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Die
Erfindung betrifft einen Rührer,
welcher insbesondere zur Verwendung in Bioreaktoren geeignet ist,
und ebenso die Verwendung von einem derartigen Rührer.
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In
Bioreaktoren werden Rührer
im Wesentlichen zum Äquilibrieren
von Temperaturunterschieden und Konzentrationsunterschieden von
verschiedenen Bestandteilen verwendet. Rührer intensivieren den Wärmeaustausch
zwischen den Thermostatelementen und der Fermentationsbrühe. Außerdem verhindern
Rührer
in Bioreaktoren ein Sedimentieren von Zellen und daher eine inhomogene
Verteilung während
der Fermentation. Eine weitere Aufgabe von Rührern in Bioreaktoren ist Dispergieren
der Gasphase in der Fermentationsbrühe.
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In
der Biotechnologie werden verschiedene Rührertypen verwendet. Der am
häufigsten
verwendete Rührertyp
ist der Scheibenrührer.
Ein Standardscheibenrührer
ist zum Beispiel die Rushton-Turbine mit sechs senkrecht angeordneten
Blättern.
Ein derartiger Rührer
erzeugt einen Fluss radial zur Rührerachse.
Oberhalb und unterhalb des Rührers
werden Flusswirbel gebildet, welche zu einer hohen Dispersionswirkung
führen. Eine
weitere Rührervariante
ist der Schrägblattrührer. Dies
ist ein Rührer,
in welchem der Anstellwinkel der Blätter (in bezug auf der Rührerachse)
veränderbar
ist, aber normalerweise 45° ist.
Ein Schrägblattrührer umfasst
hauptsächlich
eine axiale Transportrichtung mit einer radialen Komponente und
erreicht deshalb eine hochwirksame Mischung. Ein Nachteil von Scheibenrührern oder
Schrägblattrührern ist
zum Beispiel, dass derartige Rührer,
insbesondere im Fall einer hohen Gaslast, leicht überspült werden
und deshalb nicht mehr zum vollständigen Dispergieren des heraustretenden
Gases fähig
sind. Schließlich
wird in der Zellfermentation von Propellerrührern Gebrauch gemacht, aber
zu einem weit geringerem Ausmaß als
Standard-Scheibenrührer
oder Standard-Schrägblattrührer. Der
Fluss in einem Propellerrührer
ist vorzugsweise axial gerichtet.
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Grundlagen
der Rührertechnologie
in Bioreaktoren werden zum Beispiel beschrieben in Riet, van't, Tramper, J., Basic
Bioreactor Design [Grundlagen der Bioreaktorkonstruktion], Kapitel
4: Kinetics [Kinetik], Marcel Dekker Inc., 1991; Tatterson, G. B.,
Fluid Mixing and Gas Dispersion in Agitated Tanks [Flüssigkeitsmischen
und Gasdispersion in gerührten
Tanks], McGraw-Hill Inc., 1991 und Bailey, J. E. und Ollis, D. F.,
Biochemical Engineering Fundamentals [Grundlagen der biochemischen
Technologie], Zweite Auflage, McGraw-Hill Inc., 1986. In
EP 0 745 666 wird ein Bioreaktor
beschrieben, welcher mit Scheibenrührern ausgerüstet ist. Scheibenrührer sind
ebenso in
DE 23 49 106 und
DE 23 51 763 beschrieben.
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US-Patent
4,468,130 beschreibt einen Schrägblattrührer mit
gewölbten
Rührerblättern, deren
Winkel sich von 16° über das
Rührerblatt
verändert.
Der Winkel an der Spitze des Rührerblatts
ist zwischen 16 und 32°.
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US-Patent
4,896,971 beschreibt einen Schrägblattrührer mit
gedrehten Rührerblättern, wobei
die Drehung etwa 8 bis 12° beträgt. Der
Winkel an der Spitze des Rührerblatts
ist zwischen 18 und 34°.
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US-Patent
5,052,892 beschreibt einen Rührer
mit Rührerblättern, welche
einmal am Zentrum gebogen sind, wobei der Winkel zwischen den zwei
Teilen der Rührerblätter 20
oder 30° beträgt. US-Patent
5,297,938 beschreibt entsprechend einen Rührer mit gebogenen Rührerblättern, deren
Winkel zwischen 7,5 und 22,5° liegt.
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US-Patent
5,316,443 beschreibt einen Rührer
mit einem hakenförmigen
Querschnitt. US-Patent 5,326,226 beschreibt einen Rührer mit
gedrehten Rührerblättern und
einem Winkel der Rührerblätter zwischen 25
und 45°.
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US-Patent
5,791,780 beschreibt einen Rührer,
in welchem die Rührerblätter einen
halbkreisförmigen oder
halbelliptischen Querschnitt haben.
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FR 1 600 744 beschreibt
einen Rührer,
in welchem die Rührerblätter einen
hauptsächlich
dreieckigen Querschnitt haben.
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DE 94 00 938 U offenbart
einen Rührer,
in welchem die Rührerblätter ein
inneres Hauptblatt verbunden mit einem äußeren Seitenblatt haben.
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Die
Erfindung betrifft einen Rührer,
welcher wenigstens zwei im wesentlichen rechtwinklige Rührerblätter (1)
hat, welche radial zu der Rotationsachse (2) angeordnet
sind und welche mit einem Anstellwinkel in der Rotationsrichtung
relativ zu einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse (2)
geneigt sind, wobei der Anstellwinkel des individuellen Rührerblatts
sich kontinuierlich oder schrittweise von 25° bis 35° am oberen Ende bis 55° bis 65° am unteren
Ende des Rührerblatts ändert (vorzugsweise
von 30° zu
60°). Die
Anstellwinkel der einzelnen Rührerblätter (1)
sind vorzugsweise identisch. Vorzugsweise hat der Rührer zwei
bis acht, insbesondere vorzugsweise vier Rührerblätter (1) in einer
Ebene. Abhängig
von der Größe des Bioreaktors
können Rührerblätter (1)
in einer Mehrzahl von Ebenen über- und untereinander
angeordnet sein; eine bis sechs Ebenen sind zweckmäßig.
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Vorzugsweise
werden die Rührerblätter (1)
an einem hohlen Zylinder (3) fixiert, welcher dazu dient,
die Rührerachse
(4) aufzunehmen. Gegebenenfalls wird der hohle Zylinder
(3) mit der Rührerachse
durch Befestigungsmittels verbunden. Ein derartiger hohler Zylinder
(3) mit daran fixierten Rührerblättern (1) wird nachstehend
als Rührerelement
bezeichnet. Die Rührerelemente
haben deshalb vorzugsweise eine radiale innere hohle Ringregion,
welche die Rührerachse
(4) einschließt,
wobei zwei bis acht Rührerblätter mit
gleichmäßigen Abständen zueinander
an der Ringregion befestigt werden.
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Vorzugsweise
bestehen die Rührerblätter (1)
aus mehreren Segmenten (5), deren Anstellwinkel verschieden
sind.
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Stärker bevorzugt
besteht ein Rührerblatt
(1) aus gleich großen
Segmenten (5), deren Anstellwinkel verschieden sind, insbesondere
ist vorzugsweise der Anstellwinkel des oberen Segments zwischen
25° und 35° und des
niedrigeren Segments zwischen 55° und
65°.
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Besonders
bevorzugt besteht ein Rührerblatt
(1) aus drei gleich großen Segmenten (5),
deren Anstellwinkel verschieden sind, insbesondere ist vorzugsweise
der Anstellwinkel des oberen Segments 30°, des Mittelsegments 45° und des
unteren Segments 60°.
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Das
Durchmesserverhältnis
eines einzelnen Rührerblatts
ist vorzugsweise im Bereich von 0,3 bis 0,5, insbesondere vorzugsweise
0,35 bis 0,45 (in Übereinstimmung
mit DIN 28131 das Verhältnis
d/D, Rührerdurchmesser/innerer
Reaktordurchmesser) und das Verhältnis
von Rührerblatthöhe zu Rührerdurchmesser (d/h)
ist vorzugsweise 0,1 bis 0,3 und insbesondere vorzugsweise 0,1 bis
0,15 (siehe 1).
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Maße von bevorzugten
Rührern
sind zum Beispiel:
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Die
Form eines erfindungsgemäßen Rührerblatts
ist rechtwinklig, wobei die Kanten und Ecken abgerundet sein können. Weiter
hat das Rührerblatt
vorzugsweise die Form eines zylindrischen Abschnitts und/oder ist
einmal oder mehrere Male gebogen, um den erfindungsgemäßen Anstellwinkel
zu erzielen.
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Die
Form des Bioreaktors ist nicht kritisch. Normalerweise wird ein
zylindrisches Gefäß verwendet.
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Essentielle
Parameter zur Bestimmung der Effizienz und Leistung eines Rührers sind
die Parameter Energiezuführung
[W/m3], Sauerstofftransportkoeffizient [k∟a
(l/h)], Mischzeit [S] und Zellwachstum [Zellkonzentration und Vitalität].
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Der
Sauerstofftransportkoeffizient k
∟a
wird gemäß der folgenden
Formel bestimmt:
- k∟a:
- Sauerstofftransferkoeffizient
- OTR:
- Sauerstofftransferrate
[mol/(l h)]
- C*O2:
- Gleichgewichtskonzentration
von Sauerstoff an der Phasengrenze
- CO2:
- Konzentration von
Sauerstoff im Inneren der Suspension [mol/l]
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Der
k∟a-Wert
kann durch verschiedene Verfahren bestimmt werden. Es wurde vielmals
gefunden, dass der Messbereich verfahrensabhängig ist. In der vorliegenden
Erfindung wurde das "dynamische
Verfahren" zum Bestimmen
von k∟a
verwendet (Zlokarnik, M., Rührtechnik – Theorie
und Praxis, Springer Verlag, Heidelberg, New York, 1999).
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Die
hierin unten angegebenen Beispiele, Referenzen und Figuren beschreiben
die Erfindung; der Umfang von dessen Schutz wird durch die Patentansprüche detaillierter
angegeben. Die beschriebenen Verfahren sollen als Beispiele betrachtet
werden, welche sogar nach Modifikationen den erfindungsgemäßen Gegenstand
noch beschreiben.
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Beschreibung
der Figuren
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1 Schematische
Zeichnung eines Rührers
h:
Rührerhöhe (projiziert
auf die Vertikale, siehe 2)
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2 Schrägblattrührer (SBR
Typ 1)
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3 Schrägblattrührer (SBR
Typ 2)
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4 Erfindungsgemäßer Rührer (SBR
Typ 3) in Schaufelform
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5 Erfindungsgemäßer Rührer in
Blattform
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6 Sauerstofftransportkoeffizient
als eine Funktion der Rotationsgeschwindigkeit
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7 Mischzeit
als eine Funktion der Rotationsgeschwindigkeit
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8 Graph,
welcher den Sauerstofftransportkoeffizienten als eine Funktion der
Rotationsgeschwindigkeit für
einen SBR-Typ-1- und einen SBR-Typ-3-Rührer in
einem 1000-L-Fermenter zeigt
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Beispiel 1
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Fermenter:
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Für die Fermentation
wurde ein Rührtankfermenter
mit einem Arbeitsvolumen von 10 l zum Kultivieren einer CHO-Zelllinie
verwendet. Zum Herstellen des Kulturmediums werden die einzelnen
Bestandteile in erwärmtem
gereinigtem Wasser (Typ 2) in einem sterilen Verarbeitungsgefäß supplementiert.
Die Osmolalität des
Mediums (0,29 Osmol/kg) wird wie in der experimentellen Bestimmung
des k∟a
als der NaCl-Wert festgelegt. Der pH von 7,1 kann durch Hinzufügen von
Korrekturmitteln festgelegt werden.
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Die
Antriebseinheit besteht aus einer Bankkonstruktion mit einem hängenden
elektrischen Antriebsmotor. Dies ist ein 0,75-kW-Gleichstrommotor
mit einem Rotationsgeschwindigkeitsbereich von 0 zu 1500 rpm. Um
die Versorgungseinheit zu bilden, werden alle Vorrichtungen, Verbindungen
und Anpassungen, welche zum Bereitstellen und Entfernen von Dampf,
Kühlwasser,
Abwasser, komprimierter Luft, Kohlendioxid, Stickstoff und Korrekturmittel
benötigt
werden, kombiniert. Diese schließt das Heizsystem, eine Gasmischstation und
das Druckkontrollventil ein. Des Weiteren wird die elektrische Energieversorgung
in die Versorgungseinheit eingeschlossen.
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Der
verwendete Bioreaktor hat ein Höhe-zu-Durchmesser-Verhältnis (H/D)
von 2,0. Der Reaktor wird mit konkav gewölbter Basis, flachem Deckel
und einem longitudinalen Inspektionsglas konstruiert. Das Wärmen wird über einen
ummantelten Wärmeaustauscher
(V = 3L) durchgeführt.
Im Gefäß sind vier
Ablenkbleche mit einer Breite von 0,1 × D.
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Drei
25-mm- und zwei 19-mm-Ingold-Öffnungen
sind seitlich in die Gefäßwand eingelassen.
Abhängig von
den Erfordernissen der Messkontrollinstrumentierung der Fermentation
können
hier eine pO2-Elektrode, eine pH-Elektrode,
ein Temperatursensor (PT 100), ein Ventil zur Probennahme (CV 25),
eine Turbiditätssonde und
eine pCO2-Elektrode verwendet werden.
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Verwendete Rührerelemente:
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Die
Rührerelemente
bestehen aus rostfreiem Stahl und werden über zwei Gewindestifte auf
der Rührerachse
fixiert, welche zentral im Fermenter angeordnet ist. Ihre Rotationsrichtung
wurde so gewählt,
dass sie gegen den Uhrzeigersinn ist. Die Anzahl von Rührerelementen
pro Fermenter war drei für
den Standardscheibenrührer
und zwei für
Schrägblattrührer.
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Standardscheibenrührer (SSR):
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Der
radial transportierende Standardscheibenrührer besteht aus einer horizontal
angeordneten Scheibe, an welcher sechs senkrechte Scheiben symmetrisch
fixiert sind (DIN 28 131). Es wurde ein Rührer mit einem Durchmesserverhältnis (D/d)
von 0,4 verwendet.
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Schrägblattrührer Typ 1 (SBR Typ 1) (2):
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Der
Anstellwinkel der Schaufeln war variabel. Die Sauerstoffzuführung wurde
für 45° (SBR Typ
1) und für
60° (SBR
Typ 1 60°)
untersucht.
Maße: | |
d: | 118
cm |
Blattbreite
dB: | 40
cm |
Blattlänge: | 95
cm |
Durchmesserverhältnis
(d/D = 0,55)
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Schrägblattrührer Typ 2 (SBR Typ 2) (3):
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Im
Gegensatz zum Schrägblattrührer Typ
1 wurde der Schrägblattrührer Typ
2 mit einer schmaleren, aber längeren
Schaufeloberfläche
konstruiert. Die Schaufel ist an den Enden leicht gebogen. Die gebogenen Enden
sind gegenüberliegend
[in Z-Form] angeordnet.
Maße: | |
d: | 118
cm |
Blattbreite
dB: | 16/29
cm |
Blattlänge: | 115
cm |
Blattlänge ohne
gebogene Enden: | 93
cm |
Durchmesserverhältnis
(d/D = 0,55)
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Erfindungsgemäßer Schrägblattrührer (SBR
Typ 3) (4 und 5):
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Der
erfindungsgemäße Schrägblattrührer SBR
Typ 3 ist in drei gleich große
Segmente (jedes 32 cm lang) unterteilt. Im Gegensatz zum Schrägblattrührer Typ
2 sind die äußeren Segmente
in dieselbe Richtung gebogen [C-Form]. Die zwei äußeren Segmente sind in bezug
auf das zentrale Segment in Rotationsrichtung um 15° geneigt.
Maße: | |
d/D: | 0,335 |
d: | 350
mm |
h/d: | 0,139 |
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Messung von Verfahrensparametern:
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Sauerstoffmessungen:
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Die
Konzentration des gelösten
Sauerstoffs wurde unter Verwendung einer Clark-Sauerstoffelektrode (Metler Toledo,
InProTM 6000) bestimmt.
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Temperatur-, Druck- und
pH-Messung:
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Der
pH und die Temperatur wurden im Fermentationssystem über Sonden
gemessen, welche im Sondenring installiert waren. Für die Temperaturmessung
wurde ein PT100-Widerstandsthermometer verwendet. Seine Genauigkeit
wird während
der Sterilisierung und in vorgeschriebenen Zeitintervallen während der
Fermentation durch ein Kontaktthermometer (Typ CS 20) getestet.
Der pH wurde mit einer Kombinations-pH-Elektrode von Ingold bestimmt.
Vor der Installation wurde diese Elektrode mit Pufferlösungen pH
= 4,01 und pH = 7,0 kalibriert. Für die Druckmessung wurde eine
Druckpastenelektrode verwendet.
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Turbiditätsmessung:
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Zum
Bestimmen der Mischzeiten wurde ein Turbiditätsmesssystem von Aquasant Messtechnik
AG (AS81 mit AF44) verwendet.
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Experimentelle Bestimmung
des k∟a-Werts:
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Der
Sauerstofftransportkoeffizient wurde durch das Sättigungsverfahren bestimmt.
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Das
Fermentationssystem wird mit 10 l entionisiertem Wasser nach Installation
der Gaseinführung
und des zu testenden Rührerelements
geladen. Alle inneren Bestandteile (Sonden, Ablenkbleche und Steigrohre) und
Verfahrensparameter (p = 1 bar, T = 37 °C, Osmolalität = 0,3 Osmol/kg) entsprechen
denjenigen bei der Fermentation. Die Osmolalität wird mittels NaCl festgelegt
und überprüft. Nach
Wärmen
und Kalibrieren der pO2-Elektrode kann der
gesamte gelöste
Sauerstoff durch Einlassen von Stickstoffgas (Gas1 = 0,5 l/min,
Rotationsgeschwindigkeit = 250 rpm) aus dem Medium entfernt werden.
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Am
Zeitpunkt t = 0 beginnt das Einlassen reiner Druckluft, und die
jeweilige Rotationsgeschwindigkeit wird eingestellt. Die Konzentration
von gelöstem
Sauerstoff erhöht
sich bis zur Sättigungskonzentration
von annähernd
6,6 g/l. Zwischen den drei Experimenten wurde die pO2-Elektrode
wieder kalibriert, und ebenso wurde im Falle einer relativ langen
Verwendung von demselben Medium die Osmolalität täglich überprüft.
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Der
k
∟a-Wert
wurde über
die Gleichung
berechnet.
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Er
wurde als eine Funktion der Rotationsgeschwindigkeit und der volumetrischen
Flussrate (Gas1) des Speisegases bestimmt. Für diese Parameter wurden Bereiche
und Schritte gewählt,
welche denjenigen der Fermentation entsprechen.
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Die
in den Experimenten verwendete Testflüssigkeit war 0,15 molare NaCl-Lösung (8,7
g/l). Diese hat hydrodynamische Eigenschaften (Koaleszenzverhalten,
Sauerstoffsättigungskonzentration),
welche denen des Mediums ähnlich
sind.
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Durch
Verwenden des erfindungsgemäßen Schrägblattrührers Typ
3 konnte eine deutlich stärkere
Erhöhung
des k∟a-Werts
verglichen mit allen anderen verwendeten Rührersystemen erzielt werden,
nicht nur mit einer erhöhten
Rotationsgeschwindigkeit, sondern ebenso mit einer erhöhten Gas-Einlassrate.
Die Absenkung des k∟a-Werts, welche bei
einer Rotationsgeschwindigkeit von 200 rpm auftritt, wenn der Schrägblattrührer Typ 1
verwendet wurde, trat nur bei diesem Rührer in Form einer reduzierten
Erhöhung
auf. Die Sauerstofftransportkoeffizienten, welche durch den Standardscheibenrührer bei
250 rpm erzielt wurden, konnten mit den Schrägblattrührern schon bei Rotationsgeschwindigkeiten
von 100 bis 150 rpm (6) erzielt werden.
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Bestimmung der Mischzeit:
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Die
Mischzeit wurde unter Verwendung eines Turbiditätsmesssystems bestimmt, welches
Milch als Tracer verwendet (alle anderen Bedingungen ähnlich wie
in der Bestimmung des k∟a-Werts). Bei einer
Tracerkonzentration von 5 ml/l wurde ein Messsignal von 85 % des
maximal gemessen Werts festgestellt. Die Veränderung der Turbidität wurde über die
Turbiditätssonde
verfolgt, welche im Sondenring installiert war, und über den
Kompensationsrekorder dargestellt. Die Abbruchbedingung für dieses
Experiment war ein konstantes Messsignal von 85 %. Die Zeit zum
Erzielen der gewünschten
Mischqualität
von 95 % ist die Mischzeit.
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Durch
Verwenden des Schrägblattrührers konnten
die Mischzeiten um bis zu 70 % vermindert werden. Wenn der Schrägblattrührer Typ
3 verwendet wurde, konnte die Mischzeit um annähernd 40 % verglichen mit den
anderen Schrägblattrührern (7)
vermindert werden.
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Beispiel 2
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Dieses
Experiment wurde analog zum Beispiel 1 durchgeführt, aber mit einem Rührtankfermenter
mit einem Arbeitsvolumen von 1000 l. Der Fermenter wurde mit einer
0,15 molaren NaCl-Wasserlösung
bei 37 °C gefüllt.
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Zwei
verschiedene Rührertypen
wurden in bezug auf ihren Sauerstofftransferkoeffizienten K∟a
verglichen, nämlich
ein Standard-Schrägblattrührer (SBR
Typ 1) und ein erfindungsgemäßer Rührer (SBR
Typ 3). Bevor reine komprimierte Luft in den Fermenter eingelassen
wurde, wurde der Sauerstoff durch den Einlass von Stickstoff (20
L/min, 150 rpm) entfernt. Danach wurde reine Luft bei verschiedenen
Geschwindigkeiten (Gas 1= 10, 12 oder 20 L/min) eingelassen.
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Die
Ergebnisse des Experiments, welches zwei verschiedene Sauerstoffelektroden
(Elektrode 1 und Elektrode 2) verwendete, werden in 8 als "Sauerstofftransferkoeffizient" gegen "Rotationsgeschwindigkeit" geplottet.
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Durch
Verwenden des erfindungsgemäßen Schrägblattrührers Typ
3 konnte der k∟a-Wert um einen Faktor von zwischen 1,5
und 2,7 verglichen mit dem Standardrührer vom Typ 1 erhöht werden.
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Referenzliste
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- Bailey, J. E. und Ollis, D. F., Biochemical
Engineering Fundamentals [Grundlagen der biochemischen Technologie],
Zweite Auflage, McGraw-Hill
Inc., 1986
-
DE 23 49 106
-
DE 23 51 763
-
EP 0 745 666
- Riet, van't,
Tramper, J., Basic Bioreactor Design [Grundlagen der Bioreaktorkonstruktion],
Kapitel 4: Kinetics [Kinetik] Marcel Dekker Inc., 1991
- Tatterson, G. B., Fluid Mixing and Gas Dispersion in Agitated
Tanks [Flüssigkeitsmischen
und Gasdispersion in gerührten
Tanks], McGraw-Hill
Inc., 1991
- US-Patent 4,468,130
- US-Patent 4,896,971
- US-Patent 5,052,892
- US-Patent 5,297,938
- US-Patent 5,316,443
- US-Patent 5,326,226
- US-Patent 5,791,780
- Zlokarnik, M., Rührtechnik – Theorie
und Praxis, Springer Verlag, Heidelberg, New York, 1999