DE3614999C2

DE3614999C2 -

Info

Publication number: DE3614999C2
Application number: DE3614999A
Authority: DE
Inventors: Rolf Prof. Dr.-Ing. Germerdonk; Hans-Peter Dipl.-Ing. 6750 Kaiserslautern De Ohlinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-05-02
Filing date: 1986-05-02
Publication date: 1988-05-26
Also published as: DE3614999A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begasung und Durchmischung einer Flüssigkeit oder einer Suspension ent sprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 4. Eine solche Suspension kommt z. B. bei der submersen Fermentation in gerührten Bioreaktoren zur Behandlung von zähen und/oder zur Wandanhaftung bzw. Agg lomeratbildung neigenden und/oder scherempfindlichen Biosus pensionen vor. Unter submerser Fermentation versteht man Prozesse zur Bildung definierter chemischer Produkte durch biologischen Abbau mittels Mikroorganismen oder Enzymen in Fermentern.

In gerührten Fermentern tauchen dann hinsichtlich Mischung und Begasung besondere Schwierigkeiten auf, wenn einer oder mehrere der folgenden Punkte zutreffen:

- die Kulturen wachsen zu größeren Agglomeraten zusam men oder sie sind selbst vielzellig mit differenzier ter Struktur;
- die Kulturen neigen zu festhaftenden Wandanwachsungen bzw. überwachsen auch größere Spalten und Löcher;
- die einzelnen Ein- oder Mehrzeller oder die ein opti males Wachstum bzw. Produktion bewirkenden Agglomera te sind sehr scherempfindlich;
- die Zähigkeit der im Regelfall nicht Newton'schen Suspensionen wird insgesamt sehr groß und/oder das rheologische Verhalten der Suspension weist einen merklichen Bingham-Bereich auf.

In stark nicht Newton'schen Biosuspensionen kann es vorkommen, daß die Suspension nur in der unmittelbaren Umgebung der üblichen Rührorgane so weit durch Scherbeanspruchung belastet wird, daß hier der Bingham-Bereich überschritten und so das Substrat in den fließfähigen Zustand überführt wird. Der Rest des Reaktorinhalts verbleibt als ungemischtes Gel. Eine Erhö hung der Rührintensität, um auch solche Suspensionen im ganzen genügend zu durchmischen und zu begasen, erfordert ein so hohes örtliches Schergefälle in der Umgebung des Rührorgans, daß hierdurch scherempfindliche Kulturen bzw. deren für Wachstum oder Produktion günstige Agglomerate geschädigt oder sogar zerstört werden können.

Aus dem Stand der Technik ist eine Vorrichtung zum Begasen einer Flüssigkeit bekannt, die die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 4 aufweist. Die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gehen aus dieser Entgegen haltung nicht hervor. Insbesondere sind dort nicht die Wendeln treppenförmig ausgebildet und mit Löchern versehen. Auch reichen dort die Wendeln nicht bis in unmittelbare Nähe der Behälterwand. Dies hat den Nachteil, daß mit diesem Rührer eine Wandabreinigung nicht möglich ist und auch die Verweilzeit nicht im gewünschtem Maß eingestellt werden kann.

Den Anmeldungsgegenständen liegt daher die Aufgabe zugrunde, solche Suspensionen insgesamt schonend zu durchmischen und zu begasen und eine definierte Verweilzeit der Begasungsluft in der Flüssigkeit herbeizuführen. Ist diese Forderung erfüllt, so wird zugleich

- eine ausreichende Sauerstoffzufuhr und Kohlendioxid abfuhr
- eine Versorgung der Kultur mit Nährstoffen
- eine Abfuhr der das weitere Wachstum oder die Wirk stoffproduktion behindernden löslichen Metabolite
- kein unzulässig hohes örtliches Scherspannungsgefälle

erreicht. Zusätzlich müssen die im Reaktor zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnitte überall so groß sein, daß sich die für Wachstum und Produktion optimalen Partikel- bzw. Agglomeratgrößen einstellen können, ohne daß die Strömungs querschnitte unzulässig eingeengt werden.

Damit ergeben sich für ein in dieser Hinsicht verbessertes Rührorgan für einen Bioreaktor folgende Forderungen:

- Die gesamte Suspension muß möglichst überall im Reak torvolumen ständig einem Scherspannungsgefälle ausge setzt sein, das oberhalb des zum Überwinden des rheo logischen Bingham-Bereiches erforderlichen und unter halb des für Wachstum und/oder Wirkstoffproduktion nachteilig hohen Scherspannungsgefälles liegt.
- Der gesamte Inhalt soll ständig vermischt werden, um gleichmäßige Nährstoffversorgung und ggfs. auch Meta bolitenabfuhr zu erreichen.
- Die Begasungsluft soll mit ausreichender Verweilzeit und über den ganzen Reaktorinhalt möglichst gleich mäßig verteilt durch das Substrat geleitet werden.
- Die Konstruktion soll einfach sein und gut zu reini gen sowie keine angelenkten Teile, z. B. bewegliche Arme, haben.
- In Suspensionen, die größere Agglomerate bilden und die zu Wandanhaftungen neigen, sollen diese unterhalb einer maximal zulässigen Dicke gehalten werden. Fer ner soll hierdurch die Durchmischung und die Begasung während der weiteren Fermentation nicht störend be hindert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, bei einer Vorrich tung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, daß das Band als Treppenwendel ausgebildet ist, die sich abwechselnd aus Blechen mit waagrechten oder etwas geneigten Flächen einer seits und vertikalen Flächen andererseits zusammensetzt, und daß das Band bis in unmittelbare Nähe der Behälterwand reicht und mit Löchern versehen ist, durch welche die begaste Flüssig keit nach oben strömt.

Beim Anmeldungsgegenstand gemäß An spruch 4 wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß koaxial im Behälter und im Abstand von der Welle verlaufend ein oben und unten offenes Rohr an der Welle befestigt ist, und daß die Wendel einerseits bis an das Rohr reicht und dort an diesem befestigt ist und andererseits bis in unmittel bare Nähe der Behälterwand reicht.

Es ist darauf zu achten, daß der Spalt zwischen Behälterwand und Rührorgan möglichst klein wird. Die Drehrichtung der Wendel wird so gewählt, daß hierdurch die Suspension nach unten gefördert wird, so daß es zu einem Gegenstrom zwischen der nach unten geförderten Suspension und der durch unterhalb der Wendel mit Hilfe üblicher Begasungsorgane zugeführten und nach oben aufstei genden Luft kommt.

Für Suspensionen, die eine ständige Sauerstoffzufuhr benötigen, wird bevorzugt die Ausführungsform gemäß Anspruch 1 gewählt. Dabei sind in den Treppenwendeln Löcher vorgesehen bzw. in den Wehren Randkerben angebracht, durch die die Luft von Stufe zu Stufe nach oben strömt. Die Löcher bzw. Kerben sind so groß, daß auch ein Teil der Suspension hier mit nach oben strömt, so daß es im ganzen Volumen zu einer Begasung kommt.

Für Suspensionen,

- die sehr zäh sind bzw. während der Fermentation sehr zäh wer den,
- die zu sehr festen Wandanhaftungen bzw. zum Verstop fen von Spalten und Löchern durch Agglomeratbildung neigen,
- die größere Agglomerate bilden, welche für optimale Werte von Wachstum oder Wirkstoffbildung nicht durch örtlich zu große Scherspannungen zerstört werden dür fen,
- deren einzelne Zellen bzw. Agglomerate eine gewisse Zeit (z. B. 1 bis 2 Minuten) nicht frisch begast wer den müssen,

würde man eine Vorrichtung gemäß Anspruch 4 einsetzen. Dort hat die Wendel keine Löcher oder Kerben, auch keine Wehre. Die Aufwärtsströmung der von den Wendeln außen nach unten geför derten Suspension erfolgt hauptsächlich im inneren Bereich des Rohres.

Bei beiden Ausführungsformen kann die Zugabe der Luft durch das Innere der Welle, die als Hohlwelle ausgebildet ist, erfolgen.

Eine bevorzugte Ausführungsform solcher Rührorgane ist auch dadurch gegeben, daß mindestens ein vertikales Blech bis unter das unten angrenzende waagrechte Blech heruntergezogen ist, so daß es ein vertikales Wehr für die aufsteigenden Blasen bildet.

Weiterhin bevorzugt ist, daß in die Unterkante des Wehres hauptsächlich im Bereich des äußeren Umfangs kerbenförmige Einschnitte angebracht sind.

Bei der Ausführungsform mit dem Rohr (Anspruch 4) kann die Wendel sowohl glatt als auch treppenförmig ausgebildet sein.

Bevorzugt wird die Luft durch die als Hohlwelle ausgebildete Welle zugeführt, so daß das Gas auf diese Weise in den Bereich unterhalb des Rührorgans gelangt.

Auf der Innenwand des Behälters können Stege aufgebracht oder Vertiefungen eingearbeitet sein. Diese haben den Vorteil, daß der Reibungswiderstand an der Behälterwand erhöht und demzufolge die Flüssigkeit stärker am Umlaufen gehindert und so intensiver nach unten gefördert wird.

Bevorzugt kann auch die jeweilige Stufenbreite und/oder Stufenhöhe längs der Rührorganachse unterschiedlich gewählt werden, je nachdem, wie die Verweilzeit beeinflußt werden soll.

Schließlich können auch die Wendeln aus der Flüssigkeitsober fläche herausragen. Dies hat den Vorteil, daß evtl. sich bildender Schaum durch die Wendel wieder in die Flüssigkeit eingetragen wird.

Abb. 1 zeigt eine Vorrichtung mit einer treppenförmigen Wendel, die unmittelbar an der Welle befestigt ist und Löcher aufweist.

Abb. 2 zeigt eine Vorrichtung mit einer Wendel, die an einem Rohr befestigt ist.

Die Abb. 1 zeigt die Grundform des Rührorgans gemäß Anspruch 1, bestehend aus der Welle (1), durch die ggfs. die Begasungsluft von oben zugeführt und über die mitumlaufende, übliche Gasverteilung (9) dann unten in das Substrat einge leitet wird. An der Welle (1) sind waagrechte (2) und lotrechte (5), eine oder mehrere zusammenhängende Treppenwendeln bildende Bleche oder Platten angebracht. Je nach Eigenschaft der Suspension stehen die lotrechten Bleche (5) nach unten über die waagrechten Bleche (2) über und bilden so Wehre (8) für die nach oben strömende Luft. Ferner sind Öffnungen in den Blechen (3, 4, 7) angebracht. Insbesondere für einen Betrieb bei höheren Drehzahlen werden zur gleich mäßigen Luftverteilung die Öffnungen bevorzugt weiter außen angebracht und/oder die Wehre (8) im äußeren Bereich mit Kerben (6) versehen. Zur Verbesserung der Förderwirkung sind Vertiefungen im Mantel des Bioreaktors (10), so daß die Wandreibung vergrößert wird. Das gleiche läßt sich auch durch Stege erreichen, die auf dem Mantel angebracht werden.

Die Drehrichtung ist so, daß dadurch die Förderrichtung abwärts gerichtet ist. Durch die Löcher (3, 4, 7) tritt bei der Rotation der Wendel und der damit bewirkten gleichmäßigen und schonenden Förderung des Substrats nach unten, die für die Begasung erforderliche Luft von Stufe zu Stufe nach oben hindurch, so daß hierdurch eine gleichmäßige Begasung und eine zusätzliche, ebenfalls schonende Mikrodurchmischung innerhalb der einzelnen Stufen erreicht wird. Die Luft strömt hierbei überwiegend durch die Löcher (3, 4, 7) und nur ein kleiner Teilstrom über die radialen Kanten des treppenförmigen Rüh rers.

Durch das Hinunterziehen der senkrechten Flächen (5) über die waagrechten (2) wird je nach Anwendungsfall ein verschieden großes Wehr (8) für die Luft unterhalb einer Treppenstufe hergestellt. Je weiter dieses Wehr (8) nach unten ragt, desto weniger Luft strömt über die Wehrkante in die nachfolgende Treppenstufe (2), und desto mehr Luft wird demzufolge unter der jeweiligen Treppenstufe gesammelt und von der nach unten geförderten Suspension durch die Löcher (3, 4, 7) nach oben gepreßt, wo sie sich unter der darüberliegenden Treppenstufe sammelt.

Die Förderung der Suspension nach unten bewirkt ein Druck gefälle, so daß die Suspension je nach Größe der freien Querschnittsfläche zwischen Rührer und Mantel sowie der Größe der Lochflächen im Rührer durch die Löcher (3, 4, 7) oder im Spalt zwischen Rührer und Wand nach oben strömt. Je nach Flächenanteil wird so ein mehr oder weniger großer Anteil der Suspension zusammen mit der Luft durch die Löcher nach oben gepreßt, so daß es hier zu einem intensiven Stoffaustausch kommt.

Die Abb. 2 zeigt eine Ausführungsform, die im wesentli chen dem Anspruch 4 entspricht. Für die Rückströmung der nach unten durch die Wendel (14, 15) geförderten Suspension dient das Rohr (13), an dem eine oder mehrere von oben nach unten durchlaufende Wendeln befestigt sind. Diese sind vorzugsweise als glatte Wendeln ausgebildet, können aber auch, wie im Bild gezeigt, treppenförmig ausgebildet sein.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Antriebswelle (11) wieder als Luftzufuhr dienen. Die Luftaustrittsöffnungen (18) des Luftverteilers (20) unter der Treppenwendel (14, 15) liegen außerhalb des Rohres (13). Ein Teil der Luft kann auch über weiter innen liegende Öffnungen (19) der Suspension im Rohr (13) zugeführt werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Suspension ständig begast werden muß (z. B. bei hohem Sauerstoffbedarf) oder wenn das Aufsteigen der Sus pension im Rohr (13) durch die Begasung beschleunigt werden soll. Das Rohr (13) muß oben und unten für den Durchtritt der Suspension offen sein. Eine vorteilhafte Konstruktion ist die Befestigung des Rohres (13) durch Stege (12) an der Antriebs welle (11).

Bevorzugt kann auch Luft unmittelbar unter der Eintrittsöffnung des Rohres (13) zugegeben werden, so daß dadurch der Umlauf der Suspension verbessert wird. Es darf jedoch nur so wenig Luft zentral zugegeben werden, daß keine unzulässig hohen Scherspannungsgefälle entstehen.

Glatte, durchgehende Flächen als Wendel werden bevorzugt dann eingesetzt, wenn es sich um Suspensionen handelt, die nicht ständig begast werden müssen und die besonders festhaftende Wandanwachsungen oder große und Kerben oder Spalten zuwachsen de Agglomerate bilden. Der Abstand zwischen der Wendel (14, 15) und der Behälterwand wird kleiner als die Abmessung des größtzulässigen Agglomerats bzw. der größtzulässigen Wandbele gung gemacht, so daß es zu einer mechanischen Wandreinigung kommt.

Zur Verhinderung von Wandanhaftungen ist es ferner vorteil haft, für die Oberfläche von Fermenter und Wendel biokompati ble und sterilisierbare Werkstoffe zu wählen, an denen die Biomaterialien nicht haften, z. B. stark hydrophobe Silocone oder Teflon.

Ferner ist es bei allen Wendelbauarten vorteilhaft, die Wendel bis über die Flüssigkeitsoberfläche ragen zu lassen. Damit wird auch bei schäumenden Suspensionen eine Förderung und ein Wiedereintragen des Schaums in die Flüssigkeit gewährleistet.

Durch unterschiedliche Wahl von Breite (2, 14) und Höhe (5, 15) der Stufen, Höhe der Wehre (8, 17) sowie ggfs. auch Schräglage der Stufen, Öffnung des Rohres (13), Anzahl der Wendeln, Anordnung der Wehre und der Löcher (3, 4, 7) sowie ggfs. ungleichmäßige Steigung der Wendel können für eine vor gegebene Fermentationsaufgabe Durchmischung, maximales ört liches Scherspannungsgefälle, Stoffaustauschfläche und Gas verweilzeit variiert und so optimal angepaßt werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Begasung und Durchmischung einer Flüssig keit oder einer Suspension, mit einem eine zylindrische Wand aufweisenden, vertikal stehenden Behälter, mit einer koaxial im Behälter angeordneten, antreibbaren Welle (1), mit einem an der Welle befestigten Rührorgan, das mindestens ein wendelartiges, geschlossenes, bis zur Welle reichendes Band aufweist, wobei die Drehrichtung so gewählt ist, daß das Band die Flüssigkeit nach unten fördert, und mit einer Begasungs einrichtung (9), wobei das Gas unterhalb des Rührorgans in die Flüssigkeit eintritt und die Gasblasen im Behälter aufsteigen, dadurch gekennzeichnet, daß das Band als Treppenwendel (2, 5) ausgebildet ist, die sich abwechselnd aus Blechen mit waagrechten oder etwas geneigten Flächen (2) einerseits und vertikalen Flächen (5) andererseits zusammen setzt und daß das Band bis in unmittelbare Nähe der Behälter wand (10) reicht und mit Löchern (3, 4, 7) versehen ist, durch welche die begaste Flüssigkeit nach oben strömt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß mindestens ein vertikales Blech (8) bis unter das unten angrenzende waagerechte Blech heruntergezogen ist, so daß es ein vertikales Wehr (8) für die aufsteigenden Blasen bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß in die Unterkante des Wehres (8) bevorzugt im Bereich des äußeren Umfangs kerbenförmige Einschnitte (6) angebracht sind.

4. Vorrichtung zur Begasung einer Flüssigkeit oder einer Sus pension mit einem eine zylindrische Wand aufweisenden vertikal stehenden Behälter, mit einer koaxial im Behälter angeordneten antreibbaren Welle (11), mit mindestens einer an der Welle be festigten glatten Wendel, wobei die Drehrichtung so gewählt ist, daß die Wendel nach unten fördert und mit einer Begasungseinrichtung (18, 19, 20), wobei das Gas unterhalb der Wendel in die Flüssigkeit eintritt und die Gasblasen im Be hälter aufsteigen, dadurch gekennzeich net, daß koaxial im Behälter und im Abstand von der Welle verlaufend ein oben und unten offenes Rohr (13) an der Welle befestigt ist, und daß die Wendel einerseits bis an das Rohr (13) reicht und dort an diesem befestigt ist und andererseits bis in unmittelbare Nähe der Behälterwand reicht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wendel treppenförmig (14, 15) ausge bildet ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (11) als Hohlwelle ausgebildet ist, durch die das Gas in den Bereich unterhalb des Rührorgans gelangt.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenwand des Behälters Stege aufgebracht oder Vertiefungen (10) eingearbei tet sind.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3 und 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Stufenbreite (2, 14) und/oder Stufenhöhe (5, 15) längs der Rührorganachse unterschiedlich sind.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendeln aus der Flüssig keitsoberfläche herausragen.