HU193041B - Fermantation equipment - Google Patents

Abstract

A találmány tárgya fermentáló berendezés, amelynek tartálya (1), a tartályban (1) elrendezett szellőzője (4), továbbá keringtetőcsővel (6), valamint membránnal (7) kialakított keverőegysége (5) van.Lényege,hogy a membrán (7) és a keringtetőcső (6) között a membránnal (7) zárt teret (11) alkotó merev válaszfal (9) van elrendezve. A válaszfalban (9) középpontjához viszonyítva eltoltan átmenő furat (10) van kialakítva. Az egy egységet alkotó szellőző (4) és keverőegység (5) a válaszfalon (9) van elrendezve és folyadék- és gázáramot elosztó kamrával (12) van ellátva. -1-

Description

A találmány tárgya fermentáló berendezés, amely folyékony,szilárd,illetve vegyes tápszubsztrátumot igénylő, különböző biológiai mikroobjektumok periodikus tenyésztésére alkalmas.

Minden fermentációs folyamat egymással összefüggő biokémiai, fizikai-kémiai és diffúziós átalakulásokat egyesít, amelyeknek lefolyást intenzitása jelentős mértékben a fermentáló berendezéstől, illetve annak hidrodinamikai karakterisztikájától függ.

A gyakorlatban mikroorganizmusok, gombák, mikroalgák, ill. egyedi szövetek tenyésztésére kémiai lombikok terjedtek el, amelyek vattaszűrővel vannak bedugaszolva és amelyekben a mindenkori biológiai objektum van elrendezve, míg annak tenyésztése hőszabályozott mozgóegységen történik. Ezen berendezések egyszerűek, hozzáférhetők és különböző biológiai organizmusok tenyésztésére alkalmasak. Az univerzalitásuk ellenére laboratóriumi gyakorlatban történő alkalmazásuk gyenge anyagcsere miatt korlátozott. Ezenfelül a lombikok biológiai mikroobjektumok szilárd tápszubsztrátumon történő tenyésztésére nem alkalmasak.

Ismertek különböző felépítésű fermentáló berendezések, amelyeknek a mindenkori mikroorganizmus aktív növekedését előidéző hidrodinamikai karakterisztikája van.

Az E.U. Viestur és mások „Mikroorganizmusok tenyésztése” című 1980-ban Moszkvában kiadott könyvében,a 141 —191. oldalakon ismertetett fermentáló berendezésnek többemeletes centrifugál keverőként kialakított keverőegységgel ellátott tartálya van. Ez a fermentáló berendezés baktériumok, illetve élesztő folyékony tápszubsztrátumon való tenyésztésére alkalmas, szilárd, illetve vegyes tápszubsztrátum alkalmazása esetén viszont nem alkalmazható. Ezen fermentáló berendezések keverőegységeinek működése során a tápfolyadék pezsgésbe jön, a haboltásra mechanikus, kémiai, illetve összetett oltást alkalmaznak, amely következtében a folyamat karakterisztikája változik. Ezenfelül a fentiekben említett berendezések csupán egy, illetve két mikroorganizmusfaj (például élesztő, illetve baktériumok) tenyésztését teszik lehetővé.

A svájci Bioengineering AG cég prospektusából ismert továbbá olyan fermentáló berendezés, amelynek hőcserélő köpennyel ellátott tartálya, szellőzője,valamint függőleges keringtetőcsőként kialakított keverőegysége van, a keringtetőcső alsó vége alatt vezérlőhajtással összekötött membrán van elrendezve és a tartály belépőnyílásában baktériumzáró levegőszűrő van elhelyezve.

Ilyen felépítésű fermentáló berendezés baktériumoknak, illetve élesztőnek folyékony tápszubsztrátum felhasználásával való tenyésztésére alkalmas. Ebben a fermentáló berendezésben a folyadékkultúra levegőoxigénnel való telítettségét, valamint keverését a szellőző által a függőleges keringtető2 csőbe szívatott levegővel biztosítják, aminek során gáz-folyadék keverék képződik.

Ezen fermentáló berendezés gombák, rrikroalgák és egyedi szövetek tenyésztésére, valamint biológiailag aktív anyagoknak inmobilizált sejtek felhasználásával való mikrobiológiai átalakítására nem alkalmas és szilárd, illetve vegyes tápszubsztrátummal nem működtethető.

Ez arra vezethető vissza, hogy ebben a fermentáló berendezésben a szellőztetés folyadéksugár által történő levegőbeszívással történik, amely folyadék kiáramlási sebessége a viszkozitásától függ. így micélium tenyésztése esetén a tápfolyadék áramlási sebessége ugrásszerűen csökken és a szellőztetés teljesen megszűnik.

Mivel az alkalmazott szubsztrátum a membránhoz szabadon hozzájuthat^ ezért szilárd és vegyes szubsztrátumon fermentációs folyamat nem valósítható meg,mivel a folyadékban nem oldódó szubsztrátum (pl. széna, forgács, -szén stb.) a keringtetőcső belépőnyílását elzárja, aminek következtében a ker ngtetőcső eldugul és a folyamat megszakad.

Hasonló okból ez a fermentáló berendezés egyedi szövetekkel, illetve immobilizált sejtekkel végzendő folyamatok esetén nem alkalmazható.

A találmány feladata, hogy olyan fermentáló berendezést hozzunk létre, amelynek felépítésénél fogva szélesebb alkalmazási területe van és amely mikroorganizmusok, mikroalgák és egyedi szövetek folyékony, szilárd, illetve vegyes szubsztrátumon való tenyésztését teszi lehetővé.

A feladat megoldására olyan fermentáló berendezést dolgoztunk ki, amelynek hőcserélő köpennyel ellátott tartálya és a tartályban elhelyezett szellőzője, valamint függőleges keringtetőcsővel és a keringtetőcső alsó vége alatt elrendezett, vezérlőhajtással összekötött membránnal kialakított keverőegysége van és a tartájy belépőnyílásában baktériumzáró levegőszűrő van elhelyezve. A találmány szerint a membrán és a kering'etőcső között merev válaszfal van elhelyezve, amely a középpontjához viszonyítva el’oltan átmenő furattal van ellátva, és a membránnal együtt zárt teret képez,míg az egy egységet alkotó szellőző és keverőegység a válaszfalon van elrendezve és folyadék- valanint gázáramot elosztó kamrával van ellátva, amely függőlegesen két visszacsapó szeleppel három térközre van felosztva, amelyek közül a két visszacsapó szelep között levő térköz a merev válaszfal furatával, a visszacsapó szelepek alatti térköz a tartály folyadékzónájával és a visszacsapó szelepek fölött kialakított térköz a keringtetőcső szabad vége a tartály folyadékszintje feletti zónába van vezetve.

Előnyös, ha a keringtetőcső szabad végén a keringtetőcsőből kiáramló folyadékáramot formáló rátét van elrendezve. Továbbá előnyös, ha a tartályban vízszintes, szilárd szub-2193041 sztrátumot hordozó, nyílásokkal kialakított tálca van elrendezve.

A találmány szerinti fermentáló berendezés mikroorganizmusok, mikroalgák és egyedi szövetek folyékony, szilárd, illetve vegyes szubsztrátumon való tenyésztésére alkalmas.

A fermentáló berendezésben alkalmazott impulzusszerü keverés és a szellőzővel egyetlen egységet alkotó keverőegység különleges felépítése folytán a tenyészfolyadék sugárszerű, illetve átbuborékoltató keverése végezhető el, ami a különböző mikroorganizmusfajok számára a hidrodinamikai feltételek kiválasztásának szempontjából nagyon fontos.

A fermentáló berendezésben elrendezett, nyílásokkal ellátott vízszintes tálca, valamint a szellőzőn kialakított cserélhető rátétek lehetővé teszik, hogy különféle aerob mikroorganizmusokat, micéliumokat, egyedi szövetek fitoautotróf tenyészetét folyékony, szilárd, illetve vegyes szubsztrátumon tenyésszük, valamint immobilizált fermentummal, illetve sejtekkel folyamatokat végezzünk.

A találmányt részletesen előnyös kiviteli példák kapcsán, rajz segítségével ismertetjük, ahol a rajzon az 1. ábra a találmány szerinti fermentáló berendezés előlnézetét hosszmetszetben, és a 2. ábra a folyadékáramot formáló rátét kiviteli példáját hosszmetszetben mutatja, a 3. ábra az 1. ábra szerinti fermentáló berendezést ismerteti, amelynél a visszacsapó szelepek fordított helyzetben vannak, a 4. ábra hét külön tartállyal és meghajtással vezérelt, közös, membránnal ellátott fermentáló berendezést, míg az 5. ábra ipari körülmények között alkalmazható többfunkciós fermentáló berendezést mutat.

Az 1. ábrán ismertetett fermentáló berendezés 2 hőcserélő köpennyel ellátott 1 tartállyal van kialakítva, amelynek belépőnyílásában baktériumzáró 3 levegőszűrő van elhelyezve.

Az 1 tartályban 4 szellőző és 5 keverőegység van elrendezve. Az 5 keverőegység függőleges 6 keringtetőcsővel és a 6 keringtetőcső alsó vége alatt elhelyezett 7 membránnal van kialakítva, ahol a 7 membrán 8 csonkon keresztül pneumatikus vezérlőhajtással (az ábrán nincs feltüntetve) van kapcsolatban. A 7 membrán és a 6 keringtetőcső között merev 9 válaszfal van elrendezve, amely a középpontjához viszonyítva eltoltan elrendezett átmenő 10 furattal van ellátva, amely a 7 membránnal 11 zárt teret képez. A 4 szellőző és az 5 keverőegység egy egységet képeznek, amely a 9 válaszfalon van elrendezve és folyadék- vagy gázáramot elosztó 12 kamrával van ellátva. A 12 kamra két 13, 14 visszacsapó szeleppel három 15, 16, 17 térközre van felosztva, amelyek közül a 13, 14 visszacsapó szelepek között levő 16 térköz a 9 válaszfal 10 furatával, a 13, 14 visszacsapó szelepek alatt levő 15 térköz 18 nyílásokon keresztül az 1 tartály folyadékzónájával, míg a 13, 14 visszacsapó szelepek fölött kialakított 17 térköz a .6 keringtetőcső belső terével közlekedik. A 6 keringtetőcső felső vége az 1 tartály folyadékszintje fölötti zónába van elvezetve. A 6 keringtetőcső felső szabad végén 4 szellőzőként kialakított cserélhető rátét van elrendezve, amely az ismertetett megoldás esetén sugárszivattyú. Az 1 tartályban továbbá vízszintes 19 tálca van elrendezve, amely 20 nyílásokkal van ellátva. A 19 tálcán a szilárd tápszubsztrátum van elhelyezve.

Az 1. ábrán bemutatott fermentáló berendezés többfunkciós „inokulátor típusú és mikroorganizmusok laboratóriumi tenyésztésére alkalmas, éspedig folyékony, illetve vegyes tápszubsztrátumon szaporodó baktériumok, élesztő és más aerob mikroorganizmusok tenyésztésére.

A fermentáló berendezés következőképpen működik.

Az 1 tartályt folyadékkultúrával töltjük fel — amelynek szintje a 4 szellőző beállítási magasságát nem lépheti túl és a baktériumzáró 3 levegőszfirővel lezárjuk.

A 8 csonkon keresztül például sűrített levegős impulzusgenerátor segítségével meghatározott frekvenciájú légnyomásos vezérlőimpulzusokat vezetünk a 7 membrán alatt levő 21 kamrába.

Ennek hatására a 7 membrán oda-vissza mozog és lefelé irányuló mozgása során a 18 nyíláson, a 14 visszacsapó szelepen, a 15 térközön és a 10 furaton keresztül az 1 tartályból a 11 zárt térbe folyadékkultúrát szív. Ezalatt a 13 visszacsapó szelép zárva marad.

A 7 membrán felfelé irányuló mozgása esetén a 11 zárt térben levő folyadékkultúra a 10 furaton, a 16 térközön, a 13 visszacsapó szelepen, a 6 keringtetőcsövön és a 4 szellőzőn keresztül sugáralakban visszaterelődik az 1 tartályba. Ezalatt 14 visszacsapó szelep záródik. A 4 szellőzőben (sugárszivattyú) alakított folyadékkultúra sugarak az 1 tartályban levő folyadékkultúra térfogatán áthaladnak és levegőoxigént diszpergálnak, amelyet az 1 tartály folyadékszintje feletti zónából szívnak fel.

A 7 membrán oda-vissza mozgása során az 1 tartály folyadékkultúraszintje is ingadozik, ismételve a 7 membrán mozgását, és ezáltal az 1 tartály folyadékszintje felett levő levegő és külső, levegő között a 3 levegő szűrőn keresztül ievegőcsere jön létre.

Vegyes tápszubsztrátum alkalmazásakor az 1 tartályban 20 nyílásokkal ellátott •vízszintes 19 tálca van elrendezve,amely a 6 keringtetőcsőre és az 1 tartály falára 22 rugalmas gyűrűk által van rögzítve.

-3μοοί

Mikroorganizmusok ilyen tápszubsztrátumon való tenyésztésénél a szubsztrátum szilárd, oldhatatlan alkotórészei a 19 tálcán vannak visszatartva, és ezáltal az 5 keverőegységet nem tömik el.

A 7 membrán impulzusszerű működése, valamint a teljes folyadékkultúra térfogat oda-vissza mozgása megakadályozza, hogy a 19 tálca 20 nyílásai a szubsztrátumban oldhatatlan alkotórészei által eltömődjenek.

A folyadékkultúra erős íelhabzása során a hab a 4 szellőzőt elzárja, az abban formált folyadékkultúra sugarak csökkentik a levegőnek a folyadékkultúrába való diszpergálási fokát és ilyrnódon stabilizálják a habképzést ezen a magasságon.

A fermentáló berendezés ezen üzemmódjában a folyadékkultúrának intenzív keveréssel és habrecirkulácíóval történő anyagcseréje nem kevésbé hatékony,mint a levegőoxigén a folyadékkulturába való sugárszerö diszpergálása esetén.

A 2. ábra a szelíőzőrátét további megoldását ismerteti, amel^' 23 félgömbként van kialakítva és lapos gyurüalakú folyadékáramot formál.

Az 1. ábrán ismertetett sugárszivattyunak a 23 félgömbbel (2. ábra) való helyettesítésével az 1 tartály transzparens falán lefolyó vékony folyadékkultúra réteg képezhető és ezáltal a fermentáló berendezés fotoautotróf mikroorganizmusok és mikroalgák tenyésztésére válik alkalmassá.

A 3. ábrán ismertetett fermentáló berendelés csupán abban különbözik az 1. ábrán ismertetettől, hogy a 13, 14 visszacsapó szelepek fordítva vannak elhelyezve. A 13, 14 visszacsapó szelepek fordított elrendezésével a fermentáló berendezés buborékoltó impulzusüzemet biztosít.

A fermentáló berendezés ezen kiviteli alakja szintén többfunkciós, valamint „inokulátor típusú és szilárd, folyékony, illetve vegyes szubsztrátumon növekedő aerob mikroorganizmusok, illetve gombamicélium laboratóriumokban .való kultiválására, valamint steroidoknak immobilizált sejtekkel vagy fermentumokkal történő átalakulási folyamatainak megvalósítására vagy egyedi szövetek tenyésztésére alkalmas.

A 2. ábrán bemutatott fermentáló berendezés következőképpen működik.

Az 1 tartályt folyadékkultúrával töltjük és baktériumzáró 3 levegőszürővel lezárjuk, ahol a folyadékszint a 4 szellőző beállítási magasságát nem lépheti túl.

A 8 csonkon keresztül pl. előre megadott frekvenciájú sűrített levegős impulzusgenerátor segítségével (az ábrán nem szerepel) légnyomásos vezérlőimpulzusokat a 7 membrán alatt kialakított 21 térbe vezetjük. Ennek hatására a 7 membrán alternáló mozgást végez és felfelé irányuló mozgása során a 11 zárt térből a 10 furator., a 16 térközön, a 14 visszacsapó szelepen és a 18 nyílásokon keresztül levegőt vezet az 1 tartály 4 íolyadéktérfogatába, amelyet ennek során a levegő buborékoltat, és ezáltal a teljes kultiválandó térfogat intenzív impulzusszerü keverése, valamint ennek levegőxigénnel való telítése biztosítva van. Ezalatt a 13 visszacsapó szelep zárva marad. A 7 membrán visszafelé irányuló mozgása során a 14 visszacsapó szelep zárva van és a levegő az 1 tartály folyadékszintje feletti zónából a 4 szellőzőn, a 6 keringtetőcsövön, a 13 visszacsapó szelepen, a 16 térközön és a 10 furaton keresztül ismét a 11 zárt térbe kerül. Az 1 tartály folyadékszintje feletti zónában levő levegőnek a környezeti levegővel való cseréje a 3 levegőszűrőn keresztül a 7 membrán mozgásával szinkron módon — hasonlóképpen, mint az 1. ábra szerinti kiviteli alak esetében — történik.

A folyadékkultúra erős habzása esetén a hab lezárja a 4 szellőzőt és a fermentáló berendezés üzemelése során a levegő helyett hab kerül a 11 zárt térbe, ennek következtében a folyadékkuttúra szellőztetése csökken és az 1 tartályban a habszint stabilizálódik.

Ebben az esetben a fermentáló berendezésben az anyagcserélődése intenzív habcirkuláció folytán jön létre és nem kevésbé hatékony, mint a fermentáló berendezés buborékoltató üzeme esetén.

Mikroorganizmusok szilárd szubsztrátuτιοη való tenyésztése vagy szteroidkötések mmobilizált biokatalizátorral történő átalakí *ási folyamatainak megvalósítása folyamán az itóbbiakat vízszintes 19 tálcára helyezzük es levegővel átjáratjuk, amely levegő a 7 membrán mozgása folytán a 20 nyílásokon impulzusszerűen keresztüláramlik.

Szilárd szubsztrátumon, pl. szalmán, ’égzett gombamicélium tenyésztés esetén a szellőztetésre bevezetett levegő olymódon nedvesíthető, hogy a vízszintes 19 tálca alatti zónában folyékony tápközeget, illetve vizet t elyezünk el.

A micélium tenyésztése hasonlóképpen történik,mint a folyadékkultúra buborékoltatö szellőztetésénél ismertetett eljárásnál.

A 4. ábrán ismertetett fermentáló berendezés többfunkciós, valamint „kultivátor t'pusú és aerob mikroorganizmusoknak, egyedi szöveteknek, fotoautotróf mikroorganizmusoknak és mikroalgáknak különböző

t.ipszubsztrátumok alkalmazásával történő kultiválására, valamint szerves biovegyületck immobilizált fermentum, illetve sejtek alkalmazásával való átalakítási folyamatainak elvégzésére alkalmas.

A 4. ábrán ismertetett fermentáló berendezés pl. hét, az 1. ábrán bemutatott fermentáló berendezéshez hasonló fermentort fcglal magában, amelyek közös 2 hőcserélő köpenyben vannak elhelyezve. Az összes fermentor membrán alatti 21 tere 24 csatornával vannak egymással összekötve, amely 8 csonkon keresztül közös pneumatikus vezér-4193041 lőmeghajtással (az ábrán nincs feltüntetve) van kapcsolatban.

A 4. ábrán ismertetett fermentáló berendezés laboratóriumi készülékként nagyobb igény esetén is alkalmazható, például kutató- 5 intézetekben, mikrobiológiai és gyógyszeripari gyárakban, a mikrobiológiai környezetszennyeződést ellenőrző egészségügyi-bakteriológiai laboratóriumokban és sok más területen. 10

Tudományos kutatásoknál és rutinszerű analitikai ellenőrző munkáknál egyaránt olyan helyen alkalmazható, ahol erre a célra lombikkal ellátott helyigényes és energiaigényes lengetőegységeket alkalmaznak. A fér- ₁₅ mentáló berendezés saját hőszabályozóval működik és nem igényel speciális szabályozott hővezetésű rendszert.

A találmány szerinti fermentáló berendezés ezen kiviteli alakját különösen olyan 20 esetekben célszerű alkalmazni, amikor mikroorganizmusok tenyésztéséhez optimális hővezetést kell választani.

A 4. ábrán ismertetett fermentáló berendezés hasonlóképpen működik, mint az 1. és 25

2. ábrán bemutatott fermentáló berendezés, sajátossága viszont, hogy közös hajtással van kapcsolatban, amely mind a hét fermentor szinkron működését biztosítja, mind azonos, mind különböző keverési feltételek 3Q eseten. Ezáltal lehetővé válik, hogy egyidejűleg hét azonos tenyésztési folyamatot valósítsunk meg, ami különösen a kutatási gyakorlatban játszik fontos szerepet.

Az 5. ábrán ismertetett fermentáló bérén- 35 dezés abban különbözik a fentiektől, hogy egy tartályban több, jelen esetben három 5 keverőegység van elhelyezve, amelyek 9 válaszfalon vannak elrendezve, ahol elrendezésük a mindenkori szellőztetési és keverési 40 feladatoktól függően különbözőképpen történhet., így például az 1 tartály központi részében egy 5 keverőegység helyezhető el, amely a buborékoltató üzem megvalósítására hivatott, míg a kerületen azon 5 keverőegységek helyezhetők el, amelyek sugárszerü üzemmód megvalósítására alkalmasak.

Eközben a fermentáló berendezésben összetett keverési állapot jön létre, amelynek _5Q során gáz- és folyadékáramlások kölcsönhatása biztosítva van, ami a folyadékkultúra gázzal való intenzívebb (kiegészítő) telítődéséhez hozzájárul. Ezáltal a fermentáló berendezés funkcionális lehetőségei jelentősen bővülnek, különösen erősen habzó, szubsztrátummal történő üzemelés során, amikor intenzívebb habcirkuláció folytán a vizsgálandó objektum anyagcserélődését habtérfogat növelés nélkül kell fokozni.

Az 5 keverőegységek fentiekben ismer- θθ tetett elrendezésével az 1 tartály falához tapadó szubsztrátumrészecskék és mikroorganizmusok kiegészítő eltávolítása biztosítható.

A fermentáló berendezést a 8 csonkon és a 21 terekkel összekötött 24 csatornán keresztül egyetlen meghajtással működtetjük.

A találmány szerinti fermentáló berencezés többfunkciós és az alábbi területeken alkalmazható:

— mikrobiológiai iparban fehérjék mikrobiológiai szintézisénél, növényi nyersanyag biokonverziójánál és hulladékok hasznosításánál, stb.

— élelmiszeriparban keverőberendezésként, folyadékok keverésére, erjedési folyamatok elvégzésére, stb.

— egészségüggyel kapcsolatos iparban re a dórként gyógyszerek előállítására, pl. szteroidátalakításn á 1, — vegyiparban reaktorként folyadékok keverésére, reakciók folyékony katalizátor alkalmazásával történő elvégzésére.

Claims (3)

1. Fermentáló berendezés, amelynek hőcserélő köpennyel ellátott tartálya, a tartályban elrendezett szellőzője, továbbá függőleges keringtetőcsővel, valamint keringtetőcső alsó vége alatt elhelyezett és vezérlőhajtással összekötött membránnal kialakított keverőegysége van, ahol a tartály belépőnyílásában baktériumzáró levegőszűrő van elrendezve, azzal jellemezve, hogy a membrán (7) és a keringtetőcső (6) alsó vége között a membránnal (7) zárt teret (11) alkotó, merev válaszfal (9) van elrendezve, a válaszfalban (9) középpontjához viszonyítva eltoltan átmenő furat (10) van kialakítva, míg az egy egységet alkotó szellőző (4) és keverőegység (5) a válaszfalon (9) van elrendezve, és folyadék- és gázáramot elosztó kamrával (12) van ellátva, a kamra (12) függőlegesen két visszacsapó szeleppel (13, 14) három térközre (15, 16, 17) van felosztva, amelyek közül a visszacsapó szelepek (13,14) közötti térköz (16) a válaszfalban (9) levő fúr ittál (10), a visszacsapó szelepek (13, 14) ala ti térköz (15) a tartály (1)’ folyadékzónájával és a visszacsapó szelepek (13, 14) fölctti térköz (17) a keringtetőcső (6) belső terével közlekedik, és a keringtetőcső (6) felső vége a tartályban (1) levő folyadék fölctti zónába van vezetve.

2. Az 1. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a keringtetőcső (6) felső végén a keringtetőcsőből (6) kiáramló folyadékáramot formáló rátét, célszerűen szellőző (4) van elrendezve.

3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a tartályban (1) nyílásokkal (20) kialakított vízszintes, szilérd tápanyagot hordozó tálca (19) van elrendezve.