DE68914434T2

DE68914434T2 - Doppelzylinder bioreaktor.

Info

Publication number: DE68914434T2
Application number: DE68914434T
Authority: DE
Inventors: Shunsuke Kirin Beer Kab Mitsui; Akira Kirin Beer Kabush Nagara; Akira Suzuki
Original assignee: Kirin Brewery Co Ltd
Current assignee: Kirin Brewery Co Ltd
Priority date: 1988-08-10
Filing date: 1989-08-01
Publication date: 1994-10-06
Anticipated expiration: 2009-08-02
Also published as: WO1990001539A1; EP0381776A4; JPH0249575A; EP0381776B1; DE68914434D1; EP0381776A1; JPH0242471B2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor vom Doppelzylindertyp und insbesondere einen Bioreaktor vom Doppelzylindertyp, bei dem die Wärmetransferoberfläche beim Vorreaktionsabschnitt des Reaktionstankes vergrößert ist und bei dem die Gasentfernung mit einem maximal möglichen Ausmaß erfolgt und der einfach aufgebaut und günstig betrieben werden kann.

Hintergrundtechnik

Üblicherweise werden Zellen, Enzyme, die Zellen enthalten, andere Arten von Substanzen, die Zellen enthalten, und Bakterien (hier biologische Katalysatoren genannt) als Katalysatoren in Bioreaktoren verwendet, wo eine Reaktionskammer benutzt wird, um eine vorbestimmte biologische Substanz zu erhalten, und im allgemeinen sind Fülltankreaktoren ("filled-tank"-Reaktoren) als Reaktoren vom idealen Strömungstyp ("plug-flow"-Reaktoren) verwendet worden.
FIG. 3 zeigt eine Nachbildungs- oder Nachahmungsreaktion, die in einem Reaktor vom idealen Strömungstyp auftritt, und es gibt viele Situationen, wo die Reaktion komplex wird, und zwar wegen des Widerstands, der Sekundärreaktionen begleitet, und der durch das Reaktionssystem hervorgerufenen Metastase. Grundsätzlich laufen diese Reaktionen jedoch nach der folgenden Michaelis-Menten- Gleichung ab:
Hierbei ist r die Reaktionsgeschwindigkeit, Vmax die maximale Reaktionsgeschwindigkeit, [S] die Substanzkonzentration und Km eine Konstante.
Für manche Reaktionssysteme gilt allerdings die folgende Näherung:
Hierbei ist S&sub0; die anfängliche Substanzkonzentration, t die Zeit und A eine Konstante.
Auf diese Weise tritt ein großes Reaktionsausmaß beim Vorreaktionsabschnitt und rund um die Peripherie des Reaktors auf, und deswegen erhöht die Wärmereaktion das Ausmaß der durch die Wärmereaktion erzeugten Wärme, so daß bei diesen Abschnitten eine große Kühlleistung erforderlich ist.
Zusätzlich hat das Gaserzeugungssystem eine größere Gasrückhaltung in den späteren Stufen als ein Ergebnis der größeren Gaserzeugungsmenge in dem Vorreaktionsabschnitt, und dies ist ein Grund für eine geringere Effizienz. Darüber hinaus macht dies es auch leichter, für die Träger im Nachreaktionsabschnitt zu blockieren.
in Verfahren zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ist es, Reaktoren a vorzusehen, bzw. einen Reaktor mit mehreren Stufen a, von denen jede mit einem Träger b ausgerüstet ist, der fit einer eingebauten Gasentfernungskammer c versehen Ist, wie es aus FIG. 4 hervorgeht (siehe beispielsweise JP-U-61-77800). Weiterhin sind die Stufen der Reaktoren a miteinander verbunden bei ihren Oberabschnitten und Unterabschnitten über ein Rohr d und eine Pumpe e, und zusätzlich sind die Stufen der Reaktoren a gegenseitig verbunden über eine separate Pumpe f längs eines Rohres d, so daß von den Reaktoren a eine Gasentfernung durchgeführt werden kann und keine Gasrückhaltung in den späteren Stufen auftritt.
Bei einem solchen Aufbau ist allerdings eine weitere Pumpe f zwischen jedem der Reaktoren a vorgesehen, so daß es notwendig ist, eine Durchflußeinstellung für die Pumpen e und f vorzunehmen, um das Flüssigkeitsniveau zwischen den Tanks a und a zu steuern, und darüber hinaus, weil es eine größere Anzanl von Tanks a gibt, tritt auch das Problem auf, daß es eine große wärmeleitende Oberfläche gibt.
Im Lichte dieser Probleme hat die Erfindung als ein Ziel, einen Bioreaktor vom Doppelzylindertyp vorzusehen, bei dem die Wärmetransferoberfläche beim Vorreaktionsabschnitt des Reaktionstanks vergrößert ist und bei dem die Gasentfernung bis zu einem maximal möglichen Ausmaß vorgenommen wird und der einen einfachen Aufbau und eine günstige Betriebsweise hat.

Darlegung der Erfindung

Die Erfindung sieht einen aufrechten zylindrischen Reaktor vor, der einen doppelschaligen Aufbau hat, welcher sich aufteilt in einen innenzylinder innerhalb eines Außentanks, und zwar unter Ausbildung eines äußeren kommunizierenden Pfads und eines Inneren kommunizierenden Pfads. Ein Flüssigkeitseinlaß an einem unteren Abschnitt des äußeren kommunizierenden Pfads ist vorgesehen zusammen mit einem Flüssigkeitsauslaß an einem unteren Abschnitt des inneren kommunizierenden Pfads. Am Außenumfang des Außenzylinders ist ein Kühlmantel vorgesehen, und eine obere Oberfläche des Inneren und äußeren kommunizierenden Pfads bildet angrenzend an die Oberseite des Außenzylinders eine Gasentfernungskammer, und der äußere kommunizierende Pfad und der innere kommunizierende Pfad sind mit Trägern gefüllt, an denen ein biologischer Katalysator anhaftet.

Kurze Beschreibung von Zeichnungen

FIG. 1 ist ein Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Doppelzylinder-Bioreaktors nach der Erfindung.
FIG. 2 ist ein Längsschnitt durch eine Abänderung des ersten Ausführungsbeispiels des Doppelzylinder-Bioreaktors nach der Erfindung.
FIG. 3 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Eigenschaften des Bioreaktors.
FIG. 4 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines herkömmlichen Bioreaktors.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Das folgende ist eine Beschreibung der in FIG. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiele des Doppelzylinder-Bioreaktors nach der Erfindung.
FIG. 1 und FIG. 2 zeigen jeweils einen Längsschnitt durch eine erste Ausführung eines Doppelzylinder-Bioreaktors nach der Erfindung, wobei der Reaktor ein Reaktor für aerophobische Enzyme ist. Der Reaktor hat einen äußeren Tank 1 und einen Inneren Zylinder 2, der innerhalb des äußeren Tanks 1 steht.
Der äußere Tank 1 hat eine aufrechtstehende, abgedichtete zylindrische Gestalt und enthält einen zylindrischen Mittenabschnitt 1A, einen Bodenabschnitt 1B, der im Schnitt gesehen die Gestalt eines umgedrehten Konus oder Kegels hat und gegenüber der Unterseite des Mittenabschnitts abgedichtet ist, und einen Deckel oder eine Kappe 1C, die gegen die Oberseite des zylindrischen Mittenabschnitts 1A abgedichtet ist. Dieser abgedichtete Aufbau ist beispielsweise bewerkszelligt mit Hilfe von Schraubenbolzen (nicht gezeigt) und Flanschen, die an den entsprechenden Stellen ausgebildet sind.
Der innere Zylinder 2 steht auf dem Bodenabschnitt 1B, und wegen dieses inneren Zylinders 2 ist das Innere des Tanks aufgeteilt in einen äußeren kommunizierenden Pfad 3, der mit Hilfe der inneren Oberfläche des äußeren Tanks 1 gebildet ist, und einen Inneren kommunizierenden Pfad 4, der mit Hilfe der Innenseite des inneren Zylinders 2 gebildet ist. Das obere Ende des inneren Zylinders 2 erstreckt sich bis zu einer solchen Höhe, daß ein Spalt vorbestimmter Abmessung bezüglich der Unterseite oder unteren Oberfläche der Kappe 1C auftritt, und der Rand des oberen Endes des inneren Zylinders 2 hat eine sägezähnförmige Gestalt, so daß er ein Wehr 5 bildet.
Die Berührungsflächen zwischen dem Bodenabschnitt 1B und dem zylindrischen Mittenabschnitt 1A des äußeren Tanks 1 und die Stelle, wo diese Flächen bzw. ihre Verlängerungen den inneren Zylinder 2 schneiden, ist in der gezeigten Weise mit einer Platte 6 versehen, bei der es sich um ein gestanztes Metall, ein Sieb oder dergleichen handeln kann und die viele Löcher hat. Die Räume oberhalb der gelochten Platte 6 sind, wie es aus den Zeichnungen hervorgeht, mit Trägern 7 angefüllt, an denen biologische Katalysatoren anhaften.
Der Außenumfang des zylindrischen Mittenabschnitts 1A des äußeren Tanks 1 ist als Kühlmantel 8 ausgebildet, und beim unteren Abschnitt des Kühlmantels ist ein Kühlmitteleinlaß 9 vorgesehen, wohingegen beim oberen Abschnitt ein Kühlmittelauslaß 10 vorhanden ist. Der Kühlmittelauslaß 10 ist mit einer Absperr- oder Ventilvorrichtung 12 ausgerüstet, die dazu dient, die Durchflußmenge an Kühlmittel einzustellen. Die Temperatur im äußeren kommunizierenden Pfad 3 wird von einer Temperatursteuerung 11 erfaßt und beeinflußt, also gesteuert bzw. geregelt.
Der Bodenabschnitt 13 des äußeren Tanks 1 weist einen Flüssigkeitseinlaß 13 auf, der zum äußeren kommunizierenden Pfad 3 führt, und einen Flüssigkeitsauslaß 14, der vom inneren kommunizierenden Pfad 4 kommt.
Das Innere des oberen Abschnitts des äußeren Tanks 1 ist als Gasentfernungskammer 15 ausgebildet, die mit einem Gasentfernungsrohr 17 verbunden ist. Längs dieses Gasentfernungsrohres 17 ist eine Absperrvorrichtung oder ein Ventil 18 vorgesehen, damit die Mange des entfernten Gasis und damit der Druck innerhalb des Tanks 1 eingestellt werden kann.
Das Nachstehende ist eine Beschreibung der Betriebsweise des ersten Ausführungsbeispiels des Doppelzylinder- Bioreaktors nach der Erfindung.
Die Flüssigkeit, die durch den Flüssigkeitseinlaß 13 einströmt, gelangt zunächst in den äußeren kommunizierenden Pfad 3, und die Reaktion schreitet voran, während die Flüssigkeit durch die Träger 7 strömt oder fließt, die in den äußeren kommunizierenden Pfad 3 eingefüllt sind. Die durch diese Reaktion erzeugte Wärme steht in einem Wärmeaustausch aufgrund des Kühlmantels 8 am Außenumfang des äußeren Tanks 1, so daß für eine hinreichende Kühlung gesorgt ist.
Die Flüssigkeit, die im äußeren kommunizierenden Pfad 3 ansteigt oder nach oben strömt, überströmt die Wirbel- oder Rundfassung 5 und gelangt am oberen Ende des inneren Zylinders 2 in den inneren kommunizierenden Pfad 4 derart, daß die überströmende Flüssigkeit der Luft im Raum innerhalb der Gasentfernungskammer 15 ausgesetzt wird und eine Trennung in Luft und Flüssigkeit stattfindet, wobei lediglich die Flüssigkeit in den inneren kommunizierenden Pfad 4 gelangt.
Die Reaktion schreitet dann voran in der Nachstufe, während die Flüssigkeit in dem inneren kommunizierenden Pfad 4 nach unten fließt, und die Flüssigkeit gelangt dann zum Füssigkeitsausgang 4, wenn die Reaktion beendet ist.
Andererseits wird die in der Gasentfernungskammer 15 abgetrennte Luft über den Befestigungsflansch 16 abgegeben, und diese abgegebene Luft gelangt dann über das Gasentfernungsrohr 17 zur Ventilvorrichtung 18.
FIG. 2 zeigt eine Ausführungsform zur Verarbeitung bei Fällen, wo die Reaktionstemperatur innerhalb des inneren kommunizierenden Pfades 4 zu hoch werden könnte, weil der Kühlmantel 8 am Außenumfang des äußeren Tanks 1 eine unzureichende wärmeleitende Fläche dafür bereitstellt. Bei dieser Ausführungsform ist deshalb der innere Zylinder 2 doppelwandig mit einem Kühlmantel 8' auf der Innenseite ausgebildet, dem man ein Kühlmittel zu- und abführen kann. Die übrigen Teile sind so vorgesenen, wie es in FIG. 1 dargestellt ist, und sie sind deshalb mit denselben Bezugszeichen versehen. Eine Beschreibun dieser Teile entfällt.
In Fällen, wo es schwierig ist, den Flüssigkeitspegel im inneren kommunizierenden Pfad 4 einzustellen, kann der Rand des oberen Abschnitts des inneren Zylinders 2 mit vielen Löchern kleinen Durchmessers versehen sein, und der äußere kommunizierende Pfad 3 und der innere kommunizierende Pfad 4 sind daher so miteinander verbunden, daß es leichter Ist, einen Zustand aufrechtzuerhalten, bei dem die Flüssigkeit bis zur Überlauflinie angefüllt ist.
Ferner kann man um den Reaktor zu einem aerophibischen Reaktor zu machen, ein Luftzufuhrrohr oder eine Luftzufuhrleitung einführen in den Bodenabschnitt der Platte 6 mit vielen Löchern und Luftzufuhr in Richtung der Träger 7.
Wie es oben beschrieben worden ist, ist es nach der Erfindung möglich, die wärmeleitende Fläche in einem äußeren kommunizierenden Pfad einer Vorstufenreäktion in einem hohen Maße zu vergrößern und auf diese Weise die Entfernung von Reaktionswärme effektiv vorzunehmen. Da weiterhin die Flüssigkeit von dem äußeren kommunizierenden Pfad in einen inneren kommunizierenden Pfad überströmt oder überfließt, ist es durch Auswahl des Verhältnisses der Flächen oder Bereiche zwischen dem inneren kommunizierenden Pfad möglich, ein Strömungsgleichgewicht zwischen der Innenseite und der Außenseite zu erzielen. Deswegen ist es nicht erforderlich, eine schwierige Durchflußsteuerung oder Durchflußregelung auszuführen, die beim Stand der Technik notwendig Ist. Deshalb wird nach der Erfindung der Betrieb äußerst einfach.

Industrielle Anwendung

Ein Doppelzylinder-Bioreaktor nach der Erfindung kann eine wärmeleitende Fläche oder einen wärmeleitenden Bereich haben, der gleich der Abmessung oder Größe des Vorstufenreaktionsabschnitts des Reaktors ist, und für den Vorstufenreaktionsabschnitt wird eine Gasentfernung vorgenommen. Der Reaktor hat einen einfachen Aufbau und ist einfach zu betreiben. Aus diesen Gründen kann die Erfindung auf Bioreaktoren angewendet werden, die einen Reaktor haben, der eine vorbestimmte biologische Substanz durch Katalyse mit einem biologischen Katalysator erzeugt. Der Bereich der Anwendung der Erfindung ist mannigfaltiv und umfaßt reaktoren für entweder aerophobische oder aerophilische Enzyme.

Claims

1. Doppelzylinder-Bioreaktor aufrechter Bauart, enthaltend:

eine Doppelwandstruktur, die einen inneren Zylinder (2) innerhalb eines äußeren Tanks (1) unter Ausbildung eines äußeren kommunizierenden Pfads (3) und eines inneren Kommunizierenden Pfads (4) aufweist, wobei der untere Abschnitt des äußeren kommunizierenden Pfads (3) mit einem Flüssigkeitseinlaß (13) versehen ist und der untere Abschnitt des inneren kommunizierenden Pfads (4) mit einem Flüssigkeitsauslaß (14) versehen ist, am Außenumfang des äußeren Tanks (1) ein Kühlmantel (8) vorgesehen ist und eine obere Oberfläche des inneren und äußeren kommunizierenden Pfads (3,4) in der Nähe des oberen Endes des äußeren Tanks (1) eine Gasentfernungskammer (15) bildet und der äußere kommunizierende Pfad (3) und der innere kommunizierende Pfad (4) mit Trägern (7) gefüllt sind, an denen ein biologischer Katalysator haftet.

2. Doppelzylinder-Bioreaktor aufrechter Bauart nach Anspruch 1, bei dem:

ein innerer Abschnitt des inneren Zylinders (2) als ein Kühlmantel (8') ausgebildet ist, um eine Doppelwandstruktur vorzusehen.

3. Doppelzylinder-Bioreaktor aufrechter Bauart nach Anspruch 1, bei dem:

ein Wehr (5) sägezahnförmiger Gestalt rund um den oberen Rand des inneren Zylinders (2) ausgebildet ist.

4. Doppelzylinder-Bioreaktor aufrechter Bauart nach Anspruch 1, bei dem:

eine Vielzahl Löcher kleinen Durchmessers rund um den oberen Endabschnitt des Inneren Zylinders (2) vorgesehen ist.