DE2042791C3

DE2042791C3 - Vorrichtung zur Zumischung von Gasen in flüssige Nährmedien bei Fermentationsprozessen

Info

Publication number: DE2042791C3
Application number: DE19702042791
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Mueller Hans Dr Ing Maennedorf Schweiz
Current assignee: Mueller Hans Dr Ing Maennedorf Schweiz
Priority date: 1969-09-05
Filing date: 1970-08-28
Publication date: 1977-11-24

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zumischung von Gasen in flüssige Nährmedien bei Fermentationsprozessen, welche einen koaxial zu einer zylindrischen Behälterinnenwand angeordneten Leitzylinder und in der Nähe des einen Endes des Behälters ein rotierendes Mischwerkzeug enthält, das die Flüssigkeit aus dem Leitzylinder und das zum Mischwerkzeug herangeführte Gas axial ansaugt, die Flüssigkeit und das Gas innig durchmischt und das Gemisch in den Raum zwischen Behälterinnenwand und Leitzylinder gegen das andere Ende des Behälters fördert.

Biochemische Prozesse gewinnen an Bedeutung zur Herstellung von Antibiotika und anderen biologisch wirksamen Stoffen, aber auch zur Gewinnung organischer Säuren, welche auf biochemischem Wege leichter und billiger zu gewinnen sind als auf rein chemischem Wege. Oft auch könnnen durch biologische Prozesse schwer verwertbare Abfallstoffe in hochwertige Produkte umgewandelt werden. Die für die Verfahren tauglichen Organismen können sowohl Bakterien als auch Hefen oder Schimmelpilze sein, welche für ihre Züchtung und für die Durchführung der verschiedenen Aufgaben verschiedenste Ansprüche an Nährsubstrat, Belüftung und Durchmischung stellen. Viele Verfahren erfordern feinste Durchmischung während der Einleitung des Prozesses oder während seines ganzen Ablaufs, so bei der Fermentation durch aerobe Mikroorganismen, wo für eine möglichst feine und gleichmäßige Verteilung der Luft zu sorgen ist, so daß es sich um ein dreiphasiges System aus Nährsubstratflüssigkeit, Luft oder Nährgas und Mikroorganismen handelt. Es ist dazu nicht nur eine sehr große Oberfläche der sich berührenden Phasen der an der Umwälzung beteiligten Stoffe erforderlich, sondern vielfach auch eine sehr lange Verweilzeit, so daß der Behälterinhalt zwischen 1 bis über 100 Stunden im Behälter belassen und umgewälzt werden muß. Eine hierzu ausreichende Verweilzeit des Mischzustandes ist deshalb eine wesentliche Bedingung. Daher werden bei langen Verweilzeiten, um gute Leistungen zu erzielen, sehr große Fermentationsbehälter verwendet.

Eine für derartige Züchtungen geeignete Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus dem DT-Gbm 19 67 739 bzw. der US-PS 34 60 810 bekannt. Der Fermentationsbehälter ist ein sehr hoher, aufrechtstehender, zylindrischer Behälter, dessen Volumen bis zu 100 m³ betragen kann. Bei einer speziellen Ausführungsform sind im Inneren des Leitzylinders mehrere Mischwerkzeuge auf gemeinsamer Welle angeordnet und der Leitzylinder als gelochtes Leitrohr ausgebildet. Hierdurch ist die Intensität der Mischung, da nicht jeweils über die gesamte Behälterhöhe gefördert zu werden braucht, gesteigert und die wirksame Grenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit erhöht. Das überschüssige und verbrauchte Gas wird an dem dem Mischwerkzeug entgegengesetzten oberen Ende des Behälters, also unterhalb seines Deckels, mittels eines rotierenden, mechanischen Schaumabscheiders, der vom Gas mitgeführte Flüssigkeit in den Behälter zurückbefördert, in bekannter Weise abgeleitet. Bei den anderen bekannten Vorrichtungen dieser Art ist der Behälter jeweils ebenfalls in stehender Ausführung ausgebildet, damit unter dem Behälterdeckel ein ausreichender freier Raum für die Schaumabscheidung mit Hilfe des Schaumabscheiders zur Verfügung steht, um eine gute Schaumabscheidung sicherzustellen und Schichtungen sowie Totzonen zu vermeiden. Es wurden daher aufrechtstehende Behälter oder Kugelbehälter für erforderlich erachtet.

Bei Anlagen mit sehr großem Behälterinhalt, also etwa 100 m³ und darüber, werden die Fermentationsbehälter naturgemäß sehr groß, weil zur guten Durchmischung und gleichmäßigen Verteilung der flüssigen und gasförmigen Phase, der Luft und der Organismen, der Durchmesser des Behälters im Verhältnis zur Höhe nicht zu groß sein darf. Wenn aber dafür die Höhe des Behälters vergrößert wird, ergibt sich im Behälterunterteil, wo die Gaszufuhr und das Mischwerkzeug vorgesehen sind, ein erhöhter hydrostatischer Druck, mit der Folge, daß für die Gaszufuhr Kompressoren und für die Umwälzung Mischwerkzeuge mit jeweils hoher Antriebsleistung erforderlich werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß ohne Beeinträchtigung der notwendigen Wirkungen, nämlich der Erzeugung und Aufrechterhaltung einer Feinstdurchmischung von Gas und Flüssigkeit, mit niedrigerem Energieaufwand gearbeitet werden kann, ohne daß sich Totzonen bilden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Längsachse des Behälters horizontal gerichtet ist und zwischen der Wand des Behälters und dem inneren Leitzylinder entweder mit Abstand in Umfangsrichtung mehrere zur Längsachse des Behälters radiale, achsparallele, den Raum zwischen der Innenwand des Behälters und dem Leitzylinder in mehrere achsparallele Kammern unterteilende Leitwände, deren Querschnitte trapezähniiche Kreisringsektoren sind, oder Rohre, durch welche die vom Mischwerkzeug geförderte Flüssigkeit zu leiten ist, angeordnet sind. Zur Erzielung einer gleichmäßigen

eärung ist das Mischwerkzeug an seinem Umlang die Durchströmung unteneilenden Organen selbst-^VOnrnd!ich so umgeben, daß die achsparallelen k- mern oder Rohre zwischen Beh'lterinnenwand d Uiizy'i^nder gleichmäßig mit Flüssigkeit ürchsirömt werden. An dem zum Mischwerkzeug t eeengesetzten Ende des Behälters ist ein freier Rm vorhanden, in dessen Bereich der Behälterwand Abluftauslaß mit einem Schaumabscheider für das -herschüsiige und verbrauchte Gas angeordnet ist. Es hat sich überraschend gezeigt, daß bei der findungsgemäßen Ausbildung des Fermentationshehälters eine tinwandfreie Umsetzung von Substrat A Gas möglich ist und der mikrobiologische 7üchuingsvorgang nicht gestört wird, da auch bei roßen Behältern, deren Durchmesser selten größer als \ m sein dürfte, der hydrostatische Druck im Bereich der Gaszuführung gering und damit der Energiebedarf erheblich verringert ist

Während der fortdauernden Umwälzung finden mikrobiologische (oder chemische) Umsetzungen statt. Hie entweder Wärme abgeben oder - zumindest im Anfangsstadium - Wärmezufuhr erfordern. Daher ist eine Ausgestaltung zweckmäßig, wonach der innere Leitzylinder doppelwandig als Wärmeaustauscher ausgebildet ist und mit einem Zufluß und Ablauf für ein Wärmetauschmedium versehen ist. Wenn aber, was bei einer Reihe von Fermentationsozessen d'_er Fall ist, die hierdurch gebotene Wärmeaustauschfläche noch nicht ausreicht, weil die Temperatur der Heizflächen nicht über eine durch die Wärmeempfindlichkeit der betreffenden Organismen oder auch der Reaktionsprodukte bedingte Grenze erhöht werden darf, sind zusätzliche Wärmeaustauschflächen erforderlich. Um diese zu schaffen, ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, daß in dem Raum zwischen Behälterinnenwand und Leitzylinder in Längsrichtung des Behälters als Wärmetauscher wirkende Hohlkörper angeordnet sind, welche als Rohre ausgebildet sein können. Es können aber auch die Leitvvände, sofern diese vorgesehen sind, doppelwandig sein.

Um diese Teile gut reinigen zu können, werden die als Wärmetauscher wirkenden Hohlkörper zweckmäßig zusammen mit dem Leitzylinder an einem der Behälterdeckel befestigt, der beispielsweise durch einen Flansch mit Schrauben oder einen Bajonettnng losbar mit dem Fermentationsbehälter verbunden ist, so daß nach Lösen der Verbindung der Deckel abgehoben werden kann und durch Herausziehen der gesamten Innenkonstruktion diese Teile, insbesondere die Wärmetauschflächen, der Reinigung zugänglich sind.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der zeigt: F i g. 1 im Längsschnitt und

Fig.2 im Querschnitt nach der Lime A-Bder Fig. eine erste Ausführungsform der Erfindung, F i g. 3 im Längsschnitt und

Fig.4 im Querschnitt eine zweite Ausführungsform einer Fermentationsvorrichtung nach der Erfindung.

Die Fermentationsvorrichtung nach Fig. 1 und weist einen 100 m* großen horizontalen, zylindrischen Behälter 1 auf, der mit einem Doppelmantel 2 tür Heizung oder Kühlung versehen ist und auf vier Stutzen ruht, innerhalb des Behälters 1 ist koaxial ein Leitzylinder 3, der ebenfalls als Doppelmantel ausgebildet ist, eingebaut, der an einem Ende in einen den Umfang eines von einem Motor 4 angetriebenen als Schleuderrad ausgebildeten Mischwerkzeugs 5 umgebenden verengten, gelochten Leuzylinderieil 6 übergeht, der hier zusammen mit dem Antriebsmotor 4 am Behälter 1 befestigt ist.

Nächst der dem Behälterinneren zugekehrten Saug-Seite des Mischwerkzeugs 5 ist ein gelochtes Ringrohr 10 vorgesehen, das mit einem Zuluftrohr 9 für die notwendige Gaszuleitung in Verbindung sieht. Vom Inneren des Leitzylinders 3 gegen die Behälterwand sind mit Abstand in Umfangsrichtung mehrere zur ίο Behälterlängsachse radiale achsparallele Leitwände 11 vorgesehen, die den Raum zwischen Behälterinnenwand und Leitzylinder 3 in mehrere aehsparallele Kammern unterteilen, deren Querschnitte trapezähnliche Kreisringsektoren darstellen, wie man Fig. 2 entnimmt. Da sich der innere Leitzylinder 3 und die Leitwände 11 nicht über die ganze Behälterlänge erstrecken, befindet sich an dem anderen Ende des Behälters ein freier Raum, in den ein von einem Motor 13 angetriebener rotierender mechanischer Schaumabscheider 14 hineinragt, der jo einem Abluftrohr 12 vorgeschaltet ist.

Beim Betrieb der Fermentationsvorrichtung wird die aus Nährsubstrat und Mikroorganismenkultur bestehende Flüssigkeit in den Behälter 1 eingefüllt, zu kontinuierlichem Betrieb durch den Zuleitungsstutzen 7 eingeleitet und beim Auslaufstutzen 8 abgeführt. Das Gas (Luft, Sauerstoff oder auch Nährgas) wird mit einem Kompressor in das Zuluftrohr 9 gedruckt und darauf der Antriebsmotor 4 des Mischwerkzeugs 5 und der Antriebsmotor 13 des Schaumabscheiders 14 eingeschaltet. Durch die Rotation des Schleuderrades des Mischwerkzeugs 5 wird die Flüssigkeit zusammen mit dem aus den öffnungen des gelochten Ringrohrs 10 ausströmenden Gas axial angesaugt und durch die öffnungen des gelochten Leitzylinderteils 6 geschleudert, wodurch eine feinstblasige Mischung aus Gas und Flüssigkeit erzielt wird. Durch die bis unmittelbar an den verengten Leitzylinderteil 6 herangeführten Leitwände 11 wird die vom Schleuderrad radialausgeworfene Mischung gleichmäßig auf die durch die Leitwände gebildeten achsparallelen Kammern verteilt. Durch jede dieser Kammern strömt das Gasflüssigkeitsgemisch gegen den am anderen Behälterende vorhandenen Raum, von wo es durch den im Leitzylinder 3 wirkenden Sog wieder der aus Ringrohr, Mischwerkzeug und gelochtem Zylinderteil bestehenden Mischvorrichtung zugeführt wird. Die überschüssigen und verbrauchten Gasanteile strömen durch das Abflußrohr 6 von mitgerissener Flüssigkeit durch den Schaumabscheider 4 befreit ab.

In den F i g. 3 und 4 ist eine Variante der Vorrichtung

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nach den F i g. 1 und 2 dargestellt, bei der die Luft nicht durch ein Ringrohr, sondern durch eine Düse 15 (s. F i g. 4) an das Mischwerkzeug herangeführt wird und der Schaumabscheider in einem auf den Behälter 55 aufgesetzten Dom 16 untergebracht ist. Weiter ist hier ein Rohr 17 vorgesehen, welches aus der Mitte des Leitzylinders 3 unmittelbar vor dem Schaumabscheider mündet, damit sich im Leitzylinder, besonders bei langsamer Umwälzung, absondernde Gasblasen so-60 gleich ausgeleitet werden. Bei dieser Ausführungsform kann der Leitzylinder relativ länger ausgebildet werden. Weitere Ausführungsformen können für die Ausgestaltung der Leitflächen gewählt werden. So kann die Flüssigkeit vom Mischwerkzeug auch in Rohre geleitet 65 werden, wodurch eine gleichzeitige Kühlung durch Wärmeaustausch mit einer die Rohre umströmenden Flüssigkeit möglich ist.
Durch die Erfindung ist der Leitungs- und Energiebe-

darf der Fermentationsvorrichtung gegenüber bekannten gleichen Rauminhalts erniedrigt. Der im Bereich der Gaseinleitung wirkende hydrostatische Druck ist vergleichsweise niedrig, so daß das Gas mit niedrigem Druck eingeführt oder angesaugt werden kann, da das

Schleuderrad des Mischwerkzeugs einen starker sog ausübt. Der für die Gaszufuhr erforc Energiebedarf vermindert sich hierdurch. Die schaftlichkeit der Fermentierung ist erheblich sert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Zumischung von Gasen in flüssige Nährmedien bei Fermentation" ^r->zessen, welche einen koaxial zu einer zylindrische ,ehälterinnenwand angeordneten Leitzylinder und in der Nähe des einen Endes des Behälters ein rotierendes Mischwerkzeug enthält, das die Flüssigkeit aus dem Leitzylinder und das zum Mischwerkzeug heran- ι ο geführte Gas axial ansaugt, die Flüssigkeit und das Gas innig durchmischt und das Gemisch in den Raum zwischen Behälterinnenwand und Leitzylinder gegen das andere Ende des Behälters fördert, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse des Behälters (1) horizontal gerichtet ist uiid zwischen der Wand des Behälters (1) und dem inneren Leitzylinder (3) entweder mit Abstand in Umfangsrichtung mehrere zur Längsachse des Behälters (1) radiale, achsparallele, den Raum zwischen der Innenwand des Behälters (1) und dem Leitzylinder (3) in mehrere achsparallele Kammern unterteilende Leitwände (11), deren Querschnitte trapezähnliche Kreisringsektoren sind, oder Rohre, durch welche die vom Mischwerkzeug (5) geförderte Flüssigkeit zu leiten ist, angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raum zwischen Behälterinnenwand und Leitzylinder (3) in Längsrichtung des Behälters (1) als Wärmeaustauscher wirkende Hohlkörper angeordnet sind.