Bei
der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur Vermischung einer
hydrophoben mit einer wässrigen
Phase in einem Bioreaktor.at
the invention is a method for mixing a
hydrophobic with an aqueous
Phase in a bioreactor.
Unter
einem Bioreaktor – auch
Fermenter genannt – versteht
man einen Apparat, bei dem in Anwesenheit von Biokatalysatoren aus
einem Ausgangssubstrat (auch Medium genannt) ein Produkt entsteht.
Da sowohl Substrat, als auch Produkt ab einer bestimmten Konzentration
den Biokatalysator in seiner Produktivität hemmen können, muss der Bioreaktor möglichst
gut durchmischt sein. Bei aeroben Prozessen ist die gleichmäßige Verteilung
des Sauerstoffs im Bioreaktor ein weiteres Argument für eine gute
Durchmischung. Andererseits bedeutet die gute Durchmischung hohen
Energieeintrag und damit häufig
unerwünschte
Erwärmung.
Dieser Zielkonflikt (gute Durchmischung bei geringem Energieverbrauch)
hat zu einer Reihe unterschiedlichster Bioreaktortypen geführt wie
z. B. Rohrreaktoren, Schlaufenreaktoren, Torusreaktoren und Rührkesselreaktoren,
von denen sich der letztgenannte im großen Stil durchgesetzt hat.Under
a bioreactor - too
Called fermenter - understands
one apparatus in which, in the presence of biocatalysts
a product is produced from a starting substrate (also called a medium).
Because both substrate, as well as product from a certain concentration
To inhibit the biocatalyst in its productivity, the bioreactor must, if possible
be well mixed. In aerobic processes is the uniform distribution
of oxygen in the bioreactor another argument for a good one
Mixing. On the other hand, the good mixing means high
Energy input and thus often
undesirable
Warming.
This conflict of objectives (good mixing with low energy consumption)
has led to a number of different bioreactor types such as
z. B. tubular reactors, loop reactors, torus reactors and stirred tank reactors,
of which the latter has prevailed on a large scale.
Wie
aus 1 ersichtlich, erfolgt
die Durchmischung des Rührkesselreaktors
durch einen rotierenden Propeller. Um zu verhindern, dass daraus eine
stationäre
Kreislaufströmung
resultiert, sind senkrecht zum Propeller Strömungsbrecher angeordnet. Im
Normalfall ist der Bioreaktor zum überwiegenden Teil mit Wasser
gefüllt
und die Substratkomponenten sind gut wasserlöslich (z.b. Glukose und Nährsalze).How out 1 As can be seen, the mixing of the stirred tank reactor is carried out by a rotating propeller. In order to prevent this from resulting in a stationary circulation flow, flow breakers are arranged perpendicular to the propeller. In the normal case, the bioreactor is for the most part filled with water and the substrate components are readily water-soluble (eg glucose and nutrient salts).
Neuerdings
werden aber als Substrate zunehmend auch hydrophobe Phasen eingesetzt.
So ist z. B. bekannt, dass das Bakterium Pseudomonas aeruginosa Öl in ein
Biotensid – also
ein biologisch abbaubares Waschmittel – umsetzt. Damit das Öl für den Mikroorganismus
verfügbar
wird, muss es als feine Tröpfchen
(ca.2 bis 20 μm ∅)
vorliegen, idealer Weise als stabile Emulsion. Dabei stellt der
Mikroorganismus die Grenzflächen
aktive Substanz (das Tensid) selbst her, um die Emulsion zu stabilisieren.recently
However, hydrophobic phases are increasingly being used as substrates.
So z. B. known that the bacterium Pseudomonas aeruginosa oil in a
Biosurfactant - so
a biodegradable detergent - converts. So that the oil for the microorganism
available
It has to, it has to be fine droplets
(approx. 2 to 20 μm ∅)
present, ideally as a stable emulsion. It represents the
Microorganism the interfaces
active substance (the surfactant) itself to stabilize the emulsion.
Beim
Einsatz der o. g. hydrophoben (bzw. lipophilen) Substrate muss das
Rührorgan
des Bioreaktors (z.B. der Propeller) also nicht nur die Durchmischung,
sondern auch die Erzeugung der feinen Öltröpfchen übernehmen. Energiesparende
Mischer, wie z. B. statische oder oszillierend schwingende Mischer
sind hierfür
nicht geeignet.At the
Use of the o. G. hydrophobic (or lipophilic) substrates, the
stirrer
the bioreactor (e.g., the propeller) so not just the mixing,
but also take over the production of fine oil droplets. Energy-saving
Mixers, such as B. static or oscillating oscillating mixer
are for this
not suitable.
Es
ist Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil zu beseitigen.It
The object of the invention is to eliminate this disadvantage.
Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren nach Patentanspruch 1 und die Vorrichtung
nach Patentanspruch 2 gelöst.These
The object is achieved by the method according to claim 1 and the device
solved according to claim 2.
Erfindungsgemäß wird dies
dadurch realisiert, dass die Öltröpfchen nicht
vom Rührorgan
allein, sondern mittels einer Kombination von Rührer und im Bioreaktor integrierter
poröser
Membran(en) erzeugt werden. Dies geschieht dadurch, dass das Öl unter
Druck durch die Poren einer oder mehrerer hydrophilen Membran(en)
gepresst wird und von einer vom Rührorgan erzeugten Umlaufströmung abgetragen
wird. Die Porendurchmesser der Membran(en) richten sich nach der
gewünschten
Tröpfchengröße der hydrophoben
Phase, liegen aber zwischen 0,1 μm
und maximal 2 μm.
Um bereits von Beginn des Bioprozesses an stabile, d. h. nicht koaliszierende Tröpfchen zu
erzeugen, empfiehlt es sich, der wässrigen oder hydrophoben Phase
anfangs eine emulgierende, Grenzflächen aktive Substanz zu zugeben. Die
porösen
Membranen sollten im Bioreaktor so angeordnet sein, dass sie durch
den vom Mischorgan erzeugten Umlauf tangential angeströmt werden.
Dadurch werden die an den Membranporen entstehenden Tröpfchen kontinuierlich
abgetragen und mit dem übrigen
Inhalt des Bioreaktors gründlich
vermischt.According to the invention this is
realized that the oil droplets are not
from the stirrer
alone but by means of a combination of stirrer and integrated in the bioreactor
porous
Membrane (s) are generated. This happens because the oil is under
Pressure through the pores of one or more hydrophilic membrane (s)
is pressed and removed by a circulating flow generated by the stirring element
becomes. The pore diameters of the membrane (s) depend on the
desired
Droplet size of the hydrophobic
Phase, but are between 0.1 microns
and a maximum of 2 μm.
To start from the beginning of the bioprocess on stable, d. H. non-coalescing droplets too
It is recommended to generate the aqueous or hydrophobic phase
initially an emulsifying, interfacial active substance to admit. The
porous
Membranes should be placed in the bioreactor so that they pass through
the circulation generated by the mixing element are tangentially flowed.
As a result, the droplets formed on the membrane pores become continuous
worn and with the rest
Contents of the bioreactor thoroughly
mixed.
In 2 und 3 sind
beispielhaft je eine Variante der Erfindung dargestellt.In 2 and 3 are shown by way of example depending on a variant of the invention.
Mit 1 werden
jeweils die Membranen und mit 2 deren Poren bezeichnet. 3 ist
das Rühr-
bzw. Mischorgan. 4 ist der Bioreaktor und 5 symbolisiert die
Strömungsführung zur
Erzeugung der Scherströmung
an der Membranoberfläche.With 1 are each the membranes and with 2 whose pores are called. 3 is the stirring or mixing element. 4 is the bioreactor and 5 symbolizes the flow guidance for generating the shear flow at the membrane surface.
In 2 ist
das Mischorgan eine mittels einer Stange oszillierend bewegte Platte,
die konische Bohrungen enthält.
Die dadurch erzeugte Flüssigkeitsbewegung
führt zu
einer Scherströmung
an den senkrecht zum zylindrischen Teil des Bioreaktors und parallel
zur Stange des Mischorgans angeordneten Membranen 1. Deren
Poren werden vom Inneren der Membran in den Bioreaktorraum durchströmt.In 2 the mixing element is a plate oscillating by means of a rod and containing conical bores. The fluid movement produced thereby results in a shear flow to the membranes arranged perpendicular to the cylindrical part of the bioreactor and parallel to the rod of the mixing element 1 , Their pores are flowed through by the interior of the membrane in the bioreactor space.
In 3 ist
die zylindrische bzw. ringförmige Membran
konzentrisch zur Achse des Bioreaktors angeordnet. Das die tangentiale
Anströmung
der Membran erzeugende Mischorgan ist eine Injektordüse, über die
Luft, bzw. Gas eingetragen wird.In 3 the cylindrical or annular membrane is arranged concentrically to the axis of the bioreactor. The mixing element producing the tangential flow of the membrane is an injector nozzle via which air or gas is introduced.