FI120738B - Bioreaktori - Google Patents

Description

Bioreaktori Tekniikan tausta

Keksinnön kohteena on kiinteää ja/tai korkeaviskoosista massaa käsittelevä bio-5 reaktori, jossa on pystymallinen reaktorisäiliö. Keksinnön kohteena on myös menetelmä tällaisen bioreaktorin valmistamiseksi ja käyttämiseksi.

Käsiteltäessä kiinteää ja/tai korkeaviskoosista massaa bioreaktoreissa ongelmana on usein, ettei massan lämmitystä tai jäähdytystä saada toteutettua tasaisesti. Käytännössä bioreaktoreissa voi olla sekoittamattomia kohtia, jotka eivät ole kon-10 taktissa lämmönsiirtopintojen kanssa. Ongelmaa on koetettu ratkaista varustamalla bioreaktori sisäisellä sekoittimella, joka käytännössä kattaa reaktorin koko tilavuuden. Ratkaisuvaihtoehtoina on käytetty esim. Nauta-mixer-sekoittimia. Tällaisen bioreaktorin sisäinen instrumentointi on kuitenkin hankalaa eikä se sovellu kaikille massoille. Nauta-mixer-sekoitin aiheuttaa varsin suuret vääntövoimat tuki-15 rakenteisiin, jolloin rakenteesta johtuen valmistuskustannukset ovat suuret.

Keksinnön yleinen kuvaus

Nyt on keksitty kiinteää ja/tai korkeaviskoosista massaa käsittelevä pystymallinen bioreaktori, jossa massan lämmönsiirto on erityisen tasaista.

... Tämän tavoitteen saavuttamiseksi keksinnölle ovat tunnusomaisia seikat, jotka on • · 20 esitetty itsenäisissä patenttivaatimuksissa. Muissa patenttivaatimuksissa on esitet- *·* *t ty keksinnön eräitä edullisia sovellutusmuotoja.

• ·

Keksinnön mukainen bioreaktori on pystymallinen, ja sen reaktorisäiliön sisällä on etäisyyden päässä reaktiosäiliön sisäseinäpinnoista ja katosta pystysuuntainen sy- ]···. linterimäinen lämmönsiirrin. Lämmönsiirtimen sisällä on yläsuuntaan ja/tai 25 alasuuntaan siirtävä massansiirrin, kuten lapasiirrin tai ruuvisiirrin. Lämmönsiirti- .. men alakohta on massansiirtimen alakohdan läheisyydessä, kuten välittömästi • · : " sen alapuolella, massan siirtämiseksi lämmönsiirtimen sisälle ja sieltä pois. Mas- sansiirtimen alakohdasta käsiteltävää massaa voidaan syöttää lämmönsiirtimen ja reaktiosäiliön välissä olevasta välitilasta lämmönsiirtimen sisään ja massansiirrin • · .···. 30 sitten siirtää massaa ylöspäin pitkin lämmönsiirtopintaa.

• · · * : Keksinnön mukaisessa bioreaktorissa lämmönsiirto on erityisen tehokasta, koska koko massa saadaan tehokkaasti kuljetettua lämmönsiirtimen läpi. Myös massan ··· 2 kiertoaste saadaan reaktorissa tarvittaessa korkeaksi. Massa siirtyy bioreaktorissa lämmönsiirtimen poistopäästä lämmönsiirtimen ulkopuolelle jäävän välitilan kautta lämmönsiirtimen syöttöpäähän. Massan siirtyminen välitilassa tapahtuu painovoiman vaikutuksesta ylhäältä alaspäin. Välitilassa alaspäin siirtyvä massa on ainakin 5 osittain kontaktissa lämmönsiirtimen pintojen kanssa, jolloin lämmönsiirto edelleen tehostuu.

Keksinnön mukaisessa bioreaktorissa myös massansiirto on tehokasta, koska laitteiston massansiirrin voi toimia myös silloin kun bioreaktori on kohtuullisen vajaa. Massansiirrin siirtää tehokkaasti massaa ylöspäin lämmönsiirtimen sisätilassa. 10 Ylös siirtynyt massa putoaa välitilassa taas pohjalle.

Keksinnön mukaisessa bioreaktorissa voidaan käsitellä tehokkaasti esim. massaa, jonka kuiva-ainepitoisuus on 10-100 %, kuten 25-40 %. Bioreaktorin koko voi sovellutuksesta riippuen vaihdella. Se voidaan toteuttaa laboratoriomittakaavaisena, pilot-mittakaavaisena tai suuren koon tuotantolaitteistona.

15 Keksinnön mukaista reaktoria voidaan käyttää esim. uutossa, jossa kuiva-ainepitoisuus on vain n. 12 %. Toisaalta reaktorissa voidaan teknisesti pyörittää myös täysin kuivaa massaa.

Keksinnön mukainen bioreaktori on instrumentointiyhteiden ja muiden yhteiden sijoittamisen suhteen teknisesti edullinen, koska niille on siinä hyvin asennustilaa.

... 20 Koska sekoitin ja lämmönsiirrin ovat kiinteästi asennettuja, on antureiden, lähetti- • · mien yms. sijoittaminen bioreaktorin sisälle yksinkertaista ja edullista.

* » · i * · • ·:··· Tällainen bioreaktori on edullinen myös siksi, että bioreaktoriin voidaan helposti .**·. liittää tarvittavat siirrostusyhde/yhteet ja massansyöttöyhde/yhteet. Massansiirrin voidaan valmistaa sellaiseksi, että bioreaktorissa tarvitaan esim. vain yksi läpivien- · · 25 ti kannessa. Bioreaktoriin on helppo tarvittaessa valmistaa useita läpivientejä esim. antureille.

Keksinnön erään kohteen mukaan massansiirtimen kehänopeus on lämmönsiirti- ·***: men pinnan läheisyydessä 0,05-0,5 m/s, kuten 0,1-0,25 m/s. Massansiirtimen • * * ;t\( kehänopeutta voidaan edullisesti muuntaa, jolloin bioreaktorilla voidaan käsitellä 30 hyvinkin erilaisia massoja.

· • · • · · • '·, Keksinnön erään kohteen mukaan bioreaktorissa on lisäksi ulkoinen lämmönsiir- * · · T..* rin, kuten lämmönsiirrinvaippa. Tällä voidaan tehostaa lämmönsiirtoa esim. suu- • · • · • · 3 rissa reaktoreissa. Ulkoinen lämmönsiirrin edelleen tehostaa massan tasaista jäähdyttämistä/lämmittämistä edelleen.

Keksinnön erään kohteen mukaan sylinterimäisen lämmönsiirtimen sisäosan poik-kileikkaushalkaisija on 20-70 % reaktorisäiliön halkaisijasta, kuten 30-60 % reak-5 torisäiliön halkaisijasta. Voidaan esim. valmistaa bioreaktori, jonka lämmönsiirtimen sisäosan halkaisija on 40-50 % reaktorisäiliön halkaisijasta. Halkaisijalla tarkoitetaan tässä hakemuksessa vaakaleikkaushalkaisijaa.

Lämmönsiirtimen poikkileikkauksen pinta-ala korkeuden suhteen voi muuttua sovellutuksesta riippuen. Se voi olla vakio, ylöspäin levenevä tai ylöspäin suppene-10 va. Muotoilulla voidaan vaikuttaa massan siirtoon. Voidaan esim. valmistaa bioreaktori, jossa välitilan osuus on bioreaktorin alaosassa suhteellisen pieni, jolloin massan siirto massansiirtimeen tehostuu.

Muotoilulla voidaan vaikuttaa massan siirtymiseen ja sekoittumiseen lämmönsiir-timessä. Sylinterimäisen lämmönsiirtimen poikkileikkaus voi edullisesti olla muo-15 doltaan pyöreä. Massansiirtimen poikkileikkaussekoituspinta on puolestaan edullisesti symmetrinen.

Massansiirtimen ja lämmönsiirtimen halkaisijoiden suhde voi vaihdella eri sovellutuksissa. Massansiirtimen ja lämmönsiirtimen välinen välys riippuu esim. massan kiintoainepitoisuudesta ja rakenteesta. Keksinnön erään kohteen mukaan mas-20 sansiirtimen halkaisija on 90-100 %, kuten 94-98 %, lämmönsiirtimen sisäosan ·”*: halkaisijasta. Tällainen massansiirrin siirtää tehokkaasti monenlaista massaa • · · lämmönsiirtimen sisällä alaosasta yläosaan. Tästä on erityistä hyötyä esim. silloin, kun bioreaktorin täyttöaste on alhainen esim. kasvatuksen loppuvaiheessa.

• · · *...· Keksinnön erään kohteen mukaan massansiirrin on samalla massansekoitin, ku- • '·· 25 ten lapasekoitin tai ruuvisekoitin. Tämä edelleen tehostaa massan sekoittumista sekä massan lämmönsiirtoa, koska käsiteltävä massa saadaan tasaisemmin ja * · · * * tehokkaammin lämmönsiirtimen lämmönsiirtopinnalle.

• · • ·

Keksinnön erään kohteen mukaan massansiirtimen siirtosuunta on vaihdettavissa ’···* ylöspäin siirtävästä alaspäin siirtävään. Tällaista massansiirrintä voidaan edulli- :*·*: 30 sesti käyttää bioreaktorin massanpoistimena järjestämällä massanpoistoyhde bio- • · .·**. reaktorin alaosaan, kuten sen pohjaan tai alaseinään. Tästä on erityistä etua käsi- .*·. teltäessä vaikeasti siirrettäviä massoja bioreaktorissa.

• · • * ♦ • « · · ··« • * • · «·· 4

Keksinnön erään kohteen mukaan bioreaktorissa, kuten edullisesti massansiirti-men alapäässä, on ohjaimet käsiteltävän massan ohjaamiseksi lämmönsiirtimeen. Tämä tehostaa käsiteltävän massan sekoittumista sekä massan siirtymistä välitilasta lämmönsiirtimeen parantaen näin edelleen massan lämmönsiirtoa.

5 Keksinnön erään kohteen mukaan bioreaktorissa on kaapimet, kuten pohjakaavin ja/tai seinäkaavin, käsiteltävän massan ohjaamiseksi massansiirtimeen. Tämä tehostaa käsiteltävän massan siirtymistä välitilasta lämmönsiirtimeen ja estää massan kerrostumista reaktiosäiliön pohjalle ja/tai seinälle parantaen näin edelleen massan lämmönsiirtoa. Edullisesti kaavin on liitetty massansiirtimeen.

10 Keksinnön erään kohteen mukaan reaktorisäiliössä on ruuvisekoittimen alapuolella ainakin osittain vettä ja ilmaa läpäisevä välipohja. Tämä monipuolistaa laitteen toimintaa ja osaltaan vaikuttaa massan ominaisuuksiin ja sitä kautta myös lämmönsiirtoon ja sekoittumiseen. Käsiteltävän massan kosteus siirtyy välipohjan kautta erilliseen alatilaan, josta se voidaan edelleen poistaa erillisen yhteen kaut-15 ta.

Keksinnön erään kohteen mukaan bioreaktorin alaosassa on kaasuputkisto ilman ja/tai höyryn johtamiseksi reaktorisäiliöön. Tämä monipuolistaa laitteen toimintaa ja osaltaan vaikuttaa massan ominaisuuksiin ja sitä kautta myös lämmönsiirtoon ja sekoittumiseen.

20 Keksinnön erään kohteen mukaan bioreaktorin alaosassa on nesteyhde, kuten lauhteenpoistoyhde. Tätä voidaan käyttää esim. sterilointiin käytetyn höyryn lauh- «·· teen poistoon ja/tai massasta erottuvan ylimääräkosteuden poistoon.

: Edullisesti bioreaktorissa on välipohja, jonka alapuolella on kaasuputkisto ilman ja/tai höyryn johtamiseksi reaktorisäiliöön ja lauhteenpoistoyhde sterilointiin käyte- • · • '·· 25 tyn höyryn lauhteen poistoon ja/tai massasta erottuvan ylimääräkosteuden pois- toon.

Keksinnön erään kohteen mukaan bioreaktorissa on siirrostusyhde siirrosteen li- • · säämiseksi. Edullisesti se on bioreaktorin yläosassa, jolloin siirroste saadaan levit- • * '·*·* tymään tasaisesti koko massaan.

• ψ · * * · Λ · \.'.m 30 Keksinnön erään kohteen mukaan bioreaktorissa on näytteenottoyhde ja/tai alus- **:** tan syöttöaukko. Edullisesti näytteenottoyhde on samalla alustan syöttöaukko.

· Ratkaisut monipuolistavat bioreaktorin käyttöä edelleen.

··· • » • · 5

Keksinnön erään kohteen mukaan lämmönsiirrin on vesilämmönsiirrin. Tällainen ratkaisu on tietyissä sovellutuksissa teknisesti ja taloudellisesti erityisen edullinen.

Keksinnön erityinen kuvaus

Seuraavassa keksinnön erästä sovellutusta selostetaan yksityiskohtaisesti ohei-5 seen piirustukseen viittaamalla.

Kuvio 1 esittää poikkileikkauskuvaa eräästä bioreaktorisovellutuksesta.

Kuviossa 1 on esitetty bioreaktori, jonka sisällä on etäisyyden päässä reaktiosäili-ön sisäseinäpinnoista ja katosta pystysuuntainen sylinterimäinen lämmönsiirrin 2, jonka sisällä on pystysuuntainen massansiimn 1, ja massansiirtimen 1 alakohta on 10 välittömästi iämmönsiirtimen 2 alakohdan alapuolella massan siirtämiseksi läm-mönsiirtimen 2 sisälle ja sieltä pois. Massansiirtimen alapäässä on ohjaimet 3 se-koitettavan massan ohjaamiseksi massansiirtimeen/massansiirtimestä 1. Kuviossa 1 on lisäksi nähtävänä bioreaktorin alaosassa oleva välipohja 4, jonka alla on il-mansyöttöputkisto 5 ja lauhteenpoistoyhde 6. Bioreaktorin yläosassa on siirros-15 tusyhde 7 ja näytteenottoyhde 8, joka voi toimia myös alustan syöttöaukkona. Kuviossa 1 esitetty laboratoriomittakaavan bioreaktorin kokonaiskorkeus on noin 40 cm ja ulkohalkaisija noin 25 cm. Lämmönsiirtimen korkeus on 19 cm, ulkohalkaisi-ja on noin 14 cm ja sisähalkaisija on noin 11 cm. Kyseisellä reaktorilla on käsitelty esim. kauranakanamassaa, jonka kuiva-ainepitoisuus on ollut 33 %. Reaktori on 20 täytetty alkuvaiheessa massalla siten, että sen korkeus on ollut noin 30 cm ja kas-vatuksen aikana massan korkeus välitilassa voi aleta esim. arvoon 15 cm.

• · · • · · · · t · · • · ·»· • · • · ··· ♦ · • · • ·♦ « ·#· • « • · «·« ·♦

• P

• ·· *· · • · * · ··· ·· 1 • · · • · • · ··1 « · • · ♦ ·· · • · · * · ♦ ··« « 41· • · • ··

Claims (10)

1. Kiinteää ja/tai korkeaviskoosista massaa käsittelevä bioreaktori, jossa on pystymallinen reaktorisäiliö, ja bioreaktorin reaktorisäiliön (10) sisällä on etäisyyden päässä reaktiosäiliön sisäseinäpinnoista ja katosta pystysuuntainen sylinteri- 5 mäinen lämmönsiirrin (2), kuten edullisesti vesilämmönsiirrin, tunnettu siitä, että lämmönsiirtimen (2) sisällä on yläsuuntaan ja/tai alasuuntaan kuiva-ainepitoisuudeltaan 10-100 % massaa siirtävä massansiirrin (1), ja että massan-siirtimen (1) alakohta on lämmönsiirtimen (2) alakohdan läheisyydessä, kuten välittömästi sen alapuolella, massan siirtämiseksi lämmönsiirtimen (2) sisälle ja sieltä 10 pois ja että massansiirrin (1) on ruuvisiirrin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen bioreaktori, tunnettu siitä, että sylinterimäi-sen lämmönsiirtimen sisäosan halkaisija on 20-70 %, kuten 30-60 %, reaktorisäiliön halkaisijasta.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen bioreaktori, tunnettu siitä, että ma$-15 sansiirtimen (1) halkaisija on 90-100 %, kuten 94-98 %, lämmönsiirtimen sisäosan halkaisijasta.

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen bioreaktori, tunnettu siitä, että massansiirtimen (1) alapäässä on ohjaimet (3) sekoitettavan massan ohjaamiseksi massansiirtimeen (1). M· • · » · • · .·:·. 20

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen bioreaktori, tunnettu sii- tä, että bioreaktorissa on kaapimet, kuten pohjakaavin (3p) ja/tai seinäkaavin (3s). • · • ··

6. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen bioreaktori, tunnettu sii- ·» : *·· tä, että bioreaktorissa on massansiirtimen (1) alapuolella ainakin osittain vettä ja :*[[: ilmaa läpäisevä välipohja (4). ... 25

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen bioreaktori, tunnettu siitä, että bioreakto- ♦ · · *;].* rissa on kaasuyhde (5) ja/tai nesteyhde (6).

• · ♦ · ··· : 8. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen bioreaktori, tunnettu sii- • ♦· [ l tä, että bioreaktorissa on siirrostusyhde (7), näytteenottoyhde (8) ja/tai alustan syöttöaukko. • · • · · « ·· .···* 30

9. Menetelmä kiinteää ja/tai korkeaviskoosista massaa käsittelevän pystymalli- ♦ · sen bioreaktorin valmistamiseksi, tunnettu siitä, että reaktorisäiliön sisälle järjestetään etäisyyden päähän reaktiosäiliön sisäseinäpinnoista ja katosta pystysuun- täinen sylinterimäinen lämmönsiirrin (2), kuten edullisesti vesilämmönsiirrin, jonka sisällä on yläsuuntaan ja/tai alasuuntaan kuiva-ainepitoisuudeltaan 10-100 % massaa siirtävä massansiirrin (1), ja että massansiirtimen (1) alakohta on läm-mönsiirtimen (2) alakohdan läheisyydessä, kuten välittömästi sen alapuolella, 5 massan siirtämiseksi lämmönsiirtimen (2) sisälle ja sieltä pois ja että massansiir-timeksi (1) järjestetään ruuvisiirrin.

10. Bioreaktorin käyttö, tunnettu siitä, että patenttivaatimuksen 1-9 mukaista bioreaktoria käytetään käsittelemään kiinteää ja/tai korkeaviskoosista massaa, jonka kuiva-ainepitoisuus on 25-40 %. 10