DE2359830C3 - Fermenter mit Begasungseinrichtung für aerobe mikrobiologische Prozesse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kugelfermenter mit einer Begasungseinrichtung für die Substratflüssigkeit bei aeroben, mikrobiologischen Prozessen in Form eines axial ansaugenden, geschlossenen Kreiselpumpcn-Schleuderrades, das auf einer Hohlwelle befestigt ist, durch die das einzutragende Gas dem Schleuderrad durch Gaseintrittsöffnungen zuführbar ist, und wobei die Kreiselpumpe einen Flansch aufweist, mit welchem sie am Behälter montierbar ist, oder einen horizontal liegenden Reaklionskessel mit einer in einfacher oder mehrfacher Ausführung auf einer horizontalen Hohlwelle liegenden Begasungseinrichtung für die Substratflüssigkeit bei aeroben, mikrobiologischen Prozessen in Form eines axial ansaugenden, geschlossenen Kreiselpumpen-Schleudcrrads oder liegende oder stehende Reaktoren mit einer Begasungseinrichtung für die Substratflüssigkeit bei aeroben, mikrobiologischen Prozessen in Form eines axial ansaugenden, geschlossenen Krciselpumpen-Schleuderrads. wobei die Kreiselpumpe als Einzelaggregat mit einem Antriebsmotor versehen an verschiedenen Orten der Reaktoren einbaubar ist. Bioreaktoren oder Fermenter dienen ac-oben mikrobiologischen Prozessen, wie sie bei der Herstellung von Antibiotika und der Züchtung von Mikroorganismen

eingesetzt werden.

Es ist z. B. bekannt, daß je intensiver die Belüftung bei aerober Fermentierung erfolgt, ein desto besseres Wachstum obengenannter Mikroorganismen erreicht werden kann. Es ist ebenso bekannt, daß je kleiner die Gasbläschen, desto intensiver der Gas/Flüssigkeasaustausch erfolgt. Vorrichtungen dieser Art sind beschrieben in den deutschen Patentschriften 5 79 141 und 9 20 844. Diese Patentschriften gehen davon aus, daß ein

ίο relativ homogenes Medium begast werden soll, was keineswegs immer der Fall ist. Die Begasung eines z. B. Hefe enthaltenden Mediums verhält sich vollständig anders als ein z. B. Mycel enthaltendes Medium, ganz abgesehen davon, daß es sich in keinem Fail um eine

Newtonsche Flüssigkeit handelt. Es sind auch schon Begasungspumpen hergestellt worden, bei denen die Luft resp. Gase dadurch selbst angesaugt werden, daß an der Peripherie der Pumpenräder Gasaustrittsöffnungen angebracht wurden, welche dieses Gas durch die

Geschwindigkeit des Pumpenrades selbst ansaugen (H. |. Rehm. Industrielle Mikrobiologie. S. 6b. Berlin, Heidelberg, New York (1967), DTPS 9 bl 795). Solche Belüftungsvorrichlungen haben den Nachteil, daß die Pumpenräder resp. die Rührflügel eine relativ große

Geschwindigkeit aufweisen müssen und bei relativ großer Viskositäten der Flüssigkeit nicht mehr oder nur schlecht arbeiten oder komplizierte Zusatzeinbauten benötigen, die mit dem Umfang des Rotors Venturiverengungen bilden. Die Ansaughöhe der Luft resp. der Gase ist klein und nicht kontrollierbar.

Die an die Begasungseinrichtung von Bioreaktoren zu stellenden Anforderungen sind nicht mit denen zu vergleichen, die beispielsweise 111 \bwasserreinigungsanlagen und Klärbecken eingesetzt werden. Denn während der biologische Sauerstoffbedarf von normalem kommunalen Abwasser ca. 350 mg/1 beträgt, müssen beispielsweise bei der Fermentierung von Molke bei der Hefeherstellung je nach Provenienz 30 000 bis 50 000 mg Sauerstoff je Liter möglichst mikrofein eingetragen werden.

Der Erfindung liegt die Aufg.ibe zugrunde, die Begasungseinrichtung für die Substratflüssigkeit dahingehend zu verbessern, daß ein besonders feinblasiger Lufteintrag auch bei niedrigen Drehzahlen möglich ist.

Diese Aufgabe ist für den eingangs genannten Bioreaktor dadurch gelöst, daß an der Schleuderrad-Eintrittsöffnung für die Flüssigkeit eine venturirohrartige Verengung vorgesehen ist, die an der engsten Stelle Ansaugöffnungen für das in die Substratflüssigkeit einzutragende Gas aufweist. Diese Ansaugöffnungen befinden sich also an der Stelle des kleinsten Einlaufquerschnittes und somit an der Stelle des größtmöglichen Unterdruckes. An dieser Stelle wird bereits eine Vordispergierung vor dem Eintritt in das Schleuderrad bewirkt. Das Substrat mit den Mikroorganismen wird bereits frühzeitig innig mit Gas bzw. Luft vermischt. Diese Vordispergierung hat sich als sehr wirksam erwiesen weshalb für gleiche Züchtungsleistungen kleinere Bioreaktoren als bisher erforderlich sind. Die Ansaugöffnungen können entweder durch die Hohlwelle der Pumpe mil der Aiißcnluft resp. mit dem von außen anzusaugenden Gas oder aber mit der Oberfläche des über der Flüssigkeit stehenden Gasraumes verbunden sein. Je nach Querschnitt des venturirohrartigen Verengungsstutzens und der Drehzahl des Schleuderrads können größtmögliche Ansaughöhen erreicht resp. Gasmengcn eingetragen werden.

Die Patentansprüche 2 und 3 beinhalten vorteilhafte

Ausgestaltungen der Erfindung.

Es hat sich gezeigt, daß bei solchen Gasreaktionen, _wje z. B. in der Fermentiertechnik, Flüssigkeits/Gas-Dispersionen im Kessel entstehen, welche vom spezifischen Gewicht der Dispersion abhängig sind. Je größer die absolute Gasmenge zur Flütügkeitsmenge in der Dispersion ist, desto mehr ändert sich sowohl die Ansaugmenge als auch die Ansaughöhe des zu vermischenden Gases. Um ein Optimum von Ansaughöhe und Ansaugmenge des Gases zu erreichen, d. h. bei möglichst niedrigem Energiebedarf, kann der Ansaugquerschnitt im Einlauf des Schleuderrades verändert werden. Ebenso kann durch Veränderung der Fördermenge des Schleuderrades die angesaugte Luftmenge und die umzuwälzende Substratflüssigkeiismenge den jeweiligen Bedürfnissen angepaßt werden. Je größer die Umwälzmenge ist und je kleiner der Eintritisquerschnitt. um so größer ist die Ansaugmenge resp. Ansaughöhe des Gases und die umzuv. älzende Substratflüssigkeitsmenge. Es wird angestrebt, für ei"'jn bestimmten mikrobiologischen Prozeß diese Mengen variieren zu können, um den Energiebedarf, welcher teilweise in direkter Abhängigkeit der Reaktion steht, möglichst niedrig zu halten.

Es ist außerordentlich schwer, diese Parameter eines Bioreaktors für die einzelnen mikrobiologischen l'ermentationsprozesse vorauszusagen. Es wurde deshalb eine Ausführung des erfindungsgemäßen Bioreaktors gefunden, welche den verschiedenen Erfordernissen angepaßt werden kann. Die spezielle Ausführung besteht darin, daß sowohl die ansaugbare Gesamtmenge durch das Schleuderrad als auch die Dimension der venturirohrartigen Verengung an der Schleuderrad-Eintrittsöffnung änderbar ausgeführt sind. Diese beiden Veränderungsmöglichkeiten sind unabhängig voneinander möglich, d. h. die Fördermenge der Pumpe als auch die Einlauföffnung im Ventunrohreintriti. Die Erfindung sieht hierzu einerseits vor, daß das Schleuderrad zur Durchflußmengeneinsiellung abstandsverstellbare Seitenwände hat und andererseits, daß durch Verschieben des Nabenteils auf der Hohlwelle bei gelösten Schrauben die Durchflußöffnung der venturirohrartigen Verengung veränderbar ist. Bei gewissen Reaktionen ist z. B. eine große Ansaughöhe bei gleichzeitig großer Umwälzung gefordert. In diesem Falle wird die Durchflußöifnung der venturirohrartigen Verengung möglichst klein gehalten, so daß eine möglichst große Strömung und ein möglichst großer Unterdruck an Gascintritt besteht. Kann bei gleicher Ansaughöhe eine kleinere Umwälzhöhe toleriert werden, wird die Durchflußöffnung der venturirohrartigen Verengung kleiner gewählt und auch die Umwälzmenge der Pumpe. Hat ledoch /.. B. die umzuwälzende Substraiflüssigkeit eine große Tendenz zum Schäumen, sinkt das spezifische Gewicht der umzuwälzenden Dispersion, so daß für die gleiche Ansaughohe die Fördermenge der Pumpe erhöht werden muß. Zu diesem Zweck wird der Abstand der Seitenwände des Schleuderrades vergrößert, um die schlechtere Ansaughöhe zu kompensieren.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen an einer Zeichnung näher erläutert, in dor zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Begasungseinrichtung mit einem Schleuderrad gemäß der Erfindung.

Fig. 2 ein Schleuderrad mit veränderlicher Distanz dcrScitcnwände, . . ^

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Bioreaktor mit in die Flüssigkeit ragenden Ansaugstutzen der Begasungsrinrichtune. und

Fig.4 ein erfindungsgemäßer Bioreaktor mit Begasungseinrichtung und Wärmetauschern.

Die Begasungseinrichtung gemäß Fig. 1 ist die einfachste Ausführung. Auf einer Hohlwelle 1 ist ein Krdselpumpenschleuderlaufrad befestigt, das aus einem Nabenteil 4, einer auf diesem festgeschraubten scheibenförmigen Seitenwand 3 mit Schaufeln 14 und einer mit der mittleren Seitenwand 3 verschraubten oberen scheibenförmigen Seitenwand 2 besieht. Durch die Rotation dieses Schleuderrades wird die umzuwälzende Flüssigkeit in eine venturirohrartige Verengung 5 zwischen der oberen Seitenwand 2 und der Hohlwelle 1 angesaugt, wobei die größte Geschwindigkeit der Flüssigkeit in der venturirohrartigen Verengung, d. h. an der Stelle aufiritt. Dort sind Gaseintrittsöffnungen 6 im Nabenteil 4 angeordnet. Das durch einen Kanal 7 in der Hohlwelle 1 über Radialkanäle 8 angesaugte Gas tritt durch einen Ringkanal in der Nabe 4 und strömt in die Gasansaugöffnungen 6 und in die Ventunverengung ein. Dies führt zur Erzeugung mikrofeiner Gasbliischen in der umgewälzten Substratflüssigkeil.

F 1 g. 2 zeigt eine gleiche Ausführung der Beg.isungsvorrichiung. bei welcher die Distanz 9 zwischen den beiden Schleuderradseiienwänden 2 und 3 zui Vergrößerung und Verkleinerung der Durchflußmenge verändert werden kann. Gleichzeitig kann durch Verschiebung des Nabenieils 4 auf der Hohlwelle 1 bei gelösten Schrauben IO der Abstand 1 l.d. h.die Durchflußöffnung der ventunrohrartigen Verengung 5. verändert werden. Durchflußmenge. Saughöhe und Gasmenge können auf diese Art \,: inert werden.

Es können zur noch besseren Dispergierung des Gases in der Substratflüssigkeil an der Peripherie, d. h. am Austritt des .Schleuderrades ein mn radialer Öffnungen 15 versehenes Leitrohr 16. in bekannter Weise angeordnet werden, welches die Aulgabe h;U. die Gasblasen am Austritt der Kreiselpumpe noch weiter zu

\erkleinern.

Die beschriebene Begasungseinrichtung kann in ein oder mehrfacher Ausführung auf einer horizontalen Hohlwelle in einen horizontal liegenden Reaktionskessel eingebaut werden. Solche Ausführungen haben den Vorteil, daß relativ kleine Ansaughöhen genügen, um große Substraimengen einwandfrei zu belüften. Andererseits können solche Begasungseinrichtungen als Einzelaggregate direkt mit einem Antriebsmotor versehen an verschiedenen Stellen in liegende und stehende Reaktoren eingebaut werden.

F 1 g. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Begasungseinrichtung unterhalb einem in einen Kugclfermenter ragenden Leitrohr 7 mit Einlaßöffnungen 12. Wenn die Dispersion im Reaktionskessel die Tendenz hat. sich durch Flotation zu trennen, indem sie z. B. Schwebeleile an die Flüssigkeilsoberfläche befördert, kann die Ansaugung von der Oberfläche des Reaktionskessels für die I lussigkeil und die Ansaugung des Gases 13 von außen erfolgen.

Es hat sich gezeigt, daß sich die beschriebene Begasungseinrichtung besonders gut für einen Kessel mit der Gestalt einer Kugel eignet. Bei beispiolsweiser llalblüllung fai.it die Kugel ein größeres Flüssigkeitsvo-UtIiKMi .ils ein Zylinder gleu her liehe.

Dies spielt bei der I !herwindiing des hydrostatischen Drucks bei Selhsiansaugung eine wesentliche Rolle. Der Vorteil liegt in einer größeren Bcfüllung des Kugelferinentcis im Vergleich zum konven'.ionellen stehenden zylindrischen Fermenter. Auch die Form der Oberfläche wirkt sich günstig auf die Vernichtung des gebildeten

Schaums aus. Ferner ist durch die kleinere Oberfläche der Kugel und den günstigeren Stabilitätsverhältnissen weniger und dünneres Material erforderlich. Die Einsparungen betragen bis zu einem Drittel gegenüber dem herkömmlichen Fermcntcr.

Des weiteren lassen sich, wenn erforderlich, durch das größere Nutzvolumen mehr Kühlelcmentc in das Innere des Reaktors einbringen. Dies ist bei den exothermen Vorgängen während des aeroben Wachstums der zum Einsatz, kommenden Mikroorganismen von großem Vorteil.

Einen erfindungsgemäß ausgestalteten Kugclfermentcr zeigt auch FMg. 4 im Vertikalschnitt. Die Kreiselpumpe ist mit einem entsprechend geformten Flansch an der Kesselwand des Kugclfcrmenters befestigt. Die Luft tritt wieder durch ein Ansaugrohr 13 in die Hohlwelle und durch diese in die vcnturirohrartige Verengung an der Schleuderrad-Einiriusöffnung ein und verläßt den Fermenter über einen mechanischen .Schaumabscheider 18. Oberhalb des Schleudcrradcs ist ein Leitrohr 17 vorgesehen, durch dessen obere Einlaßöffnung 12 die Flüssigkeit im Kessel angesaugt wird. Seitlich und oberhalb des Schleuderrads vorgesehene Wärmetauscher 19 dienen zur Kühlung während einer Fermentierung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kugelfermenter mit einer Begasungseinrichtung für die Substratflüssigkeit bei aeroben, mikrobiologischen Prozessen in Form eines axial ansaugenden, geschlossenen Kreiselpumpen-Schleuderrades, das auf einer Hohlwelle befestigt ist, durch die das einzutragende Gas dem Schleuderrad durch Gaseintrittsöffnungen zuführbar ist, und wobei die Kreiselpumpe einen Flansch aufweist, mit welchem sie am Behälter montierbar ist, oder horizontal liegender Reaktionskessel mit einer in einfacher oder mehrfacher Ausführung auf einer horizontalen Hohlwelle liegenden Begasungseinrichtung für die Substratflüssigkeit bei aeroben, mikrobiologischen Prozessen in Form eines axialen ansaugenden, geschlossenen Kreiselpumpen-Schleuderrads oder liegende oder siehende Reaktoren mit einer Begasungseinrichtung für die Substratflüssigkeit bei aeroben, mikrobiologischen Pro/essen in Form eines axial ansaugenden, geschlossenen Kreiselpumpen-Schleuderrads, wobei die Kreiselpumpe als Einzelaggregal mit einem Antriebsmotor versehen an verschiedenen Orten der Reaktoren einbaubar ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Schleuderrad-Eintrittsöffnung für die Flüssigkeit eine \ cnturirohranige Verengung (5) vorgesehen ist, die an der engsten Stelle Ansaug Öffnungen (6) für das in die Substratflüssigkeit einzutragende Gas aufweist.

2. Fermenter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleuderrad zur Durchflußmengeneinstellung abstandsverstellbare Seitenwände (2 3) hat.

3. Fermenter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verschicben des Nabenteils (4) auf der Hohlwelle (1) bei gelösten Schrauben (10) die Durchflußöffnung der vcntunrohrartigen Verengung (5) veränderbar ist.