PL238293B1

PL238293B1 - Bioreactor

Info

Publication number: PL238293B1
Application number: PL421418A
Authority: PL
Inventors: Marian Kordas; Rafał Rakoczy; Grzegorz Story; Krystian Jasiński
Original assignee: Univ West Pomeranian Szczecin Tech
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2021-08-02
Also published as: PL421418A1

Abstract

Bioreaktor, zawierający płaszcz zewnętrzny, pionową cylindryczną przegrodę pełniącą role wymiennika ciepła, pręt połączony z przegrodami, mieszadło obrotowe, bełkotkę, króćce i zawory, charakteryzuje się tym, że ma co najmniej cztery przegrody (1) o kształcie stanowiącym wycinek pierścieniowy koła, rozmieszczone symetrycznie względem osi podłużnej bioreaktora, przy czym dwie przegrody (1) połączone są trwale z pionową cylindryczną przegrodą (2), pełniącą rolę wymiennika ciepła, umieszczoną wewnątrz płaszcza zewnętrznego (3), zaś kolejne dwie przegrody (1) połączone są trwale za pomocą łącznika (5) z prętem (4). Poniżej cylindrycznej przegrody (2) jest, zamocowane na wale obrotowym (7), mieszadło obrotowe (6), poniżej którego znajduje się bełkotka (8), za pomocą której dostarczany jest gaz do układu. Pręt (4) zamontowany jest w bioreaktorze osiowo. Przegrody (1) są prostopadłe do osi podłużnej bioreaktora lub mogą być też zamontowane z obrotem o kąt 30° względem osi podłużnej łącznika (5) łączącego przegrody (1) z prętem (4). Przegrody (1) mogą być perforowane. Korzystnie na pręcie (4), pod przegrodami (1) zamocowany jest trwale co najmniej jeden element zaburzający, w kształcie bryły, która powstała w wyniku połączenia dwóch stożków ich podstawami. Pionowa cylindryczna przegroda (2) zamontowana jest w osi bioreaktora, a czynnik dostarczany do niej jest za pomocą króćca (10) i odbierany za pomocą rury (11).The bioreactor, containing an outer jacket, a vertical cylindrical partition acting as a heat exchanger, a rod connected to the partitions, a rotary mixer, a bubbler, stubs and valves, is characterized by having at least four partitions (1) in the shape of a circular segment, arranged symmetrically relative to the longitudinal axis of the bioreactor, where two partitions (1) are permanently connected to the vertical cylindrical partition (2), acting as a heat exchanger, located inside the outer jacket (3), and the next two partitions (1) are permanently connected using a connector ( 5) with rod (4). Below the cylindrical partition (2), there is a rotary mixer (6) mounted on the rotating shaft (7), below which there is a bubbler (8) through which gas is supplied to the system. The rod (4) is mounted axially in the bioreactor. The partitions (1) are perpendicular to the longitudinal axis of the bioreactor or can also be mounted with a rotation of 30° relative to the longitudinal axis of the connector (5) connecting the partitions (1) with the rod (4). The partitions (1) can be perforated. Preferably, at least one disturbing element is permanently mounted on the rod (4), under the partitions (1), in the shape of a solid resulting from the connection of two cones with their bases. A vertical cylindrical partition (2) is mounted in the axis of the bioreactor, and the medium is supplied to it via a stub pipe (10) and removed via a pipe (11).

Description

W procesie hodowli mikroorganizmów stosowane są aparaty wytwarzające niskie naprężenia ścinające. Przykładem tego typu aparatów są kolumny air-lift lub mieszalniki wyposażone w mieszadła wolnoobrotowe. W wielu typach bioreaktorów stosowane są również dodatkowe elementy, które mają za zadanie zintensyfikować proces wymiany ciepła lub masy w celu zapewnienia odpowiednich warunków w celu prowadzenia hodowli.In the process of growing microorganisms, devices generating low shear stress are used. Examples of this type of apparatus are air-lift columns or mixers equipped with low-speed mixers. In many types of bioreactors, additional elements are also used to intensify the heat or mass exchange process in order to provide the appropriate conditions for the cultivation.

W praktyce przemysłowej do produkcji biomasy stosowane są zazwyczaj aparaty, wyposażone w różnego typu mieszadła mechaniczne. Proces mieszana umożliwia wytworzenie odpowiedniej cyrkulacji płynu wewnątrz aparatu, co może wpływać na szybkość procesów transportu masy, pędu i energii. Odpowiedni dobór elementu mieszającego umożliwia również wytworzenie optymalnych warunków do prowadzenia procesów z wykorzystaniem mikroorganizmów.In industrial practice, the production of biomass usually involves apparatuses equipped with various types of mechanical agitators. The mixed process enables the production of an appropriate fluid circulation inside the apparatus, which may affect the speed of mass, momentum and energy transport processes. Appropriate selection of the mixing element also enables the creation of optimal conditions for conducting processes with the use of microorganisms.

Najczęściej występującym problemem w mieszalnikach mechanicznych jest zapewnienie odpowiedniego stopnia burzliwości mieszanego płynu w całej objętości zbiornika. W celu zapewnienia właściwego przeprowadzenia procesu mieszania możliwe jest: zwiększenie częstotliwości obrotów pojedynczego mieszadła; umieszczenie na jednym wale kilku mieszadeł; niecentryczne ustawienie mieszadła; zastosowanie mieszadła umieszczonego z boku, w dnie zbiornika lub też zainstalowanie kilku mieszadeł na odrębnych wałach.The most common problem in mechanical mixers is to ensure the appropriate degree of turbulence of the mixed fluid in the entire volume of the tank. In order to ensure the proper conduct of the mixing process, it is possible to: increase the rotation frequency of a single stirrer; placing several agitators on one shaft; eccentric setting of the agitator; the use of an agitator placed on the side, in the bottom of the tank, or the installation of several agitators on separate shafts.

Układ mieszadeł na wspólnym wale lub umieszczenie kilku odrębnie napędzanych mieszadeł zapewnia lepsze wymieszanie płynu i wiąże się ze zwiększeniem energochłonności prowadzonego procesu. Z kolei zwiększenie częstości obrotów mieszadła wpływa na zwiększenie naprężenia ścinającego, które niekorzystnie wpływają na prowadzoną hodowlę mikroorganizmów.A system of agitators on a common shaft or placing several separately driven agitators ensures better mixing of the fluid and increases the energy consumption of the process. On the other hand, increasing the stirrer rotation frequency increases the shear stress, which adversely affects the cultivation of microorganisms.

W celu zapewnienia większej burzliwości mieszanego medium w bioreaktorach, stosuje się różnego typu przegrody, które mają również za zadanie ograniczyć ruch okrężny cieczy w mieszalniku. Cechują się one różną geometrią, rozmieszczeniem w przestrzeni zbiornika oraz ilością. Zastosowanie przegród wiąże się jednak ze zwiększeniem energochłonności prowadzonego procesu. W niektórych rozwiązaniach konstrukcyjnych bioreaktorów stosowane są wewnątrz aparatu, mniejsze cylindryczne przegrody, które mają za zadanie ukierunkować cyrkulację płynu oraz zintensyfikować cyrkulację płynu wewnątrz aparatu przy mniejszym zużyciu energii.In order to ensure greater turbulence of the mixed medium in bioreactors, various types of baffles are used, which are also designed to limit the circular movement of the liquid in the mixer. They are characterized by different geometry, arrangement in the tank space and quantity. The use of partitions, however, is associated with an increase in the energy consumption of the process. In some design solutions of bioreactors, smaller cylindrical partitions are used inside the apparatus, which are designed to direct the fluid circulation and intensify the circulation of the fluid inside the apparatus with lower energy consumption.

Znany z opisu patentowego US 8846382 B2 aparat ma centrycznie, zamontowaną wewnątrz elastycznego zbiornika pionową pompowaną, cylindryczną przegrodę, która ma za zadanie odpowiednio ukierunkować cyrkulację cieczy wewnątrz aparatu. Do wnętrza cylindrycznej przegrody wprowadzany jest z zewnątrz gaz wywołując cyrkulacje płynu oraz wymianę masy.The apparatus known from the patent specification US 8,846,382 B2 has a centrally mounted vertical pumped cylindrical baffle inside a flexible tank, which is to properly direct the circulation of the liquid inside the apparatus. Gas is introduced into the cylindrical partition from the outside, causing fluid circulation and mass exchange.

Znany z opisu patentowego US 20110312087 A1 bioreaktor ma dwa mieszadła mechaniczne osadzone na jednym wale. Poniżej mieszadeł znajduje się bełkotka, służąca do wprowadzenia gazu do mieszanego układu. Wał jest wprowadzony centrycznie od góry do zbiornika, w którym prowadzona jest hodowla w skali przemysłowej.The bioreactor known from the patent description US 20110312087 A1 has two mechanical agitators mounted on one shaft. There is a bubbler below the mixers, which is used to introduce gas into the mixed system. The shaft is centrally inserted from the top into the cultivation tank on an industrial scale.

Znany z opisu patentowego US 20090130704 A1 aparat zbiornikowy wyposażony jest w płaszcz grzejny oraz centrycznie wprowadzone od dołu mieszadło mechaniczne. Aparat stosowany jest do wytwarzania biomasy, wodoru, produkcji produktów chemicznych i farmaceutycznych.The tank apparatus known from the patent description US 20090130704 A1 is equipped with a heating mantle and a mechanical stirrer centrally introduced from the bottom. The apparatus is used for the production of biomass, hydrogen, and the production of chemical and pharmaceutical products.

Znany z opisu patentowego US4906577 bioreaktor wyposażono w mieszadło ślimakowe mające na celu zapewnienie osiowej cyrkulacji płynu. Wewnątrz zbiornika bioreaktora umieszczono cylindryczny płaszcz grzejny pełniący również rolę wewnętrznej przegrody.The bioreactor known from US4906577 is equipped with a screw agitator to ensure the axial circulation of the fluid. Inside the bioreactor tank there is a cylindrical heating mantle that also acts as an internal partition.

Znany jest z opisu patentowego CN105219618 bioreaktor wyposażony osiowo w pionową wewnętrzną cylindryczną przegrodę, do której od góry wprowadzono mieszadło obrotowe. Mieszadło wymusza przepływ cieczy w pionie od góry w kierunku dystrybutora gazu umieszczonego przy dnie zbiornika. Wytworzony układ ciecz-gaz wznosi się pionowo na zewnątrz cylindrycznej przegrody tworząc pętle cyrkulacyjną płynu.There is known from the patent description CN105219618 a bioreactor equipped axially with a vertical internal cylindrical partition, into which a rotary stirrer is introduced from above. The agitator forces the liquid to flow vertically from the top towards the gas distributor located at the bottom of the tank. The resulting liquid-gas system rises vertically outside the cylindrical partition to form a fluid circulation loop.

Znany z opisu patentowego CN102796650A bioreaktor typu air-lift wyposażono osiowo w dwie pionowe cylindryczne przegrody oraz dystrybutor gazu przy dnie zbiornika. Gaz wprowadzany jest na zewnątrz cylindrycznych przegród i wznosi się (wraz z cieczą) ku powierzchni swobodnej, następnie ciecz pozbawiona pęcherzyków gazu opada wewnątrz przegród tworząc pętle cyrkulacyjne. Dwie cylindryczne przegrody umieszczono w osi zbiornika w taki sposób, że utworzona jest przerwa między nimi. Przerwa ta umożliwia wytworzenie się dodatkowych pętli cyrkulacyjnych wzdłuż pionowej osi bioreaktora.The air-lift bioreactor known from the CN102796650A patent is axially equipped with two vertical cylindrical baffles and a gas distributor at the bottom of the tank. The gas is introduced outside the cylindrical partitions and rises (together with the liquid) towards the free surface, then the liquid, free of gas bubbles, falls inside the partitions creating circulation loops. Two cylindrical partitions are placed in the axis of the tank in such a way that a gap is created between them. This pause allows the formation of additional circulation loops along the vertical axis of the bioreactor.

PL 238 293 B1PL 238 293 B1

Z opisu patentowego US2011059523 znany jest mieszalnik, który zawiera przegrody w formie pionowych listew, które pełnią dodatkową funkcję wymiany ciepła. W zgłoszeniu patentowym WO2016001791 przedstawiono reaktor mieszalnikowy zawierający wiele przegród pionowych, pozbawione są bezpośredniego kontaktu ze sobą. Przegroda zawiera wydrążoną cylindryczną strukturę z zasadniczo spłaszczoną sekcją przegrody pomiędzy sekcją górną a sekcją dolną. Urządzenie zawiera ponadto dźwignię utworzoną przez część górnej sekcji wygiętą pod prostopadłym kątem, dźwignia jest skonfigurowana do regulowania uderzenia przegrody przez regulację położenia przegrody względem wewnętrznej ściany reaktora. W opisie patentowym US2007167647 przedstawiony jest reaktor, którego konstrukcja oparta jest na konstrukcji wymiennika ciepła płaszczowo rurowego, jednak w tym rozwiązaniu zastosowano przegrody zmuszające ciecz w przestrzeni międzyrurowej do pokonania dłuższej drogi poprzez utworzony labirynt przez przegrody. Podobnie rozwiązanie przedstawiono w opisie US2005148793, jednak zastosowano w nim dodatkową cyrkulację w przestrzeni międzyrurowej stosując pompę obiegową. W tym rozwiązaniu również nie ma żadnej możliwości zmiany geometrii przegród oraz ich położenia w aparacie podczas jego pracy jak to ma miejsce z naszym zgłoszeniu.From the patent description US2011059523 a mixer is known, which includes partitions in the form of vertical slats which perform an additional function of heat exchange. The patent application WO2016001791 shows a stirred-tank reactor containing a number of vertical partitions, which are devoid of direct contact with each other. The partition comprises a hollow cylindrical structure with a substantially flattened partition section between the upper section and the lower section. The device further comprises a lever defined by a perpendicularly angled portion of the upper section, the lever configured to regulate the impact of the baffle by adjusting the position of the baffle with respect to the inner wall of the reactor. Patent description US2007167647 describes a reactor, the structure of which is based on the structure of a shell-and-tube heat exchanger, but in this solution there are baffles forcing the liquid in the inter-pipe space to travel a longer path through the maze created through the baffles. A similar solution is presented in the description of US2005148793, but it uses additional circulation in the inter-pipe space using a circulation pump. In this solution, there is also no possibility of changing the geometry of the partitions and their position in the apparatus during its operation, as is the case with our application.

Znany jest ze zgłoszenia patentowego P.403675 mieszalnik do mieszania biocieczy, zawierający zbiornik, płaszcz termostatujący, wał, mieszadło, który charakteryzuje się tym, że ma osadzone na wale w osi zbiornika co najmniej jedno mieszadło, składające się z piasty, do której przymocowane są krótszymi krawędziami co najmniej dwie wewnętrzne łopatki, których dłuższe, przeciwległe krawędzie przymocowane są do wewnętrznej powierzchni cylindrycznej przegrody, zaś do zewnętrznej powierzchni cylindrycznej przegrody przymocowane są krótszymi krawędziami co najmniej dwie zewnętrzne łopatki. Wewnętrzne łopatki pochylone są w przeciwną stronę niż zewnętrzne łopatki. Pod wałem, przy dnie zbiornika, w jego osi, umieszczona jest bełkotka składająca się z cylindrycznej przegrody, do której wewnętrznej powierzchni przymocowana jest pierścieniowa, perforowana rura. Zadaniem bełkotki jest ukierunkowanie pęcherzyków rozproszonego gazu w taki sposób, aby przepływająca przez warstwę cieczy faza gazowa znajdowała się w cylindrycznej przegrodzie mieszadła. W przypadku mieszania płynów charakteryzujących się większą lepkością, wewnętrzne łopatki oraz zewnętrzne łopatki są perforowane. Korzystnie wewnętrzne łopatki oraz zewnętrzne łopatki rozmieszczone są naprzeciwko siebie. Mieszalnik może być wyposażony w element dystansowy, który stosuje się w celu zwiększenia wysokości mieszadła osadzając element dystansowy na wale, pomiędzy mieszadłami. Element dystansowy zbudowany z piasty, do której za pomocą prętów przymocowana jest cylindryczna przegroda. Korzystnie mieszadło ma dwie wewnętrzne łopatki i dwie zewnętrzne łopatki rozmieszczone co 180° lub trzy wewnętrzne łopatki i trzy zewnętrzne łopatki rozmieszczone co 120°.There is known from the patent application P.403675 a mixer for mixing bioliquids, including a tank, thermostatic jacket, shaft, agitator, which is characterized in that it has at least one agitator mounted on the shaft in the axis of the tank, consisting of a hub to which are attached with the short edges, at least two inner blades whose longer, opposing edges are attached to the inner surface of the cylindrical baffle, and at least two outer blades are attached to the outer surface of the cylindrical baffle with the shorter edges. The inner blades are sloped in the opposite direction to the outer blades. Under the shaft, at the bottom of the tank, in its axis, there is a bubbler consisting of a cylindrical partition, to the inner surface of which is attached an annular, perforated pipe. The task of the sparger is to direct the dispersed gas bubbles in such a way that the gas phase flowing through the liquid layer is in the cylindrical partition of the stirrer. When mixing more viscous liquids, the inner blades and outer blades are perforated. Preferably, the inner blades and the outer blades are opposed to each other. The mixer can be equipped with a spacer which is used to increase the height of the agitator by mounting the spacer on the shaft between the agitators. A spacer is made of a hub to which a cylindrical partition is attached to it by means of rods. Preferably the stirrer has two inner blades and two outer blades spaced 180 ° or three inner blades and three outer blades spaced 120 °.

Znany jest ze zgłoszenia patentowego P.403677 mieszalnik statyczny do mieszania cieczy, zwłaszcza biocieczy, zawierający zbiornik, płaszcz termostatujący, mieszadło, który charakteryzuje się tym, że ma osadzone na pręcie montażowym przymocowanym do dna zbiornika w jego osi co najmniej jedno mieszadło, składające się z piasty, do której przymocowane są krótszymi krawędziami co najmniej dwie wewnętrzne łopatki, których dłuższe, przeciwległe krawędzie przymocowane są do wewnętrznej powierzchni cylindrycznej przegrody, zaś do zewnętrznej powierzchni cylindrycznej przegrody przymocowane są krótszymi krawędziami co najmniej dwie zewnętrzne łopatki. Wewnętrzne łopatki pochylone są w przeciwną stronę niż zewnętrzne łopatki. Przy dnie zbiornika, w jego osi, umieszczona jest bełkotka składająca się z cylindrycznej przegrody, do której wewnętrznej powierzchni przymocowana jest pierścieniowa, perforowana rura. Zadaniem bełkotki jest ukierunkowanie pęcherzyków rozproszonego gazu w taki sposób, aby przepływająca przez warstwę cieczy faza gazowa znajdowała się w cylindrycznej przegrodzie mieszadła. W przypadku mieszania płynów charakteryzujących się większą lepkością, wewnętrzne łopatki oraz zewnętrzne łopatki są perforowane. Korzystnie wewnętrzne łopatki oraz zewnętrzne łopatki rozmieszczone są naprzeciwko siebie. Mieszalnik może być wyposażony w element dystansowy, który stosuje się w celu zwiększenia wysokości mieszadła osadzając element dystansowy i/lub jako moduł początkowy/końcowy. Element dystansowy zbudowany z piasty, do której za pomocą prętów przymocowana jest cylindryczna przegroda. Korzystnie mieszadło ma dwie wewnętrzne łopatki i dwie zewnętrzne łopatki rozmieszczone co 180° lub trzy wewnętrzne łopatki i trzy zewnętrzne łopatki rozmieszczone co 120°.There is known from patent application P.403677 a static mixer for mixing liquids, especially bioliquids, containing a tank, thermostatic jacket, and an agitator, which is characterized in that it has at least one agitator mounted on a mounting bar attached to the bottom of the tank in its axis. a hub to which at least two inner blades are attached by short edges, the longer, opposite edges of which are attached to the inner surface of the cylindrical baffle, and at least two outer blades are attached to the outer surface of the cylindrical baffle with shorter edges. The inner blades are sloped in the opposite direction to the outer blades. At the bottom of the tank, in its axis, there is a bubbler consisting of a cylindrical partition, to the inner surface of which is attached an annular, perforated pipe. The task of the sparger is to direct the dispersed gas bubbles in such a way that the gas phase flowing through the liquid layer is in the cylindrical partition of the stirrer. When mixing more viscous liquids, the inner blades and outer blades are perforated. Preferably, the inner blades and the outer blades are opposed to each other. The mixer can be equipped with a spacer which is used to increase the height of the mixer by embedding the spacer and / or as a start / end module. A spacer is made of a hub to which a cylindrical partition is attached to it by means of rods. Preferably the stirrer has two inner blades and two outer blades spaced 180 ° or three inner blades and three outer blades spaced 120 °.

Niedogodnością dla znanych, opisanych powyżej rozwiązań konstrukcyjnych bioreaktorów wyposażonych w bełkotkę i/lub mieszadła mechaniczne jest ograniczony stopień kontroli prowadzenia procesu wymiany pędu, masy i energii w mieszanym medium. Uzyskanie pożądanego efektu (efektywnego mieszana płynu) wymaga zastosowania dużej ilości gazu lub energii mechanicznej. Wpływa to na zwiększenie energochłonności prowadzonego procesu oraz zmniejszenie jego efektywności.A disadvantage of the known, above-described design solutions of bioreactors equipped with a bubbler and / or mechanical stirrers is a limited degree of control of the momentum, mass and energy exchange process in the mixed medium. Obtaining the desired effect (effective mixing of the fluid) requires the use of a large amount of gas or mechanical energy. This increases the energy consumption of the process and reduces its efficiency.

PL 238 293 B1PL 238 293 B1

Celem wynalazku jest opracowanie takiej konstrukcji bioreaktora, która wyeliminuje podane powyżej niedogodności.The object of the invention is to develop such a design of the bioreactor that will overcome the above-mentioned disadvantages.

Bioreaktor, według wynalazku, zawierający płaszcz zewnętrzny, pionową cylindryczną przegrodę pełniącą rolę wymiennika ciepła, pręt połączony z przegrodami, mieszadło obrotowe, bełkotkę, króćce i zawory, charakteryzuje się tym, że ma co najmniej cztery przegrody o kształcie stanowiącym wycinek pierścieniowy koła, rozmieszczone symetrycznie względem osi podłużnej bioreaktora, prostopadłe do osi podłużnej bioreaktora lub zamontowane z obrotem o kąt 30° względem osi podłużnej łącznika łączącego przegrody z prętem. Dwie przegrody połączone są trwale z pionową cylindryczną przegrodą, pełniącą rolę wymiennika ciepła, umieszczoną wewnątrz płaszcza zewnętrznego, zaś kolejne dwie przegrody połączone są trwale za pomocą łącznika z prętem zamontowanym w bioreaktorze osiowo. Poniżej cylindrycznej przegrody jest zamocowane na wale obrotowym mieszadło obrotowe, poniżej którego znajduje się bełkotka, za pomocą której dostarczany jest gaz do układu.The bioreactor according to the invention, comprising an outer shell, a vertical cylindrical baffle acting as a heat exchanger, a rod connected to the baffles, a rotating agitator, a bubbler, nozzles and valves, is characterized by having at least four baffles shaped like an annular segment of a circle, arranged symmetrically. with respect to the longitudinal axis of the bioreactor, perpendicular to the longitudinal axis of the bioreactor or mounted with a rotation of 30 ° in relation to the longitudinal axis of the connector connecting the baffles with the rod. Two partitions are permanently connected with a vertical cylindrical partition, acting as a heat exchanger, placed inside the outer jacket, and two other partitions are permanently connected with a rod axially mounted in the bioreactor. Below the cylindrical partition there is a rotary stirrer mounted on the rotating shaft, below which there is a bubbler by means of which gas is supplied to the system.

Korzystnie przegrody są perforowane.Preferably the baffles are perforated.

Korzystnie na pręcie, pod przegrodami zamocowany jest trwale co najmniej jeden element zaburzający, w kształcie bryły, która powstała w wyniku połączenia dwóch stożków ich podstawami. Tworząca obydwu stożków jest wklęsła.Preferably, at least one disrupting element in the shape of a block, which is formed by joining two cones with their bases, is permanently fixed to the rod under the partitions. The form of both cones is concave.

Pionowa cylindryczna przegroda zamontowana jest w osi bioreaktora, a czynnik dostarczany do niej jest za pomocą króćca i odbierany za pomocą rury wylotowej.A vertical cylindrical baffle is mounted in the axis of the bioreactor, and the medium is supplied to it by means of a stub pipe and collected by an outlet pipe.

Konstrukcja taka umożliwia bezkolizyjne wprowadzenie pręta połączonego z przegrodami do wnętrza cylindrycznej przegrody z osadzonymi wewnątrz przegrodami. Po wprowadzeniu pręta z przegrodami można uzyskać osiowe pokrycie się wycinków pierścieniowych przegród lub jego brak (pełny pierścień). Poprzez częściowy obrót pręta połączonego z przegrodami, możliwa jest kontrola wypadkowej powierzchni przegród w osi poprzecznej bioreaktora. Kontrolowanie wypadkowej powierzchni przegród w osi poprzecznej aparatu wpływa na stopień burzliwości przepływu wewnątrz cylindrycznej przegrody.Such a structure enables a collision-free insertion of the rod connected with the partitions into the cylindrical partition with the partitions embedded inside. After introducing the bar with baffles, it is possible to obtain axial coverage of the sections of the annular baffles or their absence (full ring). By partial rotation of the rod connected to the baffles, it is possible to control the resultant surface of the baffles along the transverse axis of the bioreactor. Controlling the resultant surface of the partitions in the transverse axis of the apparatus affects the degree of turbulence of the flow inside the cylindrical partition.

Zadaniem mieszadła obrotowego jest wywoływanie osiowego przepływu płynu. Osiowy przepływ płynu jest uzyskany również poprzez wprowadzenie gazu do aparatu przez bełkotkę.The task of the rotary stirrer is to induce an axial flow of fluid. Axial fluid flow is also obtained by introducing gas into the apparatus through a bubbler.

Bioreaktor według wynalazku korzystnie wpływa na intensyfikację procesów zachodzących w bioreaktorze poprzez kontrolowanie geometrycznej konfiguracji przegród w obrębie pionowej cylindrycznej przegrody. Bełkotka umieszczona pod mieszadłem obrotowym dostarcza powietrze do płynu hodowlanego, który cyrkuluje osiowo w zbiorniku. W górnej części aparatu nagazowany płyn ulega odgazowaniu i przy ściankach płaszcza zewnętrznego opada pionowo w dół. Umieszczenie w aparacie mieszadła obrotowego wytwarzającego pionowy (osiowy) strumień cieczy umożliwia intensyfikację procesów zachodzących w bioreaktorze oraz wytworzenie odpowiedniej cyrkulacji płynu niezależnie od ilości doprowadzonego gazu. W przypadku braku konieczności podawania gazu, mieszadło obrotowe wytwarza samodzielnie cyrkulację cieczy w bioreaktorze.The bioreactor according to the invention has a positive effect on the intensification of the processes taking place in the bioreactor by controlling the geometric configuration of the partitions within the vertical cylindrical partition. A bubbler placed under the rotating agitator supplies air to the culture fluid, which circulates axially in the tank. In the upper part of the apparatus, the gassed liquid is degassed and falls vertically downwards at the walls of the outer jacket. Placing a rotary agitator in the apparatus, which produces a vertical (axial) liquid stream, enables the intensification of the processes taking place in the bioreactor and the production of an appropriate fluid circulation, regardless of the amount of gas supplied. If no gas is required, the rotating agitator creates the liquid circulation in the bioreactor.

Bioreaktor według wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania i rysunku, gdzie fig. 1 przedstawia bioreaktor w przekroju z czterema przegrodami, fig. 2 - bioreaktor w przekroju z dwunastoma przegrodami na trzech poziomach, przy czym przegrody nie pokrywają się i stanowią pierścień, fig. 3 - przedstawia bioreaktor w przekroju z dwunastoma przegrodami na trzech poziomach, przy czym przegrody pokrywają się, fig. 4 - pionową cylindryczną przegrodę (wymiennik ciepła) z sześcioma przegrodami na trzech poziomach, fig. 5 - pręt połączony z sześcioma przegrodami na trzech poziomach, fig. 6 - bioreaktor w przekroju z dwunastoma przegrodami na trzech poziomach, z obrotem o kąt 30° względem osi prostopadłej od osi podłużnej łącznika łączącego przegrody z prętem, fig. 7 - bioreaktor w przekroju z dwunastoma perforowanymi przegrodami, fig. 8 - pręt z przegrodami wyposażony w dodatkowe elementy zaburzające.The bioreactor according to the invention is shown in the embodiments and the drawing, where Fig. 1 shows the bioreactor in a cross section with four compartments, Fig. 2 - a bioreactor in section with twelve compartments on three levels, where the compartments do not coincide and form a ring, Fig. 3 - shows a cross-section of the bioreactor with twelve baffles on three levels, the baffles overlapping, fig. 4 - vertical cylindrical baffle (heat exchanger) with six baffles on three levels, fig. 5 - rod connected to six baffles on three levels, fig. 6 - cross-section bioreactor with twelve partitions on three levels, with a rotation by 30 ° with respect to the perpendicular axis from the longitudinal axis of the connector connecting the partitions to the rod, Fig. 7 - cross-section bioreactor with twelve perforated partitions, Fig. 8 - rod with partitions equipped with additional disturbing elements.

Przykład 1Example 1

Bioreaktor przedstawiony na fig. 1 zawiera płaszcz zewnętrzny 3, wewnątrz którego umieszczona jest osiowo pionowa cylindryczna przegroda 2 pełniąca rolę wymiennika ciepła. Do wewnętrznej powierzchni cylindrycznej przegrody 2 przymocowane są trwale, symetrycznie, naprzeciwko siebie, dwie przegrody 1, stanowiące parę, o kształcie wycinka pierścieniowego koła o kącie zbliżonym do 90°. Takie same dwie przegrody 1 przymocowane są trwałe za pomocą łącznika 5 do pręta 4, usytuowanego w bioreaktorze osiowo. Poniżej pionowej cylindrycznej przegrody 2 umieszczone jest na wale obrotowym 7, wprowadzonym od dna bioreaktora, mieszadło obrotowe 6 wytwarzające przepływ osiowy płynu. W dolnej części, poniżej mieszadła obrotowego 6 znajduje się bełkotka 8 o kształcie pierścieniowym, za poThe bioreactor shown in Fig. 1 comprises an outer jacket 3 inside which is placed an axially vertical cylindrical baffle 2 acting as a heat exchanger. Two partitions 1, constituting a pair, are permanently attached to the inner surface of the cylindrical partition 2, symmetrically opposite each other, in the shape of an annular circle with an angle close to 90 °. The same two partitions 1 are permanently attached by means of a connector 5 to a rod 4 located axially in the bioreactor. Below the vertical cylindrical partition 2, on the rotating shaft 7, introduced from the bottom of the bioreactor, a rotary stirrer 6 generating an axial flow of the fluid is placed. In the lower part, below the rotary stirrer 6, there is a ring-shaped bubbler 8, behind it

PL 238 293 B1 mocą której dostarczany jest gaz do układu. Pionowa cylindryczna przegroda 2 napełniana jest czynnikiem termostatującym za pomocą króćca 10, a opróżniany za pomocą rury 11. W dolnej części aparatu zamontowany jest zawór spustowy 12.By which gas is supplied to the system. The vertical cylindrical partition 2 is filled with the thermostating agent by means of a connector 10, and emptied by means of a pipe 11. In the lower part of the apparatus, a drain valve 12 is installed.

Kształt i rozmieszczenie przegród 1 umożliwia przeprowadzenie bezkolizyjnego wprowadzenia pręta 4 połączonego z przegrodami 1 do wnętrza cylindrycznej przegrody 2 z przymocowanymi wewnątrz przegrodami 1 w taki sposób, że można uzyskać osiowe pokrycie przegród 1 lub jego brak i wówczas przegrody 1 tworzą pełny pierścień w poziomie. Obrót pręta 4 połączonego z przegrodami 1 umożliwia kontrolę wypadkowej powierzchni przegród 1 w płaszczyźnie prostopadłej do osi podłużnej aparatu.The shape and arrangement of the partitions 1 allows for a collision-free insertion of the rod 4 connected to the partitions 1 into the interior of the cylindrical partition 2 with the partitions 1 fixed inside in such a way that it is possible to obtain axial coverage of the partitions 1 or its absence, and then the partitions 1 form a complete ring horizontally. The rotation of the rod 4 connected to the partitions 1 enables control of the resultant surface of the partitions 1 in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the apparatus.

Przykład 2Example 2

Bioreaktor przedstawiony na fig. 2 jak w przykładzie 1, z tym że ma dwanaście przegród na trzech poziomach, przy czym sześć przegród 1 przymocowanych jest trwale, symetrycznie, prostopadle do osi podłużnej bioreaktora, do cylindrycznej przegrody 2. Kolejnych sześć przegród 1 przymocowanych jest trwale za pomocą łącznika 5 do pręta 4, prostopadle do niego. Na każdym z trzech poziomów dwie przegrody 1 przymocowane są do cylindrycznej przegrody 2 i do pręta 4, natomiast łopatki na kolejnym poziomie obrócone są względem poprzedniego poziomu o kąt 90°. Rozmieszczenie przegród 1 przymocowanych do cylindrycznej przegrody 2 i do pręta 4, ich odległość i kąt obrotu jest taki sam. Umożliwia to przeprowadzenie bezkolizyjnego wprowadzenia pręta 4 do wnętrza cylindrycznej przegrody 2 w taki sposób, że można uzyskać osiowe pokrycie się wycinków pierścieniowych lub jego brak i wówczas przegrody 1 tworzą pełny pierścień na każdym poziomie. Obrót pręta 4 umożliwia kontrolę wypadkowej powierzchni przegród 1 w płaszczyźnie prostopadłej do osi podłużnej aparatu.The bioreactor shown in Fig. 2 as in example 1, except that it has twelve compartments on three levels, with the six compartments 1 being permanently symmetrically attached perpendicular to the longitudinal axis of the bioreactor to the cylindrical compartment 2. Another six compartments 1 are permanently attached. with the connector 5 to the rod 4, perpendicular to it. On each of the three levels, two partitions 1 are attached to the cylindrical partition 2 and to the rod 4, while the blades on the next level are rotated relative to the previous level by an angle of 90 °. The arrangement of the partitions 1 attached to the cylindrical partition 2 and to the rod 4, their distance and the angle of rotation are the same. This makes it possible to carry out a collision-free insertion of the rod 4 inside the cylindrical partition 2 in such a way that axial overlapping of the annular portions or its absence can be achieved, and the walls 1 then form a complete ring at each level. The rotation of the rod 4 makes it possible to control the resultant surface of the partitions 1 in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the apparatus.

Przykład 3Example 3

Bioreaktor przedstawiony na fig. 6 jak w przykładzie 2, z tym że przegrody 1 są zamontowane z obrotem o kąt 30° wzglądem osi podłużnej łącznika 5 łączącego przegrody 1 z prętem 4.The bioreactor shown in Fig. 6 as in example 2, except that the baffles 1 are mounted rotating through an angle of 30 ° with respect to the longitudinal axis of the connector 5 connecting the baffles 1 with the rod 4.

Przykład 4Example 4

Bioreaktor przedstawiony na fig. 7 jak w przykładzie 2, z tym że przegrody 1 są perforowane.The bioreactor shown in Fig. 7 as in example 2, except that the baffles 1 are perforated.

Przykład 5Example 5

Bioreaktor, jak w przykładzie 2, z tym że pręt 4, pokazany na fig. 8, ma dodatkowe elementy zaburzające 9 w kształcie bryły, która powstała w wyniku połączenia dwóch stożków ich podstawami. Tworząca obydwu stożków jest wklęsła. Elementy zaburzające 9 osadzone są bezpośrednio na pręcie 4, tak że wierzchołki stożków leżą w osi podłużnej pręta 4 i usytuowane są pod każdym poziomem przegród 1. Zadaniem elementów zaburzających 9 jest wytworzenie lokalnych pętli cyrkulacyjnych wzdłuż osi podłużnej bioreaktora.Bioreactor as in Example 2, except that the rod 4 shown in Fig. 8 has additional block-shaped disturbing elements 9, which were created by joining two cones with their bases. The form of both cones is concave. The disturbing elements 9 are mounted directly on the rod 4, so that the tops of the cones lie in the longitudinal axis of the rod 4 and are situated under each level of the partitions 1. The task of the disturbing elements 9 is to create local circulation loops along the longitudinal axis of the bioreactor.

Claims

1. A bioreactor comprising an outer jacket, a vertical cylindrical baffle acting as a heat exchanger, a rod connected to baffles, a rotary agitator, a bubbler, connectors and valves, characterized by having at least four baffles (1) shaped as an annular segment of a circle, arranged symmetrically with respect to the longitudinal axis of the bioreactor, perpendicular to the longitudinal axis of the bioreactor or mounted with a rotation of 30 ° in relation to the longitudinal axis of the connector (5) connecting the baffles (1) with the rod (4), whereby two baffles (1) are permanently connected with the vertical cylindrical with a baffle (2) acting as a heat exchanger, placed inside the outer casing (3), and the next two baffles (1) are permanently connected by means of a connector (5) with a rod (4) mounted axially in the bioreactor, and below the cylindrical partition (2) ) is mounted on the rotating shaft (7), the rotary agitator (6), below which there is a bubbler (8) through which gas is supplied to the system.

2. A bioreactor according to claim 1, characterized in that the baffles (1) are perforated.

3. A bioreactor according to claim 1, characterized in that at least one block-shaped disturbance element (9), which is formed by joining two cones with their bases, is permanently attached to the rod (4), under the partitions (1).

4. A bioreactor according to claim 1, characterized in that the generatrix of both cones is concave.

5. Bioreactor according to claim 1, characterized in that a vertical cylindrical partition (2) is mounted in the axis of the bioreactor, and the medium is supplied to it by means of a stub pipe (10) and collected by a pipe (11).