DE4006382A1 - Bioreaktor - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor zur Durchführung von Experimenten, mit dem Ziel der Entwicklung mikrobiologischer Verfahren im Labor- und Technikumsmaßstab, durch dessen apparate­ technische Diversifizierbarkeit an den mikrobiologischen Prozeß angepaßte technische Bioreaktoren konzipiert werden können.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Mit konventionellen Rührreaktoren, die bei Stoffumwandlungs­ prozessen eingesetzt werden, können eine Reihe von an Bio­ reaktoren gestellte Primäranforderungen erfüllt werden. Das betrifft eine gleichförmige Verteilung der Mikroorganismen und der Nährstoffe über das gesamte Kultivierungsvolumen, die Versorgung der Biomasse mit Nährstoffen und die Einstellung bestimmter Milieubedingungen (Temperatur, pH-Wert, Druck). Weitere Anforderungen, die aus typischen Bioprozeßbedingungen resultieren, sind bedingt durch die Bauart (vorzugsweise un­ lösbare Verbindungen der Reaktorbaugruppen und die Reaktor­ form) nicht mehr zu erfüllen.

Dazu zählen die Aufkonzentrierung der Biomasse, die Entkopplung von Verweilzeit und Biomassenkonzentration, Vermeidung von Mikroorganismenschädigungen durch hohe Scherkräfte im Bereich der Rührelemente und die Realisierung kontinuierlicher Prozesse. Nachteilig ist weiterhin, daß Anschaffung und Betrieb von Rühr­ reaktoren sehr kostenintensiv sind.

Bekannt ist, daß ein Teil der aus dem Bioprozeß resultierenden Forderungen durch Turmreaktoren und daraus abgeleiteten Modi­ fikation erfüllt werden können. Vorteilhafte Eigenschaften dieser Bioreaktoren sind die einfache Konstruktion, verzicht auf bewegte Teile (Rührer), verminderter Platzbedarf, geringerer Energieeintrag, geringere Wärmeüberträgerflächen, Realisierung hoher Stoffeintragsraten, gute Transportkoeffizienten, gute Energiedissipation, fehlen von Zonen und extremer Scherbeanspruchung und Variation der Flüssigphasendispersion bis zu einem gewissen Ausmaß durch konstr. Maßnahmen.

Nachteilig ist jedoch, daß bedingt durch die Bauweise, Bauform und Herstellungstechnologie (vorwiegend unlösbare Verbindung der Reaktorbaugruppen) die Anpassung eines existierenden Bio­ reaktors an sich ändernde Prozeßbedingungen nicht ohne größeren Aufwand möglich ist. Weiterhin ist nachteilig, daß solche Ent­ wicklungstendenzen in der Bioreaktortechnik wie die Entwicklung von kontinuierlichen Prozessen, insbesondere auch von Mehrstufen­ prozessen, die weitere Erhöhung der Biomassekonzentration im Reak­ tor, die Integration von Aufarbeitungsschritten, die Kopplungs­ möglichkeiten (Stoffströme, Energieströme) zu vor- und nach­ geschalteten Verfahrensstufen ein sicheres Scale-up und der wahl­ weise aerobe oder anaerobe Betrieb, ohne gravierende technische Eingriffe in die Bioreaktorkonfiguration nur ungenügend oder gar nicht berücksichtigt werden können. Alle nachträglichen Eingrif­ fe in die Bioreaktorkonfiguration und die bioverfahrenstechnisch optimale Gestaltung des Reaktionsraumes sind zeitaufwendig und teuer.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines einfach aufgebauten und leicht handhabbaren Bioreaktors, der durch seine Bauweise, Konfiguration und Herstellungstechnologie bioverfahrenstechnische Möglichkeiten bietet, die in einem bestimmten Stoffsystem ab­ laufenden mikrobiellen Prozesse hinsichtlich der Konzipierung, Entwicklung und Testung von mikrobiellen Verfahren zu unter­ suchen sowie die Übertragung des Verfahrens in einen technischen Maßstab, zeitsparend und effektiv durchzuführen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zu Grunde, einen einfach handhabbaren universell einsetzbaren, in seiner Geometrie und bioverfahrenstechnischen Gestaltung flexiblen Bioreaktor zu entwickeln, der schnell, unkompliziert und in optimaler Weise an zu entwickelnde biotechnologische Verfahrensvarianten ange­ paßt werden kann.

Das betrifft insbesondere die Entwicklung von kontinuierlich ablaufenden mikrobiellen Prozessen, die Erhöhung der Bio­ massekonzentration im Bioreaktor sowie die Integration und Kopplung von Aufarbeitungsschritten in bzw. an den Bioreaktor. Die mikrobiellen Prozesse können dabei unter aeroben oder an­ aerobe Bedingungen steril oder unsteril in einer oder mehreren Verfahrensstufen ablaufen. Die bioverfahrenstechnische Gestaltung des Bioreaktors sichert eine gleichmäßige Verteilung der Mikro­ organismen und Nährstoffe über das gesamte Kultivierungsvolumen, die ausreichende Versorgung der Biomasse mit Nährstoffen, die Abführung bzw. Zuführung von Wärme, die Dissipation von Energie, hohe Transportkoeffizienten, Variation der Flüssigphasendurch­ mischung, definiertes Führen von Stoffströmen und die Variation des Durchmesser-/Höhenverhältnisses ermöglichen ein sicheres Scale-up.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß unter­ schiedliche Module und Adapter, die vorgefertigt sind und unter­ schiedliche bioverfahrenstechnische Aufgaben lösen können, durch lösbare Verbindungen miteinander durch Flansche gekoppelt werden, wobei die Reihenfolge der einzelnen Module und Adapter frei wählbar ist und die Anzahl der einzelnen Module und Adapter auch ungleich 1 sein kann.

So wird auf ein Bodenflanschmodul, das in seinem mittleren Teil Stutzen für einen Energiestromeintrag (z. B. Gas) oder zentral ein Rührorgan aufweist, ein Stutzenmodul mit einem Innendurch­ messer/Höhenverhältnis (D1/H1) von 0,7 bis 1,0, welcher an seiner Mantelfläche an sich gegenüberliegenden Stellen Stutzen aufweist, angeordnet. Ein Flanschadapter mit einem Innendurch­ messer D2, dessen Ringinnenflächen unterschiedliche Halterungen und Aufnahmesysteme für bioverfahrenstechnisch wirksame Reaktor­ einbauten (wie z. B. ein Gegenlager für ein Rührorgan, für ein oder mehrere zentrisch im Reaktor angebrachte Rohre geringeren Durchmessers, ringförmige Einspannungen für zentrisch angeordnete Membranschläuche oder Halteelemente für zentrisch fixierte scheibenförmige Trägerelemente zum definierten Positionieren von Mikroorganismenaufwuchsmaterialien) aufweist, verbindet den Stutzenmodul mit einem Temperiermodul mit einem Innendurchmesser/ Höhenverhältnis (D3/H3) von 0,3 bis 0,5, wobei dieser an seiner äußeren Mantelfläche einen in bekannter Weise angeordneten Temperiermantel aufweist. Weiterhin angeflanscht ist ein Reaktor­ schußmodul mit einem Innendurchmesser/Höhenverhältnis (D4/H4) von 0,12 bis 0,5 der gleich dem Flanschadapter an einer oder beiden Ringinnenflächen seiner Anschlußflansche Aufnahmen für Halterungen und Aufnahmesysteme aufweisen kann. Hier sind insbesondere Halterungen für solche Reaktoreinbauten (wie z. B. Halteelemente für zentrisch fixierte scheibenförmige Träger­ elemente zum definierten Positionieren von Mikroorganismenauf­ wuchsmaterialien) die ein Festbett aufnehmen oder eine Schaum­ bildung verhindern können. Die Mantelfläche des Reaktorschuß­ modules kann aus korrosionsfesten Metall, aus Spezialglas oder Kunststoff ausgeführt sein. An den Reaktorschußmodul wird ein Stutzenmodul angeflanscht, der durch einen Stutzen versehenen Deckelflanschmodul abgeschlossen wird, so daß insgesamt ein geschlossener Reaktorraum entsteht, der in der üblichen Weise einer Sterilisation unterzogen werden kann.

Die Innendurchmesser D1, D2, D3 und D4 der einzelnen Module können unterschiedlich sein, so daß Module gleichen Innendurchmessers miteinander verbunden und mit Modulen eines anderen Innendurchmessers unter Verwendung konstruktiv ange­ paßter Flanschadapter kombiniert werden können, um dadurch z. B. geänderte Strömungsverhältnisse im Bioreaktor zu er­ möglichen.

Vorzugsweise sind jedoch die Innendurchmesser D1, D2, D3 und D4 von gleicher Größe, während die Höhen H1, H2, H3 und H4 variiert werden können.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß durch die Kombinations- und Kopplungsfähigkeit der vorgefertigten Module untereinander und die Varianz der Anzahl und der bioverfahrenstechnischen Wirkung einzelner Module, bei bestimmten Innendurchmesser/Höhen­ verhältnis Bioreaktorvolumen verschiedenster Stufungen erhalten und mehrere Reaktoren über Verbindungsrohrleitungen gekoppelt sowie neue bioverfahrenstechnische Wirkungen induziert werden können. Dabei sind in einfacher Weise und kurzer Zeit die Reali­ sierung solcher Reaktorkombinationen möglich, wo in einem Reaktor oder durch Kopplung mehrerer Reaktoren über Rohrleitungssysteme zu mehreren Verfahrensstufen oder mehrere entsprechende Mikro­ bielle Prozesse entwickelt, getestet und in einen technischen Maßstab übertragen werden können. Zur Gewährleistung einer uni­ versellen Kombinationsfähigkeit der vorgefertigten Module und Flanschadapter untereinander weisen die Flansche des Stutzen­ modules, des Temperiermodules, des Reaktorschußmoduls und die Stirnflächen des Flanschadapters wechselseitig Nut oder Feder auf, die gleichfalls auch in den Deckelflansch- und Bodenflansch­ modul angebracht sind.

Weiterhin wurde festgestellt, daß mit Hilfe der gestuft einstell­ baren Reaktorvolumina die Verweilzeit des Stoffsystems in optimaler Weise an den mikrobiologischen Prozeß und den anfallenden Sub­ stratstrom angepaßt werden kann. Außerdem ergab sich, daß für Bakterien, die in der Natur zusammenarbeiten (wie z. B. bei der Nitrifikation Nitrosomonas und Nitrobucter oder bei der Methan­ gärung säurebildende Bakterien, essigsäurebildende Bakterien und methanbildende Bakterien), durch die Anordnung der Reaktor­ module und die Zuführung von Substraten und Kohlenstoffquellen enthaltenden Stoffströmen an bestimmten Stellen des Reaktors, für vorgegebene definierte Reaktorzonen günstige Lebensbedingungen erzeugt und erhalten werden können. Weiterhin ist es möglich, durch den Einsatz von Mikroorganismenaufwuchsträgern in defi­ nierten Bereichen des Reaktors gleichzeitig die Verweilzeit von der Mikroorganismendichte und -konzentration zu entkoppeln, sowie durch die Verschaltung von Substrat- und Produktströmen bei mikro­ biellen Prozessen, die in einer oder in mehreren Stufen ablaufen, die Standzeiten von Festbettreaktoren zu erhöhen und die Aus­ bildung von typischen Konzentrationsprofilen für Substrat und Produkt zu vermeiden.

Außerdem wurde festgestellt, daß durch die Fixierung der Mikro­ organismen auf verschiedenen Trägermaterialien und die Anordnung der Trägermaterialien mittels Trägermaterialaufnahmevorrichtungen in einer bestimmten Entfernung vom mit einem Rührorgan ausge­ statteten Bodenflanschmodul, die Schädigung der Mikroorganismen durch hohe Scherkräfte weitgehend vermieden werden kann und damit eine äußere Schlaufe zur Rückführung des austretenden Flüssigkeitsstromes in den Festbetteingang überflüssig wird. Dadurch können Konzentrationsgradienten abgebaut, das pH-Profil nivelliert und eine Verbesserung der Produktfreisetzung erreicht werden.

Ausführungsbeispiel

Der erfindungsgemäß diversifizierbare Bioreaktor zur Durch­ führung von Experimenten für die Entwicklung, Testung und Maßstabsübertragung von an den mikrobiologischen Prozeß und an das Stoffsystem angepaßten Bioreaktoren soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden und zwar zeigt die Figur eine Darstellung des erfindungsgemäßen Bio­ reaktors zur anaeroben Abwasserbehandlung mit Hilfe von auf Trägermaterial immobilisierten Mikroorganismenpopulationen im prinzipiellen Aufbau.

Auf den unteren Bodenflanschmodul 6 mit Standfüßen und den Stutzen a, b, die zum Entleeren oder zum Begasen bzw. zur Aufnahme von Begasungsgelementen (Ringe, Düsen etc.) genutzt werden können, wird das Stutzenmodul 1 (D1/H1 = 0,8) mon­ tiert. Auf dem Umfang des Stutzenmodules 1 sind paarweise gegenüberliegend in einer Schnittebene die Stutzen c, g und d, h angeordnet.

Die Stutzen, an die Rohrleitungen oder Schlauchverbindungen in einem bestimmten Durchmesserbereich flexibel oder fest an­ geschlossen werden können, dienen der Zu- bzw. Ableitung des Abwassers sowie der Zugabe und Entnahme von Impfschlamm. Beide Module bestehen aus korrosionsfestem hochlegiertem Stahl. Ein Flanschadapter 2 mit Durchmesser D2 verbindet das Stutzen­ modul 1 mit dem darüber angeordneten Temperiermodul 3 (D3/H3 = 0,37).

Die Kopplung der Module 1 und 3 ist auch ohne den Flansch­ adapter 2, dessen Ringinnenflächen unterschiedliche Halterungen und Aufnahmesysteme für bioverfahrenstechnisch wirksame Reaktor­ einbauten z. B. Rohre, Membranschläuche, Trägerelemente für Mikroorganismenaufwuchsmaterialien usw. enthalten können, möglich. Der Doppelmantel des Temperiermodules 3 dient zur Aufnahme des zirkulierenden Heiz- und/oder Kühlmediums. Der Temperiermodul 3 besteht ebenfalls aus hochlegiertem Stahl.

Der Reaktorschußmodul 4, wird über dem Temperiermodul 3 ange­ ordnet und mit diesem verschraubt. Der aus Spezialglas be­ stehende Reaktorschußmodul 4, der in Verbindung mit angepaßten Spannelementen auch unterschiedliche Bauhöhen H4 (600-1200 mm) haben kann, dient zur Ummantelung der Mikroorganismenaufwuchs­ träger. Zur visuellen Kontrolle und Beobachtung des ablaufenden mikrobiellen Prozesses, wird der Reaktorschuß aus Spezialglas oder Kunststoff ausgeführt. Der Reaktorkopf, der aus einem weitere Stutzenmodul 1 mit verschraubten Deckelflanschmodul 5 besteht, schließt den Bioreaktorraum nach obenhin ab. Die im Deckelflanschmodul 5 und im Stutzenmodul 1 angeordneten Stutzen l, m, e, f, i und k dienen zur Ableitung von Gasen, der Zu- bzw. Abfuhr von Abwassern, als Überlauf und zur Aufnahme von Sensoren. Auf die Reaktoreinbauten 7 wurden die Aufwuchsträger­ materialien aufgebracht. Die feststoffentlastenden Abwässer, die auf mikrobieller Basis unter anaeroben Bedingungen gereinigt werden sollen, gelangen über die Stutzen i, k im Kopfteil (Abstrom) oder die Stutzen g, h im Bodenbereich (Aufstrom) in den Bioreaktor. Zum Abbau von Temperatur-, pH-Wert- und Konzentrationsgradienten wird der Reaktorinhalt mit Hilfe einer Pumpe über ein äußeres Rohrleitungssystem umgewälzt. Das außerhalb des Bioreaktors angeordnete Rohrleitungs­ system wird unten über den Stutzen b und oben über den Stutzen e mit dem Reaktionsraum verbunden. Das äußere Rohr­ leitungssystem ist so gestaltet, daß sowohl das Umwälzen des Reaktorinhaltes im Ab- oder im Aufstrom möglich ist. Je nach Verschaltungsvariante (Auf- oder Abstrom) befindet sich der Ansaugstutzen der Pumpe am unteren oder oberen Stutzenmodul l. Der Impfschlamm, in dem die zur mikrobiologischen Reinigung benötigten Mikroorganismen in suspendierter Form vorhanden sind, wird über einen Stutzen in das äußere Rohrleitungs­ system gesaugt und mit dem Abwasser vermischt in den Reaktions­ raum gepumpt und dort mit dem zur Immobilisierung vorgesehenen Trägermaterial in Kontakt gebracht. Die Trägermaterialien wurden vorher im Bereich des Reaktorschußmoduls 4 auf den Reaktoreinbau 7 angeordnet. Die für den mikrobiellen Prozeß benötigte Wärme, wird über das im Doppelmantel der Temperier­ module 3 zirkulierende Heizmedium, angeführt.

Zur Gewährleistung eines konstanten Reaktorfüllstandes ver­ läßt über einen am Stutzen g angeschlossenen Siphon die gleiche Abwassermenge wie die zugeführte Abwassermenge den Reaktions­ raum. Das durch die Stoffwechseltätigkeit der Mikroorganismen­ population entstehende Biogas verläßt über den Stutzen m im Deckelflanschmodul 5 den Reaktor. Durch ein mit einem Gebläse ausgerüsteten Rohrleitungssystem kann das Biogas abgesaugt und über den Stutzen d im unteren Stutzenmodul l wieder in den Reaktionsraum eingepreßt werden.

Liste der Bezugszeichen

1 Stutzenmodul
2 Flanschadapter
3 Temperiermodul
4 Reaktorschußmodul
5 Deckelflanschmodul
6 Bodenflanschmodul
7 Reaktoreinbauten
a-m Stutzen

Claims (2)

1. Bioreaktor zur Durchführung von biotechnologischen Ver­ fahrensvarianten wie z. B. aerob, anaerob, steril, unsteril, kontinuierlich, diskontinuierlich, mit und ohne Biomasse­ fixierung oder mit Biomasse-Rückführung, bestehend aus einem mit einem Energieeintragssystem versehenen geschlosse­ nen Reaktionsbehälter, dessen Innenwandungen und Einbauten aus legiertem Stahl, Spezialglas, Kunststoff und/oder kera­ mischen Werkstoff gefertigt sind und welcher Stutzen für eine Produktzu- und -abführung sowie Meßstellen für die Prozeß­ führung enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß untereinander durch mit Nut und Feder versehene Flansche ein vorgefertig­ ter Bodenflanschmodul (6) mit Vorrichtungen zum Energieeintrag, ein vorgefertigter Stutzenmodul (1) mit einem Innendurch­ messer-/Höhenverhältnis D1/H1 von 0,7 bis 1,0, welcher an seiner Mantelfläche an sich gegenüberliegende Stellen Stutzen aufweist, ein vorgefertigter Flanschadapter (2) mit einem Innendurchmesser D2, dessen Innenringe mit Auf­ nahmen für Reaktoreinbauten (7) versehen ist, ein vorge­ fertigter Temperiermodul (3) mit einem Innendurchmesser-/ Höhenverhältnis D3/H3 von 0,3 bis 0,5, wobei dieser an seiner äußeren Mantelfläche einen in bekannter Weise ange­ ordneten Heiz- und Kühlmantel aufweist, ein vorgefertigten Reaktorschußmodul (4) mit einem Innendurchmesser-/Höhenver­ hältnis D4/H4 von 0,12 bis 0,5, dessen Flansch am Innen­ ring Aufnahmen für Reaktoreinbauten (7) aufweisen, ein vor­ gefertigtes mit Stutzen versehener Deckelflanschmodul (5), der mit einem weiteren Stutzenmodul (1) gekoppelt ist, lösbar miteinander verbunden sind.

2. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenfolge der Kombination der Stutzenmodule (1), Temperier­ module (3), Reaktorschußmodule (4) und Flanschadapter (2) beliebig wählbar und die Anzahl der jeweiligen Module und Adapter ungleich 1 ist.