HU199557B - Equipment of fermentation for breeding of aerobic microorganisms - Google Patents

Description

A találmány tárgya fermentációs berendezés mikroorganizmusok aerob tenyésztésére, amely berendezés két végén félkör alakban lezárt, fűthető, hűthető, kettősfalú hengeres testből áll, amelyben forgó tengelyre legalább két keverő van szerelve és amelyben légbevezető nyílás, légelvezető nyílás és legalább egy adagoló- és mintavevőcsonk, és legalább egy mérőhely van.

A mikroorganizmusok technológiai-szerű felhasználása a különböző gyártási folyamatokban azóta terjedt el fokozott mértékben, mióta a penicillin felfedezése és nagyüzemi előállítása kapcsán kidolgozták az aerob mikroorganizmusok mélykultúrás tenyésztésének módszerét.

Ezt a kevertetésen és levegőztetésen alapuló módszert az elmúlt több mint 40 évben tökéletesítették, illetve több irányban továbbfejlesztették, amelyekről kézikönyvekben is bőségesen olvashatunk (pl. Biotechnology Vol.

2. Editor: H. Brauer, 1985).

Ha eltekintünk a speciális célú készülékektől, pl. szövettenyésztésre alkalmazott, szennyvíztisztító reaktor, stb., a fejlesztés fő iránya a fermentor geometriai formáinak, a méretek arányainak, a keverők alakjának kutatására, fejlesztésére irányult, annak érdekében, hogy a legelterjedtebb felhasználási területre az antibiotikum enzim és aminosav-gyártásra univerzálisan használható fermentort alakítsanak ki.

E technológiákra általában jellemző a nagy oxigénigény. A mikroorganizmusok anyagcseréjéhez szükséges oxigént — mélykultúrás tenyésztési módnál oldott oxigént — kevertetéssel, levegőztetéssel általában biztosítják. A kevertetés, levegőztetés egyidőben és egyszerre több fontos funkciót is ellát:

— Biztosítja a fermentlé teljes térfogatában a homogenitást, mind a tápanyageloszlást, mind a kibocsátott anyagcseretermékeket illetően.

— Biztosítja az oxigén utánpótlást azáltal, hogy a befutott levegő diszpergálása révén nagy folyadék-gáz határfázist alakít ki, lehetővé téve így az oxigén beoldódását.

— Az átfúvott levegő öblítő hatását kihasználva biztosítja a gáznemü anyagcseretermékek eltávolítását.

A három funkció közül a legkritikusabb az oxigénutánpótlás megfelelő biztosítása.

Minél nagyobb a mikroorganizmus oxigén fogyasztása, annál több levegővel és annál hatékonyabb diszpergálással, azaz kevertetéssel lehet biztosítani az oxigén-felesleget, ami viszont nagyon komoly költségnövelő tényező. így érthető, hogy régóta keresik a módot az említett költségnövelő tényező mérsékelésére.

Születtek is megoldások, melyek ha csak részben is, és korlátozott felhasználhatósággal, de megfelelnek ennek az elvárásnak.

Ide sorolható a mammut-szivattyú elv, amelynél a keverőt egy nagy átmérőjű, a folyadékszint fölött végződő csővel veszik kö2 hu íyyoo/ a rül, és a levegőt alul a csőbe, a keverő alá fúvatják be. Hasonlóan működik az „air lift loop reaktor csak itt keverőt nem alkalmaznak. E megoldásoknál kisebb energia-bevitellel lehet mozgatni a folyadékot és viszonylag oxigéndűs körülményeket biztosítani a csövön belül, azonban a cső tetején -kiömlő tenyészetnek (fermentlének), — amíg a csőbe újra be nem kerül — egy viszonylag hosszú, holt, nem levegőztetett téren kell átmennie, és ezt kevés tenyészet viseli el károsodás nélkül.

Előnyösebbnek tűnik a folyadék-sugaras levegőztetés, amelynél egy szivattyú keringteti a tenyészlevet (fermentlét) egy külső körön, úgy hogy a fermentor aljából elszívja és a fermentor dómterében több atmoszférás sugár alakjában visszanyomja a fermentorba (jet-reaktor). Amíg a folyadéksugár a készülék tetejében lévő légtéren megy keresztül, annyi gázt vesz fel, hogy a teljes-fermentortenyészetet képes O₂ felesleggel ellátni. E megoldásnál a fajlagos energiaköltség igen kedvező, de a többlet beruházás költsége csak új telepítésnél és bizonyos fermentorméret fölött térül meg.

A fajlagos energiaigény csökkentésének szándéka szülte azt az új ún. „TOURS-fermentor konstrukciót, amely egy horizontálisan elhelyezkedő, körgyűrű-szerű, önmagába visszatérő cső, amelyben a folyadék körben és föl-le is mozog. A viszonylag nagy légtér és a kis hidrosztatikai nyomás előnyös állapotot biztosít az oxigén-ellátásnál, de ennek a készüléknek is megvan az a hátránya, hogy csak új telepítésnél fizetődik ki a többletberuházás, azonkívül igen nagy a helyigénye (A. EINSELE SWISS BIOTECHN. 46/ /1986 p. 21—24).

A felsorolt megoldások egyike sem alkalmas arra, hogy kis többletköltséggel a már meglévő hagyományos fermentorok energiaigényének csökkentését biztosítsa.

A találmány azon a felismerésen alapul, hogy az oxigénellátás fokozható a befutott levegő ismételt diszpergálásával. A hagyományos készüléknél ugyanis az oxigén bevi- t tel alacsony hatékonyságának a fő oka az a fizikai tény, hogy a keverők által diszpergált levegő gyorsan agglomerálódik és ezáltal lecsökken a folyadék-gáz határfázis, ' ami a gázcsere lelassulását vonja maga után.

Ezt az agglomerálódást a legalsó keverő fölötti keverők lényegesen nem befolyásolják, mert a buborékoknak csak töredéke jut be azok aktív keverési zónájába, a többi lényeges újra diszpergálás nélkül kikerüli a keverőt, illetve megszökik a készülék belső fala mentén.

A találmány feladata olyan berendezés létesítése mikroorganizmusok aerob tenyésztésére, amelynél az energiafelvételi igény csökkenthető és egyidejűleg az oxigénellátás fokozható, azonkívül a már meglévő berendezésekbe utólag beépíthető.

Ezt a feladatot a találmány értelmében azáltal oldjuk meg, hogy két szomszédos keverő közé alul, felül nyitott, kúpos terelőernyőt helyezünk el, amelynek alsó peremének külső kerülete kisebb, mint a hengeres test belső kerülete.

Előnyösen valamennyi ernyő és az alatta lévő keverő közé terelőgyűrűt helyezünk el, amelynek külső kerülete a berendezés hengeres testének belső falával érintkezik, belső kerülete pedig egyenlő vagy kisebb, mint a felette lévő ernyő alsó peremének külső kerülete.

Célszerűen az ernyő csonkakúp alakú.

A találmány szerint kialakított és elhelyezett terelőernyő a legalul lévő keverő által diszpergált, majd az agglomeráció útjára lépett levegőt összegyűjti és a levegőbuborékokat a fölötte lévő keverő aktív keverési zónájába juttatja, úgyhogy azok teljes mértékben újra diszpergálódnak. Ezt a folyamatot annyiszor ismételjük ahány keverő van a berendezésben. A többszöri diszpergálás lehetővé teszi, hogy kevesebb levegővel ugyanolyan oxigénellátást biztosítsunk, mint a hagyományos fermentorban, vagy értelemszerűen, változatlan mennyiségű levegővel jobb oxigénellátást érjünk él, mint amilyent a hagyományos fermentorban elértünk volna.

A terelőernyő levegőt összegyűjtő funkcióját nagymértékben fokozhatjuk azzal, hogy minden egyes ernyő alá és az alatta lévő keverő fölé terelőgyűrűt helyezünk el. Ez megakadályozza a berendezés hengeres fala mellett a levegő „megszökését, ugyanakkor nem akadályozza a folyadék, azaz a fermentlé függőleges irányú mozgását.

Mivel a terelőernyő és a terelőgyűrű használatával a levegő mozgási irányát egyértelműen meghatározhatjuk, ugyanakkor a folyadék függőleges irányú mozgását nem akadályozzuk, az egyes — terelőernyővel elkülönített — szektorok között a teljes homogenitás biztosítható.

A találmány szerinti megoldás további előnyt is biztosít. Ismeretes, hogy folyadékban egy keverő adott sebességgel történő forgatásához szükséges energia csökkenthető, ha a keverők alá gázt pl, levegőt fúvatunk be, mert a folyadék-gáz heterodiszperz rendszernek kisebb a keverővei szembeni ellenállása, mint a folyadéknak tisztán. A hagyományos fermentoi'oknál az alsó keverő alá juttatunk csak be levegőt, így csak ennek könnyített a járása, a többi keverő levegővel kevésbé elegyített közegben forog, nagyobb energiafelvétellel.

A találmány szerinti berendezésben anélkül, hogy külön levegőellátást kellene biztosítani az egyes keverőkhöz, minden keverő azonos, az adott körülmények között a legkisebb energia-felvételt igénylő folyadék-gáz heterodiszperz rendszerben forog. Ezt a keverők között elhelyezett .terelőernyők és az ezek alatt elhelyezett terelőgyűrűk teszik lehetővé.

A találmányt részletesebben az 1. ábra alapján ismertetjük, amely a találmány szerinti berendezés példakénti kiviteli alakját mutatja be, vázlatos hosszmetszetben.

Amint az ábrából látható, a berendezés kettősfalú hengeres 1 testből áll, amely két végén, alul és felül, félkör alakban le van zárva. Az 1 testen alul 2 légbevezető nyílás, felül 3 légelvezető nyílás van kialakítva. Az 1 testen felül ezenkívül legalább egy 22 adagolócsonk és alul 23 mintavevőcsonk van elhelyezve. Az 1 test palástján a 21 folyadékszint alatt 24 mérőhely van kialakítva. A hengeres 1 test a kettős falba bevezetett hideg folyadékkal hűthető, ill. a bevezetett meleg folyadékkal vagy gőzzel fűthető. Az 1 testben forgó 4 tengely van központosán elhelyezve, amelyre az ábrázolt kivitelnél három 5, 6, 7 keverő van rögzítve. A legalsó 5 keverő és fölötte lévő 6 keverő közé 8 terelőernyő, a 6 keverő és a fölötte lévő 7 keverő közé 9 terelőernyő van elhelyezve. A 8 és 9 terelőernyők kúposak, előnyösen csonkakúp alakúak. Az a kúpszög 90—120° között van. A csonkakúp alul és felül nyitott, úgyhogy a 4 tengely és a 8 terelőernyő között körgyűrű alakú 10 nyílás, a 4 tengely és 9 terelőernyő között körgyűrű alakú 11 nyílás marad szabadon. A 8 terelőernyő alsó peremének külső 12 kerülete, illetve a 9 terelőernyő alsó peremének külső 13 kerülete és a hengeres 1 test között körgyűrű alakú, b szélességű 14 rés marad szabadon, mert a 8, illetve 9 terelőernyő alsó peremének külső 12, illetve 13 kerülete kisebb, mint a hengeres 1 test belső kerülete. A 14 rés b szélessége a fermentorban lévő anyag konzisztenciájától függ, sűrűbb anyagnál a 14 rés b. szélességét nagyobbra választjuk. A 8, illetve 9 terelőernyő a kúpszögét ugyancsak a fermentorban lévő anyag konzisztenciája határozza meg.

A 8, illetve 9 terelőernyők és a közvetlenül alattuk lévő 5, illetve 6 keverők között 15, illetve 16 terelőgyűrűk vannak elhelyezve. Ezeknek külső kerülete a berendezés hengeres 1 testének belső falával érintkezik és az ábrázolt kivitelnél ahhoz van rögzítve. A 15, 16 terelőgyűrűk belső 17, illetve 18 kerülete egyenlő vagy kisebl. mint a felettük lévő 8, illetve 9 terelőernyő alsó peremének külső 12, illetve 13 kerülete. A 15 és 16 terelőgyűrű c szélessége másrészt az anyag konzisztenciájától is függ.

Ugyancsak az anyag konzisztenciájától függ a 15, illetve 16 terelőgyűrűnek a felette lévő 8, illetve 9 terelőernyőtől való 19, illetve 20 távolsága.

A rajzon a találmány szerinti berendezés egy kiviteli példáját mutattuk be, azonban az ernyő és gyűrű alakja, mérete és egymáshoz viszonyított aránya tetszés szerint változtatható.

A találmány szerinti berendezés a következőképpen működik: A fermentációs berendezésbe alul a 2 légbevezető nyíláson belé3

-3HU 199557 A pő levegő a berendezésben a 21 szintig betöltött folyadékban diszpergálódik az 5 keverő hatására. Az egyszer már diszpergált, majd az agglomeráció útjára lépett levegőt a 15 terelőgyűrű és a 8 terelőernyő a követ- 5 kező 6 keverő aktív keverési zónájába juttatja, és így az teljesen újra diszpergálódik.

Az ismét agglomerációra hajlamos buborékokat a 16 terelőgyűrű és a 9 terelőernyő a .7 keverő aktív keverési zónájába juttatja, így azok ismét újra diszpergálódnak.

Három szinten kevertetett modell-fermentorban összehasonlítottuk a szulfit-oxidációt, illetve az oxidáció során elfogyasztott oxigén mennyiségét vizes közegben, úgy hogy belehelyeztük a terelőernyőket és a terelőgyűrűket, illetve azok nélkül végeztük a kevertetést.

Az adatokat az alábbiak mutatják 1:0,4 arányú levegőztetés mellett:

fordulat szám	Az elmenő levegő O2 tartalma %-ban
terelőernyővel és terelőgyurú'vel	terelőernyő e's terelőgyűrú' nélkül
335 ford./perc	16,5	18,5
390 ford/perc	14,9	16,5
500 ford/perc	13,1	14,2

A táblázatból látható, hogy azonos keresztmetszet mellett a terelőernyő és terelőgyűrű használata esetén az átfúvatott 21% oxigéntartalmú levegőből nagyobb mennyiségű oxigén nyelődött el. Hasonló arányban változott más levegőztetési aránynál is a két oszlopsor.

Vizsgáltuk az energiaigényt is. Az adott 35 modellrendszerben közel 30%-os volt az energia beviteli igény csökkenése,de ezt a számot a készülék konstrukciója (geometriai forma, terelőelemek mérete, száma) erősen befolyásolja, és ezek optimális megváltoztatásával 40 még jelentősebb lehet az energiamegtakarítás.

Claims (3)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Fermentációs berendezés mikroorganizmusok aerob tenyésztésére, amely két végén félkör alakban lezárt, fűthető, hűthető, kettősfalú hengeres testből (1) áll, amelybe gg forgó tengelyre (4) legalább két keverő (5, 6) van szerelve és amelyben légbevezető nyílás (2) és légelvezető nyílás (3) és legalább egy adagolócsonk (22) és mintavevőcsonk (23) és legalább egy mérőhely (24) van, azzal jellemezve, hogy két szomszédos keverő (5, 6, 7) közé alul, felül nyitott, célszerűen kúpos terelőernyő (8, 9) van elhelyezve, amelynek alsó peremének külső kerülete (12, 13) kisebb, mint a hengeres test (1) belső kerülete.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy valamennyi terelőernyő (8, 9) és az alattuk lévő keverő (5, 6, 7) közé terelőgyürű (15, 16) van elhelyezve, amelynek külső kerülete a berendezés hengeres testének (1) belső falával érintkezik, belső kerülete (17, 18) pedig egyenlő vagy kisebb, mint a felette lévő terelőernyő (8, 9) alsó peremének külső kerülete (12, 13).
3. 3. Az 1. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a terelőernyő (8, 9) csonkakúp alakú és a kúpszög (a) 90°—120°.