DE2560259C2 - Vorrichtung zum Kühlen und Belüften der Substratflüssigkeit in Reaktoren für mikrobiologische Stoffumsetzungen - Google Patents

Description

Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen und Belüften der Substratflüssigkeit in Reaktoren, sogenannten Bioreaktoren oder Fermentationsbehältern, für mikrobiologische Stoffumsetzungen mit einem zylindrischen oder kugelförmigen Behälter mit Substratflüssigkeitskreislauf, in welchem Kreislauf sowohl der bzw. die für die Kühlung erforderlichen aus Platten und Rohren bestehenden Wärmeaustauscher als auch Luftzufuhrrohre angeordnet sind, und die eingeleitete Luft zusammen mit der Substratflüssigkeit vermischt oder umgewälzt wird.

In solchen Behältern, in welchen unter aeroben Bedingungen Mikroorganismen gezüchtet werden, treten vielfach zwei große Schwierigkeiten auf — erstens die intensive Vermischung der Flüssigkeit mit großen Mengen Luft und zweitens die Abführung der beim Wachstum der Mikroorganismen entstehenden Wärme. Beide Probleme stellen den Konstrukteur vor schwierige Aufgaben, weil sowohl die Luftzufuhr als auch die Wärmeabfuhr bedeutende Energien erfordern. Bei großen Bioreaktoren, in die Luftmengen von einigen hundert Kubikmeter Luft pro Minute eingeblasen werden müssen, sind Luftkompressoren mit mehreren tausend Kilowatt Antriebsleistung notwendig; für die Abfuhr der Oxydationswärme müssen viele tausend Quadratmeter Kühlfläche vorgesehen werden.

Speziell auf dem Gebiet der Erzeugung von Nahrungs- und Futtermittel-Proteinen, d.h. bei der Züchtung von Hefen, Bakterien und Pilzen sind deshalb viele Vorrichtungen vorgeschlagen worden, welche diesen Schwierigkeiten Rechnung tragen sollen.

Die Aufgabe der Belüftung einerseits und die Aufgabe der Wärmeabfuhr andererseits wurden meistens getrennt gelöst So werden Hochleistungsbioreaktoren vielfach mit außenliegenden Wärmetauschern versehen, in welchen die Flüssigkeit gekühlt wird, während die Belüftung im Fermenterbehälter erfolgt. Dies hat jedoch zwei Nachteile: Erstens leiden die Mikroorganismen im Wärmetauscher unter Sauerstoffmangel und ίο zweitens sind Umwälzpumpen mit großer Leistung notwendig. Die Belüftung im Bioreaktor selbst benötigt ihrerseits große Kompressorleistung zur Überwindung des statischen Flüssigkeitsdruckes.

Beim Einbau von mehreren Tausend Quadratmetern Wärmeaustauschfläche werden große Anforderungen an die Konstruktion gestellt. So sind beim klassischen Einbau eine große Anzahl von Rohranschlüssen erforderlich. Undichtigkeiten können nur schwer gefunden werden. Auch die Reinigung bereitet große Schwierigkeiten.

Es wurde bereits versucht, durch zweckmäßige

Anordnung der Luftzufuhr und der Wärmeabfuhr Energieeinsparungen zu erreichen und dabei einen augenblicklichen Sauerstoffmangel der Mikroorganismen während des Kühlvorganges zu vermeiden.

Dazu wurde ein Kreislauf des Behälterinhaltes

bewerkstelligt und in diesem Kreislauf sowohl der bzw. die für die Kühlung erforderlichen Wärmeaustauscher als auch die zur Einführung der Luft vorgesehenen Luftzufuhrrohre angeordnet.

In der US-PS 36 81 200 ist ein derartiger Reaktor beschrieben. Dort ist der zylindrische Bereich des Innenraums eines Reaktors vollständig als Wärmeaustauscher ausgebildet. Um einen Substratkreislauf zu erzielen, werden die parallelen, senkrechten Rohre gruppenweise belüftet, die nicht belüfteten Rohre dienen dem Rücklauf. Bei einer Ausführungsform wird eine Aufwärtsströmung nach dem Luftheberprinzip (Mammutpumpe) erzeugt, bei einer zweiten wird durch "to Propellerförderer in Rohrgruppen eine Abwärtsströmung erzeugt, in die Luft eingespeist wird. Diese Konstruktion ist technisch aufwendig und unter anderem schwierig zu kontrollieren und zu reinigen, daher störanfällig; es herrschen schlecht definierbare Strömungsverhältnisse.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, die Konstruktion der Wärmetauscher zu verbessern, um den technischen und den betrieblichen Aufwand zu verringern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Wärmeaustauscher in einzelne voneinander getrennte Einheiten aufgeteilt sind, die auf einem oder mehreren in den Behälter eingebauten Abstützungen ruhen, und die Zuführungsrohre zu den Wärmetauschereinheiten für das Kühlmedium bzw. Heizmedium am Behälterboden demontierbar befestigt sind.

Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und anhand der Ausführungsbeispiele erläutert.
Von besonderer Bedeutung für eine ausreichende und günstige Kühlung der Flüssigkeit ist die bevorzugte Anordnung der Wärmetauscher im Behälter des Bioreaktors, wozu dieser der günstigen Montage- und Reinigungsmöglichkeit wegen in mehrere Einheiten unterteilt ist.

Die Erfindung ist mit vorteilhaften Einzelheiten und Abwandlungen an mehreren Ausführungsbeispielen anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform eines stehenden, zylindrischen Bioreaktors im Längsschnitt,

F i g. 2 einen Querschnitt durch den Bioreaktor nach Fig. 1,

F i g. 3 eine Wärmetauschereinheit aus F i g. 1 und 2,

Fig.4 einen kugelförmigen Bioreaktor im Längsschnitt,

F i g. 5 den Bioreaktor gemäß F i g. 4 im Querschnitt,

Fig.6 einen Teilquerschnitt durch einen liegenden zylindrischen Bioreaktor mit einer Wärmetauscr.ereinheit gemäß F i g. 1,

F i g. 7 im Längsschnitt den liegenden Bioreaktor nach Fig.6 mit mehreicn Wärmetauschereinheiten, und

F i g. 8 einen Horizontalschnitt durch den Bioreaktor nach den F i g. 6 und 7.

Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bioreaktors zeigt Fig. 1, in dessen Behälter 1 Wärmetauschereinheiten 2 zum Kühlen der Substratflüssigkeit eingebaut sind, die auf einem im Boden befestigten Gestell S montiert sind und sich nach oben frei ausdehnen können, beispielsweise während der Erhitzung mit Heißwasser oder Dampf währen der Sterilisierung. Die Eintrittsstutzen 3 und Austrittsstutzen 4 für das Kühlmittel während des Betriebs sind von unten her an den Wärmetauscher angeschlossen. Durch den Behälterdeckel 15 mit Schaumabscheider 7 und Motor 18 können die Wärmetauschereinheiten 2 ein- oder ausgebaut werden, ohne den ganzen Reaktor zu demontieren. Mittig im Bioreaktor 1 befindet sich ein in bekannter Weise befestigtes Leitrohr 16, in dessen unteren Teil das Luftzufuhrrohr 6 mündet. Der Behälter ist durch einen Flansch 17 horizontal geteilt. Er kann zur Abhebung der oberen Reaktorkesselhälfte dienen. Dies erlaubt eine noch einfachere Kontrolle der Wärmetauschereinheiten 2.

Während des Betriebs erzeugt die Umwälzvorrichtung 5 mit Motor 8 eine Strömung durch die Wärmetauschereinheiten 2, wobei die Flüssigkeit im Bioreaktor über das der Umwälzung dienende mittige Leitrohr 16 angesaugt wird. Die Strömungsrichtung ist durch Pfeile angedeutet.

Fig.2 zeigt diesen Bioreaktor im Querschnitt mit beispielsweise sechs der Wärmetauschereinheiten 2. Die Einheiten 2 können sowohl mit radial gerichteten Wärmetauscherplatten 2 als auch mit Querplatten 2' hergestellt sein.

In Fig.3 ist eine einzelne Wärmetauschereinheit 2 aus einer Anzahl von Wärmetauschplatten mit den an Sammelrohre angeschlossenen Anschlußstutzen 3 und 4 dargestellt

F i g. 4 zeigt eine analoge Ausführungsform in einem kugelförmigen Bioreaktor mit mehreren um das zentrale Luftrohr 16 angeordneten Wärmetauscheinheiten 2. Die Luftzufuhr erfoigt in das Unterteil des

lü Leitrohrs 16 entweder über die Rohrleitung 6 oder eine Hohlwelle der Umwälzvorrichtung 5.

Dem Schnittbild des Kugel-Bioreaktors 1 gemäß F i g. 5 entnimmt man, daß wieder Wärmetauschereinheiten 2 mit radial oder quer angeordneten Platten entsprechend F i g. 2 verwendet sind.

F i g. 6 zeigt im Teilquerschniit einen Bioreaktor mit den gleichen Wärmetauschereinheiten 2 wie sie F i g. 1 zeigt, jedoch in einem zylindrischen, liegenden Behälter 1, den Fig. 7 im Längsschnitt und Fig. 8 irn Horizontalschnitt darstellt, in den mehrere Wärmetauschereinheiten 2 eingebaut sind, im oberen Teil des Behälters 1 ist ein großer Dom 15' vorgesehen, der so dimensioniert ist, daß die eingebauten Wärmetauschereinheiten 2 durch ihn ein- und ausgebaut werden können. Die Ansaug-, Umwälz- bzw. Leitrohre 16 können durch entsprechende Anordnung der Wärmetauschereinheiten 2 ersetzt werden. Diese Variante ist in der Mitte der F i g. ι dargestellt. Die Eintrittsstutzen 3 und Austrittsstutzen 4 zu den Wärmetauschereinheiten

so 2 werden auch hier irn Boden befestigt. In der liegenden Form können, je nach Länge des Reaktors, mehrere Umwälzvorrichtungen 5 oder mechanische Schaumabscheider 7 vorgesehen sein.
Es hat sich gezeigt, daß eine beträchtliche Vereinfa-

Si chung und dadurch eine Verbilligung durch die Zusammenfassung von solchen Wärmetauschern zu kompakten Einheiten erreicht werden kann, die in die Reaktoren eingebaut werden, und zwar so, daß die Ein- und Ausgänge so gewählt werden, daß sie leicht lösbar und montierbar sind. Dies erfolgt vorzugsweise im Boden des Reaktors. Ebenso können die Wärmetauschereinheiten auf einer im Behälterboden befestigten Abstützung montiert und befestigt werden. Auf diese Weise können die einzelnen Einheiten bei geöffnetem Reaktor auf Dichtigkeit geprüft, gut gereinigt und leicht ausgewechselt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Kühlen und Belüften der Substratflüssigkeit in Reaktoren für mikrobiologische Stoffumsetzungen mit einem zylindrischen oder kugelförmigen Behälter mit Substratflüssigkeitskreislauf, in welchem Kreislauf sowohl der bzw. die für die Kühlung erforderlichen aus Platten oder Rohren bestehenden Wärmetauscher als auch Luftzufuhrrohre angeordnet sind, und die eingeleitete Luft zusammen mit der Substratflüssigkeit vermischt und umgewälzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher in einzelne voneinander getrennte Einheiten (2) aufgeteilt sind, die auf einem oder mehreren in den Behälter (1) eingebauten Abstützungen (S) ruhen, und die Zuführungsrohre (3) zu den Wärmetauschereinheilen (2) für das Kühlmedium bzw. Heizmedium am Behälterboden demontierbar befestigt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) einen Dom (15') aufweist, durch welchen die einzelnen Wärmetauschereinheiten (2) ein- bzw. ausbaubar sind.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) zweiteilig gebaut ist, und die Wärmetauschereinheiten (2) im feststehenden unteren Teil montiert sind und der obere Teil nach oben abnehmbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschereinheiten (2) mit Abstand eingebaut sind und zwischen den einzelnen Einheiten Zwischenräume für die Umwälzung der Flüssigkeit im Behälter (1) belassen.