DE2823923A1

DE2823923A1 - Verfahren zur herstellung von biologischen produkten durch fermentation und behaelter zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2823923A1
Application number: DE19782823923
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Alan Legrys; Gerald Lionel Solomons
Original assignee: Ranks Hovis McDougall Ltd
Current assignee: Ranks Hovis McDougall Ltd
Priority date: 1977-06-01
Filing date: 1978-05-31
Publication date: 1978-12-14
Also published as: CA1087124A; BR7803491A; US4256839A; IT1096402B; IT7824038A0; JPS545091A; FR2401221B3; FR2401221A1; SE7806344L; FI781715A; GB1584103A; DE2823923C2; JPS6235754B2

Description

HEINZ H. PUSCHMANN · PATENTANWALT D 8000 MÖNCHEN 22 . THOMAS· WtMMER-RlNG 14

TELEFON 089/227887

RAMS HOVIS McDOUGALL LIMITED München, 30.05.1978 RHM Centre, 152 Grosvenor Road P 575/78 London, England Pu/rei

Verfahren zur Herstellung von biologischen Produkten durch Fermentation und Behälter zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zur Beschleunigung der Fermentation zur Herstellung biologischer Produkte, bei dem Nährstoffe einschließlich Sauerstoff mit einer biologischen Masse oder einem Ferment innerhalb eines Gärbehälters zusammengeführt werden.

Ganz allgemein bezieht sich die Erfindung auf jedes Reaktorsystem, das zur Lösung eines schwer löslichen Gases oder eines flüssigen oder festen Stoffes in einer großen Flüesigkeitsmenge geeignet ist. Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf die aerobe Fermentation oder Gärung, beispielsweise die Erzeugung von Mikro-Organismen als Quelle nicht toxischer Nahrungsmittel für Mensch und Tier oder zur Erzeugung antibiotischer Präparate, Zitronensäure, oder für die steroide Hormon-Umwandlung. Myzeliumstoffe, die unter kontrollierten Bedingungen in einem Gärbehälter herangezogen werden, stellen eine Eiweißquelle dar und können als Nahrungsmittel dienen, üngiftige Myzelien, die sich besonders als Nahrungsmittel für den Menschen eignen, sind bereits in den britischen Patenten 1 331 4-72 und 1 34-6 062 beschrieben. Ein bevorzugtes ungiftiges Myzelium ist Fusarium graminearum Schwabe I.M.I Nr. 14-5,425.

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Die Herstellung (aerobe Züchtung) von solchen biologischen Massen erfolgt in der Regel in Gärbehältern mit mechanischen Rührwerken. Bekannte Gärbehälter dieser Art weisen entweder ein einziges Rührwerk oder mehrere auf einer gemeinsamen Welle angeordnete Rührwerke auf, über die die Masse in dem Gärbehälter umgewälzt wird. Die aufrechtstehenden Behälter haben meist Zylinderform; sofern mehrere Rührwerke vorgesehen sind, sind diese entlang der Behälterlängsachse angeordnet.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, in einem solchen Behälter zwei Rührwerke anzuordnen, jeweils ein Rührwerk im oberen und im unteren Bereich, obwohl hinreichend bekannt ist, daß bei zwei jeweils radiale Strömungen erzeugenden Rührwerken zwei voneinander getrennte Masse-Zonen im Bereich jedes Rührwerkes erzeugt werden, die sich nur wenig miteinander vermischen.

Ein Gärbehälter muß so aufgebaut sein, daß er für die Kultur und die Nahrung geeignete Bedingungen für die heranzuziehenden Mikroorganismen schafft. Nach bisheriger Praxis wurden Hefe- und Bakterienkulturen aerob in Gärbehältern gezüchtet, wobei diese Kulturen im allgemeinen eine geringe Viskosität - der von Wasser vergleichbar - aufweisen. Demgegenüber hat eine fadenförmige Myzeliummasse , wie der zuvor genannte Mikro-Organismus, eine wesentlich höhere Viskosität und folgt im allgemeinen nicht dem Newton'sehen Reibungsgesetz T = ijc, wobei mit T die Schub spannung, mit η die Viskosität und mit c die Verformungsgeschwindigkeit bezeichnet ist. Diese hohe Struktur-Viskosität wirkt sich nachteilig auf die Vermischung im Gärbehälter aus, die jedoch notwendig ist, damit die Pilzkulturen unter einheitlichen Umweltbedingungen gedeihen. Bei dem eingangs genannten bevorzugten Mikro-Organismus wird jeweils aus 2 Gramm Glukose, 0,78 Gramm Sauerstoff und 0,1 Gramm Ammoniak 1 Gramm Myzelium erzeugt. Im Gegensatz zu Glukose und bis zu einem gewissen Grad Ammoniak, die in wässrigen Systemen eine hohe Löslichkeit haben, ist die Löslichkeit von

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Sauerstoff im Wasser sehr gering. Beispielsweise hat Sauerstoff bei 30°0 und atmosphärischem Druck eine Sättigungslöslichkeit (equilibrium) von 0,007 bis 0,008 Gramm pro Liter je nach dem Salzgehalt. Sobald das System durch die vorhandene Luft sauerstoff gesättigt ist, wird ein Mikro-Organismus der genannten Stöcheometrie gehorchend bei einer Behälterproduktivität von 3 Gramm pro Liter und Stunde den gesamten gelösten Sauerstoff innerhalb von 10,8 Sekunden aufgenommen haben. Dieser Zeitraum kann auf 25,5 Sekunden erhöht werden, wenn der Druck der verwendeten Luft auf 1,4-1 kp/cm (20 p.s.i.g) erhöht wird. Die gleiche Zeitspanne kann erreicht werden, wenn bei atmosphärischem Druck sauerstoffangereicherte Luft verwendet wird, deren Sauerstoff-Partialdruck bei atmosphärischem Luftdruck gleich dem Partialdruck von Sauerstoff in Luft bei einem Druck von 1,41 kp/cm (20 p.s.i.g) ist.

Die bisher verwendeten Gärbehälter konnten gelösten Sauerstoff in ausreichender Menge über diesen Zeitraum nur unzulänglich aufrechterhalten. Die bekannten Gärbehälter bieten also keine ausreichende Lösung.

Aufgabe der Erfindung ist es, diesem Mangel abzuhelfen und einen Behälter für die aerobe Fermentation oder Gärung so zu verbessern und so auszubilden, daß mit einfachen Mitteln eine bessere Leistung, das heißt bessere Sauerstofflösung im Substrat., erzielbar ist und eine Umwälzung der biologischen Massen zur besseren Sauerstoffaufnahme unter exakt einstellbaren Bedingungen möglich ist.

Aufgrund vieler Versuche ist herausgefunden worden, daß mit einem Gärbehälter mit zwei Rührwerken, die vollkommen unterschiedliche Punktionen während des Betriebes des Gärbehälters erfüllen, die gewünschte Luftverteilung und Umwälzung der biologischen Masse zur Optimierung des Sauerstoffes erreichbar ist.

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Ausgehend von den eingangs genannten Verfahren ist daher die genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Gärbehälter zwei mit unterschiedlicher Geschwindigkeit antreibbare Rührwerke vorgesehen sind, von denen das eine Rührwerk im wesentlichen eine Strömung der biologischen Masse oder des Fermentes im Gärbehälter erzeugt, während das andere Rührwerk im wesentlichen der Aufbereitung des zugeführten Sauerstoffes zu feiner Dispersion dient.

Die biologische Masse ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ein Myzelium, von dem im wesentlichen alle Zellen (Mikro-Organismen) innerhalb von 10 bis 30 Sekunden innerhalb des Behälters einmal umlaufen.

Hierbei werden die Nährstoffe im allgemeinen im unteren Teil des Gärbehälters im Bereich des unteren Rührwerkes eingeführt, und, um das Wachstum der biologischen Masse zu fördern, wird Sauerstoff von oben oder unten oder an beiden Stellen in den Gärbehälter eingeleitet und zu einer feinen Dispersion aufbereitet. Der von den Zellen (Mikro-Organismen) aufzunehmende Sauerstoff ist vornehmlich im Bereich der Rührwerke konzentriert. Pur einen wirksamen Betrieb des Gärbehälters ist es daher erforderlich, daß die Zellen Jeweils innerhalb einer bestimmten Zeit in diese sauerstoffreichen Zonen gelangen, wobei die Zeit jeweils von der spezifischen Sauerstoffaufnahme der biologischen Masse im ganzen Behälter abhängt. Aufgabe des oberen Rührwerkes ist es, die biologische Masse mit einer solchen Geschwindigkeit im Behälter umzuwälzen, daß den Zellen ausreichend Sauerstoff angeboten werden kann und daß möglichst keine am Umwälzprozeß nicht teilnehmende, sogenannte stagnierende Zonen im Behälter entstehen können.

Ein Behälter zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kennzeichnet sich durch zwei voneinander unabhängige Rührwerke sowie für Jedes Rührwerk Je eine Antriebsvorrichtung und Je eine Vorrichtung zur unabhängigen Steuerung der Drehgeschwindigkeit der Rührwerke.

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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht der Behälter aus einem mit seiner Längsmittelachse senkrecht stehenden Zylinder, auf der die Rührwerke jeweils im oberen und unteren Endbereich des Behälters liegend angeordnet sind, wobei das eine Rührwerk eine gleichmäßige, nach unten längs der Achse des Gärbehälters gerichtete axiale Strömung und das andere Rührwerk als Scheibenturbine eine nach außen gerichtete radiale Strömung erzeugt.

Das obere Rührwerk bemißt sich zweckmäßig auf 0,5 bis 0,6 des lichten Durchmessers des Gärbehälters und ist mit Blättern geringen Querschnittes versehen zwecks gleichmäßigen Flusses über den Durchmesser des Rührwerkes.

Im Gärbehälter ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung mindestens ein zylindrisches Saugrohr koaxial zur Behälterlängsachse vorgesehen, dessen Durchmesser im wesentlichen 0,7 des Behälterdurchmessers beträgt.

Die Erfindung ist nachstehend anhand dreier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Gärbehälters beschrieben. Im einzelnen zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gärbehälters;

Figur 2 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des Gärbehälters nach Fig.1;

Figur 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Gärbehälters;

Figur 4- ein Leistungsdiagramm für die Umwandlung von Sauerstoff vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Turbinen-Rührwerkes;

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Figur 5 ein Leistungsdiagramm für die Umwandlung

von Sauerstoff vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand bei unterschiedlichen Rührwerks-Geschwindigkeiten und

Figur 6 Leistungsdiagramme von Versuchsflüssigkeiten und 7 in Form eines Gärsuds.

Figur 1 zeigt einen zylindrischen Gärbehälter 1 mit in seinem Inneren vorgesehenen Heizschlangen 2. Mit 3 ist eine Einfüllöffnung für Nährstoffe bezeichnet. Über eine Zuführung 4- wird Sauerstoff für die organischen Wikro-Organismen oder Zellen feiriblasig eingeblasen. Die Zellen werden am Auslaß 5 aus dem Behälter entnommen.

Im oberen Bereich des Behälters ist in dessen Zentrum ein Rührwerk 6 vorgesehen, das über eine von einem geeigneten Antrieb angetriebene Welle 7 angetrieben wird. Zwischen Antrieb 8 und Welle 7 ist ein Getriebe 9 angeordnet, über das die Drehgeschwindigkeit der Welle einstellbar ist.

Aufgabe des oberen Rührwerkes 6 ist es, die biologische Masse oder Substanz im Behälter gemäß den in Figur 1 gezeigten Strömungspfeilen umzuwälzen. Vorzugsweise erteilt das Rührwerk 6 der biologischen Masse einheitliche Strömungsmerkmale derart, daß die gesamte Masse innerhalb des Behälters in gleicher Umlaufzeit umgewälzt wird. Hierfür eignet sich jedes Rührwerk, mit dem dieses Ziel erreichbar ist. Als besonders vorteilhaft hat sich jedoch ein Rührwerk mit säbelförmigen Rührarmen erwiesen. Das Rührwerk 6 ist im Durchmesser verhältnismäßig groß, vorzugsweise 0,5 bis 0,6 des Behälterdurchmessers, und dreht sich mit verhältnismäßig niedriger Geschwindigkeit. Die Drehgeschwindigkeit ist in jedem Fall so gewählt, daß die gesamte biologische

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Masse im Behälter jeweils innerhalb von 10 bis 30 Sekunden einmal umläuft.

Ein weiteres Rührwerk 10 ist im Bereich des Behälterbodens vorgesehen und ist koaxial zum oberen Rührwerk angeordnet. Es sitzt auf einer Welle 11, die über ein Getriebe 13 von einem Antrieb 12 angetrieben wird. Das Getriebe 13 ermöglicht eine stufenlose Einstellung der Drehgeschwindigkeit des Rührwerkes 10. In einem sehr großen Gärbehälter kann die Geschwindigkeit des Rührwerkes 10 konstant sein. Der Durchmesser des Rührwerkes 10 ist zwischen 0,2 bis 0,5, vorzugsweise 0,2 bis 0,3 des Durchmessers des Behälters gewählt. Besonders eignet sich hierfür eine Scheibenturbine, durch die eine radial nach außen gerichtete Strömung erzeugt wird. Über das Rührwerk 10 wird die am Einlaß 4 einströmende Luft fein zerteilt und wird die Umwälzung der biologischen Masse durch den gesamten Behälter unterstützt.

Figur 2 stellt eine andere Ausführungsform des Gärbehälters nach Figur 1 dar, in der einander entsprechende Teile auch die selben Bezugszeichen tragen. Hier ist innerhalb des Behälters 1 ein Zug-* rohr 14 angeordnet, das einen zylindrischen Querschnitt aufweist und dessen Durchmesser etwa 0,7 des Behälterdurchmessers ausmacht und dessen Höhe etwa 1,5 des Behälterdurchmessers beträgt. Durch dieses Zugrohr wird die Trennung der biologischen Masse in Je einen von oben nach unten und von unten nach oben gerichteten Strom begünstigt. Die vom Zugrohr umschlossene Querschnittsfläche in einer den Behälter schneidenden waagerechten Ebene sollte gleich der vom Außenmantel des Zugrohres und der von der Behälterinnenwandung umschlossenen Querschnittsfläche sein.

Vorzugsweise befindet sich das obere Rührwerk 6 innerhalb des von dem Zugrohr begrenzten Raumes, während das untere Rührwerk 10 außerhalb des Bereiches des Zugrohres liegt. Der Abstand des oberen Rührwerkes von der oberen Behälterbegrenzung entspricht ♦oder Saug-

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etwa dem Durchmesser des Rührwerkes; das untere Rührwerk liegt ebenfalls etwa im Abstand seines Durchmessers vom Behälterboden entfernt.

Durch das als Scheibenturbine ausgebildete Rührwerk 10 wird die Geschwindigkeit des Säuerstoffüberganges gefördert durch Bildung einer Dispersion kleiner Luftblasen mit großer Grenzfläche. In dem die Turbine unmittelbar umgebenden Bereich kann annäherndes Gleichgewicht zwischen der Sauerstoffkonzentration in der Gärflüssigkeit und dem Partialdruck in den einzelnen Luftblasen erreicht werden. Mt zunehmendem Abstand der Luftblasen vom Rührwerk infolge hydrodynamischer Kräfte nimmt der Säuerstoffübergang rapide ab, da sich die Luftblasen nicht mehr in einem Bereich hoher Turbulenz befinden. Turbulenzen verbessern den Übergang, da sie eine Oberflächenerneuerung und eine Bewegung der Grenzflächen Gas-Flüssigkeit induzieren.

Die beschriebenen Ausführungsformen der Gärbehälter können ferner für eine bessere Kühlung ausgestaltet werden. Bei sehr großen Gärungsaniageη ist die Kühlleistung oft unzureichend, um die durch den Stoffwechsel der Bakterien entwickelte Wärme abzuführen. Jedem Fachmann ist geläufig, daß die durch Stoffwechselvorgänge erzeugte Wärmemenge mit der dritten Potenz des Behälterdurchmessers ansteigt, während die für die Kühlung des Behälterinhalts zur Verfügung stehende Fläche nur mit dem Quadrat des Durchmessers des Behälters zunimmt. Ein Beispiel für diesen gesetzmäßigen Einfluß auf die Wärmeübertragung ergibt sich aus der Betrachtung der für die Kühlung in einigen besonderen Anwendungsfällen zur Verfügung stehenden Fläche.

In den zu betrachtenden Fällen kann die Kühlung über eine aus einem 3 Zoll-Rohr bestehende doppelte innere Kühlspirale erreicht werden. Das Rohr weist eine 6 Zoll-Steigung auf, wobei der Kreisdurchmesser S der Kühlspirale 304,8 mm (1 Fuß) bzw.

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609,6 mm (2 Fuß) weniger als der Behälterdurchmesser beträgt. Im Abstand von jeweils 1 524 mm (6 Zoll) angeordnete Halbspiralen an der Behälterwandunggehören ebenfalls hierzu.

Aufgrund der Oberfläche dieser Kühlanordnung kann die Oberflächenkühlung pro Volumeneinheit des Behälters abgeschätzt werden. Dies führt zu Fällen 1 bis 3 in der nachfolgenden Tabelle (Fall 4 ist vom Maßstab her ähnlich wie Fall 3, jedoch nur bei einem Drittel des Durchmessers des Gärbehälters).

Fall	Volumen (FT⁵)	Durchmesser (FT)	H:D	Kühl- Spira- len	Mantel fläche des Be hälters	Kühlfläche/ Behälter volumen (FT-1)
					(FT²)
1	6 400	16	2:1	4 295	804	0,80
2	12 600	20	2:1	6 940	1 256	0,65
3	12 850	16	4:1	8 875	1 608	0,82
4	475	5'4"	4:1	986	178	2,45

Die Fälle 2 und 3 zeigen, daß Kühlfläche/Volumeneinheit, die sich innerhalb etwa volumengleicher Behälter erreichen läßt, um etwa 25 % größer ist in einem 4 880 mm (16 Fuß) Durchmesser-Behälter (H:D = 4:1), verglichen mit einem 6 100 mm (20 Fuß) Behälter (H:D = 2:1). Hieraus läßt sich ersehen, daß auch eine entsprechend geringere Menge an Kühlmittel erforderlich ist.

Ein Vergleich der Fälle 3 und 4 ist ein weiteres Beispiel für den Einfluß der Maße. Die Kühlung, die bei kleinen Behältern und Pilotanlagen verhältnismäßig einfach durchzuführen ist, wird mit zunehmender Größe der Behälter immer schwieriger. Zwar kann man von Wasser aus Kühltürmen zu Kältemitteln als Kühlflüssigkeit übergehen, doch wird dann das Kühlmedium immer teurer.

Nach den gefundenen Erfahrungswerten ist deshalb ein günstiger Durchmesser festgelegt worden. Der tatsächliche Wert dieses Durch-

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messers hängt vom jeweiligen geographischen Standort und von der Kühlwasserquelle ab und beträgt im Regelfall 4 880 mm (16 Fuß).

Ein solcher Durchmesser wirkt sich auch noch in anderer Weise aus, denn es ist der maximale Durchmesser, der in vielen Ländern für den Straßentransport zugelassen ist. Der Behälter läßt sich hierdurch billiger anderswo als am Einsatzort herstellen.

Ein Behälter mit diesem Durchmesser muß für eine gegebene Gärkapazität in seiner Höhe vergrößert werden. Je nach den rheologischen Eigenschaften (Fließeigenschaften) der Gärkultur kann das Verhältnis von Höhe zum Durchmesser vergrößert werden, jedoch mit der Haßgabe, daß der vom Rührwerk für die Axialströmung entwickelte Druck ausreicht, um den Reibungswiderstand der Biomasse an den Zugleitungen und an den Behälterwandungen zu überwinden.

Figur 3 zeigt den Aufbau eines diese Überlegungen berücksichtigenden Behälters. Hier verhält sich die Höhe zum Durchmesser des Behälters etwa wie 4:1 und das Gas wird entweder durch eine einzige öffnung eingedüst oder durch eine Mehrfachdüse im Bereich des Rührwerkes 6 durch den Eindüser 15·

Außer den Einrichtungen im Behälterinneren, wie am Beispiel der Figuren 1 und 2 beschrieben, weist die Ausführungsform nach Figur 3 noch folgende weitere Merkmale auf. Der Behälter weist mehrere Prallplatten 16, 17 und 18, die der Wirbelbewegung in der Biomasse entgegenwirken, auf. Diese sind in an sich bekannter Weise nahe am Turbinen-Rührwerk 10 angeordnet, doch ist es auch möglich, Prallplatten auf der Innenseite des Zugrohres und oberhalb des Zugrohres bei 19 anzuordnen. Als Prallplatten werden herkömmliche Konstruktionen verwendet.

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Das obere Ende des Zugrohres kann teilweise von einem Kegelstumpf oder einer ähnlich geformten Vorrichtung 20 abgedeckt sein. Hierdurch wird die Strömungsgeschwindigkeit der Biomasse in diesem Bereich herabgesetzt, so daß die Gase aus der Gärflüssi^keit leichter getrennt werden können.

In Anbetracht der begrenzten Fläche, die für die Wärmeübertragung verfügbar ist und einer leichten Herstellung sowie des Transportes des Gärbehälters ist es zweckmäßig, den Durchmesser des Gärbehälters auf 4 4-80 mm (16 Fuß) zu begrenzen. Um die gleiche Gärkapazität zu erhalten, muß die Höhe des Behälters vergrößert werden, was zugleich den Vorteil hat, daß sich die Löslichkeit des Sauerstoffes im Bereich des Turbinenrührwerkes verbessert. Der Vorteil, das Gas in den oberen Bereich des Behälters einzudüsen, wirkt sich bezüglich Kompressorgröße und Leistung äußerst günstig aus.

Als Beispiel sei hier ein Behälter mit einem Volumen von 80,250 Gallonen (304090 Liter) (12,870 Fuß^) betrachtet, was einem Durchmesser von 16 Fuß ( 4 880 mm) und einer Höhe von 64 Fuß (19 520 mm) entspricht. Der Betrieb eines solchen Behälters mit einer 12-armigen Turbine von 4 Fuß Durchmesser und einer Drehzahl von 170 U/min würde einer Leistungsaufnahme von 800 ES (1PS/100 GaIl) entsprechen, obwohl angenommen wird, daß eine gleichwertige Leistung mit einer Gesamtleistungsaufnahme von weniger als 800 PS erreichbar wäre. Beispielsweise beträgt die Viskosität einer nicht dem Newton¹sehen Reibungsgesetz folgenden Myzelium-Gärlösung, die dieser Drehgeschwindigkeit entspricht, 0,117 lb/ft/sec und der sich daraus ergebende Turbinendurchsatz beträgt 120 ftVsec. Wenn nur diese einzige Turbine arbeitet, beträgt die durchschnittliche Umwälzzeit 107 Sekunden, eine Zeit, die mit der Sauerstoffaufnähme der Mikro-Organismen unvereinbar ist. Ein Rührwerk mit 3 355 mm (11 Fuß) Durchmesser und einer Drehzahl von 60 U/min würde nur 60 PS aufnehmen und ergäbe einen Durchsatz im Gärbehälter von 460 Fuß Vsec. Die Umlauf zeit betrüge demnach bei der Turbine mit säbelförmigen Blättern 22 see.

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fa

Der Vorteil, den die Gaseindüsung von oben im Behälter erbringt, kann anhand der Leistungsaufnahme des Kompressors errechnet werden, wenn 0,352 kp/cm (5 psig) Überdruck für den Durchgang durch Armaturen und Zuleitungen (fixture and fittings) zugelassen sind.

Eindüskopf im Bereich der Turbine =1,76 kp/cm² (= 25 psig = 56 Fuß),

Eindüskopf im Bereich der säbelförmigen Blätter =1,12 kp/cm (= 7 psig = 16 Fuß).

Das Eindüsen von 6 400 Standard-Kubikfuß/Minute (0,5 Volumen/Volumen/ Min.) erfordert, wenn die Leistung theoretisch errechnet wird, 740 PS im ersten bzw. 360 PS im zweiten Falle.

Die räumliche Anordnung des Eindüskopfes und die Wirksamkeit der Axialströmungsvorrxchtung können durch die nachfolgenden Daten nachgewiesen werden, die bei Anwendung der Erfindung in einem 40-Liter-Mischbehälter erhalten werden. In jedem Fall wird der volumetrische Massentransfer-Koeffizient k-j-a (Absorptions-Koeffizient) gemessen, der, wie jeder Fachmann weiß, ein Maß für die Wirksamkeit eines Behälters ist, Sauerstoff von der gasförmigen Phase in die flüssige Phase zu überführen.

Figur 4 gibt den Wert von kj-a bei mehreren Strömungsgeschwindigkeiten des Gases an, wenn das Gas im Bereich (a) des säbelförmigen Eührwerkes 6 eingeführt wird und im Bereich (b) des turbinenförmigen Rührwerkes 10. In beiden Fällen arbeitet das Rührwerk 6 nicht und pumpt daher weder Gas noch Flüssigkeit durch den Behälter. Dies gilt insbesondere für die Gase im Fall (a). Ale Flüssigkeit ist Wasser benutzt worden, wie bei nicht zähflüssigen Gärsystemen.

Wenn das Gas auf der Oberseite des Behälters eingedüst wird, verringert sich der Wert k-j-a erheblich; dagegen hat eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases kaum einen Einfluß. Diese

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Ergebnisse stimmen mit geringer Zirkulation des Gases überein. Das Eindüsen am Boden des Behälters "bei stillstehendem "Säbelrührwerk" (b) entspricht üblicher Praxis. Aus diesen Beispielen kann der Schluß gezogen werden, daß beim Eindüsen von Gas von der Oberseite des Behälters her auf jeden Fall eine Strömung erzeugende Vorrichtung vorgesehen werden muß, die das Gas und die Flüssigkeit im Behälter umwälzt.

Die Wirkung beim Betrieb des säbelförmigen Rührwerkes kann aus Figur 5 ersehen werden. Bei den hier dargestellten Fällen dreht sich die Turbine mit 215 U/min. Die Fälle (a) entsprechen dem Eindüsen im säbelförmigen Bereich des Rührwerkes, die Fälle (b) dem Eindüsen im Bereich der Turbine. In diesen beiden Fällen besteht nur ein geringer oder kaum spürbarer Unterschied in der Leistung, gemessen am k-j-a-Wert, in Abhängigkeit des Eindüsens in dem einen oder anderen Bereich, sofern die übrigen Betriebsbedingungen äquivalent sind. Es wäre also zu erwarten, daß gleiche Leistungen erreicht werden mit der entsprechenden Einsparung bei der Leistungsaufnahme des Kompressors in PS, die bei Großbehältern beträchtlich ist.

Diese allgemeinen Annahmen treten dann ein, wenn die Testflüssig keit ein Gärsud (Flüssigkeit) ist, der zähflüssig ist und nicht dem Newton'sehen Reibungsgesetz folgt. In den Figuren 6 und 7 ist die Leistung eines 40-Liter-Gefäßes mit Lufteindüsung im Bereich (a) des Säbeltführwerkes verglichen mit der Lufteindüsung im Bereich (b) der Turbine. In beiden Fällen dreht sich die Turbine mit 215 U/min. Das rheologische Verhalten der beiden in den Figuren 6 und 7 dargestellten Fälle wird durch die beiden folgenden Gleichungen beschrieben:

T « 0.73^⁰'⁶¹ und T = 0J

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ft

Der Fachmann erkennt hieraus das Verhältnis zwischen ßchubspan-

nung (T) in Poundals/Fuß und Schubgeschwindigkeit (y) in Sekunden , was eine beträchtliche Pseudoplastizität nachweist.

Aus den beiden Diagrammen nach Figur 6 und 7 geht hervor, daß die k-j-a-Werte, sofern die übrigen Betriebsparameter gleich sind, im großen und ganzen gleich sind, wenn die Eindüsung in das Gefäß im Bereich des Säbelrührwerkes erfolgt, im Vergleich zur Eindüsung im Bereich der Turbine. Auch hier zeigt sich eine gleiche Leistung mit entsprechender Einsparung an Kompressorleistung, die bei Großbehältern beträchtlich ist.

Die Erfindung gilt für die Einbringung jedes Gases begrenzter Löslichkeit in eine Gärflüssigkeit und ist nicht auf Sauerstoff beschränkt. Bei viskosen Systemen, zu denen die Myzelium-Gärung gehört, ist die Masse des in die Gärflüssigkeit übergehenden Gases geringer, da hier die eingedüsten Luftblasen das Bestreben haben, sich schnell zusammenzufügen, was zu einer Verminderung der Gesamtfläche der Zwischenschicht-Bereiche führt und der sich daraus ergebenden Masseübertragung. Die Erfindung gilt ebenfalls für die Zufuhr von flüssigen oder festen Nährstoffen oder Zusätzen in eine Gärflüssigkeit bei Anwendungen, wo die flüssigen oder festen Nährstoffe oder Zusätze in der Gärflüssigkeit begrenzt lösbar sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für die Gärung von Myzelium, doch läßt es sich auch für die Gärung von Hefen und Bakterien einsetzen, wenn die Vergärung oder Fermentation in großen Behältern durchgeführt werden soll. Zwar sind Hefe und bakterielle Fermente weniger viskos als Myzelium-Fermente und sind deshalb auch leichter in Gärbehältern mit herkömmlichen Rührwerken mischbar, doch steigt der Energieaufwand, der notwendig ist, um das Ferment innerhalb einer bestimmten, einheitliche Umgebungsverhältnisse gewährleistenden Zeitspanne zum Eingabeort zurückzuführen, sehr rasch mit zunehmender Größe des Gärbehälters an.

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Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung werden die beiden Rührwerke unabhängig voneinander und in der Regel mit unterschiedlicher Geschwindigkeit angetrieben. Dies führt zu einer erheblichen Energie-Einsparung. Beispielsweise bei einem 1 270-Liter-Gärbehälter mit einem Ferment, dessen Viskosität 0,096 lb/ft/sec. beträgt, und der ein nahe seiner Oberseite angeordnetes, mit säbelförmigen Rührarmen versehenes Rührwerk von 610 mm (2 !fuß) Durchmesser aufweist, das mit 30 U/min angetrieben wird, und eine nahe dem Boden angeordnete Scheibenturbine mit 12 Scheiben, die mit 260 U/min angetrieben wird, beträgt die Zirkulationszeit 10,6 Sekunden und die Leistungsaufnahme 2,9 PS. Enthält ein Gärbehälter gleicher Größe ein Ferment, dessen Viskosität nur 0,085 lb/ft/sec beträgt, verringert sich die Zirkulationszeit auf 8,9 see, wenn das Rührwerk mit säbelförmigen Rührarmen mit 30 U/min und die Scheibenturbine mit 325 U/min angetrieben werden. Die Leistungsaufnahme beträgt dann 5,7 PS.

In diesem zweiten Fall kann auch die Scheibenturbine zur Bewegung des Ferments allein zur Anwendung kommen. Die Zirkulationszeit erhöht sich in diesem Falle auf 13,8 Sekunden, wobei an Energie 0,1 PS eingespart werden, was dem Verbrauch des anderen Rührwerkes entspricht.

Die Verkürzung der Zirkulationszeit bei gleichzeitiger Energieeinsparung durch die Erfindung ist besonders groß bei Großbehältern. Ein Behälter, beispielsweise mit einem Volumen von 691 Liter (152 000 Imperial Gallon), der ein Ferment mit einer Viskosität von 0,166 lb/ft/sec enthält, bei dem das obere Rührwerk mit säbelförmigen Rührarmen einen Durchmesser von 4 950 mm (16/4- Fuß) aufweist und mit 17 U/min angetrieben wird, und bei dem die im Bodenbereich angeordnete, 12 Blätter aufweisende Scheibenturbine einen Durchmesser von 1 844 mm (6,5 Fuß) hat und mit 86 U/min angetrieben wird, beträgt die Zirkulationszeit 20,2 Sekunden bei einer Leistungsaufnahme von 1 216 PS. Arbeitet in dem

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gleichen Behälter nur die bodenseitige Scheibenturbine, erhöht sich die Zi rkulationszeit auf 102 Sekunden, wobei lediglich 100 VQ eingespart werden.

Diene Beispiele lassen eindeutig erkennen, daß mit der Erfindung bei einem äquivalenten Gärungsprozeß mit äquivalenten Ergebnissen betrachteiche Leistungseinsparungen erzielbar sind.

Die Fertigunpnkosten lassen sich ebenfalls verringern, da anstelle einer einzigen langen Welle bei herkömmlichen Konstruktionen nur zwei verhältnismäßig kurze Antriebswellen notwendig sind.

Erfindungfigemäß läßt sich der Aufbau den jeweiligen Verhältnissen entsprechend abwandeln. Beispielsweise kann Luft von oben in den Behälter eingedüst werden anstatt im Bereich des unteren Rührwerken. Hierdurch wird die Energie geringer, die notwendig ist, um die Luftblasen im Behälter zu verteilen. Hierdurch wird der Energiebodarf für die Bewegung der Luftblasen im Gärbehälter verringert, Ίπ die Flüssigkeit mit größerer Geschwindigkeit nach linien fljoiii nip, die Endgeschwindigkeit der nach oben steigenden Luft. Ine Lu fi zuführungs-Vorri chtung kann daher von einem billigeren Iiοπή ro.niiuT aufgetrieben werden, wodurch sieh die Kosten eben-ί a 11 π ν r- τι 'J η re ri ι.

Eine weil (?rf? /^änderung besteht darin, dfiir bei einer aus ZeIlketton I)PiM pin i:df?ij biologischen Hasse dan untere Rührwerk mit Mogeln oiinr nndrron mechanischen Zerkl ei nermigr-Vorrd chtungen vernehon wnrdfii ]·;πιΐι, um dadurcli (He ZeI3ketten aufzubrechen und daifiii d?;r: \>^!?!<·]ΐίτ1 w, ;:u ffi

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Claims

HEINZ H. PUSCHMANN · PATENTANWALT D 8000 MÜNCHEN 22 - THOMAS-WlMMtR-RING 14 TELEFO/\"089/227887 RAUKS HOVIS McDOUGALL LIMIiPED München, 30.05.1978 HHM Centre, 152 Grosvenor Road P 575/78 London, England Pu/rei Patentansprüche

1. Verfahren zur Beschleunigung der fermentation zur Herstellung biologischer Produkte, bei dem Nährstoffe einschließlich Sauerstoff mit einer biologischen Masse oder einem Ferment innerhalb eines Gärbehälters zusammengeführt werden, dadurch gekennzeichnet , daß in dem Gärbehälter (1) zwei mit unterschiedlicher Geschwindigkeit antreibbare Rührwerke (6, 10) vorgesehen sind, von denen das eine Rührwerk (6) im wesentlichen eine Strömung der biologischen Masse oder des Fermentes im Gärbehälter erzeugt, während das andere Rührwerk (10) im wesentlichen der Aufbereitung des zugeführten Sauerstoffes zu feiner Dispersion dient.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die biologische Masse ein Myzelium ist, von dem im wesentlichen alle Zellen (Mikro-Organismen) innerhalb von 10 bis 30 Sekunden innerhalb des Behälters (1) einmal umlaufen.

3. Gärbehälter zur Durchführung des Verfahrens nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei voneinander unabhängige Rührwerke (6, 10) sowie für jedes Rührwerk je eine Antriebsvorrichtung (7, 8 bzw. 11, 12) vorgesehen sind, denen je eine Vorrich-

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tung (9 bzw. 13) zur unabhängigen Steuerung der Drehgeschwindigkeit der Rührwerke zugeordnet ist.

4-. Gärbehälter nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß er aus einem mit seiner Längsmittelachse senkrecht stehenden Zylinder besteht, daß die Rührwerke (6, 10) auf dieser Achse jeweils im oberen und unteren Endbereich des Behälters liegend angeordnet sind und daß das eine Rührwerk (6) eine gleichmäßige, nach unten längs der Achse des Gärbehälters gerichtete axiale Strömung und das andere Rührwerk (10) als Scheibenturbine eine nach außen gerichtete radiale Strömung erzeugt.

5. Gärbehälter nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser des oberen Rührwerkes (6) etwa 0,5 bis 0,6 des lichten Durchmessers des Gärbehälters beträgt.

6. Gärbehälter nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß das obere Rührwerk (6) zwecks Erzeugung eines gleichmäßigen Flusses des Substrats über den Durchmesser des Rührwerkes mit Blättern geringen Querschnittes versehen ist.

7· Gärbehälter nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens ein zylindrisches Saugrohr (14) koaxial zur Behälterlängsachse vorgesehen ist, dessen Durchmesser im wesentlichen 0,7 des Behälterdurchmessers beträgt.

8. Gärbehälter nach einem der Ansprüche 4 bis 7» dadurch gekennzeichnet , daß das im Bodenbereich vorgesehene Rührwerk aus einer Scheibenturbine (10) be-

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steht, deren Durchmesser zwischen 0,2 bis 0,5 des lichten Behälterdurchmessers beträgt.

9. Gärbehälter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser des bodenseitigen Rührwerkes 0,2 bis 0,3 des lichten Behälterdurchmessers beträgt.

10. Gärbehälter nach einem der Ansprüche 4 bis 9i dadurch gekennzeichnet , daß der Sauerstoffzulauf (4) im Bereich des unteren Rührwerke (10) erfolgt.

11. Gärbehälter nach einem der Ansprüche 4 bis 9» dadurch gekennzeichnet , daß der Sauerstoff-Zulauf (15) im Bereich des oberen Rührwerkes (6) erfolgt.

12. Gärbehälter nach einem der Ansprüche 4 bis 11, gekennzeichnet durch einen aufrechtstehenden Behälter (1), dessen lichter Durchmesser etwa 4 876,8 mm (16 Fuß) beträgt.

13· Gärbehälter nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß zwecks Verhinderung von Wirbeln in dem vom Behälter eingeschlossenen Substrat im Behälter (1) Prallplatten (16, 17» 18) angeordnet sind, die sich zwischen Saugrohr (14) und Behälterachse befinden.

14. Gärbehälter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß das obere Ende des Saugrohres (14) zur Verringerung der Pließgeschwindigkeit des Substrats in diesem Bereich teilweise (Teil 20) abgedeckt ist.

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15· Gärbehälter nach. Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet , daß die Rührwerke (6, 10) mit unterschiedlicher Geschwindigkeit angetrieben sind.

16. Gärbehälter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das obere Rührwerk (6) ein Propeller-Rührwerk von 4 950 mm (16/4 Fuß) Durchmesser mit säbelförmigen Rührarmen und einer Drehzahl von 17 U/min, und das untere Rührwerk (10) eine zwölfblättrige Scheibenturbine von 1 844- mm (6,5 Fuß) Durchmesser und 86 U/min ist, und daß der Behälter (1) ein Volumen von etwa 304 090 Liter (80 250 Gallonen) bei einem Durchmesser von 4 880 mm (16 Fuß) aufweist.

17. Gärbehälter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens das untere Rührwerk (10) mit Flegeln oder anderen Zellkettenserreißenden Vorrichtungen versehen ist.

18. Gärbehälter nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet , daß er sowohl eine obere als auch eine untere Sauerstoffeindüsung aufweist.

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