DE2753388A1 - Fermentierungseinrichtung mit grossem volumen - Google Patents

Description

• Fermentierungseinrichtung mit großem Volumen
• Die Erfindung betrifft eine Fermentierungseinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
• Zur industriellen Herstellung von Antibiotika werden zumeist Fermentierungseinrichtungen verwendet, die mit mechanischen Rührern, Lüftungseinrichtungen und Wärmeaustausch-Oberflächen versehen sind. In diesen Einrichtungen muß man für die Kultur optimale Umgebungsverhältnisse sichern, und zwar sowohl für die Lüftungs- und Stoffwechselvorgänge als auch im Hinblick auf die vorgeschriebenen Temperaturverhältnisse.
• Die Abmessungen der Fermentierungseinrichtungen sind in Abhängigkeit der Ansprüche der mikrobiologischen Industrie immer größer geworden.
• Durch die Erhöhung des Volumens sind aber wesentliche technische Probleme entstanden. Dabei besteht eine wichtige Vorbedingung darin, daß die Temperatur der Kulturen im Laufe der biologischen Vorgänge trotz der hierdurch hervorgerufenen und durch Rühren und durch die Lüftung eingebrachten großen Wärmeenergie die Temperatur auf einem vorgegebenen Niveau gehalten werden muß. Durch die Erhöhung der Abmessungen der Fermentierungseinrichtungen erhöht sich deren Oberfläche quadratisch und deren Volumen kubisch, wodurch die Kühlung besonders in dem Falle Probleme hervorruft, in dem industrielles Kühlwasser von entsprechender Menge bzw.
• Temperatur nicht vorhanden ist. Wegen der verhältnismäßig niedrigen Temperatur der Fermentierungseinrichtungen ist die Abkühlung des Kühlwassers , bzw. die Rückkühlung desselben in Kühltürmen nur in geringem Maße bzw. mit einem niedrigen Wirkungsgrad möglich.
• Die Erfüllung der gestellten Anforderungen durch Fermentierungstürme wird dadurch erschwert, daß in den Fermentierungstürmen wegen der Sicherung der entsprechenden Oxigenmenge und Stoffwechselvorgänge eine sehr intensive Rührung gewährleistet sein muß,was die Ausbildung von wärmeübertragenden Oberflächen entsprechender Größe erschwert.
• Die Fermentierungseinrichtungen sind zumeist mit einer unteren Lufteinführung mit zwei bis drei Turbinenmischern, die durch eine zentrale Welle angetrieben werden, und zwecks Sicherung einer entsprechenden Dispergierungswirkung mit vier bis sechs die Strömung der Flüssigkeit hemmenden Stauelementen versehen.
• Ublicherweise werden als Wärmeaustauschelemente spiralförmige Rohrschlangen, die auf der inneren Wandung des Gerätes befestigt sind, verwendet. Ein Nachteil dieser Rohrschlangen besteht darin, daß die innere Wandung des Gerätes abgeschirmt sein muß. Als Folge dieser Maßnahme bilden sich ungünstig belüftete bzw. unzugängliche Zonen, die die Reinigung der inneren Oberfläche bzw. das Auffinden von eventuell defekten Rohrschlangen erschweren.
• Zur Vermeidung der durch die inneren Rohrschlangen verursachten Schwierigkeiten verwendet man Einrichtungen mit einer doppelten Mantelwandung. Derartige Wärmeübertragungsflächen sind aber für Fermentierungseinrichtungen größerer Abmessungen zur Abführung der entstandenen höheren Wärmemengen nicht geei.gnet.
• Es ist ferner der Einsatz von spulenartigen Rohrschlangen (Rohrgewiiiden) bekannt, wobei anstelle der Stauelemente zueinander parallel verlaufende Rohrbänder verwendet werden. Der Einsatz der Rohrgewinde stört die Ausbildung der inneren Strömung, so daß diese für Kulturen mit einem großen Oxigenbedarf nicht geeignet sind. Ein Mangel der von den zueinander parallelen Rohrbändern gebildeten und die Aufgabe der Wärmeübertragung und Strömungsausrichtung erfüllenden Elemente liegt darin, daß durch die turbulente Strömung der Flüssigkeit und durch die intensive Rührung derselben die dünne, lange Rohrleitung in Schwingung gebracht wird, so daß an den Schweißstellen leicht Risse entstehen. Wie bekannt, können die geringsten Fehlerstellen an den Wärmeaustauschelementen eine Gefahr einer Infektion hervorrufen, die die Fermentierungskultur vernichten kann.
• Ein weiterer Nachteil der Rohrbänder liegt darin, daß die große Zahl der parallelen Leitungen einen großen Durchlaßquerschnitt bilden, so daß die Flüssigkeit nur sehr langsam strömt. Demzufolge sind die Wärmeübergangsverhältnisse solcher Systeme sehr ungünstig.
• Darüber hinaus sind das Auffinden von defekten Elementen und die Beseitigung von Fehlerstellen an denselben und an den durch die Rohre bedeckten Teilen sehr schwierig.
• Gegebenenfalls wird auch die Kombination aus den erwähnten bekannten Lösungen verwendet. So sind Fermentierungseinrichtungen mit Doppelmantel bekannt, in denen aus Rohrbändern ausgebildete Stauelemente, die als Wärmeaustauschelemente dienen, eingesetzt sind.
• Mit der Planung und den Abmessungsproblemen von Fermentierungseinrichtungen befassen sich zahlreiche Fachbücher. Als Beispiel ist das Buch Biochemical Engineering" F.C. Webb (D. van Nostrand Co.,Limited, London) zu erwähnen. Weitere Publikationen sind "Chemical Engineering Practice", Vol.8 (W. Cremer), und das Buch "Microbiologie Industrielle" (P. Simon et R. Meunier).
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Fermentierungseinrichtung zu schaffen, die sowohl für die Wärmeübertragung wie auch im Hinblick auf die Strömungsparameter vorteilhaft ist, und deren innere Wärmeaustausch- bzw. Strömungstauelemente in mechanischer Hinsicht eine sehr hohe Festigkeit besitzen, in Hinsicht auf die Betriebssicherheit leicht zugänglich, kontrollierbar, und leicht reparierbar sind, günstige Wärreübertragungsparameter aufweisen und eine qute Rührung in Hinsicht auf die Lüftung durch günstige Strömungseigenschaften gewährleisten.
• Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.
• Zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen.
• Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Fermentierungseinrichtung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 Schematisch die Ausbildung der Stauplattenpaare und die Anordnung derselben im Querschnitt; Fig. 2 die Anordnung nach Fig. 1 im Achsschnitt; Fig. 3 die Ansicht I nach Fig. 1 im vergrößerten Maßstab; Fig. 4 eine zweckmäßige Anordnung der Ablenkrippen, und Fig. 5 eine zweckmäßige Ausbildung der Ablenkrippen.
• Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, erfolgt die Kühlung der inneren Oberfläche der als stehender Zylinder ausgebildeten Fermentierungseinrichtung mittels einer doppelten Wandung oder mittels einer auf der äußeren Oberfläche des Zylindermantels aufgebrachten wärmeüberleitenden Rohrschwingen mit Halbkreisdurchmesser. Die inneren Wärmeübertragungselemente der Fermentierungseinrichtung dienen zum Stauen der Strömung der gerührten Flüssigkeit, bzw. zum Richten derselben.
• Anstelle von vier bis acht Stauplatten, die herkömmlicherweise entlang der inneren Oberfläche des Mantels der Fermentierungseinrichtung angeordnet sind,die 10 - 12 % des Zylinderdurchmessers ausmachen, sind gewölbte hohle Stauplattenpaare 2 eingesetzt, die aufgrund der Abnahme des Zwischenabstandes den Anteil der Flüssigkeitsmenge, die zwischen die Stauplattenpaare 2 gelangt, aufschleudern, so daß diese, ihre Richtung mit der Richtung der zirkulierten Flüssigkeit wechselnd1 gehemmt wird. Durch die erhöhte Wirbelung werden günstigere Wärmeübergangsverhältnisse gesichert. Aufgrund der rechtwinklig zusammengeleiteten Strömungen werden bessere Rührbedingungen erreicht.
• Die wärmeübertragenden Stauplatten 2 sind mit doppelter Wandung hergestellt. Zwischen den Wänden strömt das wärmeübertragende Mittel. Zur Förderung der die wärmeübertragende Wirkung sichernden Turbulenz sind horizontal zu der Strömungsrichtung der Medien Ablenkrippen 1 aufgeschweißt. Die zweckmäßige Anordnung dieser Rippen veranschaulicht Fig. 3.
• Die Wandungsdicke der Stauplatten 2, der Abstand zwischen den Doppelwänden und der Abstand der Ablenkrippen 1 wird durch Festigkeitsparameter bzw. die optimalen Geschwindigkeitsverhältnisse der Wärmeaustauschmedien bestimmt, wobei ein Geschwindigkeitsbereich von 0,5-0,2 m/sec zweckmäßig ist.
• Die Breite der Stauplattenpaare 2 wird dadurch bestimmt, daß ihre Projektion in radialer Richtung der herkömmlichen Abmessungen der Tragelemente entspricht. Diese Abmessung entspricht damit ca. 10 - 12 % des Innendurchmessers D des Zylinders.
• Die Stauplattenpaare 2 sind zueinander so angeordnet, daß der zwischen ihnen gebildete Strömungsquerschnitt kontinuierlich abnimmt. Der Ausgangsquerschnitt entspricht ungefähr der Hälfte des Eingangsquerschnitts, so daß demzufolge die entlang des Zylindermantels bereits erniedrigte Geschwindigkeit der Flüssigkeit,bzw. ihre Zirkulation, wieder auf a = b/2 erhöht wird Entlang der äußeren Oberfläche der Stauplatten 2 sind zwei Rippen in Längsrichtung angeordnet, um die zirkulierende Strömung turbulent zu gestalten. Die Breite der Rippen hängt von der Größe der Stauplatten ab. Es kann eine Abmessung von 15 - 30 mm gewählt werden.
• Die Ablenkrippen 1, die zwischen den Stauplatten 2 befestigt sind, erhöhen die Festigkeit der Stauplattenpaare. Die Stauelemente werden in 1000 mm Abständen mittels kaskadenförmigen, versteifenden Platten 3 zusammengehalten. Die Stauplattenpaare 2, die durch die gewölbten Rippen 1 versteift sind, bilden eine vibrationsfreie Einrichtung. Die doppelwandigen Stauplatten erfordern verhältnismäßig wenig Schweißnähte, nämlich eine oder zwei Kantenschweißnähte. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß sämtliche Schweißstellen leicht kontrollierbar und zugänglich sind, bzw. an leicht reparierbaren Stellen angeordnet sind, so daß die Betriebssicherheit in großem Maße erhöht wird.
• Die beschriebene Fermentierungseinrichtung eignet sich besonders für Antibiotikafermentierungseinrichtungen für 3 ein Volumen von 100 m3. Eine Anordnung, die mit einer derartigen Fermentierungseinrichtung versehen war, wurde mit herkömmlichen Rohrband-Wärmeaustauschstaulementen versehen Im Laufe der durchgeführten Kontrollmessungen wurde gefunden, daß in der Fermentierungseinrichtung gemäß der Er-0 findung in Abhängigkeit von der Belastung eine um 1 - 2 C kleinere Temperaturstufe entstanden war, die wegen der außerordentlich geringen Temperaturunterschiede einen um 1 - 25 % günstigeren spezifischen Wärmeübertragungsparameter ergeben hat. In den herkömmlichen Fermentierungseinrichtungen verschleißen die Rohrband-Wärmeaustauschelemente verhältnismäßig schnell, so daß diese oft ausgewechselt werden müssen.

Claims (3)

1. Fermentierungseinrichtung mit großem Volumen Patent ansprüche: 1. Fermentierungseinrichtung mit großem Volumen, die mit Elemente für die Lüftung, Mischung, mit strömungshindernden Elementen, Stauelementen, Mantelkühlungselementen und mit inneren Wärmeaustauschelementen versehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Fermentierungseinrichtung als stehender Zylinder ausgebildet ist, entlang dessen innerer Mantelfläche vom Boden des Zylinders bis zu der Oberfläche der Flüssigkeit vier bis sieben aus zwei kreisringquerschnittförmigen, einen Hohlraum einschließenden und als enge rechteckförmige Elemente ausgebildete, dem Wärmeaustausch dienende und strömungshindernde Stauplatten (2) vorgesehen sind, die bezüglich der Mantelfläche in Richtung des Durchmessers in einem Abstand von 0,01 - 0,03 D (Gesamtabmessung der Einrichtung) derart angeordnet sind, daß die Eingangsfläche des durch die Elemente gebildeten, gewölbten Staubplattenpaares gebildeten Spaltes in der Zirkulationsrichtung des Rührsystems, und die Ausgangsfläche desselben horizontal zu der Zirkulationsrichtung ausgebildet sind, daß die Breite der Eingangsfläche dem 1,5 bis 2-fachen der Breite der Ausgangsfläche entspricht, und daß der Krümmungsradius der Wölbung der Elemente 0,1 - 0,15 D (Durchmesser der Anordnung) ist.
2. 2. Fermentierungseinrichtung nach Anspruch 1, d a -d u r ch g e k e n n z e i c h n e t , daß in dem Zwischenraum der gewölbten, wärmeübertragenden Elemente (2) horizontal zu der Strömungsrichtung des Wärmeaustauschmediums bzw. zur Achsrichtung des Zylinders horizontale Rippen (1) in einem Abstand angeordnet sind, daß das strömende Mittel eine Geschwindigkeit von 0,5-2,0 m/sec erreicht.
3. 3. Fermentierungseinrichtung 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 in einem Abstand von 50 - 100 mm von der Eingangsfläche des Mediums in die Stauplatten (2) horizontal zu der Oberfläche bzw.

   zu der Strömungsrichtung Rippen (1) mit einer Breite von 20 - 30 mm und einer Dicke von 5- 15 mm angeordnet sind.