DE2402082B2

DE2402082B2 - Vorrichtung fuer die aerobe kultivierung von mikroorganismen

Info

Publication number: DE2402082B2
Application number: DE19742402082
Authority: DE
Inventors: Akihiko Chigasaki Kanagawa Kataoka (Japan)
Original assignee: Dainippon Ink and Chemicals, Ine , Japan Gasoline Co, Ltd, Tokio
Priority date: 1973-01-29
Filing date: 1974-01-17
Publication date: 1977-07-14
Also published as: JPS527073B2; FR2215464B1; US3910826A; ES422674A1; DE2402082C3; DE2402082A1; JPS49100281A; FR2215464A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die aerobe Kultivierung von Mikroorganismen unter Ve^rwendung einer Blasengärsäule mit enem in die Gärvorrichtung eingesetzten Saugrohr, bei der der Abstand zwischen dem untersten Ende des Saugrohrs und dem Boden der Gärvorrichtung auf einhalb bis drei Halbe des Durchmessers des Saugrohrs festgelegt ist, und die am Boden der Gärvorrichtung abgezogene Nährflüssigkeit nach der Kühlung durch einen Wärmeaustauscher in den Oberteil der Gärvorrichtung zurückführbar ist.

Zur Zellvermehrung, beispielsweise hei der Kohlenwasserstoff-Fermentation, wurde bisher ein Kultivier· verfahren angewandt, bei dem Nährstoffe, wie normales Paraffin, in eine Blasensäulen-FermentiervorrichtiinE-(»Blasengärsäule«) eingegeben werden. Der Gärsäule· wird durch Belüftung Sauerstoff während einer festen Zeitspanne zugeführt, die für das Wachstum der Mikroorganismen erforderlich ist. Anschließend wird die die Zellen enthaltende kultivierte Flüssigkeit aus der Gärsäule abgezogen, werden die Zellen von der Kulturflüssigkeit abgetrennt und die Ablauge verworfen.

Da bei diesem aeroben Fermentier- oder Gärverfahren die durch den Stoffwechsel der Mikroorganismen in der Gärsäule gebildeten, winzigen Kohlendioxidbläschen im allgemeinen im Inneren der Gärsäule zusammen mit der Kühlflüssigkeit zirkulieren und weil hieibei gleichzeitig eine große Wärme erzeugt wird, ist es für die Durchführung der Kultivierung von Mikroorganismen auf industrieller Basis äußerst wichtig, für eine Unterdrückung des in großen Mengen entstehenden Schaums, eine wirksame Abfuhr der bei der Kultivierung entstehenden Wärme und die ausreichende Sauerstoffzufuhr zu den Zellen zu sorgen. Unter diesen Gesichtspunkten ist eine Blasengärsäule mit einem Zug- oder Saugrohr in Form einer Blasensäule mit einem in diese eingebauten Saugrohr erwähnenswert (DT-OS 19 52 382), die als Vorrichtung vorgeschlagen wurde, welche alle genannten Erfordernisse gemeinsam erfüllen soll. Ein in eine Gärvorrichtung eingebautes Saugrohr erweist sich bezüglich der Sauerstoffzufuhr zu den Zellen und der vergleichsweise geringeren Schaumbildung als wesentlich vorteilhafter als z. B. die herkömmliche Gärvorrichtung mit Rührwerk. Da jedoch diese Blasengärsäule mit Saugrohr ein sogenanntes Innenwärmetauschersystem darstellt, bei dem ein Wärmetauscher in die Gärvorrichtung eingebaut ist, sind die Vorrichtungskosten im Fall einer Vorrichtung von industriell üblicher Größe zu hoch und ist die Vorrichtung in einem Störungsfall schwierig instand zu setzen, so daß eine derartige Vorrichtung Nachteile besitzt.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Kultiviervorrichtung für Mikroorganismen, welche die Züchtung oder Kultivierung von Mikroorganismen unter zufriedenstellenden Bedingungen ermöglicht, und die außerdem ohne Zusatz von Entschäumern, Schaumaufbrechern oder dergleichen gebaut werden kann.

Zunächst wurde mit dem Ziel, die Vorteile der herkömmlichen Blasengärsäule mit Saugrohr auf industrieller Basis im bestmöglichen Ausmaß auszunutzen, eine Vorrichtung untersucht, bei dem der Wärmetauscher außerhalb der Gärvorrichtung angeordnet ist und die Kultur- oder Nährflüssigkeit nach dem Absaugen derselben aus der Gärvorrichtung kühlt. Wenn der Wärmetauscher jedoch einfach außerhalb der Gärvorrichtung angeordnet wird, ist eine Entschäumungs- oder Schaumaufbrechvorrichtung zur Entfernung von Schaum aus der umgewälzten Nährflüssigkeit erforderlich. Eine aufwendige Spezialpumpe, z. B. eine Zahnradpumpe, muß eingebaut werden, so daß sich verschiedene, von dieser zusätzlichen Ausrüstung herrührende Schwierigkeiten ergeben und das Gesamtergebnis ziemlich unbefriedigend ist.

Infolgedessen wurde dieser Lösungsweg noch einmal überdacht und überprüft. Als Ergebnis dieser Bemühungen hat es sich erfindungsgemäß als möglich erwiesen, Mikroorganismen ohne die Anordnung zusätzlicher Geräte, wie Entschäumer, Zahnradpumpe usw., sehr zufriedenstellend zu kultivieren, indem die Position eines Gasverteilers zur Einleitung und Verteilung von Gas im inneren einer Blasengärsäule mit Zug- oder Saugrohr festgelegt wird (wobei selbstverständlich kein Wärmetauscher in diese Gärvorrichtung eingebaut ist), wobei unterhalb des Gasverteilers eine Gas/Flüssigkeit-Trennzone gebildet wird, die diese Gas/Flüssigkeit-Trennzone durchströmende, einen vergleichsweise niedrigen Schaumgehalt besitzende Nährflüssigkeit aus der Gärvorrichtung abgezogen und diese Nährflüssigkeit mittels einer herkömmlichen Pumpe zur Kühlung zu einem außerhalb der Gärvorrichtung angeordneten Wärmetauscher gefördert wird. Die Erfindung wurde auf der Grundlage dieser Erkenntnis entwickelt.

Die genannte Aufgabe wird daher bei einer Kultiviervorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Gasverteiler in einer Höhe entsprechend ²Ii des Abstands zwischen dem untersten Ende des Saugrohrs und dem Boden der Gärvorrichtung angeordnet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Schaumbildung ohne weiteres unterdrückt werden. Die Abfuhr der bei der Kultivierung entstehenden Wärme ikann wirksam mittels des außerhalb der Gärvorrichtung angeordneten Wärmetauschers erfolgen. Außerdem besitzt diese Vorrichtung den Vorteil, daß die für die Kühlung der Nährflüssigkeit außerhalb der Gärvorrichtung dienende Rohrleitung nur einen kleinen Durchmesser zu besitzen braucht, weil der Schaumgehalt in'der Nährflüssigkeit äußerst niedrig ist. Diese Konstruktion ist daher nicht nur sehr wirtschaftlich, vielmehr kann mit ihr auch verhindert werden, daß die Nährflüssigkeit durch unerwünschte Mikroben verunreinigt wird. Ihr besonderer Vorzug liegt darin, daß mit ihr die Kühlung

der Nährflüssigkeit außerhalb der Gärvorrichtung auf industrieller Basis möglich wird, wodurch die Anwendung einer großen Blasengärsäule mit Saugrohr und eine Vereinfachung der Vorrichtung möglich wird. Störmöglichkeiten im Betrieb sind weitgehend ausge- s schaltet; die Vorrichtung kann im Fall von etwaigen Störungen leicht instand gesetzt werden.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert, die eine schematische Vorderansicht einer Vorrichtung mit den Merkmalen nach der Erfindung zeigt. Die Kultiviervorrichtung weist auf: eine Gärvorrichtung I₁ ein zylindrisches Saugrohr 2, einen Einlaß 3 für das Medium, einen Gasverteiler 5 nahe des unteren Endes 6 des Saugrohrs, einen Boden 7, eine Umwälzpumpe 10, is eine Auslaßdüse oder -öffnung 11 zum Abziehen der Nährflüssigkeit, einen Wärmetauscher 13 und eine Einlaßdüse bzw. -öffnung 15 für die rückgeführte Flüssigkeit.

Wie erwähnt, wird mit der Erfindung eine Vorrich- lung für die aerobe Kultivierung von Mikroorganismen unter Verwendung einer Blasengärsäule mit Saugrohr geschaffen, bei welcher durch Festlegung der Position des Gasverteilers 5 und des untersten Endes 6 des Saugrohrs eine Gas/Flüssigkeit-Trennzone gebildet wird. Die diese Trennzone passierende Nährflüssigkeit wird außerhalb der Gärvorrichtung wirksam und wirtschaftlich gekühlt.

Die in der Zeichnung dargestellte Blasengärsäule besteht aus einer Gärvorrichtung 1 mit einem in diese eingebauten zylindrischen Saugrohr 2. Die Vorrichtung ist so ausgelegt, daß die über einen Mediumeinlaß 3 zugeführte Nährflüssigkeit 4 in Form eines Gas/Flüssigkeits-Gemisches um das zylindrische Saugrohr 2 herum zirkuliert und dabei durch aus dem Gasverteiler 5 austretende Luft oder ein anderes Mischgas mit Sauerstoff umgewälzt wird.

Als Gasverteiler 5 kann eine übliche Lochplatte, eine poröse Platte oder eine Düse angesetzt werden. Der Gasverteiler 5 ist hierbei zwischen dem unteren Ende 6 des Saugrohrs und dem Boden 7 der Gärvorrichtung angeordnet. Im Hinblick auf die noch näher zu erläuternde Gas/Flüssigkeit-Trennzone 8 unter dem Gasverteiler 5 ist dieser genau in einer Höhe entsprechend zwei Dritteln des linearen Abstands zwischen dem unteren Ende 6 des Saugrohrs und dem Boden 7 angeordnet. In dem unter diesem Gasverteiler 5 befindlichen Teil ist die Geschwindigkeit der Abwärtsströmung der Umwälzflüssigkeit vergleichsweise niedrig, so daß sie infolge des Auftriebs des Schaumes von der Aufwärtsströmung überholt wird. Infolgedessen bildet sich eine Gas/Flüssigkeh-Trennzone 8, wodurch der Blasengehalt der Nährflüssigkeit in der Nähe des Bodens der Gärvorrichtung innerhalb der Trennzone 8 auf weniger als ungefähr 10% verringert wird. Wenn daher der Gasverteiler 5 unterhalb der genannten Position angeordnet wird, beeinträchtigt er die Gas/Flüssigkeit-Trennzone 8, so daß der Gasblasengehalt der vom Boden der Gärvorrichtung abgezogenen Nährflüssigkeit hoch wird, was zu Kavitationen in der Pumpe führt, wodurch letztere schließlich ausfallen kann. Dieser Zustand ist zu vermeiden. Außerdem entspricht das untere Ende 6 des Saugrohrs 2 dem unteren Ende seines Umfangs, wobei der Abstand zwischen diesem Umfangsende und dem Vorrichtungsboden 7 '/2 bis V2 des Durchmessers des Saugrohrs entsprechen muß. Ist dieses Maß kleiner als der halbe Durchmesser des Saugrohrs, so wird die Gas/Flüssigkeit-Trennzone 8 zu schmal, wodurch eine zufriedenstellende Gas/Flüssigkeii-Trennung unmöglich wird. Beträgt dieser Abstand dagegen mehr als V2 Saugrohrdurchmesser, so führt die dadurch bedingte Vergrößerung der Gärvorrichtung 1, obgleich sich die Gas/Flüssigkeit Trennung zufriedenste'lend erzielen läßt, nicht unbedingt zu einer Verbesserung der wirksamen Ausnutzung der Vorrichtung, so daß diese Maßnahme nicht wirtschaftlich ist. Darüber hinaus besteht bei einer Vergrößerung der Kapazität des anaeroben Abschnitts über das erforderliche Ausmaß hinaus auch die Gefahr für eine Wachstumsbegünstigung unerwünschte Mikroben. Die die Gas/Flüssigkeit-Trennzone IB passierende Nährflüssigkeit wird über die Auslaßdüse 11 und ein Rohr 12 abgesaugt und mittels einer herkömmlichen Umwälzpumpe 10 in den Wärmetauscher 113 gefördert, um gekühlt zu werden. Die gekühlte Nährflüssigkeit strömt über ein Rohr 14 und wird über die Flüssigkeitsrückführdüse 15 wieder in die Gärvorrichtung 1 eingeführt. Beim Arbeiten mit einem kontinuierlichen System kann ein Teil der Nährflüssigkeit über eine Rohrleitung 16 vom System abgezweigt werden, während ein getrennter Auslaß 17 zum Abziehen von Flüssigkeit aus der Gärvorrichtung selbst vorgesehen sein kann. Wie erwähnt, eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung somit sowohl für den Chargenbetrieb als auch für d;n kontinuierlichen bzw. Dauerbetrieb. Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung weist außerdem einen Gasauslaß 18 auf.

Die Vorrichtung besitzt ein zylindrisches Saugrohr 2, das in einer vorbestimmten Position in die Gärvorrichtung 1 eingebaut ist. Der den Einlaß für das sauerstoffhaltige Gas darstellende Gasverteiler 5 ist, wie erwähnt, an einer vorgeschriebenen Stelle in der Vorrichtung angeordnet, die die Gas/Flüssigkeit-Abtrennung durch beabsichtigte Bildung einer Gas/Flüssigkeit-Trennzone 8 für die Nährflüssigkeit unter dem Gasverteiler 5 begünstigt; der Gasblasengehalt in der Nährflüssigkeit ist in der Nähe des Vorrichtungsbodens innerhalb der genannten Trennzone 8 ganz beträchtlich herabgesetzt. Die so behandelte Nährflüssigkeit wird zur Kühlung aus der Gärvorrichtung 1 abgezogen und die gekühlte Nährflüssigkeit wieder in die Gärvorrichtung 1 zurückgeleitet. Zur Durchführung der aeroben Kultivierung von Mikroorganismen unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Nährflüssigkeit über den Mediumeinlaß 3 in die Vorrichtung eingeleitet, worauf, wie erwähnt, ein sauerstoffhaltiges Gas (Luft oder dergleichen) über den Gasverteiler 5 in der Nährflüssigkeit dispergiert wird. Das Strömungsschema der Nährflüssigkeit 4 ist in der Zeichnung durch die Pfeile angedeutet. Infolge dieser Ausbildung bildet sich unter dem Gasverteiler 5 eine Gas/Flüssigkeit-Trennzone 8, durch welche die Gas/Flüssigkeit-Trennung begünstigt wird. Die wärmere Nährflüssigkeit wird über die Auslaßdüse 11 abgezogen und durch die Umwälzpumpe 10 in den Wärmetauscher 13 gefördert. Diese aus der Gärvorrichtung 1 abgezogene Nährflüssigkeit besitzt einen niedrigen Gasblasengehalt, so daß keine speziellen Umwälzvorrichtungen, etwa Verdrängungspumpen (Zahnrad-, Drehkolben-, Flügelradpumpet! und dergleichen) oder Injektoren, angewandt zu werden brauchen; vielmehr kann die Umwälzung der Flüssigkeit zufriedenstellend mittels einer herkömmlichen Zentrifugal- oder Schleuderpumpe erfolgen. Der Einsatz von Zusatzgeräten wie Entschäumern, Schaumaufbrechern und dergleichen ist selbstverständlich ebenfalls überflüssig. Die durch den Wärmetauscher 13

gekühlte Nährflüssigkeit wird über der Rückführ-Einlaßdüse 15 wieder in die Gärvorrichtung 1 zurückgeleitet.

Im folgenden sind Anwendungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.

Beispiel 1

Es wurde eine Blasengärsäule mit Saugrohr verwendet, bei welcher die Säule 50 cm Durchmesser und 500 cm Höhe besitzt. Das Saugrohr ist 365 cm lang, und der Abstand zwischen dem unteren Ende des Saugrohrs und dem Säulenboden sowie der Abstand zwischen der Lage der Gaseinblasdüse und dem Säulenboden betragen jeweils 35 cm. In diese Gärvorrichtung wurden 780 1 eines Nährmediums eingefüllt.

Die in einer Zellenkonzentration von 0,2 Gew.-% angewandte Hefe war von der Spezies Candida tropicalis. Durch Einblasen einer vorgeschriebenen Luftmenge unter einem Blasdruck von etwa 0,1 kg/cm² (Meßdruck) über den Gasverteiler in die Säule wurde bei gleichzeitiger Umwälzung der Flüssigkeit die Kultivierung eingeleitet. Um die Temperatur während der Kultivierung auf 32°C zu halten, wurde die Flüssigkeit kontinuierlich am Säulenboden abgezogei und über den Wärmetauscher zur Gärvorrichtunj zurückgeführt. Der Kultiviervorgang verlief bis zun Abschluß der Kultivierung sehr gleichmäßig. Hierbe zeigte es sich, daß die mittlere scheinbare Gesamtdichti des Gas/Flüssigkeit-Gemisches in der Säule 0,65 g/cm und die mittlere scheinbare Dichte am Auslaß für di< Nährflüssigkeit mehr als 0,9 g/cm³ betrugen (de Gasblasengehalt der abgezogenen Flüssigkeit betrug ίο weniger als 10%).

Beispiele 2 bis 4 und Vergleichsbeispiel

Unter Verwendung der gleichen Vorrichtung wie in Beispiel 1 (mit Ausnahme einer teilweisen Abwandlunf des Saugrohrs) und unter Anwendung des gleicher Verfahrens wie in Beispiel 1 wurde eine Kultivierung von Mikroorganismen durchgeführt. Die Ergebnissf sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt, weicht belegt, daß der Abstand zwischen dem untersten End«

jo des Saugrohrs und dem Boden der Gärvorrichtung, d. h dem Säuienboden, sowie die Position des Gasverteiler! einen großen Einfluß auf den Blasengehalt der aus dei Gärvorrichtung abgezogenen Nährflüssigkeit haben.

	Säulcn-	Saugrohr-	Abstand zwischen	Abstand zwischen	Gasblascn-
	durchinesser	durchmcsscr	unterem Ende des	unterem Ende des	gchalt
			Saugrohrs und	Saugrohrs und
			Säulenboden	Gasvcrtcilcr
	(cm)	(cm)	(cm)	(cm)	(%)
Erfindungsbeispiel 2	50	35	25	0	9
Erfindungsbeispiel 3	50	26	35	10	8
Erfindungsbeispiel 4	50	35	35	3	5
Vcfgleichsbeispiel 1	50	35	15	0	35
Vcrglcichsbeispicl 2	50	35	25	22	30
Vcrgleichsbeispicl 3	50	35	35	28	32
Vcrglcichsbeispicl 4	50	26	25	12	31
Vcrglcichsbeispiel 5*)	50	22	35	3	7

*) Beim Vcrgleichsbeispicl 5 warder Abstand zwischen dem unteren linde des Saugrohrs und dem Vorrichtungsboden so groß, dall der Wirkungsgrad der Gärvorrichtung mangelhaft war.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung für die aerobe Kultivierung von Mikroorganismen unter Verwendung einer Blasengärsäule mit einem in die Gärvorrichtung eingesetzten Saugrohr, bei der der Abstand zwischen dem untersten Ende des Saugrohrs und dem Boden der Gärvorrichtung auf V2 bis V2 des Durchmessers des Saugrohrs festgelegt ist, und die am Boden der Gärvorrichtung abgezogene Nährflüssigkeit nach der Kühlung durch einen Wärmeaustauscher in den Oberteil der Gärvorrichtung zurückführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasverteiler (5) in einer Höhe entsprechend ²h des Abstandes zwischen dem untersten Ende des Saugrohrs und dem Boden der Gärvorrichtung angeordnet ist.