DE3719542A1 - Verfahren und vorrichtung zur durchfuehung von reaktionen zwischen einem gasfoermigen und einem fluessigen medium im zentrifugalfeld - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Reaktionen zwischen einem gasförmigen und einem flüssigen Medium von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Ein Verfahren dieser Art ist aus DE-OS 33 46 861 be­ kannt, wobei das flüssige Medium eine Suspension von Feststoffteilchen in einer Flüssigkeit ist und die Feststoffteilchen durch die entgegen der Zentrifugal­ kraft aufrechterhaltene Flüssigkeitsströmung in einem Fließbettzustand gehalten werden. Das gasförmige Medium wird zusätzlich zur Flüssigkeit zugeführt und strömt nach dem Durchströmen des gasförmigen Mediums aus der offenen Reaktionstrommel ab. Aus der DE-OS 36 05 507 ist es auch bekannt, einer oder mehreren in einer Zentrifu­ gentrommel auf Siebböden abgestützten Flüssigkeits­ schichten nur Reaktionsgas durchzuführen, welches nach dem Durchströmen der Flüssigkeitsschichten ebenfalls frei nach außen wegströmt.

Die vorgenannten Verfahren und Vorrichtungen können insbesondere auch für biotechnische Reaktionen, z.B. Fermentation, eingesetzt werden, bei der in der flüssi­ gen Phase enthaltene mikrobiologische Kulturen den Stoff­ umsatz bewirken. Der Vorteil der Durchführung von biologi­ schen oder auch chemischen Reaktionen im Zentrifugalfeld liegt darin, daß das gasförmige Medium beim Durchtritt durch das flüssige Medium extrem feine Gasbläschen aus­ bildet, wodurch die Stoffaustauschfläche stark vergrößert wird, und daß andererseits durch den von der Zentrifugal­ kraft erzeugten hydrostatischen Druck die Gaslöslichkeit und der Stoffaustausch positiv beeinflußt werden.

Die Durchführung biologischer Reaktionen, insbesondere einer Fermentation, erfordert jedoch die Möglichkeit, im Reaktionsraum bestimmte Verfahrensparameter aufrechtzu­ erhalten, zu denen insbesondere sterile Bedingungen sowie die Einstellung bestimmter Konzentrations- und Temperatur­ verhältnisse in dem flüssigen Medium gehören. Diese Mög­ lichkeiten sind bei den vorgenannten Verfahren und Vor­ richtungen noch nicht in ausreichendem Maße gegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung so auszugestalten, daß sie besonders für die Durchführung einer Fermentation und ähnlicher bio­ logischer Reaktionen angepaßt sind.

Die Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Ver­ fahren gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung zu seiner Durchführung.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Schemadarstellung einer Vorrichtung zur Fermentation gemäß einer ersten Ausführungs­ form der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Mehrfach-Drehdurch­ führung zur Verwendung bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Schemadarstellung einer Fermentations­ vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungs­ form der Erfindung;

Fig. 4 eine Schemadarstellung einer Fermentations­ vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungs­ form der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 ist eine Zentrifugentrommel 1 vorgesehen, die mittels eines Motors M über ein Getriebe G in Rota­ tionen versetzt werden kann, um beispielsweise Zentri­ fugalkräfte in der Größenordnung von 100 oder 200 g aus­ zuüben. Im Abstand vom äußeren Trommelmantel 2 befindet sich eine gasdurchlässige, als Dispergierorgan ausgebil­ dete Trommelwand 3. Im Betrieb bildet sich auf der Innen­ seite der Trommelwand 3 eine ringförmige Schicht 5 des flüssigen Mediums, deren Höhe einstellbar ist. Auf der der Antriebsseite gegenüberliegenden Stirnseite ist die Zentrifugentrommel 1 mit einer speziell ausgestalteten Mehrfach-Drehdurchführung 7 versehen, die noch näher beschrieben wird. Mittels dieser Drehdurchführung können sämtliche Zu- und Abführleitungen für gasförmiges und flüssiges Medium an die Zentrifugentrommel 1 ange­ schlossen werden. Die Zentrifugentrommel 1 ist auf diese Weise völlig gasdicht geschlossen, und ihr Innen­ raum kann völlig steril gehalten werden. Ein die Zentri­ fugentrommel 1 umgebendes (nicht dargestelltes) Gehäuse braucht deshalb lediglich als Schutzgehäuse ausgeführt zu werden und gehört nicht zum Reaktionsraum.

Eine Zuleitung 9 für gasförmiges Reaktionsmedium ist mittels der Drehdurchführung 7 derart an die Zentrifugen­ trommel 1 angeschlossen, daß das gasförmige Medium zwischen der Stirnwand 11 und einer mit dem Dispergier­ organ 3 verbundenen Zwischenwand 13 radial nach außen in den Ringraum zwischen Trommelmantel 2 und Dispergier­ organ 3 strömt und dann durch das Dispergierorgan 3 hin­ durch entsprechend den Pfeilen 15 in das flüssige Medium 5 einströmt. Für aerobe Fermentationsreaktionen besteht das gasförmige Medium aus Luft, die in einem Mischventil 17 mit Dampf gemischt und dadurch sterili­ siert wird und zusätzlich durch ein Sterilfilter 19 geleitet wird.

Das abgereicherte gasförmige Medium wird aus dem Innen­ raum der Zentrifugentrommel ebenfalls durch die Mehrfach­ durchführung 7 über eine Leitung 21 abgezogen, und zwar wiederum über ein Sterilfilter 23 und über ein Druckhalte­ ventil 25, an welchem ein gewünschter Gasgegendruck ein­ stellbar ist. Hierdurch kann die Höhe des Flüssigkeits­ spiegels in der Zentrifugentrommel 1 eingestellt werden.

Weiterhin ist an die Drehdurchführung 7 angeschlossen eine Kreislaufleitung 27, durch die ständig ein Teilstrom des flüssigen Mediums aus der Zentrifugentrommel 1 entnommen und über eine Kreislaufpumpe 29 in einen Kreislauf gefördert wird, der einen Meßsondenblock 31, saug- bzw. druckseitige Zugabeblöcke 33, 35 und einen Wärmetauscher 37 umfaßt und über ein zentrales Rücklaufrohr 39 in den Innen­ raum der Zentrifugentrommel 1 zurückgeführt ist. Am Meßsondenblock können die für die Reaktion maßgebenden Größen des flüssigen Mediums, z.B. der pH-Wert, der Sauerstoffgehalt, die Temperatur u.dgl. gemessen werden. Über die Zuführblöcke 33, 35 können dem flüssigen Medium erforderliche Inhaltsstoffe wie z.B. Nährlösung, Chemika­ lien zur pH-Einstellung u.dgl. hinzugefügt sowie zusätz­ liches flüssiges Medium zur Auffüllung hinzugefügt werden. Im Wärmetauscher 37 kann durch Abführung der Reaktions­ wärme bei exothermen Reaktionen oder durch Aufheizen des flüssigen Mediums die gewünschte Reaktionstemperatur eingestellt werden.

An die Drehdurchführung 7 ist ferner eine Produktaus­ tragsleitung 41 mit einem Ventil 43 angeschlossen, welches entweder lediglich zum Öffnen oder Schließen der Leitung 41 oder auch als Druckhalteventil ausgebildet sein kann.

Das die Trommelwand 3 bildende Dispergierorgan ist vor­ zugsweise eine Membran, die auf einer Seite oder beiden Seiten durch ein Siebblech od.dgl. abgestützt und fixiert ist. Bei Verwendung einer Membran mit sehr geringer Porengröße (z.B. 0,2 µ) ist eine sehr feine Dispergierung der zugeführten Luft möglich. Gleichzeitig wirkt dann die Membran als ein Steril­ filter, so daß in diesem Fall der Sterilfilter 19 auch entbehrlich ist. Wird die Membran hydrophob aus­ geführt, so ist ein Betrieb auch bei sehr kleinen Gasbelastungen, also unterhalb der Durchregengrenze bisher eingesetzter Dispergierorgane möglich. Alter­ nativ kann als Dispergierorgan auch eine Trommelwand aus Sinterkeramik, Sintermetall oder einem Mehrlagen­ gewebe verwendet werden.

Die Betriebsweise der dargestellten Vorrichtung ist wie folgt.

Zunächst wird die Zentrifugentrommel 1 sterilisiert, indem über die Leitung 9 Sattdampf eingespeist wird. Am Druckhalteventil 25 wird ein geeigneter Druck, mindestens 1 Bar Überdruck, eingestellt, die Produkt­ austragsleitung 41 bleibt verschlossen. Während des Sterilisiervorgangs wird der Inhalt der Zentrifugen­ trommel 1, d.h. Wasser oder Nährlösung, über den Meß- und Konditionierkreislauf 27 umgewälzt, wodurch die gesamte Anordnung sterilisiert wird. Nach Beendigung des Sterilisiervorgangs wird von Dampf- auf Luftbegasung umgestellt.

Die Sterilisation kann auch indirekt erfolgen, indem der Wärmetauscher 37 zum Aufheizen der flüssigen Phase einge­ setzt wird. Diese Sterilisationsart ist dann vorteilhaft, wenn als Dispergierorgan eine hydrophobe Membran verwendet wird.

Im anschließenden Fermentationsbetrieb wird die Begasungs­ luft durch den Sterilfilter 19 gereinigt und in den Außen­ raum der Zentrifugentrommel 1 geblasen. Durch das Dispergier­ organ 3 wird die Luft fein verteilt in die die flüssige Phase bildende Fermenterbrühe eingeleitet. Die Luftblasen steigen radial von außen nach innen auf und geben Sauerstoff an die Flüssigkeit ab. Per gelöste Sauerstoff wird von den Mikroorganismen zur Atmung, zum Wachstum und zur Produkt­ bildung verbraucht. Die abgereicherte Luft verläßt über den Sterilfilter 23 den Fermenter keimfrei. Das Druckventil 25 dient zum Einstellen des Flüssigkeitsspiegels.

Mit Hilfe der Kreislaufpumpe 29 wird kontinuierlich ein Teilstrom aus dem Reaktionsraum in den Meß- und Konditio­ nierkreislauf gefördert. Durch die externe Messung der relevanten Prozeßgrößen wird eine kontrollierte Prozeß­ führung ermöglicht. Über die Zugabeblöcke 33, 35 auf der Saug- oder Druckseite der Pumpe besteht die Möglichkeit, sterile Nährlösungen und Hilfsmedium zur Regulierung kon­ tinuierlich bzw. nach Bedarf in den Fermenter einzuleiten.

Bei kontinuierlichem Fermentationsbetrieb wird ständig Produkt über die Leitung 41 abgeführt, wobei das als Druck­ halteventil ausgebildete Ventil 43 die Möglichkeit bietet, dem Reaktionsraum einen zusätzlichen Druck aufzuprägen, wodurch insbesondere die Sauerstofflöslichkeit erhöht wird.

Bei der chargenweisen Fermentierung bleibt der Produktaus­ trag 41 geschlossen. Nach Beendigung einer Fermentations­ charge wird bei fortdauernder Begasung das Druckhalteventil 25 vollständig geschlossen und die Produktaustragsleitung 41 geöffnet, so daß durch den ansteigenden Gasdruck in der Trommel 1 das flüssige Produkt ausgetragen wird.

In Fig. 2 ist die in Fig. 1 nur schematisch angedeutete Drehdurchführung 7 im Schnitt dargestellt. An die Stirn­ wand 11 der Zentrifugentrommel schließt sich ein Rohr­ stutzen 16 an, der mittels Kugellagern 45 in einem Durch­ führungsgehäuse 47 zentriert und durch mehrere Gleitring­ dichtungen 49 abgedichtet ist, die derart in Abständen angeordnet sind, daß zwischen ihnen Ringkammern gebildet werden. An diese Ringkammern sind über entsprechende Öffnungen im Gehäuse 47 die Zuleitung 9 für das gas­ förmige Medium, die Kreislaufleitung 27 für das flüssige Medium und die Produktentnahmeleitung 41 angeschlossen. In der Wandung des Rohrstutzens 16 verlaufende Kanäle verbinden jeweils die Ringkammern zwischen den Dichtun­ gen 49 mit den entsprechenden Räumen der Zentrifugen­ trommel 1. Durch das Innere des Rohrstutzens 16 kann das verbrauchte gasförmige Medium aus der Zentrifugentrommel in eine Kammer am Ende des Durchführungsgehäuses 47 und von dort durch die Gasabführleitung 21 abgezogen werden.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 entspricht weitgehend der nach Fig. 1, wobei einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der Unterschied liegt im wesentlichen darin, daß über die Drehdurchführung 7 lediglich die Zuführung des gasförmigen Mediums über die Leitung 9 und die Abführung des gasförmigen Mediums über die Leitung 21 erfolgt. Dagegen erfolgt die Entnahme des flüssigen Mediums sowohl für den Kreislauf 27 als auch für die Produktentnahme bei 41 über an sich bekannte Schälrohre 51, 53, deren Einlaufmündungen in unterschied­ lichen radialen Abständen von der Drehachse der Zentrifugen­ trommel 1 liegen. Das Schälrohr 51 mit dem achsferneren Einlaufende taucht ständig in den Flüssigkeitsspiegel ein und ist an die Kreislaufleitung 27 angeschlossen, so daß ständig ein Teilstrom des flüssigen Mediums entnommen und über das Rückführrohr 39 in die Zentrifugentrommel 1 zurückgeführt wird. Die Kreislaufpumpe 29 von Fig. 1 ist in diesem Fall entbehrlich. Das andere Schälrohr 53 ist an die Produktaustragsleitung 41 angeschlossen und mit seinem Einlaufende nur dann in den Flüssigkeitsspiegel eintaucht, wenn dieser zum Zweck der Produktentnahme angehoben wird, z.B. durch Zuführung zusätzlicher Flüssig­ keit, die bei 34 dem Kreislauf zugegeben werden kann.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 hat die Zentrifugen­ trommel 1 keinen geschlossenen Mantel, sondern die als gasdurchlässiges Dispergierorgan ausgebildete Trommel­ wand 3 bildet die äußere Umfangswand. Die Zentrifugen­ trommel 1 ist in einem geschlossenen Gehäuse 4 angeordnet, welches im Gegensatz zu den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 3 nicht nur als Schutzgehäuse, sondern als Grenze des Reaktionsraums dient. Die Antriebswelle der fliegend gelagerten Trommel ist über eine Drehabdichtung 55 in das feststehende Gehäuse 4 eingeführt. Die mit Steril­ filter 19 versehene Zuleitung 9 für das Reaktionsgas, vorzugsweise Luft, und gegebenenfalls Dampf, mündet in das Gehäuse 4, so daß das Gas über die als Dispergier­ organ dienende Trommelwand 3 in die Flüssigkeit 5 ein- und durch sie hindurchströmen kann. Das verbrauchte Gas 25 wird aus der Zentrifugentrommel 1 über die Drehdurchfüh­ rung 7 und die Abzugsleitung 21 mit Sterilfilter 23 und Druckhalteventil 25 mit einem definierten Gegen­ druck abgezogen.

Für die Entnahme der Flüssigkeit über den Meß- und Konditionierkreislauf 27 zurück zum Rückführrohr 39 sowie für die Produktentnahme über die Leitung 41 können wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 gestaffelte Schälrohre 51, 53 dienen. In diesem Fall braucht die Drehdurchführung 7 nicht gemäß Fig. 2 mit mehreren Ein­ führungs-Ringkammern ausgebildet zu werden. Stattdessen ist es selbstverständlich auch bei dieser Ausführungs­ form möglich, auch die Entnahme des flüssigen Mediums über eine Mehrfach-Drehdurchführung entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 1 auszubilden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 wird vor Aufnahme des Fermentationsbetriebs durch Zuführung von Dampf über die Leitung 9 der gesamte Innenraum des Gehäuses 4 und damit auch die Zentrifugentrommel 1 sterilisiert und während des Betriebes steril gehalten.

Claims (10)

1. Verfahren zur Durchführung von Reaktionen zwischen einem gasförmigen und einem flüssigen Medium, wobei das flüssige Medium in einem Reaktionsraum einem Zentrifugal­ feld ausgesetzt und das gasförmige Medium dem Reaktions­ raum derart zugeführt wird, daß es das flüssige Medium in feinverteilter Form durchströmt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das gasförmige Medium nach dem Durchströmen des flüssigen Mediums aus dem gasdicht ge­ schlossenen Reaktionsraum gegen einen einstellbaren Gegen­ druck abgezogen wird, und daß kontinuierlich oder periodisch eine Teilmenge des flüssigen Mediums aus dem Reaktionsraum entnommen, über einen Meß- und/oder Konditionierkreislauf geführt und in den Reaktionsraum zurückgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reaktion eine Fermentation mittels in dem flüssigen Medium enthaltenen Mikroorganismen ist und daß der geschlossene Reaktionsraum steril gehalten und das gasförmige Medium unter sterilen Bedingungen dem Reaktions­ raum zugeführt und von ihm abgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf dem Meß- und Konditionierkreis­ lauf zusätzliches flüssiges Medium und/oder dem flüssigen Medium zuzufügende Inhaltsstoffe zugeführt werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Zentrifugentrommel mit einem äußeren Mantel und einer als gasdurchlässiges Disper­ gierorgan ausgebildeten Trommelwand, Mitteln zum Zu- und Abführen von flüssigem Medium in den Raum inner­ halb der Trommelwand und Mitteln zum Zuführen von gasförmigem Medium unter Druck derart, daß es durch das Dispergierorgan in das flüssige Medium einströmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentri­ fugentrommel (1) gasdicht geschlossen ist und einen über eine Drehdurchführung (7) angeschlossenen Abzug (21) für das gasförmige Medium aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Mantel (1) ein umlaufender Teil der Trommel ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auch die Zuführung des gasförmigen Mediums über die als Mehrfachdurchführung ausgebildete Drehdurchführung (7) erfolgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Mantel als ein die Trommel umgebendes feststehendes Gehäuse ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehdurch­ führung (7) weitere Anschlüsse für die Entnahme und/ oder Rückführung von flüssigem Medium aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Entnahme von flüssigem Medium Schälrohre (51, 53) vorgesehen sind, deren Einlaufenden in unterschiedlichem Abstand von der Trommelachse liegen, wobei das Schälrohr (51) mit dem achsferneren Ende an den Meß- und Konditionier­ kreislauf (27) und das Schälrohr (53) mit dem achsnäheren Einlaufende an eine Leitung (41) zur Produktentnahme an­ geschlossen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittel zum Zu- und Abführen von gasförmigem Medium jeweils Sterilfilter (19, 23) aufweisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittel zum Abführen von gasförmigen Medium und/oder zum Abführen von flüssi­ gem Medium jeweils ein einstellbares Druckhalteventil (25, 43) aufweisen.