DE2401436A1 - Einrichtung fuer die sauerstoff/temperatur-kontrolle aerober fermentationen - Google Patents

Description

• Einrichtung für die Sauerstoff/Temperatur-Kontrolle aerober Fermentationen in der US-Patentschrift 3 462 27 ist ein Verfahren zum Züchten von thermophilen Mikroorganismen in einem flüssigen Medium beschrieben,ds mit festen(oder gelösten) organischen, biologisch abbaubaren Abfallmaterialien beschickt ist, die Cellulose enthalten, wobei das Verfahren bei Temperaturen von 4.! bis 800C unter Rühren und Einleiten eines sauerstoffhaltigen Gases in die Mischung durchgeführt wird. In der genannten US-Patentschrift ist ausgeführt, daß sowohl die Sauerstoffzufuhr in das, als auch die Temperatur des biologischen Svstems kontrolliert werden müssen.
• Industrielle Fermentationen werden im allgemeinen in großen Metalltanks durchgeführt, die außen von Heizmänteln umgeben sind und die im Innern Einrichtungen zum Rühren, zum Einleiten eines Luftstromes und eine Kühlschlange aufweisen. Die Kühlschlange ist ein wesentlicher Faktor der Kosten eines Fermentationsreaktors.
• Es muß auch eine Einrichtung zum Zirkulieren eines lrühlmittels durch die Kühlschlange und eine Einrichtung für die Entfernung der Wärme aus dem Kühlmittel vorgesehen sein.
• -Es wäre von beträchtlichem Vorteil. wenn ein eine Einrichtung entwickeln würde, durch die die Entfernung der Wärme, die in einer thermophilen biologischen Reaktion abgegeben wird. durch die Verwendung einer billigeren Einrichtung zufriedenstellend kontrollieren könnte, um so ein billiger herstellbares Produkt zu erhalten.
• Die Begriffe "Gas" und "gasf*rmig" beinhalten auch ähnliche Zustandsformen, wie einen Dampf. Der Begriff "Züchtungssystem" umfaßt sowohl das Züchtungsmedium als auch solche eingeschlossenen oder definierten Volumina, die in Strömungsverbindung mit diesem Medium stehen.. aus denen Gas oder Gasmischungen für die Vermischung mit dem Züchtungsmedium erhalten werden können.
• Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Apparatur gelöst, die gleichzeitig den erforderlichen Sauerstoff für die Züchtung in einem aeroben, biologischen Züchtungssvstem liefert als auch die Temperatur des Systems kontrolliert. Die Erfindung gemäße Apparatur umfaßt folgende Bestandteile in Kombination: eine Einrichtung für die Bestimmung (means for defining) eines Züchtungssystems, das eine bestimmte Menge Medium für die Züchtung von Mikroorganismen enthält, eine Einrichtung zum Rühren des Züchtungsmediums.
• eine erste Einrichtung für die Einleitung eines ersten Gases in das Züchtungssystem, eine erste Einrichtung für die Kontrolle der Strömungsgeschwindigkeit des ersten Gases zu der ersten Einrichtung zum Einleiten eines Gases die mit dieser Einrichtung zum Einleiten verbunden ist.
• eine zweite Einrichtung zum Einleiten eines zweiten Gases in das Züchtungssvstems, eine zweite Einrichtung zum Kontrollieren der Strömungsgeschwindigkeit des Gases zur zweiten Einrichtung zum Einleiten eines zweiten Gases, die mit dieser zweiten Einrichtung zum Einleiten verbunden ist, eine Einrichtung zum Anzeigendes gelösten Ssuerstoffgehaltes des Züchtungsmediums, eine Einrichtung zum Anzeigen der Temperatur des Züchtungsmediums, wobei die erste Einrichtung zum Kontrollieren der Strmungsgeschwindigkeit mit der Einrichtung zum Anzeigen des Sauerstoffgehaltes verbunden ist, und in Abhängigkeit von Signalen von dieser den Sauerstoffgehalt anzeigenden Einrichtung arbeitet und die zweite Einrichtung zum Kontrollieren der Strömungsgeschwindigkeit mit der Einrichtung zum Anzeigen der Temperatur verbunden ist und in Abhängigkeit von Signalen dieser die Temperatur anzeigenden Einrichtung arbeitet.
• Mindestens einer der eintretenden Gasströme ist ein sauerstoffhaltiges Gas, z.B. Luft,und der sndere Gasstrom ist Dampf, Sauerstoff und/oder Stickstoff, jeweils unter Druck usw.
• Die erfindungsgemEße Apparatur ist besonders brauchbar, da sie die Durchführung thermophiler Fermentationsverfahren mit verringerten Betriebskosten ermöglicht.
• Der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung erfolgt. können weitere Aufgaben und Vorteile entnommen werden. Im einzelnen zeigen: Figur t eine dreidimensionzle Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Apparatur, Figur 2 eine dreidimensionsle Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Appsratur, bei der eine verschiebbare Abschlußkappe (skirt) für ein Ansaug rohr in Kombination mit einer Rührturbine verwendet wird, Figur 3 grafische Darstellungen, bei denen als Funktion der Zeit1 während der eine biologische Reaktion durchgeführt wird a) die metabolische Wärmeabgabe (minus Wärmeverlust) pro Zeiteinheit für ein System mit einer geringen Wärmeerzeugungsgeschwindigkeit (relativ zum Wärmeverlust durch Verdampfung) und b) die Wärme, die durch die dem System zugeführten Luftblasen weggeführt wird, aufgetragen sind, und Figur 4 grafische Darstellungen ähnlich denen der Figur 3 für ein System mit einer hohen Wärmeerzeugungsgeschwindig keit relativ zum Verdampfungswärmeverlust.
• Biologische Reaktionen, insbesondere die thermophile aerobe Umwandlung nach der vorgenpnnten US-Patentschrift, erzeugen im allgemeinen Wärme, die in kontrollierter Weise aus der Reaktionsmasse zu entfernen sein kann, um die Reaktion fortzuführen.
• Idealerweise wäre das System isotherm.
• Da bei einem aeroben biologischen Züchtungssystem normalerweise Luft durch ein perforiertes Rohr oder eine poröse Platte in ein gerührtes flüssiges Medium geleitet wird, um den Sauerstoffbedarf des Systems zu befriedigen, tritt eine gewisse Kühlwirkung ein (manchmal eine zu große) durch a) die rasch auf die Temperatur der Flüssigkeit erhitzten Blasen, b) die wasserverdampfung in dss Innere. der-Blase, bis der Dampfdruck in jeder Blase den Gleichgewichtsdampfdruck des Wassers bei der Temperatur der Flüssigkeitsmasse erreicht hat, c) das Austreten des Sauerstoffes und das Eintreten des Kohlendioxvds in die Blase durch Diffusion und d) das Wegführen des wärmehaltigen Wasserdampfes, der in den Blasen vorhanden ist, wenn diese aus der Oberfläche heraustreten. Die Kühlwirkung resultiert aus der Aufbringung der latenten Verdampfungswärme durch die jede Blase umgebende Flüssigkeit, um die beschriebene Verdampfung des Wassers zu bewirken.
• Diese Kühlwirkung war bisher unkontrolliert, da sie bloß die Einführung des sauerstoffhaltigen Gases begleitet, dessen Strömungsgeschwind igkeit durch den Sauerstoffbedarf der biologischen Masse bestimmt wurde. In einem thermophilen System wird durch die erforderliche Luftströmungsgeschwindigkeit üblicherweise eine zu starke Kühlung verursacht.
• Die vorliegende Erfindung optimalisiert die Einleitungsgeschwindigkeit für das sauerstoffhaltige Gas in das Züchtungssystem für die Vermischung mit dem flüssigen Medium und variiert gleichzeitig automatisch die Zusammensetzung des sauerstoffhaltigen Gases und/oder der Blasen des sauerstoffhaltigen Gases. Diese Wirkungen sind kontrolliert in Abhängigkeit von der Temperatur und dem gelösten (oder molekularen) Sauerstoffgehalt des Systems.
• Die in Figur 1 gezeigte Apparatur weist ein wäßriges Medium für die Durchführung einer aeroben biologischen Umsetzung in einen Fer mentationstank 10 auf. Mit der dargestellten Anordnung wird, nachdem man einen Wert für die in dem Züchtungssystem zu verwendende gelöste Sauerstoffkonzentration festgelegt hat (z.B. 1 bis 10 ppm), die Menge des sauerstoffhaltigen Gases (üblicherweise Luft), die durch die Zuführungsleitung 11 eingeführt wird, in der erforderlichen Weise durch die automatische Betätigung des Ventils 12 variiert. Die Art und Weise der Kontrolle des Ventilbetätigers wird nachfolgend beschrieben.
• In dieser Ausführungsform der Figur 1 wird die Luft (oder unter Druck stehender Sauerstoff käuflicher Qualität (wie nachfolgend kurz, beschrieben) in das flüssige Medium an einem Punktn erhalb dem Zentrum einer flache Schaufeln sufweisenden Turbine 14 eingeführt, wodurch die maximale Blasenoberfläche durch die Wirbelungen um die rotierende Turbine herum entwickelt wird. Die so gebildeten Blasen unterstützen das Kühlen des wäßrigen Mediums dadurch, daß sie dem Medium latente Verdampfungswärme entziehen, wie oben beschrieben, Ein zweites Gas wird durch das Gaseinlaßrohr 16, das konzentrisch mit der Leitung 11 an dessen Auslaßende dargestellt ist, in das wäßrige Medium eingefAhrt. Das Rohr 16 dient als Einrichtung für die kontrollierte Einleitung von Dampf und/oder einem Inertgas, wie Stickstoff, in das Züchtungssvstem, wobei die Einleitungsgeschwindigkeit durch das automatisch betätigte Ventil 17 kontrolliert wird.
• Wie nachfolgend näher beschrieben wird, ist die Anordnung der Anzeige- und Kontrolleinrichtungen der Figur 1 für den Betrieb entweder mit Luft/Dampf oder Luft/Sauerstoff ausgebildet, wobei gegebenenfalls zusätzlich Dampf oder Stickstoff eingeführt erden kann. Während des Betriebes wird die erforderliche Menge des gelösten Sauerstoffes zur Erfüllung des biologischen Bedarfes des Züchtungssystems durch Betätigung des Ventils 12 in Abhängigkeit vom Sauerstoffsensor 18 und dem Regler 19 eingeführt.
• Der Sauerstoffsensor 18 ist eine käufliche Einheit (z.B. das Modell E100 der Fermentation Design Inc., AllentownJPe,) zur Bestimmung der Menge des gelösten Sauerstoffes in dem flüssigen Medium, Ist der Regler 19 auf eine Betriebskonzentraton von 3 ppm gelöstem Sauerstoff eingestellt, dann betätigt der Regler 19 das Ventil 12, wenn die Sauerstoffkonzentration unter diesen Wert fällt und verursacht so die Einführung von Luft oder Ssuerstoff in das wäßrige Svstem (e nachdem ob das Ventil 20 oder das Ventil 20n offen ist, wobei gleichzeitig die entsprechende Strömungsgeschwindigkeit eingestellt ist).
• Die Art der Kontrolle in .jedem der Sensoren, auf die hierin Bezug genommen wird, kpnn derart sein, daß die Einleitungsgeschwin digkeit des Gases in direktem Verhältnis zur Differenz zwischen dem eingestellten Wert und dem tatsächlich gemessenen Wert variiert und auch gemäß dem Zeitintegral der Differenz und/oder entsprechend der Ableitung nach der Zeit von der Differenz.
• Wenn während des Betriebs mit Luft/Dampf der Lufteinlaß (über das Ventil 20), der zur Aufrechterhaltung des eingestellten Levels von gelöstem (molekularem)Sauerstoff in der Flüssigkeit benötigt wird, in ausreichender Menge erfolgt, so daß die Blasenkühlung des wäßrigen Mediums größer as erwünscht ist, dann wird dieses Verhalten durch den Temperatursensor 21 angezeigt und in Abhängigkeit von einem von dort erhaltenen Signal betätigt der Kontroller 22 das Ventil 17. Bei normalem Betrieb mit Luft-Dampf ist das Ventil 23 offen (während die Ventile 24 und 26 geschlossen sind) und es wird unter Druck stehender Dampf kontrollierbar über Ventil 17 und Leitung 16 zugeführt.
• Für den Betrieb mit Luft/SPuerstoff, der im Zusammenhang mit Figur 2 näher beschrieben werden wird, sind die Ventile 24 (für Luft) und 20a (für Ssuerstoff) offen.
• Mit dem Dampfeintritt wird die Temperatur des Systems erhöht durch die kombinierte Wirkung von .) dem Einschluß von anfeuchtendem bzw. kondensierendem Dampf innerhalb der Luftblasen und zu einem geringeren AusmaßJb) dem Wärmegehalt des Dampfes selbst.
• Der in die Luftblasen eingetretene Dampf verringert die Wassermenge, die von der Oberfläche jeder Blase nach innen verdampft und verringert die aufgebrachte latente Verdampfungswärme. Diese Verringerung des Abkühlens wird erreicht, ohne dsß die Aufrechterhaltung des erforderlichen Betriebslevels für den im wäßrigen Medium gelösten Sauerstoff beeinträchtigt wird. Das automatische Beginnen und Beenden der Einführung von Dampf und das automatische Einstellen der Strömungsgeschwindigkeit führt zur Aufrechterhaltung der im Sensor 21 eingestellten Temperaturbedingungen.
• Obwohl zwischen den Reglern iq und 22 und den Ventilen 12 und 17 elektrische Verbindungen angegeben sind, können diese Ventile auch pneumatisch betätigt werden.
• Eine zweite Ausführungsform der Apparatur der vorliegenden Erfindung ist eingestellt für den Betrieb mit Luft/Sauerstoff und in Figur 2 gezeigt, wobei ein Fermentationstank 30 eine serobe biologische Reaktionsmasse enthält, die gerührt und gelüftet wird durch die Turbine 31, die Luft durch das Ansaug-rohr 32 nach unten zieht und sie mit der wäßrigen Resktionsmfsse vermischt. Etwas Sauerstoff der Luft löst sich in dem wäßrigen System und fördert die darin gezüchteten biologischen Lebensformen, die Hauptmenge der Luft bleibt jedoch (wie bei der vorigen Ausführungsform) gasförmig in Form von kleinen B3äschen, die durch die Wirbelzirkulation, die durch die mit flachen Schaufeln versehene Turbine 31 verursacht wird, durch die Flüssigkeit gespült werden. In diese Bläschen verdampft Wasser bis zum Sättigungspunkt bei der vorherrschenden Temperatur.
• Wird in dem Fermentationstank (bei Betriebstemperaturen von etwa 4tn bis SO0C) der thermophile Abbau zellulosehaltiger Materialien durchgeführt, dann ist der Dampfdruck des Wassers ein wesentlicher Anteil des Atmosphärendruckes, Auch beim Sättigungspunkt für Sauerstoff in einem wäßrigen System, das sich im Gleichgewicht mit einer Atmosphäre Luft und FF°C befindet, beträgt die maximal gelöste Sauerstoffkonzentration etwa 5 ppm, was den geringen Gleichgewichtswert der Sauerstoffabsorption zeigt.
• Das Ansaug-róhr 32 ist als aus zwei Teilen bestehende Struktur dargestellt, die aus einer festen oberen Wand 33 und einer unteren bewegbaren Abdeckhaube 34 besteht. Die Anordnung der Sensoren und Regler, wie sie in Figur 2 gezeigt ist, dient für den Betrieb mit Luft und Sauerstoff als den beiden verwendeten Gasen. Diese Kombination der Gase ist selbstverständlich nur beispielhaft.
• Wenn der Temperatursensor 36 anzeigt, daß die Temperatur der flüssigen Reaktionsmasse zu stark gestiegen ist, dann ist das dem Temperaturregler 37 zugeführte Signal derart, daß es die Betätigung der Servomotoren 38 und 39 in Richtung auf eine Absenkung der Abdeckhaube 34, die durch diese getragen ist, verursacht. In dem Maße, in dem die untere Kante der Abdeckhaube 34 näher zur Rotationsturbine 31 bewegt wird, wird die Bewegung der Luft in den Tank graduell bis zu einem Punkt verStärkt, bei dem eine ausreichende Kühlung der Flüssigkeit vorhanden ist, und dies führt zu einem Signal vom Sensor 36 zum Regler 37, das die Servomotoren 38 und 39 stoppt. Wenn diese erhöhte Kühlfähigkeit die Temperatur der IIauptflüssigkeit bis zu einem Wert unterhalb des für den'Sensor 36 eingestellten Punktes verringert hat, dann verursacht das Signal des Sensors 36 zum Tempersturregler 37 eine umgekehrte Bewegung der Servomotoren 38 und 39, durch die eine erforder]iche Aufwärtsbewegung der ADdeckhaube 34 bewirkt wird. Wenn es gewünscht ist, kPnn d?s Ansaugrohr 32 aus einem Stuck bestehen) das entweder beweglich oder fest ist. Wird lediglich eine bewegliche WPnd verwendet, dann kann die kontrollierte Bewegung dieser Wand in gleicher Weise bewirkt werden, wie dies im Zusammenhang mit der Abdeckhaube 34 beschrieben wurde. mird lediglich eine einzige feste Wand verwendet, dann kann die Stellung der Turbine 31 relativ zur unteren Kante des An -saugrohres durch eine Aufwärts- oder Abwärtsbewegung der Turbine durch geeignete betätigende Einrichtungen variiert werden.
• Das offene obere Endstück des Ansaugrohres ist aerodvnamisch und dicht mit einem Ansaugtunnel 41 verbunden, der sn beiden Endstücken abgeschlossen oder an einem oder beiden Enden offen sein kann. Ist der Ansaugtunnel 41 an beiden Enden geschlossen, dann müssen (nicht dargestellte) Lüftungskanäle vorgesehen wers den, die die kontrollierbare Zufuhr von Luft gestatten. Der Ansaugtünnel 41 ist von der Wand des Tanks 30 getragen, und er kann bis zu dem gewünschten Ausmaß darüber hinausgehen, um die Aufnahme frischer Luft bei minimaler Zurückführung der heißen feuchten Luft, die den Tank 30 verläßt, sicherzustellen. Die Struktur des Ansaugtunneis 41 muß das Ansaugrohr 32, die Turbine 31 und die Antriebseinrichtung 42 dafür usw. tragen können.
• In Abhängigkeit von der Notwendigkeit, sterile Bedingungen aufrechtzuerhalten, können die durch den Tunnel 41 nicht abgedeckten Teile des Oberteils des Tanks 30 verschlossen oder offengelassen werden. Auch kann der Tunnel 41 breit genug sein, um die ganze Breite des Tanks 30 abzudecken.
• Die Einleitung und die Beendigung der Einleitung von Sauerstoff und die Bestimmung von dessen Strömungsgeschwindigkeit als dem in das Züchtungssvstem einzuführende zweite Gas, wird durch die automatische Kontrolle des Ventils 43 in der Leitung 44 durch den Sauerstoffregler 46 bewirkt, der geeignete Signale von dem Sauerstoffsensor 47 erhält. Wenn dnher die Luftzufuhr vermindert worden ist, um den Temperatursnforderungen zu genügen, wird die Lieferung des Sauerstoffbedarfes für die- MikroorgPnismenzüchtung durch die Zufuhr von Sauerstoff durch die Leitung 41 sichergestellt.
• D?s zweite Gas wird in das obere Endstück des Ansaugrohres 32 eingeleitet und dabei mit der Luft in dem Züchtungssvstem vermischt. bevor es in das Züchtungsmedium eintritt und nachfolgend Blasen bildet, für die die Energie von dem Rührer 31 geliefert wird. Zusätzlich zur Erzeugung von Wasserdampf in den so gebildeten Blasen findet selbstverständlich ein wechselseitiger Austausch von Sauerstoff (rußen) und Kohlendioxid (innen) mit der umgebenden Flüssigkeit durch Gastransport durch die Blasenwand statt.
• Im Falle der Vorvermischung der verwendeten Gase (wie in Figur 2 und,wie es der Fall sein kann,in der Ausführungsform der Figur 1 durch Beenden der Leitung 16 kurz vor dem Auslaßende der Leitung all), üben der Temperatursensor/Regler und der Sauerstoffsensor/Regler immer noch ihre entsprechenden primären Regelfunktionen aus. Obwohl in der Ausführungsform der Figur 2 die Temperaturkontrolleinrichtung (Sensor 36 und Regler 37) direkt die Einleitung von Luft bestimmt und die Einleitung von Luft wiederum die Ssuerstoffkon7.entrstion in dem flüssigen Medium beeinflußt, hat die Spuerstoffkontrolleinrichtung (Sensor 47 und Regler 46) noch die primäre Aufgabe, zu bestimmen, wie reich an Sauerstoff das vorvermischte eingeleitete Gas sein muß.
• Die in der erfindungsgemäß.en Apparatur erforderliche Ausrüstung für die Messung der Temperatur und des gelösten Sauerstoffes, die Servomotorantriebe, die automatisch betätigten Ventile und die Geräte dafür, die Betätigungsverbindungen usw. sind käufliche Standardgeräte. Obwohl in jeder Ausführungsform ein einziges Einlaßrohr für die Einführung des zweiten Gases gezeigt ist, kann eine Vielzahl solcher Einlaßrohre verwendet werden, das je mit einem unter Druck stehenden Vorrat eines anderen Gases verbunden sein kann.
• Die Figuren 3 und 4 zeigen grafisch Arten metabolischer Wärmeerzeugung die in der PrPxis in einem thermophilen System vorkommen können und die Beziehung davon zu Kurven, die die Abführung von Wärme zeigen. die durch die Einführung sauerstoffhnltigen Gases zur Erfüllung des Sauerstoffbedarfes des Systems durch die Wasserverdampfung in die aus dem Gas gebildeten Blasen verursacht ist.
• Die Kurve s der Figur 3 zeigt die "Werte dermetabolischen Wärme abzüglich der Wärmeverluste" für ein biologisches System mit einer geringen Geschwindigkeit der Wärmeerzeugung. Die Kurve b zeigt die bei der Erfüllung des Sauerstoffbedarfes des biologischen Systems durch Blasen abgeführte Wärme. Der beträchtliche Abstand zwischen Kurve a und b, zeigt den Zustand des verstärkten Überkühlens, der in einem thermophilen System auftreten kann.
• Mit der erfindungsgemäßen Apparatur soll ein Zusammenfs3len der Kurve b mit der Kurve a bewirkt werden (d.h., daß die Anzahl der abgeführten Wärmeeinheiten, ausgedrückt in BTU-Einheiten = der Anzahl der Wärmeverlusteinheiten, ausgedrückt in BTU-Einheiten, ist), wobei dies durch richtige Auswahl und Kontrolle eines in Koordination mit der Luftströmung einzuführenden zweiten Gases geschieht. Mit dem Begriff "zweites Gas" soll auch eine Vielzahl von Gasen umfaßt werden, die aufeinanderfolgend oder kombiniert in einer einzigen Mischung verwendet werden können.
• Im Betrieb können zu Beginn sowohl Erwärmen als auch ein Anreichern des Systems an Sauerstoff (Oxydation) erfolgen. Ein solches anfängliches Erwärmen kann durch einen (nicht dargestellten) den Fermentationstank umgebenden üblichen Heizmantel erfolgen.
• Das Erhöhen der ursprünglichen Sauerstoffkonzentration (bis zu 1 bis 2 ppm gelösten Sauerstoffes) wird vorzugsweise unter Verwendung des zweiten Gases (Sauerstoff oder Sauerstoff und Dampf) vor dem Auftreten der Kilhlwirkung durch das erste Gas (Luft) bewirkt. Nachdem die Zücht.ung einmal eingeleitet worden ist (Punkt null auf der Kurve a) und die in dem System erzeugte metabolische Wärme zunimmt, dienen die Ausführungen zu den Figuren 3 und 4 zur Veranschaulichung der Luft/Sauerstoff- und des Luft-Dampf-Systems.
• Wenn dss erste und das zweite Gas, die in ein biologisches System eingeführt werden das Wärme mit einer geringen Geschwindigkeit relativ zum Wärmeverlust durch Verdampfen erzeugt, Luft und Sauerstoff sind, dann wird die Luftzufuhr (in Abhängigkeit zur Temperaturanzeige) als Funktion der Zeit von null bis zu einem Maximalwert variieren und dann zu dem gleichen geringen Wert vermindert werden. Während dieser gleichen Zeit wird die Sauerstoffzufuhr (in Abhängigkeit vom Sauerstoffsensor). derart sein, daß das Sauerstoff/Luft-Verhältnis von einem Maximalbis zu einem Minimalwert variiert (der mit der maximalen Luftzufuhr übereinstimmt) und danach graduell zunimmt.
• In einem biologischen System mit einer geringen Geschwindigkeit der metabolischen Wärmeerzeugung, bei dem Luft und Dampf als llauptgase verwendet werden, wird zur Dampf (in Abhängigkeit von der Temperaturanzeige) beim anfänglichen Erwärmen des Systems verwendet werden und wird während des ganzen Verfahrens mit verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten eingeleitet werden, da die eingeleitete Luft (in Abhängigkeit von der Sauerstoffanzeige) sonst ein Überkühlen während des ganzen Verfahrens verursachen v,qrde. um mit der Luftzufuhr den Sauerstoffbedarf zu decken. Dies ist eine verallgemeinerte Darstellung der wechselseitigen Beziehungen der Gaszufuhr und ein spezifisches System wäre diesbezüglich genauer zu betrachten.
• Bei einem Svstem, das Wärme mit einer hohen Geschwindigkeit erzeugt, wäre, wie in Figur 4 gezeigt, die Kurve c repräsentativ für "die metabolische Wärme abzüglich der Wärmeverluste" als Funktion der Zeit in einem thermophilen System. Die Kurve d gibt die Wärmeabführung als Funktion der Zeit wieder, die durch die Wasserverdampfung bewirkt wird, die ihrerseits durch die Einführung von Luft gemäß dem Sauerstoffbedarf des biologischen Systems bedingt ist. Eip Zustand, bei dem die Wärmeerzeugung die Wärmeabführung übersteigt, besteht zwischen den Punkten A und B, zwischen denen die Kurve c das Maximum der Kurve d übersteigt.
• Wird ein solches Svstem mit Luft und Sauerstoff als den Hauptgasen betrieben, dann steigt die Luftzufuhr (in Abhängigkeit von der Tem;peraturanzeige)> nachdem das Svstem einmal anfänglich erhitzt und oxvgeniert worden ist, von null an nur, wenn für die Kühlung erforderlich, bis der Punkt A erreicht ist. Danach wird die Luftzufuhr in dem Maße, wie sie für die Kühlung erforderlich ist,von A nach X gesteigert; die Luftzufuhr wird verringert, wenn verminderte Kühlung erforderlich ist, von X nach B und die Luftzufuhr wird von B abwärts weiter vermindert in Übereinstimmung mit den Temperaturanforderungen.
• Die Zufuhr von Sauerstoff als dem zweiten eingeleiteten Gas (in Abhängigkeit von der Sauerstoffanzeige),ausgedrückt als das Sauerstoff/Luft-Verhältnis, beginnt mit einem Maximalwert, wird bis zu null bei Punkt A verringert, bleibt zum Punkt B auf diesem Wert und wird dann, wie erforderlich, erhöht.
• Werden Luft und Dampf als IInuptgnse verwendet, dann erfolgt in einem biologischen System. in dem Wärme mit einer großen Geschwlndigleit erzeugt wird, die Luftzufuhr in Abhängigkeit von der Ssuerstoffanzeige} während die Dsmpfzufuhr in Abhängigkeit von der Temperaturanzeige erfolgt. Nach anfänglicher Oxygenierung des Systems und gleichzeitiger-Dampfeinleitung zur Bewirkung eines anfänglichen Erwärmens, erfordert die Luftzufuhr'die von null bis A zur Befriedigung des biologischen Sauerstoffbedarfes notwendig ist, eine Dampf zufuhr mit nbnehmender Geschwindigkeit, um die überschüssige Kühlwirkung auszugleichen (offset). Zwischen den Punkten A und B %erde die Dampf zufuhr abgestellt und die Luftzufuhr vermehrt durch Betätigung eines (nicht dargestellten) Reglers, der den Sauerstoffsensor übersteuert, um die erforderliche Kühlwirkung zu schaffen, obwohl Sauerstoff in einem Überschuß zur biologisch erforderlichen Menge zugeführt wird. Beim Punkt B würde die Einführung von Dampf mit zunehmender Geschwindigkeit eingeleitet, um die Kühiwirkung der Luftzufuhr auszugleichen.
• Die erfindungsgemäße Apparatur ist sowohl anwendbar für diskontinuierlichen als such kontinuierlichen Betrieb. Bei einem kontinuierlichen Betrieb kennen getrennte, jedoch miteinanderverbundene Fermentationstnnks verwendet werden, in dem je ein Teil des spezifischen Verfahrens durchgeführt werden würde. Der kontinuierliche Betrieb gerührter Tankreaktoren ist in der chemischen Technik bekPnnt.
• Die funktionellen Beziehungen zwischen Tankdurchmesser, RUhreranordnung, Rührerdurchmesser us. sind in der Mischtechnik bekannt. Die Auswahl und der Ort für die Rühreinrichtung können je nach den Anforderungen des Züchtungssystems variiert werden.
• So kann z.B. die Rühreinrichtung für langsames oder für Rühren mit hoher Geschwindigkeit eingerichtet sein.
• Die Erfindung ist auch Puf die thermophile Zersetzung von Feststoffen anwendbar.
• So können inshesondere bei thermophilen biologischen Züchtungsverfahren beträchtliche Vorteile durch Einrichten der Möglichkeit für gleichzeitiges Einleiten von mindestens zwei Gasen in das Züchtungssvstem realisiert erden, wobei das eine in Abhängigkeit von der Abweichung vom eingestellten Punkt für die Temperatur anzeige im Züchtungsmedium und das andere für eine Abweichung von dem eingestellten Punkt für die Anzeige des gelösten Sauerstoffs im Züchtungsmedium eingestellt wird. In jedem Falle ist eines der beiden Gase ein sauerstoffhaltiges Gas (üblichereise Luft), während das zweite Gas ü.bicherweise Dampf oder Sauerstoff ist, Die in das Züchtungssystem eingeleiteten Gase können am Eintrittspunkt in das Ziichtungssystem oder vorher miteinander vermischt werden.

Claims (22)

Patentnsprüche

1. Apparatur für die Durchführung kontrollierter aerober Fermentstionen, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Bestandteile: a) einen Behälter für die Festlegung der Grenzen eines Züchtungssystems, das eine Menge eines Mediums für die ZUchtung von Mikroorganismen enthält, b) eine Einrichtung in dem Züchtungssystem für das Rühren des Mediums, c) eine erste Einrichtung in Strömungsverbindung mit dem Züchtungssystem für die Einführung eines ersten Gases in das ZüchtungssystemJ d) eine erste Einrichtung für die Regelung der Gaszufuhrgeschwindigkeit, die mit der ersten Gaseinführungsein richtung verbunden ist, e) eine zweite Einrichtung in Strömungsverbindung mit dem Züchtungssvstem für die Einleitung eines zweiten Gases in das Züchtungssvstem, f) eine zweite Einrichtung für die Regelung der Gaszufthrungsgeschwindigkeit, die mit der zweiten Gaseinführungseinrichtung verbunden ist g) eine Einrichtung in dem Züchtungssystem für die Anzeige des molekularen Sauerstoffgehaltes in dem Medium, h) eine Einrichtung in dem Züchtungssystem für die Anzeige der Temperatur des Mediums, wobei i) die erste Einrichtung für die Regelung der Geschwindigkeit mit der Einrichtung zum Anzeigen des Sauerstoffgehaltes verbunden ist und entsprechend den von dort empfnngenen Signalen reagiert und ,j) die zweite Einrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit mit der Temperaturanzeigeeinrichtung verbunden ist und entsprechend den von dort empfangenen Signalen reagiert.

2. Apparatur nach Anspruch 1, d a d-u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß mindestens eine der beiden Einrichtungen zum Einleiten von Gas mit einem Auslaßende benachbart der Rühreinrichtung versehen ist.

3. Apparatur nach Anspruch 1, d n d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Rühreinrichtung eine mit flachen Schaufeln versehene Turbine sowie die Antriebseinrichtung dafür umfaßt.

4. Apparatur nach Anspruch 3, d n d u r c h g e k e n n -æ e i c h n e t , daß die erste Gaseinführungseinrichtung eine Leitung umfaßt. deren Auslaßende dicht am Zentrum der Turbine iegt.

5. Apparatur nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die erste Gaseinführungseinrichtung ein sich vertikal erstreckendes Ansaugrohr umfaßt.

6. Apparatur nach Anspruch ., d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Ansaugrohr zumindest teilweise vertikal einstellbar ist.

7. Apparatur nach Anspruch t d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die zweite Gaseinleitungseinrichtung eine Leitung umfaßt.

8. Apparatur nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Leitung sich zumindest für einen Teil der Länge der Leitung in die erste Gaseinführungseinrichtung erstreckt.

9. Apparatur nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Auslaßende der Leitung innerhalb eines sich vertikal erstreckenden Ansaugrohres liegt.

10. Apparatur nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß. die Leitung innerhalb einer zweiten Leitung als der ersten Gaseinführungseinrichtung angeordnet ist,

11. Apparatur nach Anspruch 1 d 8 d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß ede Geschwindigkeitsregeleinrichtung einen Regler und ein automatisch durch diesen Regler betätigtes einstellbares Ventil umfaßt.

12. Verfahren für die Durchführung geregelter aeroben Ferment -tionen, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Stufen a) Einführen einer aeroben Mikrobenkultur in ein Medium, das die erforderlichen Nährstoffe und eine Kohlenstoffquelle enthält, b) Erhöhen des Sauerstoffgehaltes und der Temperatur des Mediums bis zu Werten bei denen die Mikrobenkultur wschsen und sich vermehren dann, c) Messen der Temperatur des Mediums während des 2dchtungszv1rlus, d) Messen des Spuerstoffgehaltes des Mediums während des Züchtungszvklus, e) Vermischen eines ersten und eines zweiten Gases mit dem Medium, f) automatisches Regeln des Vermischens des ersten Gases mit dem Medium in Abhängigkeit von der Temperaturanzeige, und g) automatisches Regeln des Vermischens des zweiten Gases mit dem Medium in Abhängigkeit von dem Meßwert des gelösten Sauerstoffes, wobei mindestens eines der Gase mindestens 20 Vol. - Sauerstoff enthält.

13. Verfahren nach Anspruch 1.2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das erste und das zweite Gas vor dem Vermischen mit dem Medium miteinander vermischt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Medium eine Flüssigkeit ist.

15. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t ,daß das erste Gas Luft und das zweite Gas Sauerstoff ist.

16. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das erste Gas Dampf und das zweite Gas Luft ist.

17. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß thermophile Organismen verwendet werden und daß die Arbeitstemperatur im Bereich von 45 bis 80°C liegt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n -.

z e i c h n e t , daß das erste Gas Luft und das zweite Gas Sauerstoff ist.

19. Verfahren nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das erste Gas Dampf und das zweite Gas Luft ist.

20. Verfahren nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n -z e i c-h n e t , daß das Medium eine Flüssigkeit ist und der Gehalt an.gelöstem.Sauerstoff im Bereich von l bis 3 ppm aufrechterhalten wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das erste Gas Luft und das zweite Gas Sauerstoff ist.

22. Verfahren nach Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das erste Gas Dampf und das zweite Gas Luft ist.