DE2423766A1 - FERMENTATION PROCESS AND DEVICE FOR IMPLEMENTING IT - Google Patents
FERMENTATION PROCESS AND DEVICE FOR IMPLEMENTING ITInfo
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Description
Dipl.-lng. Tiedtke
Dipl.-Chem." Biihling
Dipl.-lng. KinneDipl.-Ing. Tiedtke
Dipl.-Chem. "Biihling
Dipl.-Ing. Chins
8 München 28 Munich 2
Tel.: (089)539653-56
Telex: 524845 tipat
cable address: Germaniapatent MünchenTel .: (089) 539653-56
Telex: 524845 tipat
cable address: Germaniapatent Munich
München, den 1. Oktober 1974 Patentanmeldung P 24 23 766.9 B 6034 / ICI case B.26139Munich, October 1, 1974 Patent application P 24 23 766.9 B 6034 / ICI case B.26139
Imperial Chemical Industries Limited
London, GroßbritannienImperial Chemical Industries Limited
London, UK
(Zusatz zu Patentanmeldung P 21 35 762.0)(Addition to patent application P 21 35 762.0)
Fermentierungsverfahren sowie Vorrichtung zu
dessen DurchführungFermentation process as well as device too
its implementation
Die Erfindung betrifft ein Fermentierungsverfahren zum
aeroben Fermentieren eines Substrats durch Mikroorganismen, welche in der Lage sind, das Substrat zum Wachstum auszunutzen sowie
eine Fermentiervorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens und ist eine weitere -Ausbildung des Verfahrens und der Vorrichtung
gemäß Patent .... (Patentanmeldung P 21 35 762.0).The invention relates to a fermentation process for
aerobic fermentation of a substrate by microorganisms which are able to use the substrate for growth and a fermentation device for carrying out this process and is a further development of the process and the device according to patent .... (patent application P 21 35 762.0).
Reaktionen, die einen innigen Kontakt zwischen einem:Gas und einer Flüssigkeit erfordern, beispielsweise aerobe Fermentationen, sind für industrielle Anwendungszwecke bisher im allgemeinen in Vorrichtungen durchgeführt worden, die" im wesentli-Reactions that create intimate contact between a: gas and a liquid, for example aerobic fermentations, have heretofore been common for industrial applications been carried out in devices that "essentially
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chen einen großen Flüssigkeitsbehälter aufweisen, in dessen Basis bzw. nahe dessen Basis Gas eingepreßt wird, Ein inniger Kontakt zwischen dem Gas und der Flüssigkeit wird dadurch erreicht, daß die Flüssigkeit mittels mechanischer Rührwerke oder durch Einpressen von Gas in die Flüssigkeit oder durch eine Kombination dieser Verfahren gleichmäßig umgewälzt wird. Wenn der Umwälzvorgang durch Einpressen von Gas bewirkt wird, v/eist aas Umvälzmuster eine relativ schnelle aufsteigende Phase und eine langsamere absteigende Phase auf. Bei auf derartige Weise durchgeführten Fermentationen wird der der flüssigen Kultur zugeführte Sauerstoff während der relativ kurz andauernden aufsteigenden Phase absorbiert, wohingegen während der langer andauernden absteigenden Phase die flüssige Kultur anaeroben oder fast anaeroben Bedingungen ausgesetzt ist.chen have a large liquid container, in whose base or near the base gas is injected, An intimate contact between the gas and the liquid is achieved in that the liquid by means of mechanical Agitators or by forcing gas into the liquid or by a combination of these processes evenly circulated will. If the circulation process is effected by forcing in gas, the circulation pattern is a relatively rapid one ascending phase and a slower descending phase. In fermentations carried out in this way, the oxygen supplied to the liquid culture during the relative short ascending phase, whereas during the long descending phase the liquid culture is exposed to anaerobic or almost anaerobic conditions.
Der industrielle Fortschritt im allgemeinen und insbesondere Entwicklungen im Bereich industriell durchgeführter Fermentationen unter Einschluß neuer Verfahren zur Herstellung von Proteinen und anderer Fermentationsprodukte führen zu einem erhöhten Ausmaß an erforderlichen Einwirkungen und machen den Einsatz von Einrichtungen mit größerer Kapazität notwendig. Es ist nicht möglich, die obenerwähnten Vorrichtungen den modernen Erfordernissen in zufriedenstellender Weise anzupassen, da es aus verschiedenen physikalischen und biologischen Gründen wirtschaftlich nicht durchführbar ist, die Abmessungen der Behälter über bestimmte Grenzwerte hinaus zu vergrößern.Industrial progress in general and developments in the field of industrial fermentations in particular including new processes for the production of proteins and other fermentation products lead to an increased Extent of required actions and make the effort required by facilities with greater capacity. It is not possible to adapt the above-mentioned devices to modern requirements adapt in a satisfactory manner as it is economical for various physical and biological reasons it is not feasible to enlarge the dimensions of the containers beyond certain limit values.
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Bei Fermentationen, die ein hohes Maß an Sauerstoffzufuhr erfordern, ist es insbesondere bei der Verwendung mechanischer Rührwerke schwierig und kostspielig, während des Prozesses die !· notwendige Menge von Luft oder eines anderen sauerstoffhaltigen Gases zuzuführen und die verschiedenen erforderlichen Eigenschaften der umzuwälzenden flüssigen KuItür an allen.Stellen des Behälters konstant und die flüssige Kultur durchgehend auf einer geeigneten und gleichbleibenden Temperatur zu halten. Dies erfordert eine Begrenzung des Maximalvoluimens des Behälters, was zur Beibehaltung einer wirtschaftlich herstellbaren Behälterform im allgemeinen auch zu einer Begrenzung der Höhe des Behälters (meist auf etwa 15 Meter) führt.In fermentations that require a high level of oxygen supply, it is especially when using mechanical ones Difficult and expensive agitators, the necessary amount of air or other oxygen-containing during the process To supply gas and the various required properties of the liquid KuItür to be circulated at all points of the container constant and to keep the liquid culture continuously at a suitable and constant temperature. This requires a limit on the maximum volume of the container, what in order to maintain an economically producible container shape in general also to limit the height of the container (usually at about 15 meters).
In den letzten Jahren wurde große Aufmerksamkeit Verfahren geschenkt, bei denen monozellige Protein-Nahrungsmittelzusätze durch Wachsen von Mikroorganismen auf preiswerten Ausgangsstoffen auf der Basis von billige Kohlenstoff quellen enthaltenden Substraten erzeugt v/erden. Derartige Prozesse erfordern ein hohes Maß an Sauerstoffzufuhr, insbesondere dann, wenn das Wachstum des Mikroorganismus mit hoher Wachstumsrate erfolgt, und wenn ein Substrat verwendet wird, für das das SauerStofferfordernis durch den Mikroorganismus hoch ist,z. B. eine Kohlenwasserstoffverbindung oder eine teilweise oxydierte Kohlenwasserstoffverbindung. Um das in einem derartigen Verfahren hergestellte Erzeugnis wirtschaftlich wettbewerbsfähig mit den herkömmlicheren Nahrungsmittelstoffen zu machen, ist es erforderlich, die Fermentation in großem Maßstab und in einer entsprechend großen AnlageIn recent years, much attention has been paid to methods involving monocellular protein food additives by growing microorganisms on inexpensive raw materials based on substrates containing cheap carbon sources v / earth. Such processes require a high level of oxygen supply, especially when the microorganism is growing occurs at a high growth rate, and if a substrate is used for which the oxygen requirement by the microorganism is high, e.g. B. a hydrocarbon compound or a partially oxidized hydrocarbon compound. To make the product made in such a process economically competitive with the more conventional food materials To make it necessary to fermentation on a large scale and in a correspondingly large facility
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durchzuführen. Ein wirtschaftlich erfolgreicher Arbeitsablauf erfordert, daß während des Verfahrens ein hoher Ubergangsgrad von Sauerstoff in die flüssige Kultur erreicht wird, um in einer Fermentiervorrichtung von vorgegebenem Volumen das hohe Sauerstofferfordernis von schnellwachsenden Kulturen bei großvolumigen Zellen erfüllen zu können. Der in herkömmlichen Fermentationsvorrichtungen mit üblichen Abmessungen erzielbare Sauerstoff-Übergangsgrad ist für eine kommerziell erfolgreiche Durchführung eines derartigen Verfahrens nicht zufriedenstellend. perform. An economically successful workflow requires that a high degree of transfer of oxygen into the liquid culture be achieved during the process in order to produce a Fermentation device of a given volume the high oxygen requirement of fast-growing cultures with large-volume cells. That in conventional fermentation devices Oxygen transition degree achievable with normal dimensions is a commercially successful one Carrying out such a process is unsatisfactory.
In der GB-PS 1 353 008 der Anmelderin ist ein Verfahren zur aeroben Fermentation eines Substrats durch Mikroorganismen beschrieben, welches geeignet ist, das Substrat für ein Wachstum zu verwenden, bei dem das das Substrat und die Mikroorganismen aufweisende Fermentationsmedium kontinuierlich zwischen zwei unterschiedliche hydrostatische Drücke aufweisenden Bereichen umgewälzt wird, und in dem Bereich höheren hydrostatischen Druckes Luft und/oder Sauerstoff in dem Fermentationsmedium gelöst wird und in dem unteren Bereich niedrigeren hydrostatischen Drucks während des FermentationsVorganges erzeugtes Kohlendioxyd das Fermentationsmedium verläßt.In GB-PS 1 353 008 of the applicant is a method for the aerobic fermentation of a substrate by microorganisms described which is suitable, the substrate for growth to use, in which the fermentation medium comprising the substrate and the microorganisms continuously between two different hydrostatic pressures having areas is circulated, and in the area of higher hydrostatic pressure air and / or oxygen in the fermentation medium is dissolved and generated in the lower area lower hydrostatic pressure during the fermentation process Carbon dioxide leaves the fermentation medium.
In der GB-PS 1 353 003 ist weiterhin eine Fermentationsvorrichtung mit zwei Behältern (einem Steigbehälter und einem Fallbehälter) und Einrichtungen zur Erzeugung einer kontinuierlichen Umwälzung des zu fermentierenden Mediums zwischen den bei-In GB-PS 1 353 003 there is also a fermentation device with two tanks (a rising tank and a falling tank) and devices for generating a continuous one Circulation of the medium to be fermented between the two
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den Behältern beschrieben,bei der weiterhin in der Nähe des unteren Endes eines Behälters (des Steigbehälters) Einrichtungen zum Zuführen eines Gases in die Fermentiervorrichtung und zur Erzeugung einer Druckdifferenz zwischen den hydrostatischen Drücken an den unteren Enden der beiden Behälter für den Fall, daß die Fermentiervorrichtung ein zu fermentierendes Medium .enthält, vorgesehen sind, und die Druckdifferenz ausreichend ist, um eine kontinuierliche Umwälzung des zu fermentierenden Mediums zwischen zwei Bereichen mit unterschiedlichen hydrostatischen Drücken zu bewirken, und die Vorrichtung weiterhin Einrichtungen zum Entweichen des Gases aus dem oberen Teil der Fermentiervorrichtung aufweist.the containers described, in which still in the vicinity of the lower end of a container (the rising container) means for feeding a gas into the fermentation device and to generate a pressure difference between the hydrostatic Press on the lower ends of the two containers in the event that the fermentation device contains a medium to be fermented .contains, are provided, and the pressure difference is sufficient is to ensure a continuous circulation of the medium to be fermented between two areas with different hydrostatic To effect pressing, and the apparatus further includes means for the escape of the gas from the upper part of the fermentation apparatus having.
Die in der GB-PS 1 353 008 beschriebene Erfindung kann für im großen Stile durchgeführte Fermentationsvorgänge eingesetzt werden, da damit eine Sauerstoffübertragung auf die flüssige Kultur mit hohem Übergangsgrad erreicht werden kann, ohne daß im Vergleich zu den obenbeschriebenen herkömmlichen Fermentiervorrichtungen ein entsprechender Anstieg im Energieverbrauch stattfindet.The invention described in GB-PS 1 353 008 can be used for Fermentation processes carried out on a large scale can be used, as this is a transfer of oxygen to the liquid High degree of transition culture can be achieved without being compared to the conventional fermentation devices described above a corresponding increase in energy consumption takes place.
Ss hat sich nun herausgestellt, daß zufriedenstellende Ergebnisse (in Bezug auf den SauerstoffÜbertragungsgrad, das Energieübertragungsverhältnis und das Wachstum der Mikroorganismen) erzielt werden können, wenn bei der Durchführung des Verfahrens gemäß GB-PS 1 353 008 die Fermentiervorrichtung eine bestimmte Höhenabniessung überschreitet und bestimmte Abmessungen der Steig-It has now been found that the results are satisfactory (in relation to the degree of oxygen transfer, the energy transfer ratio and the growth of microorganisms) can be achieved when performing the process according to GB-PS 1 353 008 the fermentation device exceeds a certain height and certain dimensions of the climbing
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leitung und der Falleitung relativ zueinander aufweist, und bestimmte Bedingungen für die Gaszufuhr, insbesondere die Luftzufuhr, eingehalten werden.line and the downpipe relative to each other, and certain conditions for the gas supply, in particular the Air supply.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktes zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas vorgesehen, bei dem die Flüssigkeit kontinuierlich in einer wenigstens 20 Meter hohen, wenigstens eine für die aufsteigende Strömung (nachfolgend Steigleitung genannt) vorgesehene Kammer und wenigstens eine für die absteigende Strömung (nachfolgend Falleitung genannt) vorgesehene Kammer aufweisenden Anordnung umgewälzt wird, und die gesamte nutzbare Querschnitts fläche der Steigleitung(en) zwischen drei und acht mal so groß ist wie die gesamte nutzbare Querschnittsfläche der Falleitung(en) und die oberen und unteren Enden der FaIlleitung(en) mit den oberen bzw. unteren Enden der Steigleitung(en) verbunden sind, und die Umwälzung der Flüssigkeit durch die Anordnung durch Einspritzen eines Gases in einer solchen Menge in die Anordnung erfolgt, daß der Flüssigkeit in der Steigleitung bzw. den Steigleitungen eine Durchschnittsgeschwindigkeit von wenigstens 15cm/sec erteilt wird.According to the present invention is a method of making contact between a liquid and a Gas provided, in which the liquid is continuously in a at least 20 meters high, at least one for the ascending Flow (hereinafter called riser) provided chamber and at least one for the descending flow (hereinafter referred to as downpipe) provided chamber having arrangement is circulated, and the entire usable cross section area of the riser (s) is between three and eight times as large as the total usable cross-sectional area the downpipe (s) and the upper and lower ends of the downpipe (s) are connected to the upper and lower ends, respectively, of the riser pipe (s), and the circulation of the liquid through the arrangement is carried out by injecting a gas into the assembly in such an amount that the liquid in the riser or the risers are given an average speed of at least 15 cm / sec.
Weiterhin ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktes zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas vorgesehen, bei dem die Flüssigkeit ständig in einer wenigstens 20 Meter hohen Anordnung umgev/älzt wird, und die Anordnung wenigstens eine Kammer für die aufsteigende Strömung (nachfolgendA method for production is also according to the invention a contact between a liquid and a gas is provided, in which the liquid is constantly in at least a 20 Meter-high arrangement is rolled over, and the arrangement at least a chamber for the ascending flow (hereinafter
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Steigleitung genannt) und wenigstens eine Kammer für die absteigende Strömung (nachfolgend Falleitung genannt) aufweist, und die gesamte nutzbare Guerschnittsflache der Falleitung(en) kleiner ist als die gesamte nutzbare Querschnittsfläche der Steigleitung(en) und die oberen und unteren Enden der FaIlleitung(en) mit den oberen bzw. unteren Enden der Steigleitung(en) verbunden sind * und die Umwälzung der Flüssigkeit in der Anordnung durch Einspritzen eines Gases in die Anordnung an einer Mehrzahl von um die Anordnung verteilter Stellen erfolgt, und die um die Anordnung verteilten Stellen in einer ausreichenden Menge vorgesehen sind, um der Flüssigkeit in der Steigleitung bzw. in den Steigleitungen eine Geschwindigkeit von wenigstens 15cm/see zu erteilen, und ein in der Größenordnung zwischen 10 % und 100 % liegender Teil des Gases, vorzugsweise 10 % bis 60 % des Gesamtvolumens des Gases, in die Flüssigkeit in der Falleitung bzw. in den Falleitungen eingepreßt wird.Called riser) and at least one chamber for the descending flow (hereinafter called downpipe), and the total usable cross-sectional area of the downpipe (s) is smaller than the total usable cross-sectional area of the riser (s) and the upper and lower ends of the downpipe (s) ) are connected to the upper and lower ends of the riser (s) * and the liquid in the arrangement is circulated by injecting a gas into the arrangement at a plurality of points distributed around the arrangement, and the points distributed around the arrangement in a sufficient amount are provided to give the liquid in the riser or in the risers a velocity of at least 15 cm / sec, and a portion of the order of between 10% and 100 % of the gas, preferably 10 % to 60 % of the Total volume of the gas into which the liquid is injected in the downpipe or in the downpipes.
Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Fermentiervorrichtung vorgesehen, in der kontinuierlich eine flüssige Kultur durch Einpressen eines Gases umgewälzt wird, die eine Höhe von wenigstens 20 Metern aufweist und wenigstens eine Kammer für die aufsteigende Strömung (nachfolgend Steigleitung genannt) und wenig- " stens eine Kammer für die absteigende Strömung (nachstehend Falleitung genannt), und die gesamte nutzbare Querschnittsfläche der Steigleitung(en) zwischen drei und acht mal so groß ist wie die gesamte nutzbare Querschnittsfläche der Falle!tung(en), und die oberen und unteren Enden der Falleitung(en) mit dem obe-Furthermore, according to the invention, a fermentation device is provided in which a liquid culture is continuously carried out Injection of a gas is circulated, which has a height of at least 20 meters and at least one chamber for the ascending Flow (hereinafter referred to as riser) and at least one chamber for the descending flow (hereinafter Called downpipe), and the total usable cross-sectional area of the riser (s) is between three and eight times as large like the total usable cross-sectional area of the trap (s), and the upper and lower ends of the downpipe (s) with the upper
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ren bzw. unteren Ende der Steigleitung(en) verbunden sind, und Einrichtungen zum Einpressen einer ausreichenden Menge von Gas in die Anordnung vorgesehen sind, um der Flüssigkeit in der Steigleitung bzw. Steigleitungen eine Geschwindigkeit von wenigstens 15cm/sec zu erteilen.ren or lower end of the riser (s) are connected, and means for injecting a sufficient amount of gas are provided in the arrangement to the liquid in the riser or risers a speed of at least 15cm / sec.
Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Fermentiervorrichtung zum kontinuierlichen Umwälzen einer flüssigen Kultur durch Einpressen eines Gases vorgesehen, welche eine Höhe von wenigstens 20 Metern aufweist und wenigstens eine Kammer für die aufsteigende Strömung (nachfolgend Steigleitung genannt) und wenigstens eine Kammer für die absteigende Strömung (nachfolgend Falleitung genannt) aufweist, und die gesamte nutzbare Querschnittsfläche der Falleitung(en) kleiner ist als die gesamte nutzbare Querschnittsfläche der Steigleitung(en) und die oberen und unteren Enden der Steigleitung(en) mit den oberen bzw. unteren Enden der Falleitung(en) verbunden sind, und Einrichtungen zum Einpressen eines Gases in die flüssige Kultur in der Steigleitung bzw. den Steigleitungen vorgesehen sind, und Einrichtungen zum Einpressen eines in der Größenordnung von 10 bis 100 %, vorzugsweise zwischen 10 und 60 % der Gesamtmenge des in die Kultur eingepreßten Gases in die Falleitung(en) vorgesehen sind, und der Eetrag des in die Anordnung eingepreßten Gases ausreicht, um der Flüssigkeit in der Steigleitung bzw. in den Steigleitungen eine Durchschnittsgeschwindigkeit von wenigstens 15cm/sec zu erteilen.Furthermore, according to the invention, a fermentation device is provided for continuously circulating a liquid culture by injecting a gas, which has a height of at least 20 meters and at least one chamber for the ascending flow (hereinafter referred to as riser) and at least one chamber for the descending flow (hereinafter referred to as downpipe ), and the total usable cross-sectional area of the downpipe (s) is less than the total usable cross-sectional area of the riser (s) and the upper and lower ends of the riser (s) are connected to the upper and lower ends of the downpipe (s), respectively , and means for injecting a gas into the liquid culture are provided in the riser or the risers, and means for injecting one in the order of 10 to 100%, preferably between 10 and 60 % of the total amount of the gas injected into the culture the downpipe (s) are provided, and the Eet The amount of gas injected into the arrangement is sufficient to give the liquid in the riser or in the risers an average speed of at least 15 cm / sec.
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Zv/eckmäßigerweise wird, während des Beginns des erfindungsgemäßen Verfahrens die gesamte Menge oder der größte Teil des Gases eine Zeit lang in die Steigleitung(en) eingepreßt, um das Umwälzen der Flüssigkeit beginnen zu lassen. Dieser Startvorgang^ hält so lange an, bis die Flüssigkeit einen passenden Umwälzgrad erreicht hat, d. h. , bis die Durchschnittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in der Falleitung bzw. den Falleitungen wenigstens lOOcm/sec ist.Zv / corner wise, during the beginning of the invention In the process, all or most of the gas is injected into the riser pipe (s) for a while let the liquid begin to circulate. This startup process ^ continues until the liquid has reached a suitable degree of circulation, d. H. until the average speed the liquid in the downpipe or downpipes is at least 100 cm / sec.
Die Erfindung' ist ganz allgemein bei Prozessen anwendbar, bei denen ein inniger Kontakt zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit erfolgen muß, beispielsweise in hydrometallurgischen Prozessen bei der Herstellung von Kupfersulfatlösungen aus Kupfersulfide-enthaltenden mineralischen Erzen. In diesem Fall wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens staubförmiges, in wässrigem Medium gelöstes Bodenerz schnell umgewälzt, wobei die eingepreßte Luft auch als Sauerstoffquelle für die Umwandlung der Kupfersulfide im Erz in in der Lösung enthaltene Kupfersulfate dient. Die Umwandlung kam durch die Wirkung von in dem Medium vorhandenen Mikroorganismen oder durch einen einfachen chemischen Vorgang ohne Anwesenheit von Mikroorganismen zustandegebracht werden. Besonders geeignet ist die Erfindung jedoch für Fermentationsverfahren, insbesondere für die Durchführung aerobischer Fermentationen, bei der eine hohe Sauer- . stoffnähme erforderlich ist, obgleich unter Verwendung der Erfindung auch anaerobische Reaktionen oder Fermentationen durchgeführt werden können, indem ein geeignetes Gas in die Anord-The invention is generally applicable to processes in which there is intimate contact between a gas and a liquid must take place, for example in hydrometallurgical processes in the production of copper sulfate solutions Mineral ores containing copper sulphides. In this case, powdery, Ground ore dissolved in an aqueous medium is rapidly circulated, whereby the forced-in air also serves as a source of oxygen for the conversion the copper sulfide in the ore contained in the solution Copper sulfate is used. The conversion came about through the action of microorganisms present in the medium or through a simple one chemical process without the presence of microorganisms. The invention is particularly suitable however, for fermentation processes, especially for carrying out aerobic fermentations with a high acidity. material acquisition is required, albeit using the invention anaerobic reactions or fermentations can also be carried out by introducing a suitable gas into the arrangement
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nung eingepreßt wird. AeroMsche Fermentationsverfahren, für die die Erfindung besonders geeignet ist, umfassen die Herstellung einzelliger Proteine durchWachsen von Mikroorganismen auf Kohlenwasserstoff oder teilweise oxydierten (beispielsweise Methanol enthaltenden) KohlenwasserstoffSubstraten oder die Herstellung von Aminosäuren (z. B. Lysin, Glutaminsäure oder Methiomin) oder die Herstellung von Zitronensäure und Enzymen (z. B. isomerer Glukose) oder die Herstellung von Antibiotica (z. B. Penizillin). Obgleich die Erfindung nicht auf ein aerobisches Fermentationsverfahren beschränkt ist, erfolgt die nachfolgende Beschreibung unter Verwendung der Fachausdrücke für ein derartiges Verfahren. Der Ausdruck Durchschnittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit oder der flüssigen Kultur in der Steigleitung bzw. den Steigleitungen oder der Falleitung bzw. den Falleitungen in der nachfolgenden Beschreibung bedeutet die Durchschnittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit oder der flüssigen Kultur in der Steigleitung bzw. den Steigleitungen oder Falleitung bzw. den Falleitungen, gemessen über den gesamten Querschnitt der Kammer. Da die Innenquerschnittsflachen dieser Kammern, insbesondere diejenigen der Steigleitungen, nicht über ihre gesamte Länge gleich sein müssen, kann sich die Geschwindigkeit der Flüssigkeit oder flüssigen Kultur in jeder Kammer über deren Länge gesehen ändern.voltage is pressed in. AeroMsche fermentation processes, for which the invention is particularly useful include the production of unicellular proteins by microorganism growth Hydrocarbon or partially oxidized (e.g., methanol containing) hydrocarbon substrates or the Production of amino acids (e.g. lysine, glutamic acid or methiomine) or the production of citric acid and enzymes (e.g. isomeric glucose) or the manufacture of antibiotics (e.g. penicillin). Although the invention is not directed to an aerobic Fermentation process is limited, the following takes place Description using the technical terms for such a method. The term average speed the liquid or the liquid culture in the riser or the risers or the downpipe or the Downpipes in the following description means the Average velocity of the liquid or liquid culture in the riser (s) or Downpipe or downpipes, measured over the entire cross-section of the chamber. Since the inner cross-sectional areas of this Chambers, especially those of the risers, do not have to be the same over their entire length, the speed can change the liquid or liquid culture in each chamber as seen along its length change.
Bei einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführten aeroben Fermentationsvorgang wird durch das Einpressen von Gas in die flüssige Kultur das gesamte zirkulierende Medium inIn one carried out according to the method according to the invention The aerobic fermentation process turns the entire circulating medium into the liquid culture by forcing gas into it
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ein Fluid von geringerer Dichte umgewandelt, das aus Gasblasen, Flüssigkeit und Mikroorganismen zusammengesetzt ist. Durch die infolge des eingepreßten Gases entstehende Volumendifferenz zwischen Steigleitung und Falleitung wird diesem Fluid eine Geschwindigkeit erteilt, die unter normalen Arbeitsbedingungen ausreichend groß ist, um eine vollständig"homogene Verteilung der Blasen zu erreichen. Bei dieser Art zirkuliert die flüssige Kultur in der Anordnung im v/esentlichen in einer Pfropfenströmung, d. h. in einer Pfropfenströmung mit einem gewissen Betrag an turbulentem Mischanteil.converted into a fluid of lower density, which is composed of gas bubbles, liquid and microorganisms. Through the volume difference resulting from the injected gas Between the riser and the downpipe, this fluid is given a speed that would be expected under normal working conditions is sufficiently large to have a completely "homogeneous distribution." to reach the bubbles. In this type the liquid culture in the assembly circulates essentially in a plug flow, d. H. in a plug flow with a certain amount of turbulent mixing.
Während des Prozesses werden alle Volumenbestandteile der flüssigen Kultur schnell und gleichmäßig zwischen Bereichen hohen und niedrigen hydrostatischen Drucks in den niedrigen bzw. höheren Teilen der Anordnung umgewälzt. In dem Hochdruckbereich wird der für das Wachstum der Mikroorganismen erforderliche Sauerstoff von der Kultur absorbiert, während in dem Bereich mit niedrigerem Druck des während des Prozesses erzeugte CO2 desorbiert wird. In dem oberen Teil der Anordnung löst sich das abgegebene Gas von der zirkulierenden flüssigen Kultur und kann entweichen.During the process, all volume constituents of the liquid culture are circulated rapidly and evenly between areas of high and low hydrostatic pressure in the lower and higher parts of the assembly, respectively. In the high pressure area, the oxygen required for the growth of the microorganisms is absorbed by the culture, while in the area with lower pressure the CO 2 generated during the process is desorbed. In the upper part of the arrangement, the released gas is released from the circulating liquid culture and can escape.
Der bei einem aeroben Fermentationsprozeß erreichbare Grad der Sauerstoffübertragung in die flüssige Kultur ist ein bedeutsamer Faktor, da dadurch der in einer Fermentiervorrichtung mit einem gegebenen Volumen erreichbare Grad der Produktion an Mikroorganismen bestimmt wird. Bei einem im großen Stil durchge-The degree of oxygen transfer into the liquid culture that can be achieved in an aerobic fermentation process is an important one Factor, since it is the degree of production of microorganisms that can be achieved in a fermentation device with a given volume is determined. In a large-scale
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führten Vorgang beträgt der Übergangsgrad wenigstens 2 kg Op/m h und liegt eher in dem Bereich von 4 bis 12 kg Op/m h. Da der Übertragungsgrad unter anderem von der Gesamthöhe der Anordnung abhängig ist, wenn ein geeigneter Grad an Mikrobenwachstum und Verfahrensproduktivität vorliegen soll, ist es von Wichtigkeit, daß die Höhe einen-Minimalwert überschreiten sollte. Bei der erfindungsgemäßen Fermentiervorrichtung kann ein geeigneter Übertragungsgrad erreicht werden, wenn die Gesamthöhe 20 Meter beträgt. Es werden jedoch Höhen von wenigstens 30 Metern bevorzugt, insbesondere Höhen von 40 bis 60 Metern.During the process, the degree of transition is at least 2 kg op / m h and is more in the range of 4 to 12 kg op / m h. Since the degree of transmission depends, among other things, on the total height of the arrangement, if a suitable degree of microbial growth and process productivity is to be present, it is important that the levels exceed a minimum value should. In the fermentation device according to the invention can a suitable degree of transmission can be achieved if the total height is 20 meters. However, there will be heights of at least 30 meters preferred, especially heights of 40 to 60 meters.
Das während eines aerobischen Fermentationsvorganges in die Anordnung eingepreßte Gas, welches Sauerstoff, Luft oder eine andere sauerstoffhaltige Gasmischung sein kann, erfüllt mehrere Zwecke:The pressed into the assembly during aerobic F e rmentationsvorganges gas which may be oxygen, air or another oxygen-containing gas mixture, serves several purposes:
1. Es bewirkt eine Zirkulation der Kultur in der Anordnung.1. It causes the culture to circulate in the arrangement.
2. Es liefert den von den Mikroorganismen geforderten Sauerstoff. 2. It provides the oxygen required by the microorganisms.
3. Durch eine geeignete Wahl der Stellen für die Gaszufuhr und der Verhältnisse des an verschiedenen Punkten einzupressenden Gases, kann in beträchtlichem Maße eine Steuerfunktion über den Vorgang ausgeübt werden. Insbesondere kann die Strömungsgeschwindigkeit und damit die Umwälzzeit des Mediums gesteuert werden. Außerdem kann die3. By a suitable choice of the points for the gas supply and the proportions of the gas to be injected at different points Gases, a control function can be exercised over the process to a considerable extent. In particular the flow rate and thus the circulation time of the medium can be controlled. In addition, the
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Konzentrationsverteilung des gelösten Sauerstoffs gesteuert werden.Concentration distribution of dissolved oxygen can be controlled.
4. Die durch das eingepreßte Gas erzeugte Oberfläche der Blasen ist für die Desorption des COp verwendbar. Das Volumen und die Zusammensetzung des eingepreßten Gases kann zur Steuerung der Verteilung der (XU-Konzentration in der Flüssigkeit oder in der flüssigen Kultur verwendet werden.4. The surface of the bubbles generated by the injected gas can be used for the desorption of the COp. The volume and composition of the injected gas can be used to control the distribution of the (XU concentration in the liquid or in the liquid culture.
Die Gesamtmenge des eingepreßten Gases, die Stellen, an de nen das Einpressen erfolgt, und die Verhältniswerte der an den verschiedenen Stellen eingepreßten Mengen variieren in Abhängigkeit von den durch die Mikroorganismen bedingten Erfordernissen und dem jeweils erforderlichen Umwälzgrad.The total amount of the pressed-in gas, the points at the pressing de NEN occurs and the ratio values of the pressed-in at the different sites amounts will vary in dependence on the conditional by the microorganisms requirements and to the respectively required degree of agitation.
Das Einpressen des Gases in die Falleitung(en) kann in einer Höhenebene oder in einer Mehrzahl von Höhenebenen» beispielsweise 2 bis 5, erfolgen. Das Einpressen des Gases in die Steigleitung(en) erfolgt vorzugsweise in einer Höhenebene, obwohl es auch möglich ist, Gas iri die Steigleitung( en) in einer Mehrzahl von Höhenebenen einzupressen. Passende Stellen zum Einpressen des Gases in Jede Kammer sind längs der Falleitung(en) verteilt, aber bei der Steigleitung bzw. bei den Steigleitungen konzentriert an der Easis oder in der Nähe der Basis vorgesehen.The gas can be pressed into the downpipe (s) in one level or in a plurality of levels, for example 2 to 5 . The gas is preferably injected into the riser line (s) at one level, although it is also possible to inject gas into the riser line (s) at a plurality of level levels. Appropriate locations for injecting the gas into each chamber are distributed along the downcomer (s), but are concentrated at the base or near the base of the riser or risers.
Bei einigen Ausfiihrungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Falle!turig(en) und die Steigleitung(en) völligIn some embodiments of the device according to the invention, where the trap (s) and the riser (s) completely
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getrennt voneinander angeordnet und an ihren oberen und unteren Enden über Rohre miteinander verbunden sind, kann das für die Steigleitung vorgesehene Gas in das untere Verbindungsrohr eingepreßt werden, welches man für diesen Zweck als einen Teil der Steigleitung(en) ansehen kann. In diesem Fall ist das untere Verbindungsrohr vorzugsweise nach oben in Richtung auf den Hauptteil der Steigleitung(en) abgewinkelt. Für einen leichten Start des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine besondere Gaszuführung vorgesehen, durch die Gas in den oberen Teil der Steigleitung(en) eingedrückt werden kann. Das bevorzugte Verhältnis des in die Falleitung(en) eingedrückten Gases liegt zwischen 20 % und 40 % der Gesamtmenge des in die Anordnung eingepreßten Gases.are arranged separately from one another and connected to one another at their upper and lower ends via pipes, the gas provided for the riser can be pressed into the lower connecting pipe, which for this purpose can be regarded as part of the riser (s). In this case the lower connecting pipe is preferably angled upwards towards the main part of the riser pipe (s). For an easy start of the method according to the invention, a special gas feed is provided through which gas can be forced into the upper part of the riser line (s). The preferred ratio of the gas injected into the downcomer (s) is between 20 % and 40 % of the total amount of gas injected into the arrangement.
Die geometrische Anordnung der Fermentiervorrichtung kann, wie aus der Zeichnung ersichtlich, In weiten Bereichen variieren. Eine geeignete Bauart besteht darin, daß die Steigleitung(en) und die Falleitung(en) jeweils außerhalb voneinander angeordnet und bis auf Verbindungsrohre an ihren oberen und unteren Enden völlig voneinander getrennt sind. Die Anordnung kann auch innerhalb eines einzigen Gefäßes vorgesehen sein, welches ±m Inneren durch eine oder mehrere Trennwände mit Öffnungen an den oberen und unteren Enden getrennt ist. Die Steigleitung(en) und Falllei tung( en) können jeweils außerhalb voneinander angeordnete, über Rohre verbundene Zylinder sein. Die Rohre können horizontal angeordnet, oder, im Falle der unteren Verbindung, eine U-formige Gestaltung aufweisen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Anordnung beispielsweise zwei koaxiale Kammern aufweist,The geometric arrangement of the fermentation device can, as can be seen from the drawing, vary within wide ranges. A suitable design consists in that the riser (s) and the downcomer (s) are each arranged outside of one another and are completely separated from each other except for connecting pipes at their upper and lower ends. The arrangement can also be inside a single vessel can be provided, which ± m inside by one or more partition walls with openings at the top and lower ends is separated. The riser (s) and downcomer (s) can each be arranged outside of one another, be cylinders connected by pipes. The tubes can be arranged horizontally, or, in the case of the lower connection, a U-shaped Exhibit design. Another possibility is that the arrangement has, for example, two coaxial chambers,
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von denen die eine, vorzugsweise die Steigleitung, die andere umgibt. Vorzugsweise weist die Anordnung eine Mehrzahl von jeweils außerhalb einer einzigen Falleitung angeordneten und mit dieser verbundenen Steigleitungen auf. Insbesondere können 3 bis 8 Steigleitungen mit einer einzigen Falleitung verbunden sein.one of which, preferably the riser, surrounds the other. The arrangement preferably has a plurality of each arranged outside a single downpipe and with this connected risers. In particular, 3 to 8 risers can be connected to a single downpipe be.
In diesem-letztgenannten Fall kann jede einzelne Steigleitung die gleiche Guerschnittsfläche wie die Falleitung aufweisen, so daß die Querschnittsflächen der Steigleitungen insgesamt größer sind. Eine derartige Anordnung kann vorgefertigt geliefert werden.In this last-mentioned case, each individual riser have the same cross-sectional area as the downpipe, so that the cross-sectional areas of the risers as a whole are bigger. Such an arrangement can be supplied prefabricated.
Die von der flüssigen Kultur in der Falleitung bzw. in den Falleitungen und in der Steigleitung bzv/. in den Steigleitungen angenommenen Geschwindigkeiten hängen von den Querschnittsflächen dieser Kammern ab, das heißt bei einer zylindrischen Ausbildung von ihren Durchmessern. Die Kammern brauchen über ihre gesamte Länge keinen gleichmäßigen Durchmesser aufzuweisen, und es ist manchmal sogar erwünscht, daß die Steigleitung(en) in zwei vertikal übereinander angeordneten Abschnitten ausgebildet sind, von denen der weiter unten angeordnete Abschnitt eine grössere Querschnittsfläche aufweist.. In diesem Fall beträgt die Grösse der Querschnittsfläche des unteren Abschnittes der Steigleitung(en) vorzugsweise etwa das dreifache bis achtfache der Grösse der Querschnittsfläche des oberen Abschnittes. Der untere Abschnitt erstreckt sich vorzugsweise über 30 % bis 60 % der Gesamtlänge der Steigleitung. In weiterer Ausbildung kann vorgese-The from the liquid culture in the downpipe or in the downpipes and in the riser or /. The speeds assumed in the risers depend on the cross-sectional areas of these chambers, that is to say, in the case of a cylindrical configuration, on their diameters. The chambers need not be of uniform diameter over their entire length, and it is sometimes even desirable that the riser (s) are formed in two vertically stacked sections, of which the lower section has a larger cross-sectional area. In this case the size of the cross-sectional area of the lower section of the riser (s) is preferably approximately three to eight times the size of the cross-sectional area of the upper section. The lower section preferably extends over 30 % to 60 % of the total length of the riser. In further training, there can be
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hen. sein, daß die Querschnittsfläche der Steigleitimg (en) mit größer werdender Höhe gleichmäßig abnimmt.hen. be that the cross-sectional area of the Steigleitimg (s) with increasing height decreases evenly.
Um eine Ansammlung großer Mengen COp zu vermeiden, wird die flüssige Kultur zwischen den Hochdruck- und. Niederdruckbereichen der Fermentiervorrichtung schnell umgewälzt. Die für einen vollständigen UmwäIzVorgang der flüssigen Kultur in der Anordnung erforderliche Zeit liegt zwischen 0,5 und 5 Minuten, vorzugsweise zwischen 1 und 3 Kinuten. Die Geschwindigkeit der flüssigen Kultur in jedem Teil der Steigleitung(en) oder der Falleitung(en) hängt von der Querschnittsfläche des jeweiligen Teils der Kammer ab. Da die flüssige Kultur im wesentlichen in einer Pfropfenströmung umgewälzt werden soll, muß die Minimalgeschwindigkeit in der Steigleitung bzw. in den Steigleitungen mehr als 10cm/sec betragen. Vorzugsweise beträgt die Durchschnittsgeschwindigkeit zwischen 20 und SOcm/sec in der Steigleitung bzw. den Steigleitungen (im unteren Bereich, wenn diese Kammer keine gleichmäßige Querschnittsfläche aufweist) und zwischen 200 bis 500cm/sec in der Falleitung bzw. den Falleitungen. To avoid the accumulation of large amounts of COp, the liquid culture between the high pressure and. Low pressure areas the fermenter quickly circulated. The for a complete UmwäIzVorgang the liquid culture in the The time required for arrangement is between 0.5 and 5 minutes, preferably between 1 and 3 minutes. The speed of the liquid culture in any part of the riser (s) or the downcomer (s) depends on the cross-sectional area of the respective Part of the chamber. Since the liquid culture is to be circulated essentially in a plug flow, the minimum velocity must be in the riser or in the risers are more than 10cm / sec. Preferably the average speed is between 20 and 50 cm / sec in the riser or risers (in the lower area, if this Chamber does not have a uniform cross-sectional area) and between 200 to 500 cm / sec in the downpipe or downpipes.
Die Betätigung der Fermentiervorrichtung kann entweder taktweise oder kontinuierlich erfolgen.The fermentation device can be operated either in cycles or take place continuously.
Die flüssige Kultur zirkuliert im wesentlichen in einer laminaren Strömung, was ermöglicht, einen hohen Grad an Homogenität zu erreichen. Fast der gesamte Rauminhalt der Fermentiervor-The liquid culture circulates essentially in a laminar flow, which enables a high degree of homogeneity to reach. Almost the entire volume of the fermentation
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richtung kann für das Wachsen von Mikroorganismen verwendet werden, und Eereiche, in denen anaerobe Bedingungen vorherrschen, werden vermieden. Dies ermöglicht einen hohen Grad an Einflußmöglichkeit auf die Fermentationsparan.eter, wie etwa die Temperatur, den PH-Wert und die zu erreichende Substratkonzentration, wodurch ein verbessertes und gleichmäßigeres Produkt erzeugt werden kann. Wenn beispielsweise das erfindungsgemäße Verfahren für die Herstellung einzelliger Proteine verwendet wird, zeigen die erzeugten Mikroorganismen einen hohen Grad an morphologischer Gleichmäßigkeit, und es wird ein verbesserter Übergang von Substratkohlenstoff in Zellkohlenstoff erreicht. Die Erfindung ermöglicht eine wirksame Umwälzung und ver meidet die Verwendung von externen schleifenförmig geführten Lei tungen zum Abführen der Reaktions- und Fermentationswärme.direction can be used for the growth of microorganisms, and areas where anaerobic conditions prevail, are avoided. This enables a high degree of influence on the fermentation parameters, such as the temperature, the pH value and the substrate concentration to be achieved, whereby an improved and more uniform Product can be generated. For example, when the method according to the invention is used for the production of unicellular proteins becomes, the generated microorganisms show a high degree of morphological uniformity, and it becomes an improved one Transition from substrate carbon to cellulose achieved. The invention enables effective circulation and ver avoids the use of external loop-shaped lines to dissipate the heat of reaction and fermentation.
Bei einer aeroben Fermentation bringt die Erfindung gute Ergebnisse in Bezug auf den erreichbaren Sauerstoffübertragungsgrad und den Energieverbrauch. Die sich aus experimentellen Ermittlungen und darauf basierenden Rechnungen ergebenden, zu erreichenden Ergebnisse werden nachfolgend dargelegt.In the case of aerobic fermentation, the invention brings good results with regard to the degree of oxygen transfer that can be achieved and energy consumption. The results to be achieved from experimental determinations and the calculations based on them Results are presented below.
Für die in Fig. 1 dargestellte Fermentiervorrichtung wurden theoretisch der Sauerstoffübertragungsgrad und das Energieübertragungsvrrhältnis errechnet.For the fermentation apparatus shown in Fig. 1, the oxygen transfer rate and the energy transfer ratio calculated.
Der Sauerstoffmengenübertragungsgrad ist der Betrag in Kilogramm Op pro Stunde und Meter der Flüssigkeit, unter der sichThe degree of oxygen transfer is the amount in kilograms Op per hour and meter of liquid under which it is located
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Sauerstoff in der flüssigen Kultur löst.Dissolves oxygen in the liquid culture.
Das Energieübertragungsverhältni s ist das Verhältnis der Sauerstoffübertragung zum Energieverbrauch, ausgedrückt als in der flüssigen Kultur gelöste Kilogramm 0? pro Kilowattstunde der für das Komprimieren der Luft vor dem Einpressen in die flüssige Kultur aufgewendeten' Arbeit. Das Energieübertragungsverhältnis nimmt mit steigendem Übertragungsgrad ab. Für einen wirtschaftlichen Betrieb einer Fermentationsvorrichtung ist es wünschenswert, daß beide Parameter so groß wie möglich sein sollten.The energy transfer ratio is the ratio of oxygen transfer to energy consumption, expressed as kilograms 0 ? Dissolved in the liquid culture. per kilowatt hour of 'work expended in compressing the air before injecting it into the liquid culture. The energy transfer ratio decreases as the degree of transfer increases. For an economical operation of a fermentation device it is desirable that both parameters should be as large as possible.
Die Berechnungen wurden unter Verwendung von Gleichungen für die Gasübertragung (insbesondere Sauerstoff und C0?) zwischen den Gasblasen und der flüssigen Kultur durchgeführt. Weiterhin fanden die Druckwechsel zwischen den verschiedenen Teilen der Anordnung rechnerische Berücksichtigung.The calculations were carried out using equations for the gas transfer (particularly oxygen and C0 ? ) Between the gas bubbles and the liquid culture. Furthermore, the pressure changes between the different parts of the arrangement were taken into account in the calculation.
Die für die Gaskompression erforderliche Energie wurde unter folgenden Annahmen berechnet:The energy required for gas compression was below calculated using the following assumptions:
1. Der Druck in dem oberen Teil der Anordnung (wo die Gastrennung erfolgt) beträgt 1,5 bar absolut.1. The pressure in the upper part of the assembly (where the gas separation takes place) is 1.5 bar absolute.
2. Der Druckverlust zwischen dem Kompressor und dem Eingang der Fermentiervorrichtung beträgt 1 bar.2. The pressure loss between the compressor and the inlet the fermentation device is 1 bar.
3. Als sauerstofflieferndes Gas wird die Verwendung von Luft mit einem Eingangsdruck von 1 bar und einer Temperatur von3. Air is used as the oxygen-supplying gas with an inlet pressure of 1 bar and a temperature of
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4* 4 *
20° C angenommen. Der Kompressionsvorgang sei adiabatisch (isentropisch) und einen Druckanstieg zur Folge haben, der zur Überwindung des angenommenen Verlustes von 1 bar - geeignet ist. Luft soll durch den an dem Einpreßpunkt(bzw. den Einpreßpunkte'n) vorhandenen Druck(bzw.; vorhandenen Drükken) eingepreßt werden.Assumed 20 ° C. The compression process is said to be adiabatic (isentropic) and result in a pressure increase that is suitable for overcoming the assumed loss of 1 bar. Air is (or the Einpreßpunkte'n.) Through the at the Einpreßpunkt (or. Present Drükken) existing pressure are pressed.
Diese Annahmen führen zu einer geschätzten Kompressionsarbeit, die im Hinblick auf die Wellenabgabeleistungen großer Axialkompressoren mit Zwischenkühlung zwischen zwei Stufen realistisch ist. Es wurde angenommen, daß bis zu 45 % des Gases an bis zu 3 Punkten in die Faileitung eingepreßt wird.These assumptions lead to an estimated compression work that is realistic with regard to the shaft output powers of large axial compressors with intermediate cooling between two stages. It was assumed that up to 45 % of the gas is injected into the fail line at up to 3 points.
Die erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle dargestellt.The results obtained are shown in the table.
Sauerstoff auf das
Medium,
(kg/hm <)Degree of transmission of
Oxygen to that
Medium,
(kg / hm <)
gung sverhältnis
(kg/KWh)Energy trans
supply ratio
(kg / KWh)
mentiervor
richtung
(m)Height of fer
mentiervor
direction
(m)
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Die Berechnung der Tabelle erfolgte unter vorsichtigen Annahmen bezüglich des Massenübertragungskoifizienten und der Durchschnittsblasengröße- Aus der Tatelle ist ersichtlich, daß der Grad der Sauerstoffmengenübertragung mit der Höhe der Fermentationsvorrichtung wächst. Die besten früher' erzielten Ergebnisse bei bekannten Fermentiervorrichtungen lagen nach Kenntnis der Erfinder bei Übertragungsgraden von etwa 3kg pro Stunde pro m der flüssigen Kultur und wurden nur bei niedrigeren Energieübertragungsverhältnissen erhalten, als sie mit der vorliegenden Erfindung erreicht werden können. Somit werden die den Erfindern bekannten bisherigen Ergebnisse durch die erfindungsgemäße Fermentiervorrichtung deutlich verbessert. Es ist ersichtlich, daß die Höhe der Fermentiervorrichtung für das Erhalten dieser Verbesserung von Bedeutsamkeit ist.The calculation of the table was made with careful assumptions regarding the mass transfer coefficient and the Average Bubble Size - From the table it can be seen that the degree of oxygen transfer increases with the height of the fermenter grows. The best results previously achieved with known fermentation devices were to the best of our knowledge the inventor at transmission rates of about 3kg per hour per m of liquid culture and were only at lower Energy transfer ratios obtained than can be achieved with the present invention. Thus, the Results known to the inventors to date are significantly improved by the fermentation device according to the invention. It is It can be seen that the height of the fermenter is of importance in obtaining this improvement.
Es sei darauf hingewiesen, daß ein noch höherer Sauerstoffüber-tragungsgrad erzielt werden kann, wenn das den Sauerstoff liefernde Gas unter Verwendung von reinem Sauerstoff oder einer Mischung von reinem Sauerstoff mit Luft angereichert wird. Dieses Verfahren stellt keine Eigentümlichkeit der vorliegenden Erfindung dar, kann aber leicht in Kombination mit dieser verwendet werden. In ähnlicher Weise kann eine Vergrößerung des Übertragungsgrades erzielt werden, indem die gesamte Fermentiervorrichtung als Druckgefäß gebaut wird, so daß der Druck über den umgebenden Atmosphärendruck angehoben wird. Es ist möglich, auch dieses Verfahren mit der vorliegenden Erfindung zu kombinieren. Aber diese beiden bekannten Verfahren zur Erhöhung des Übertra-It should be noted that an even higher degree of oxygen transfer can be achieved when the oxygen supplying gas using pure oxygen or a Mixture of pure oxygen with air is enriched. This method does not constitute a peculiarity of the present invention but can easily be used in combination with this. In a similar way, an increase in the degree of transmission can be achieved by building the entire fermentation device as a pressure vessel so that the pressure is above the surrounding atmospheric pressure is raised. It is possible to combine this method with the present invention as well. But these two well-known methods of increasing the transmission
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gungsgrades, insbesondere die Verwendung von reinem Sauerstoff oder ein gesamter innerer Überdruck, haben auch Nachteile, wie den Fachleuten bekannt ist. Ein besonderer Vorteil der vorlie- l· genden Erfindung besteht darin, daß mit Luft als sauerstofflieferndem Gas Übertragungsgrade, die so hoch sind; wie in der Tabelle dargestellt, erreicht werden können, wobei ein gutes Energieübertragungsverhältnis vorliegt, ohne daß die Konzentration des in der flüssigen Kultur gelösten C0~ auf einen hohen Pegel angehoben wird.Efficiency levels, particularly the use of pure oxygen or a total internal overpressure, also have disadvantages, as is known to those skilled in the art. A particular advantage of vorlie- l · constricting invention is that with air as sauerstofflieferndem gas transfer rates that are so high; as shown in the table, can be achieved with a good energy transfer ratio without raising the concentration of the CO 2 dissolved in the liquid culture to a high level.
Die Erfindung wird nachfolgend .anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:The invention is described below .anhand the accompanying drawings described. Show it:
Fig. 1 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht einer Fermentiervorrichtung, bei der die Steigleitung und die Falleitung jeweils außerhalb voneinander angeordnet sind;Fig. 1 is a partially sectioned side view of a Fermentation device in which the riser and the downpipe are each arranged outside of one another are;
Fig. 2 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht einer Fermentier vorrichtung, bei der die Steigleitung und die Falleitung koaxial angeordnet sind;·, und bei der die Steigleitung im Querschnitt ringförmig ist;Fig. 2 is a partially sectioned side view of a Fermentation device in which the riser and the downpipes are arranged coaxially; ·, and at which the riser is annular in cross section;
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der in Fig. 2 dargestellten Fermentiervorrichtung, bei der die Steigleitung im Querschnitt kreisförmig ist; 3 shows a further exemplary embodiment of the fermentation device shown in FIG. 2, in which the riser is circular in cross section;
Fig.. 4 .. eine teilweise im Schnitt* gehaltene Seitenansicht einer Fermentiervorrichtung, bei der die Querschhittsflä-Fig. 4 .. a partially in section * held side view of a Fermentation device in which the cross-sectional area
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ehe der Steigleitung über die Länge der Fermentiervorrichtung gesehen konstant ist;before the riser over the length of the fermenter seen is constant;
.Fig. 5 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der in Fig. 4 dargestellten Fermentiervorrichtung, bei der die Steigleitung, im Querschnitt kreisförmig ist;.Fig. Figure 5 is a side view, partly in section a further embodiment of the fermentation device shown in Fig. 4, in which the riser, is circular in cross section;
Fig. 6 eine Schnittdarsteilung längs der Linie x-x in Fig. 6a durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der in Fig. 1 dargestellten Fermentiervorrichtung, bei der eine Mehrzahl von Steigleitungen vorgesehen ist, und die Steigleitungen über die Länge der Fermentiervorrichtung gesehen eine konstante Querschnittsfläche aufweisen.FIG. 6 shows a sectional view along the line x-x in FIG. 6a through a further exemplary embodiment of the in Fig. 1 shown fermentation device, in which a plurality of risers is provided, and the risers along the length of the fermenter seen have a constant cross-sectional area.
Fig. 6a eine Draufsicht auf die in Fig. 6 dargestellte Ferment iervor richtung ;FIG. 6a shows a plan view of the ferment shown in FIG. 6 iervor direction;
Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie x-x in Fig. 7A durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der in Fig. 1 dargestellten Fermentiervorrichtung, bei der eine Mehrzahl von Steigleitungen vorgesehen ist;FIG. 7 shows a section along the line x-x in FIG. 7A through a further exemplary embodiment of the one shown in FIG. 1 Fermentation apparatus in which a plurality of risers are provided;
Fig. 7A eine Draufsicht auf die"unterhalb der Linie Y-Y in Fig. 7 dargestellte Fermentiervorrichtung.Fig. 7A is a top plan view of the "below line Y-Y in Fig. 7 shown fermentation device.
Aus Gründen der Klarheit ist lediglich in Fig. 1 eine geeignete Stellung für einen Wärmeaustauscher eingezeichnet, der dazu vorgesehen ist, Fermentationswärme abzuführen oder die für die ehe-For the sake of clarity, only FIG. 1 shows a suitable position for a heat exchanger intended for this purpose is to dissipate fermentation heat or the
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- 23 mische Reaktion.erforderliche Wärme abzuführen oder zuzuführen.- 23 mixed reaction. To dissipate or supply required heat.
Die in den Fig. 1, 2, 3 und 7 dargestellten Fermentiervor- > richtungen weisen eine Steigleitung oder Steigleitungen auf, die über ein Reduzierstück 3 verbundene zylindrische oder ringförmige obere und untere Abschnitte 1 bzw.. 2 auf weisen. Der untere Abschnitt 2 hat einen größeren Durchmesser als der obere Abschnitt 1.The fermentation processes shown in FIGS. 1, 2, 3 and 7 directions have a riser or risers, the connected via a reducer 3 cylindrical or ring-shaped have upper and lower sections 1 and 2 respectively. The lower section 2 has a larger diameter than the upper section 1.
Die in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellten Fermentiervorrichtungen weisen eine Steigleitung oder Steigleitungen 4 auf, die zylindrisch oder ringförmig gestaltet sind und eine konstante Querschnittsfläche haben.The fermentation devices shown in FIGS. 4, 5 and 6 have a riser pipe or risers 4 which are cylindrical or ring-shaped and have a constant cross-sectional area.
Das obere Ende der Steigleitung ist mit dem oberen Ende der Falleitung 5 über ein Verbindungsstück 6 verbunden, welches, wie in den Fig. 1, 6 und 7 dargestellt, horizontal angeordnet und zylindrisch ausgebildet sein kann, oder einen vertikalen zylindrischen Abschnitt 7 und konische Verbindungsstücke 8 und 9 aufweisen kann, die, wie in den Fig. 2, 3, 4 und 5 dargestellt, eine Verlängerung der Steigleitung bzw. der Falleitung bilden.The top of the riser is connected to the top of the Downpipe 5 connected via a connecting piece 6, which, as shown in FIGS. 1, 6 and 7, is arranged horizontally and cylindrical may be formed, or have a vertical cylindrical section 7 and conical connecting pieces 8 and 9 can, which, as shown in FIGS. 2, 3, 4 and 5, form an extension of the riser or the downpipe.
Das untere Ende der Steigleitung ist mit dem unteren Ende der Falleitung über ein Verbindungsstück 10 verbunden, welches, wie in den Fig. 1, 6 und 7 dargestellt, zylindrisch ausgebildet sein kann, oder, wie in den Fig. 2,3,4 und 5 dargestellt, horizontal ringförmig gestaltet sein kann und die Basis der Fermen tiervorrichtung bilden kann. ιThe lower end of the riser is connected to the lower end of the downpipe via a connector 10 which, as shown in FIGS. 1, 6 and 7, can be cylindrical, or, as shown in FIGS. 2, 3, 4 and 5, horizontal can be designed ring-shaped and can form the basis of the Fermen animal device. ι
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In dem unteren Abschnitt der Steigleitung wird durch Sprinklerrohre 11 ein Gas, beispielsweise Luft, eingesprüht, was eine kontinuierliche Umwälzung der flüssigen, die Fermentiervorrich- ι tung bis zur Höhe A-A füllenden Phase bewirkt. Das obere Verbindungsstück 6 darf nicht vollständig mit Flüssigkeit gefüllt werden, damit eine freie Oberfläche geschaffen wird, auf der Gasblasen aus der Flüssigkeit entweichen und durch eine Öffnung 12 abströmen können.In the lower section of the riser is through sprinkler pipes 11 a gas, for example air, is sprayed in, which causes a continuous circulation of the liquid, the Fermentiervorrich- ι tion up to the level A-A causes filling phase. The upper connection piece 6 must not be completely filled with liquid, so that a free surface is created on which gas bubbles escape from the liquid and through an opening 12 can flow off.
Durch ein Sprinklerrohr 13 oder eine Mehrzahl von Sprinklerrohren 13, von denen in den Figuren 2 bis 7 jeweils zwei dargestellt sind, wird der Falleitung zusätzliches Gas, beispielsweise Luft, zugeführt. Ein Zuführungsmedium, welches die für die Fermentation wesentlichen Bestandteile enthält, tritt durch ein Rohr 14 in die Fermentiervorrichtung ein, und die Kultur wird durch ein Rohr 15 aus der Fermentiervorrichtung entfernt. In dem ansteigenden Abschnitt sind Vorrichtungen zum Zerteilen der Blasen, wie etwa 16, vorgesehen. In Fig. 1 ist der Wärmeaustauscher 7 in der Falleitung 5 dargestellt, obwohl es möglich ist, den Wärmeaustauscher an jeder beliebigen Stelle in der Steigleitung oder der Falleitung anzuordnen. Es besteht auch die Möglichkeit, eine Mehrzahl von Einrichtungen zum Wärmeaustausch entweder in dem Steigabschnitt oder in dem Fallabschnitt oder in beiden anzuordnen.By a sprinkler pipe 13 or a plurality of sprinkler pipes 13, of which two in each case in FIGS are shown, additional gas, for example air, is supplied to the downpipe. A delivery medium which contains the constituents essential for fermentation, enters the fermentation device through a pipe 14, and the culture is removed from the fermenter through a tube 15. In the ascending section are devices for Breaking up the bubbles, such as 16, is provided. In Fig. 1, the heat exchanger 7 is shown in the downpipe 5, although it is possible to arrange the heat exchanger at any point in the riser or the downpipe. It exists also the possibility of a plurality of devices for heat exchange either in the rising section or in the falling section or to be arranged in both.
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