NO144063B - Fremgangsmaate og apparat for aerob kultivering av mikroorganismer - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og et apparat for aerob kultivering av mikroorganismer i et medium som fortrinnsvis omfatter et hydrokarbon eller et oksygenert hydrokarbon som karbonkilde. Fremgangsmåten er av den art hvor kulturblandingen kontinuerlig sirkuleres i et system omfattende en stiger og en synker som er anordnet koaksialt, hvor stigeren ved sin nedre ende er i forbindelse med synkerens nedre ende og ved sin øvre ende er gjennom en gassfrigjøringsseksjon forbundet med synkerens øvre ende, og hvor stigeren har en Øvre seksjon og en nedre seksjon som har større tverrsnittsareal enn den øvre seksjon, og hvor en oksygenholdig gass innføres i væsken i stigerens nedre seksjon.

Industrielle fermenteringsprosesser i stor skala f.eks. prosesser for fremstilling av enkeltcelleprotein, utføres hensikts-, messig i trykksyklusfermentorer, f.eks. fermenteringsanlegg av den type som er beskrevet i britiske patenter 1 353 008, 1 417 486 og 1 417 487. De to sistnevnte patenter svarer til norsk patentsøknad 74 1770. I slike fermentorer sirkuleres det kontinuerlig en kultur rundt i systemet som omfatter et kammer med en oppstigende strøm eller stiger og et kammer med nedstigende strøm eller synker som er forbundet med hverandre ved sine øvre og nedre ender,

og hvor aerering og sirkulering av kulturen oppnås ved tilsetning av luft i stigerens nedre parti.

Det er nødvendig ved slike trykksyklusfermentorer at

de har innretninger for utskilling av luften som har boblet gjennom den sirkulerende kultur. Således må det være en seksjon ved fermentorens øvre ende, hvori væskekulturen har en fri overflate. Luftbobler stiger opp til denne frie overflate og luft frigjøres

da fra væskekulturen.

Den luftfraskillende seksjon kan være i form av er ho-risontalt rør som forbinder de øvre ender av stigeren og synkeren og som under drift av fermentoren er omtrent halvfylt med væskekulturen. Det vesentlige funksjonsparameter for luftfraskillel-sesseksjonen er områder av fri væskeoverflate. Arealet som kre-ves for luftfraskillelse under ideelle forhold, kan regnes ut fra ligningen (1):

Ideelle forhold forutsetter bl.a. at (a) bevegelsen av væsken selv er jevn og ensartet og (b) at det er liten varia-sjon i boblenes stigehastighet. I praksis stemmer dette for (b), men når det gjelder (a) er forholdet anderledes, fordi væskebeve-gelsen er ytterst turbulent. Følgen er at arealet regnet ut fra ligningen (1) er for lite og det har vært vanlig praksis å fordoble arealet regnet etter ligningen (1) for å sikre tilstrekkelig frigjørelse av gass.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte art og et apparat som mu-liggjør en mer effektiv gassutskillelse enn hittil med en fri overflate med mindre areal og under ensartet strømning av væsken nedover gjennom gassfrigjøringsseksjonen. Dette er ifølge oppfinnelsen oppnådd ved at gassfrigjøringsseksjonen har et tverrsnittsareal som har nesten den samme størrelse eller er større enn tverrsnittsarealet av stigerens nedre seksjon og en lengde som er nesten lik lengden av stigerens øvre seksjon, hvor væsken strømmer nedover med en hastighet som ikke overskrider 0,2 meter pr. sekund.

Apparatet hvori fremgangsmåten utføres, er av den art som omfatter en stiger og en synker som er anordnet koaksialt med stigeren, hvor stigeren ved sin nedre ende er i forbindelse med synkerens nedre ende og over sin øvre ende gjennom en gassfrigjø-ringsseks jon er forbundet med synkerens øvre ende, hvor stigeren har en øvre seksjon og en nedre seksjon som har større tverrsnittsareal enn den øvre seksjon, og innretninger i den nedre stigerseksjon for innføring av gass til samme. Ved den særegne utforming av apparatets gassfrigjøringsseksjon, som har et tverrsnittsareal som er nesten like stort som eller større enn tverrsnittsarealet av stigerens nedre seksjon og en lengde som er nesten lik lengden av stigerens øvre seksjon, oppnås at man bare behøver å forøke det ved hjelp av ligningen (1) beregnede frie overflateareal med 20% for å oppnå en effektiv gassutskillelse istedenfor å fordoble det som tidligere.

For enkelthets skyld skal stigerens øvre seksjon nedenfor kalles tut og stigerens nedre seksjon potte.

Fraskillingsseksjonen er fortrinnsvis utført som et kar som omgir tuten og opptar det volum av fermentoren over potten som ikke er opptatt av tuten. På denne måte tilveiebringes en beholder som er konstruksjonsmessig ganske sterk og som kan bygges opp uten ytre støtter. Avhengig av den nødvendige strøm-ningshastighet i stigeren kan fraskillingsseksjonens tverrsnittsareal overskride pottens areal, i hvilket tilfelle fermentorbe-holderen får en lukeaktig utforming.

I fermentoren som er beskrevet i foregående avsnitt, opptar stigeren det midtre område av fermentoren og er omgitt av fraskillingsseksjonen og synkeren. Det er imidlertid like mulig og i noen tilfelle å foretrekke at fraskillingsseksjonen og synkeren ér anordnet i midten, mens potten og tuten er i form av ringrom som omgir fraskillingsseksjonen og synkeren. I et slikt tilfelle kan tuten være en fullstendig ring eller den kan være delt i et antall segmenter, f.eks. to halvsirkelformede segmenter.

I fraskillingsseksjonen er væskestrømretningen motsatt tutens, dvs. nedover. Gassbobler som måtte befinne seg i denne seksjon, vil stige opp, dvs. i motstrøm til væskestrømmen. Fra-skillingsseks jonen kalles nedenfor strupe og nedstigningsseksjo-nen synker.

I trykksyklusfermentoren forårsakes strømmen av differ-ansen i hulromvolumet mellom stigeren og synkeren. Således kan ikke væskens hastighet nedover i strupen i apparatet ifølge oppfinnelsen overstige den naturlige oppstigningshastighet for boblene ellers ville boblene trekkes nedover og hulromforskjellen mellom stigeren og synkeren ville oppheves.

I praksis er tilfellet slik for små gasshastigheter

når sirkulasjonshastigheten begrenses av hydrauliske tap at alle bobler fra tuten stiger opp til den frie overflate og frigjøres. Etter som lufthastigheten øker og sirkulasjonshastigheten tiltar, bæres en del av gassen ned i strupen. Drivkraften avtar og systemet bringes ned til en tilstand hvor bobletåken som dannes i strupen, strekker seg nedover til et bestemt nivå, men ikke vide-re. Nettovirkningen er at væskehastigheten i strupen styres frem til en verdi på omtrent 0,2 m/sek. Følgen er at når det dreier seg om størrelsen av fraskillingsarealet, kan ligningen (1) brukes hvis hastigheten er pi 2 m/sek., hvilket representerer bare en økning på omtrent 20% sammenlignet med den typiske boble-stigehastighet på 0,25 m/sek.

Apparatet ifølge oppfinnelsen kan omfatte en varmeveksler som i tilfelle av en fermentor kan tjene som en kjøler for å hindre at den sirkulerende kulturs temperatur øker over den opti-male temperatur for mikroorganismenes vekt i kulturen. I store fermentorer kan kjøleren være plassert enten i synkeren eller i potten eller kan danne overgangen mellom dem. Fortrinnsvis har fermentoren en total diameter på minst 4 m. Potten, tuten, strupen og synkeren kan da alle sammen være anordnet innenfor en fel-les yttermantel.

Fortrinnsvis er apparatet ifølge oppfinnelsen et fermenteringsanlegg med en høyde på minst 20 m, særlig mellom 30 og 50m. For mindre fermentorer, såsom opp til 30 m høyde, er væskestrøm-mens hastighet i potten hensiktsmessig omtrent den samme som i strupen og tverrsnittsarealene av disse partier kan hensiktsmessig være like. I større fermenteringsanlegg vil i tilfelle av at væskehastighetene i potten og strupen er like, væskesirkulasjons-tiden være større enn nødvendig for optimal masseoverføring av en oksygenholdig gass til den sirkulerende kultur. I slike fermentorer (f.eks. en fermentor med en totalhøyde på 50 m og en potte med høyde 35 m) foretrekkes at tverrsnittsarealet av strupen økes f.eks. til omtrent det dobbelte av pottens tverrsnittsareal.

I en fermentor hvor både stigeren og synkeren er anordnet innenfor en enkelt beholder, vil dette innebære et overheng av strupen over kombinasjonen av potten og synkeren. Selv om det er konstruksjonsmessig sett uønskelig, er det nødvendige overheng ikke stort og mindre enn det ville være nødvendig for en fraskillingsseksjon med horisontal strømming i en ellers lik fermentor. Overhenget kan reduseres ved å utføre strupen med .stort sett konisk utforming istedenfor sylindrisk.

Hovedstedet for innføring av gass er i det nedre parti av stigeren. Mindre mengder gass kan imidlertid føres inn i systemet på andre steder, særlig inn i synkeren. Gass som innføres i synkeren hvor væskens hastighet er tilstrekkelig stor for å bære boblene nedover, kan benyttes til økning av masseoverføring av gass til sirkulerende væske og dermed reduksjon av kompresjonsom-kostninger. Gass kan også føres inn i strupen og under igangset-ning av apparatet enten i potten eller tuten i de områder hvor de går over i hverandre.

Apparatet ifølge oppfinnelsen kan benyttes for fermentorer av enhver type, særlig meget, store fermentorer. Det er og-så anvendelig og hensiktsmessig for forholdsvis små hjelpefermen-torer, f.eks. for inokulasjon og effluent behandling i en enkeltcelleprotein-produksjonsprosess. Som eksempler på prosesser hvor oppfinnelsen kan være nyttig, kan nevnes fremstilling av enkeltcelleprotein, såsom ved dyrking av bakterier på et substrat som inneholder hydrokarbon eller oksygenert hydrokarbon (f.eks. meta-nol} prosesser for. fremstilling av amino7 og andre organiske sy-rer (f.eks. sitronsyre) og prosesser for fremstilling av enzymer (f .eks. glukose isomerase) og antibiotika (f .eks. peniciJlin) .

Typiske foretrukne væskehastigheter i de forskjellige seksjoner av apparatet er som følger:

Hensiktsmessig er lengden av strupen omtrent den samme som for tuten og lengden av potten omtrent den samme som av synkeren. Synkeren og tuten har fortrinnsvis omtrent like store effek-tive tverrsnittsarealer.

Apparatets ytre mantel omgir fortrinnsvis rommene over og under stiger/synkersystemet. Det øvre rom inneholder hensiktsmessig skumseparatorer eller sykloner, mens det nedre rom kan in-neholde en varmeveksler. Spredere for innsprøytning av gass i stigerens nedre parti kan være anordnet i det nedre rom under stigerens nedre ende.

Den geometriske utforming av foretrukne utførelser av apparatet ifølge oppfinnelsen tillater nyttige besparelser i anleg-gets størrelse og kompliserbarhet og kan sikre forbedringer i strømningskontrollen.

Forskjellige geometriske utforminger er mulige, men i de fleste tilfelle, særlig store fermenteringsanlegg, foretrekkes koaksiale og symmetriske anordninger selv om ikke-koaksiale og ikke-symmetriske ikke er utelukket. Når det f.eks. dreier seg om konstruksjon av mindre fermenteringsanlegg, kan de forskjellige innsnevringer som krever særlig vedlikehold og adkomst, føre til at det kan være påkrevet med en ikke-koaksial og/eller ikke-symme-trisk konstruksjon.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere ved hjelp av eksempler under henvisning til tegningené med fig.l til 5 som viser skjematisk fem varianter av fermentorer i samsvar med oppfinnelsen.

Hver variant har en stiger som omfatter en potte 1 og en tut 2 som er i forbindelse med hverandre gjennom en overgangs-seksjon 7. Hver variant har også en strupe 3 og en synker 4. Tuter 2 munner ut i strupene 3, som er i forbindelse med synkerne 4, hvis nedre ender er i forbindelse ned pottene 1. Luft sprøytes inn i de nedre partier av pottene 1 ved hjelp av spredere 5 som tvinger kulturen som befinner seg i fermentorene til å stige opp i stigerne og til å flyte over i strupene 3 og derfraii synkerne 4. Kulturen fyller fermentorene tLl nivåene A-A, mens området over nivåene B-B i strupene er opptatt av bobleaktig kultur.Det er fra området over nivået B-B i strupen 3 at gassen forlater kulturen for å slippes ut gjennom porter 6 ved fermentorens øvre ender. Tuten 2 og strupen 3 og likeså synkeren 4 og potten 1 er anordnet innbyrdes koaksiale. Strupen og synkeren omgir stigeren ved utfø-relsen ifølge fig. 1,2 og 5. Stigeren omgir strupen og synkeren ved utførelsen ifølge fig. 3 og 4. I utførelsen ifølge fig. 2 og 4, danner strupen 3 overheng over synkeren 4, mens ifølge fig. 3 er strupen 3 sylindrisk og ifølge fig. 5 konisk. I fermentoren ifølge fig.3 kan ytterligere luft sprøytes inn i synkeren 4 ved hjelp av sprederen 8. Fig. 4 viser det øvre parti av en fermentor hvor tuten 2 er delt i et antall forgreninger som hver har sirkulært tverrsnitt.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte for aerob kultivering av mikroorganismer i et medium som fortrinnsvis omfatter et hydrokarbon eller et oksygenert hydrokarbon som karbonkilde, hvor kulturblandingen kontinuerlig sirkuleres i et system omfattende en stiger og en synker som er anordnet koaksialt, hvor stigeren ved sin nedre ende er i forbindelse med synkerens nedre ende og ved sin øvre ende er gjennom en gassfrigjøringsseksjon forbundet med synkerens øvre ende, og hvor stigeren har en øvre seksjon og en nedre seksjon som har større tverrsnittsareal enn den øvre seksjon, og hvor en oksygenholdig gass innføres i væsken i stigerens nedre seksjon, karakterisert ved at gassfri-gjøringsseksjonen har et tverrsnittsareal som har nesten den samme størrelse eller er større enn tverrsnittsarealet av stigerens nedre seksjon og en lengde som er nesten lik lengden av stigerens øvre seksjon, hvor væsken strømmer nedover med en hastighet som ikke overskrider 0,2 meter pr. sekund.

2. Apparat til utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1, omfattende en stiger (1,2) og en synker (4) som er anordnet koaksialt med stigeren, hvor stigeren ved sin nedre ende er i forbindelse med synkerens nedre ende og over sin øvre ende gjennom en gassfrigjøringsseksjon (3) er forbundet med synkerens øvre en-de, hvor stigeren (1,2) har en øvre seksjon (2) og en nedre seksjon (1) som har større tverrsnittsareal enn den øvre seksjon, og innretninger (5) i den nedre stigerseksjon (1) for innføring av gass til samme, karakterisert ved at gassfrigjø-ringsseksjonen har et tverrsnittsareal som er nesten like stort som eller større enn tverrsnittsarealet ^v stigerens nedre seksjon og en lengde som er nesten lik lengden av stigerens øvre seksjon, hvori væsken strømmer nedover med en hastighet som ikke overskrider 0,2 meter pr. sekund.