auf und ist starr auf der Trägerwelle befestigt. Das Kupplungsoberteil befindet sich oberhalb des Kupplungsunterteils, weist eine Mitnehmerklaue auf und ist auf der Trägerwelle axial verschieb- und frei drehbar angeordnet. Entsprechend der Drehrichtung der Trägerwelle kommt die Mitnehmerklaue des Kupplungsoberteils mit der Zahnflanke des Kupplungsunterteils in Eingriff. Das Kupplungsunterteil ist als dicke Kreisscheibe mit mindestens einer Zahnflanke auf der zum tragenden Zentrum zeigenden Oberseite ausgeführt. Die senkrecht abfallende Seite der Zahnflanke zeigt in die zur Drehrichtung des mechanischen Schaumzerstörers entgegengesetzte Richtung. Auf diese Weise rastet die Mitnehmerklaue des Kupplungsoberteils infolge des schwerkraftbedingten Aufliegens des Abstreiforgans auf dem Kupplungsunterteil nur gegen die senkrechte Seite, wenn die Trägerwelle gegenläufig zur Schaumbekämpfungsdrehrichtung rotiert. Andernfalls läuft die Mitnehmerklaue frei über die schräg ansteigende Seite der Zahnflanke(n), duren volle Höhe über die halbe Kreisfläche des Kupplungsunterteils erreicht wird. Als Material der Wischerblätter eignet sich hitzebeständiges Gummi, das auch gegen die Inhaltsstoffe von Fermentationsmedien resistent ist. Bevorzugt wird Teflon verwendet, da dieses Material zusätzlich ohne weitere Stützmaßnahmen formbeständig ist. Die anderen Teile dos Abstreiforgans bestehen aus Edelstahl.

Die periodische Funktion des Abstreiforgans zur Unterdrückung des Bewachsene der Wandung wird durch elektronische Ansteuerung des Antriebsmotors für den mechanischen Schaumzorstörer realisiert, wobei die Verbindung auf an sich bekannte Weise mittels Magnetkupplung hergestellt ist. Es wird ein Motor verwendet, der bezüglich dos Drehsinns umschaltbar und bezüglich der Drehzahl variabel einstellbar ist. Die elektronische Ansteuerung zur Betätigung des Wandabstreifvorganges, die

grundsätzlich eine auf an sich bekannte Weise aufgebaute Zeitbasis mit Auswahl der Pausendauer und der Länge der Betriebsintervalle sowie Drehzahl- und Drehrichtungsumschalter für die Abstreif-Drehrichtung enthält, steht wahlweise in Wechselwirkung mit dem mechanischen Schaumbekämpfungsregler. Bei aktivierter Wechselwirkung hat der Schaumbekämpfungsvorgang Priorität vor der Wandabstreifung. Vom Schaumbekämpfungsregler kommende Auslöseimpulse schalten eine eventuelle zu diesem Zeitpunkt stattfindende Wandabstreifung ab und nach einer kurzen Pause zur Rücksetzung von Drehrichtung und Drehzahl den Schaumzerstörungsvorgang gemäß Regime des Schaumbekämpfungsreglers ein. Der nächste Wandabstreifungsvorgang erfolgt, wenn der Schaumbekämpfungsrelger kein Alarmsignal mehr über die Meßsonde erhält und somit die Blockierung der Zeitbasis aufgehoben ist. Bei nicht aktivierter Wechselwirkung sind beide Betriebsarten autonom nach Bedarf einstellbar. Insbesondere wird die Wandabstreifung bei Verwendung schäumungsfreier Medien bzw. unter chemische Schaumbekämpfung im Bedarfsfall kontinuierlich betrieben.

Durch die Entwicklung der vorliegenden Vorrichtung ist erstmals die Möglichkeit gegeben, das Bewachsen der inneren Wandung von submers arbeitenden Bioreaktoren im Gasraum zuverlässig, automatisch, ohne Störung der essentiellen Fermentorfunktionen und ohne Steigerung des Kontaminationsrisikos zu unterdrücken. Dadurch erhöht sich der Wert von prozeßkinetischen Aussagen der Laborfermentorstufe für die Maßstabsvergrößerung bedeutend.

AusfÜL.'ungsbeispiel

Die Erfindung soll durch ein Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1: den Aufbau des Abstreiforgans in Verbindung mit seiner Anordnung auf der Trägerwelle des mechanischen

Schaumzerstörers

Fig. 2: die elektronische Ansteuerung in Verbindung mit dem mechanischen Schaumzerstörungsregler.

Das 270 mm lange zylindrische Glasgefäß eines Edelstahl-Glas-Laborfermentors mit dem Bruttovolumen von 12 Litern hat einen Innendurchmesser von 200mm. Es ist mittels Einlegen von Gummi-Piofildichtungen zwischen dem Edelstahlsockel und dem Montageflansch des Fermentordeckels 1 kontaminationsdicht montiert, indem die Verschraubung von drei Gewinde-Stehbolzen eine gleichmäßige Anpressung des Kulturgefäßes an beide Edelstahlauflagen bewirkt. Bui Füllung des Fermentors mit 8 Liter Kulturlösung (Nettovolumen) nimmt der Fermentor-Gasraum das obere Drittel des Glasgefäßes (bezogen auf dessen Länge) und das Innenvolumen des Fermentordeckel-Montageflanschcs ein. Am Fermentordeckel 1 ist die Trägerwelle 2 des mechanischen Schaumzerstörers 3 entsprechend Figur 1 drehbar gelagert angeordnet. Die Übertragung der Drehbewegung des bezüglich des Drehsinns umschaltbaren und bezüglich der Drehzahlen variabel einstellbaren Antriebsmotors 13 erfolgt über die Magnetkupplung 14, wobei ein fest mit der Motorwelle verbundener ringförmiger Dauermagnet das Magnetfeld erzeugt, das durch den unmagnetischen Fermentordeckel 1 aus Chrom-Vanadium-Stahl auf den innenliegenden magnetischen Kupplungsteil wirkt.

Der mechanische Schaumzerstörer 3 ist als Schrägblatt-Rotor mit vier Blättern ausgeführt. Er wird mittels Klemmverschraubung starr mit der Trägerwelle 2 gekoppelt. Die mechanische Schaumbekämpfung über die Wirkung des mit 200 min"' umlaufenden Schrägblatt-Rotors erfolgt gegensinnig zur Drehbewegung der Rührerwelle im Bodenflansch des Fermentors. Die Trägerwelle 2 hat am unteren Ende ein Feingewinde M8. Auf diese ist die drehrichtungsselektive Kupplung 12 aufgeschraubt, wobei eine Sacklochverschraubung zur Konterung verwendet wird. Das Sackloch mit Innengewinde M 8-1 befindet sich im Zentrum der Edelstahlscheibe der Dicke 12 mm und des Durchmessers von 30 mm. Die dem mechanischen Schaumzerstörer 3 zugewandte Seite des Kupplungsunterteils 11 ist als Profilfläche mit zwei halben Schrägzahnflanken gestaltet, deren Zahnhöhe von 2,5mm durch linearen Anstieg über 180° erreicht wird. Die beiden senkrechten Stirnflächen greifen in zur Schaumbekämpfungs-Drehrichtung entgegengesetzter Drehrichtung des Antriebsmotors 13 gegen zwei Mitnehmerklauen, die als freie Stege von 3mm Breite und von 2,5mm Höhe aus der Unterseite dss tragenden Zentrums 8 hervorstehen, das als Edelstahlscheibe von 12 mm Dicke und 30 mm Durchmesser mit Zentralbohrung von 8,1 mm Durchmesser frei drehbar auf die Trägerwelle 12 aufgeschoben wird, bevor die Verschraubung der drehrichtungselektiven Kupp>ung 11 erfolgt. Dementsprechend läuft das mit dem tragenden Zentrum 8 fest verbundene Abstreiforgan 4 in oben genannter Drehrichtung des Antriebsmotors 13 um und bewerkstelligt die Abstreifung wandanhaftender Biomasse. Am tragenden Zentrum 8 sind einander gegenüberliegend seitlich zwei Zentralschenkel 7 starr angebracht, die aus Edelstahl-Rundmatenal von 6mm Durchmesser bestehen.

Die Zentralschenkel 7 treten horizontal aus dem tragenden Zentrum 8 aus und sind im Abstand von 12mm zu diesem ui . 45° gegen die Horizontalrichtung auf den Fermentorboden zeigend abgewinkelt, 'hre gesamte freie Länge beträgt 70 mm. Air freien Ende sind sie 15 mm tief eingeschlitzt, wobei die Schlitzbreite 1 mm beträgt .nd die Schlitzrichtung mit der Richtung de· Fermentorachse zusammenfällt. Senkrecht dazu verläuft 4mm vom froifin Ende entfernt eine Durchgangsbohrung von 1 mm Durchmesser für die Achse des unteren Gelenks, an welchem der Doppelge'enkhebel 6 schwenkbar angesetzt ist. Dieser hat die Länge von 55mm, die Breite von 8mm und die Dicke von 1 mm. Zwischen den Gelenkachsen des unteren und des oberen Gelenks beträgt der Abstand 45 mm. Im justierten Zustand schließen Doppelgelenkhebel 6 und Zentralschenkel 7 den Winkel von 85° ein. An den oberen Gelenken ist jeweils ein Wischerblatt 5 schwenkbar angebracht. Dieses besteht aus 2 mm dickem Teflon-Flachmaterial und hat eine Breite von 10 mm sowie eine Länge von 100 mm. Die Achse des oberen Gelenks verläuft durch den Diagonalschnittpunkt. Als Hilfselement für die Justierung bei Anbringung des Fermentordeckels 1 dient die Winkelkbrücke 9, die als starr mit dem Zentralschenkel 7 verbundene Schlaufe aus Edelstahldraht ausgeführt ist. Sie läßt einen maximalen Winkel von 100° zwischen Doppelgelenkhebel 6 und Zentralschenkel 7 zu.

Im eingebauten Zustand liegen die Wischerblätter 5 mit ihrer 10cm langen Schneide an der Glaswandung an, wobei die durch die Hebelgelenkkonstruktion wirkende Schwerkraft die Anpressung bestimmt. Bei Drehung der Trägerwelle 2 entgegen der Schaumbekämpfungsdrehrichtung beseitigen die mit vorgewählter Zeitdauer und Drehzahl rotierenden Wischblätter 5 die wandanhaftende Biomasse, wobei die elektronische Ansteuerung gemäß Figur 2 in Verbindung mit dem mechanischen Schaumbekämpfungsregler 17 steM.

In der Betriebsart der aktivierten Wechselwirkung beider Steuersysteme für den Antriebsmotor 13 hat die mechanische Schaumbekämpfung Priorität vor dem gewählten Programm für die Wandabstreifung. Solange kein kritisches Anwachsen der Schaumhöhe vorliegt, also kein Ansprechen dor Schaummeßsonde gegeben ist, steht der eingeschaltete mechanische Schaumbekämpfungsregler 17 lediglich in Bereitschaft, gibt aber kein Ansteuersignal an den Antriebsmotor 13, sofern weiterhin die Handauslösung der mechanischen Schaumbekämpfung nicht betätigt wird.

Die elektronische Steuerung der Wandabstreifung arbeitet somit ihr eingestelltes Programm ab, indem die Zeitbasis 15 Be'iriebsintervalle von 5soder 10s Dauernach Pausenzeiten von 5,10,20 oder 70 Minuten über den Drehzahl-und Drehrichtungsumschalter 16 realisiert. Folglich arbeitet der Antriebsmotor 13 in den Betriebsintervallen mit der eingestellten Drohzahl in der der Schaumbekämpfungsdrehrichtung entgegengesetzten Laufrichtung. Diese Betriebsweise liegt auch vor, wenn nur die Wandabstreifung über die Trägerwelle 2 (etwa bei Anwendung der chemischen Schaumbekämpfung) realisiert wird.

Im Alarmzustand des mechanischen Schaumbekämpfungsreglers 17 besteht die Wechselwirkung darin, daß die Zeitbasis 15 automatisch ausgeschaltet und der Drehzahl- und Drehrichtungsumschalter 16 auf die vorgewählte Schaumbekämpfungsdrehzahl in Schaumbekämpfungsdrehrichtung des Antriebsmotors 13 gesetzt wird. Diesar Zustand liegt auch vor, wenn die Zeitbasis 15 von Hand ausgeschaltet ist, d. h. bei NichtVerwendung der Wandabstreifung. Die automatische Abschaltung der Zeitbasis 15 endet mit dem Ende des Schaum-Alarmzustands, uM das zyklische Wandabstreifungsprogramm wird im Anschluß an den eingeschobenen Schaumbekämpfur.gsvorgang wieder aktiviert.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Unterdrückung des Bewachsens der inneren Wandung submers arbeitender Bioreaktoren, insbesondere von Laborfermentoren mit Unterflurrührwerk und mechanischer Oberflur-Schaumbekämpfungseinrichtung, die am Fermentordeckel mit einem Antriebsmotor und einer Magnetkupplung ausgerüstet ist, gekennzeichnet dadurch, daß

- die Vorrichtung aus einem Abstreiforgan (4), einer drehrichtungselektiven Kupplung (12) sowie einem Drehzahl- und Drehrichtungsumschalter (16) besteht, wobei

- das Abstreiforgan (4) aus mindestens einem an der zylindrischen Wandung anliegenden, schwenkbaren Wischerblatt (5), einem Doppelgelenkhebel (6) und einem tragenden Zentrum (8) mit Zentralschenkel (7) besteht, das frei drehbar und axial verschiebbar auf der Trägerwelle (2) geführt wird, und

- das tragende Zentrum (8) über die drehrichtungselektive Kupplung (12) mit der Trägerwelle (2) des mechanischen Schaumzerstörers (3) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die drehrichtungsselektive Kupplung (12)

- aus einem Kupplungsunterteil (11), das starr auf der Trägerwelle (2) befestigt ist sowie mindestens eine Zahnflanke aufweist, und

- aus einem Kupplunqsoberteil, das sich auf der Trägerwelle (2) axial verschiebbar und frei drehbar oberhalb des Kupplungsunterteils (11) befindet und entsprechend der Drehrichtung der Trägerwelle (2) über die Mitnehmerklaue (10) mit der Zahnflanke des Kupplungsunterteils (11) in Eingriff kommt,

besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß

- das am Wischerblatt (5) vorhandene Gelenk mit Doppelgelenkhebel (6) bei Seitenansicht höher, als das zweite Gelenk des Doppelgelenkhebels (6) mit dem Zentralschenkel (7) liegt und

- der Schwenkbereich des Doppelgelenkhebels (6) durch eine Winkelbrücke (9) begrenzt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß der von der Trägerwelle (2) und der Verlängerung des Doppelgelenkhebels (6) eingeschlossene Winkel 30° bis 80° beträgt.