DE8612140U1

DE8612140U1 - Vorrichtung zur Begasung und Durchmischung einer Flüssigkeit oder einer Suspension

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Publication number: DE8612140U1
Application number: DE8612140U
Authority: DE
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Priority date: 1986-05-02
Filing date: 1986-05-02
Publication date: 1989-06-01

Description

Beschreibung i &Idigr; * &iacgr; &iacgr; ···· · ·'*· *·»&iacgr;

Vorrichtung zur Begasung und Durchmischung einer Flüssigkeit oder einer Suspension.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begasung und Durchmischung einer Flüssigkeit oder einer Suspension entsprechend 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. Agglomeratbildung neigenden und/oder scherempfindlichen Biosuspensionen 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 Kulf-uren wachsen zu größeren Agglomeraten zusammen oder sie sind selbst vielzellig mit differenzierter Struktur;

- die Kulturen neigen zu festhaftenden Wandanv/achsungen bzw. überwachsen auch größere Spalten und Löcher;

- die einzelnen Ein- oder Mehrzeller oder die ein optimales Wachstum bzw. Produktion bewirkenden Agglomerate sind sehr scherempfindlich;

- die Zähigkeit der im Regelfall nicht Newton'sehen Suspensionen wird insgesamt sehr groß und/oder das rheologische Verhalten der Suspension weist einen merklichen Bingham-Bereich auf.

In stark nicht Newton'sehen Biosuspensionen kann es vorkommen, daß die Suspension nur in der unmittelbaren Umgebung der üblichen Rührorgane so weit durch Scherbeanspruchung belastet

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wird, daß hier der Bin^bapv^B'er^icW* ßöerisCtcritten und so das Substrat in den fließfähigen Zustand überführt v/ird. Der Rest des Reaktorinhalts verbleibt als ungemischtes Gel. Eine Erhöhung 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, dau 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 Entgegenhaltung 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 Begasungslyft in uer Flüssigkeit herbeizuführen. Ist diese Forderung erfüllt, so wird zugleich

- eine ausreichende Sauerstoffzufuhr und Kohlendioxidabfuhr

- eine Versorgung der Kultur mit Nährstoffen

- eine Abfuhr der das weitere Wachstum oder die Wirkstoffproduktion behindernden löslichen Metabolite

- kein unzulässig hohes örtliches Scherspannungsgefälle

erreicht. Zusätzlich müssen die im Reaktor zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnitte überall so groß sein _t daß sich die für Wachstum und Produktion optimalen Partikel- bzw.

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Agglomeratgrößen einstehen/ fconrtenj/ 'ctfhp'daii die Strörrtungsquerschnitte unzulässig eingeengt werden.

Damit ergeben sich für ein in dieser Minsicht verbessertes Rührorgan für einen Biorektor folgende Forderungen:

- Die gesamte Suspension muß möglichst überall im Reaktörvölumen ständig einem Scherspannungsgefälle aUsge^ setzt sein, das oberhalb des zum Überwinden des rheologischen Bingham-Bereiches erforderlichen und unterhalb des für Wachstum und/oder Wirkstoffproduktion nachteilig hohen Scherspannüngsgefalles liegt.

- Der gesamte Inhalt soll ständig vermischt werden, um gleichmäßige Nährstoffversorgung und ggfs. auch Metabolitenabfuhr zu erreichen.

- Die Begasungsluft soll mit lusreichender Verweilzeit

und über den ganzen Reaktorinhalt möglichst gleich- i mäßig verteilt durch das Substrat geleitet werden. I

^ Die Konstruktion soll einfach sein und gut zu reinigen sowie keine angelenkten Teile, z.B. bewegliche Arme, haben.
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- In Suspensionen, die größere Agglomerate bilden und die zu Wandanhaftungen neigen, sollen diese unterhalb einer maximal zulässigen Dicke gehalten werden. Ferner soll hierdurch die Durchmischung und die Begasung während der weiteren Fermentation nicht störend behindert werden.

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

. keit nach oben strömt/''Beim 'An'meldurtg^glpenständ gemäß Anspruch 4 wird die gestellte Aufgabe dadurch gelost, 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 piort an diesem befestigt ist und andererseits bis in unmittelbare Nahe 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 aufsteigenden 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 werden,

- die zu sehr festen Wandanhaftungen bzw. zum Verstopfen von Spalten und Löchern durch Agglomeratbildung neigen,

- die größere Agglomerate bilden, welche für optimale Werte von Wachstum oder Viirkstoffbildung nicht durch örtlich zu große Scherspannungen zerstört werden dürfen,

- deren einzelne Zellen bzw. Agglomerate eine gewisse Zeit (z.B. 1 bis 2 Minuten) nicht frisch begast werden müssen,

würde man eine Vorrichtung,'ge^ä«ß^t#jSn^fsprftch*J 4 einsetzen. Dort hat die Wendel keine Löcher oder Kerben.,, auch keine Wehre. Die Aufwärtsströmung der von den Wendeln außen nach unten geförderten 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 1st, 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.
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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 Qes 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 Flüssigkeitsoberfläche herausragen. Dies hat den Vorteil, daß evtl. sich

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bildender Schaum durchJdlQ* WeWeIj"wieder^"in die Flüssigkeit eingetragen Wird.

Abbildung 1 zeigt eine Vorrichtung mit einer treppenförmigen Wendel, die unmittelbar an der¹ Welle befestigt ist und Löcher aufweist.

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

Die Abbildung 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 eingeleitet 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 gleichmäßigen 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 Rührers.

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Durch das Hinunterziehfeir «eier senkrfechtßn 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- i

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 I

Spalt zwischen Rührer und V7and nach oben strömt. Je nach |

Flächenanteil wird so ein mehr oder weniger großer Anteil der f

Suspension zusammen mit der Luft durch die Löcher nach oben |

gepreßt, so daß es hier zu einem intensiven Stoffaustausch '

kommt.

Die Abbildung 2 zeigt eine Ausführungsform, die im wesentlichen 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)₄ Ein Teil der Luft kann auch über weiter innen liegende Öf*.. ngen (19) der Suspension im Rohr (13) zugeführt v/erden. Dieö ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Suspension ständig begaßt werden muß (z.B. bei hohem Sauerstoffbedarf) oder wenn das Aufsteigen der SUspension im Röhr (13) durch die Begasung beschleunigt werden

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soll. Das Rohr (13) muß ;,qbdh' find -tpi ten für! den Durchtritt der Suspension offen sein. Eine vorteilhafte "Konstruktion ist die Befestigung des Rohres (13) durch Stege (12) an der Antriebswelle (11).
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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 fest haftende Wandanwachsungen oder große und Kerben oder Spalten zuwachsende Agglomerate bilden. Der Abstand zwischen der Wendel (14, 15) und der Behälterwand wird kleiner als die Abmessung des größtzuiässigen Agglomerats bzw. der größtzuiässigen Wandbelegung gemacht, so daß es zu einer mechanischen Wandreinigung kommt.

Zur Verhinderung von Wandanhaftungen ist es ferner vorteilhaft, für die Oberfläche von Fermenter und Wendel biokompatible und sterilisierbare Werkstoffe zu wählen, an denen die Biomaterialien nicht haften, z.B. stark hydrophobe Silicone oder Teflon.

Ferner ist es bei allen Wendelbauarten vorteilhaft, die Wendel bis über die Plüssigkeitsoberflache 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 vorgegebene Fermentationsaufgabe Durchmischung, maximales örtliches Scherspannungsgefälle, Stoffaustauschflache und Gasverweilzeit variiert und so optimal angepaßt werden.

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Claims

I - &igr; -

I Vorrichtung zur Begasung u_njg, puccKm£s*ctnjngi tginor Flüssigkeit oder i einer Suspension

I Ansprüche

I 1 . Vorrichtung zur Begasung und Durchmischung einer Flüssic,-

% kejt oder einer Suspension mit einem eine zylindrische Wand

l^; aufweisenden, vertikal stehenden Behälter, mit einer koaxial

I im Behälter angeordneten, antreibbaren Welle (1), mit einem an

f 10 der V.'elle befestigten Rührorgan, das mindestens ein

j v/endelartiges, geschlossenes, bis zur Welle reichendes Band

Ir aufweist, wobei die Drehrichtung so gewählt ist, daß das Band

i die Flüssigkeit nach unten fördert, und mit einer Begasungs-

I einrichtung (9), wobei das Gas unterhalb des Rühj.organs in die

j 15 Flüssigkeit eintritt und die Gasblasen im Behälter aufsteigen,

* dadurch gekennzeichnet, daß das Band als

■ Treppenwendel (2, 5) ausgebildet ist, die sich abwechselnd aus

j Blechen mit waagrechten oder etwas geneigten Flächen (2)

\ einerseits und vertikalen Flächen (5) andererseits zusamrnen-

I 20 setzt und daß das Band bis in unmittelbare Nähe der Behälter- ; wand (10) reicht und mit Löchern (3, 4, 7) versehen ist, durch

'. v?elche die begaste Flüssigkeit nach oben strömt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

25 zeichnet, daß mindestens ein vertikales Blech (8) bis unter das unten angrenzende waageerechte Blech heruntergezogen ist, so daß es ein vertikales Wehr (8) für die aufsteigenden Blasen bildet.

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3. Vorrichtung nach Anspi-uch 2 dadurch gekennzeichnet, daß in die Unterkante des Wehres (8!bevorzugt im Bereich des äußeren Umfangs kerbenförmige Einschnitte (6) angebracht sind.

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4. Vorrichtung zur Begasung einer Flüssigkeit oder einer Sas- _i pension mit einem eine zylindrische Wgnd aufweisenden vertikal

' stehenden Behälter, mit einer koaxial im Behälter angeordneten

S antreibbaren Welle (11), mit mindestens einer an der Welle be-

I festigten glatten Wendel, wobei die Drehrichtung so gewählt

40 ist, daß die Wendel nach unten fürdert und mit einer

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Begasungseinrichtung (1 Ö, AP₁* Zftf/'jr/obia lätfß Gas unterhalb der Wendel in die Flüssigkeit eintritt und die Gasblnscn im Behälter aufsteigert, dadurch gekennzeichnet, 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 g e k e &eegr; &eegr; ·" zeichnet, daß die Wendel trepperiförmig (14, 15) ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch 15gekennzeichnet, 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) eingearbeitet 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 Flüssigkeitsoberfläche herausragen.