PL90219B1 - Fermentation method and apparatus[us3847748a] - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób aerobowej fermentacji i urzadzenie do wykonywania tego sposobu. W mikrobiologicznych procesach wytwarzania bialka, opartych na hodowli aerobowych mikroorganizmów na substracie zawierajacym wegiel, np. na surowcu pochodzacym z ropy naftowej, w wyniku czego otrzymuje sie wysokobialkowy produkt uzupelniajacy niedobory pozywienia, konieczne jest, aby podczas fermentacji tlen rozpuszczal sie w mieszaninie fermentacyjnej w odpowiedniej ilosci, a równoczesnie aby odpowiednia ilosc metabolicznego dwutlenku wegla wytworzonego podczas fermentacji opuszczala jej srodowisko. W znanych procesach zwykle uzyskuje sie to przez prowadzenie fermentacji wfermentorach zaopatrzonych wmieszanie. Dzialanie mieszadla powoduje rozbicie pecherzyków gazu z wytworzeniem wfermentorze duzej powierzchni styku, dzieki czemu nastepuje przenikanie mas tlenu i dwutlenku wegla, to znaczy tlenu do roztworu, dwutlenku zas z roztworu. Uzycie mieszadla wymaga jednak wysokiego nakladu energii. Przenikanie tlenu do mieszaniny fermentacyjnej mozna zwiekszyc przy jej wysokim cisnieniu hydrostatycz¬ nym, to znaczy stosujac wysoki fermentor. W fermentorze takim wprawdzie zapewnia sie dobre przenikanie tlenu do dolnych partii roztworu, lecz równoczesnie utrudnione jest odprowadzenie z ukladu dwutlenku wegla. W znanych fermentorach obieg masy fermentacyjnej uzyskuje sie za pomoca badz mieszadla, badz doprowadzanego gazu. Wtym drugim przypadku fermentor moze sie skladac z dwóch komór, z których jedna jest z przeplywem wznoszacym a druga z przeplywem opadajacym, polaczonych w ich dolnych . górnych koncach. Krazenie masy fermentacyjnej nastepuje pod wplywem wdmuchiwanego gazu do dolnej czesci komory z przeplywem wznoszacym. Tego typu fermentor zostal opisany w zgloszeniowym opisie patentowym RFN nr 1 817263. Znane sposoby i urzadzenia nie zapewniaja jednak wlasciwych warunków przenoszenia mas tlenu i dwutlenku wegla. Wynalazek pod tym wzgledem stanowipostep. „4„lmM* h* Wedlug wynalazku sposób aerobowej fermentacji substratu za pomoca mikroorganizmów zdolnych do wykorzystywania tego substratu dla wlasnego rozwoju polega na tym,ze srodowisko fermentacj¦*?"*»•« zsubrtratu i mikroorganizmów poddaje sie cyrkulacji w sposób ciagly mMtc^.u^mHm^on z przeplywem wznoszacym i komore z przeplywem opadajacym oraz elementy zapewniajace JW*VJ*'* srodowiska fermentacji, przy czym komora z przeplywem wznoszacym jest podzletona w osi pionowa na odcinki, z których kazdy ma przekrój poprzeczny wiekszy od przekroju poprzecznego odcinka znajdujacego sie2 90 219 bezposrednio nad nim, a powietrze i/lub tlen doprowadza sie w dolnym koncu lub w poblizu dolnego konca komory z przeplywem wznoszacym dla wytworzenia w dolnych czesciach komór róznicy cisnien hydrostatycz¬ nych powodujacych ciagly przeplyw srodowiska fermentacyjnego pomiedzy dwoma obszarami o róznych cisnieniach hydrostatycznych, zas powietrze i/lub tlen rozpuszcza sie w srodowisku fermentacyjnym w obszarze o wyzszym cisnieniu hydrostatycznym. Urzadzenie do wykonywania sposobu wedlug wynalazku, objete równiez wynalazkiem, zawiera dwie komory, z których jedr* jest o przeplywie wznoszacym, a druga o przeplywie opadajacym, oraz elementy zapewniajace ciagla cyrkulacje srodowiska fermentacyjnego pomiedzy komorami, przy czym komora o przeply Wie wznoszacym jest podzielana w osi pionowej na odcinki, z których kazdy ma przekrój poprzeczny wiekszy od przekroju poprzecznego odcinka znajdujacego sie bezposrednio nad nim, w dolnej czesci komory o przeplywie wznoszacym znajduje sie element do odprowadzania gazu dla wytwarzania w urzadzeniu, gdy zawiera srodowiska fermentacyjne, róznicy* cisnien hydrostatycznych pomiedzy dolnymi czesciami komór, wystarczajacej do1 r__ wprawienia srodowiska fermentacyjnego w ciagly przeplyw pomiedzy dworna obszarami o róznych cisnieniach I A ^jrS*3^znyphr a w górnej czesci urzadzenia znajduje sie element do wyprowadzania gazu nazewnatrz. I Uzyte wyzej okreslenie „komora z przeplywem (lub o przeplywie) wznoszacym" oznacza taka komore, I omL^I**6' rUCh r*,'e$zan"|ny fermentacyjnej odbywa sie w kierunku ku^órze. Odpowiednio „komora z przeplywem J5CTBSBjLfi^^}vwie) opadajacym" oznacza taka komore, w której ruch mieszaniny fermentacyjnej odbywa sie ku ¦*•'" UrMirwl. Wdelszej czesci opisu dla ulatwienia stosowane beda skrócone okreslenia dla obydwu komór: komora PW — komora z przeplywem (lub o przeplywie) wznoszacym komora PO = komora z przeplywem (lub o przeplywie) opadajacym. Nadmiar ciepla ze srodowiska fermentacyjnego korzystnie usuwa sie przez przepuszczanie go w sposób ciagly przez wymiennik ciepla. Sposób wedlug wynalazku jest szczególnie przydatny do wytwarzania bialka lub aminokwasów poprzez hodowle mikroorganizmów na substracie zawierajacym wegiel, takim jak weglowodany, weglowodory lub weglowodory czesciowo utlenione, np. metanol, przy tym fermentacje korzystnie prowadzi sie metoda ciagla. Fermentacje prowadzi sie korzystnie w urzadzeniu (fermentorze), którego obie komory umieszczone sa obok siebie i polaczone sa ze soba w górnych i dolnych koncach. Jednakze mozna równiez stosowac fermentor, w którym jedna komora otacza druga. W przypadku korzystnie jest doprowadzac powietrze i/lub tlen w poblizu dolnego konca zewnetrznej komory. Podczas wykonywania sposobu powietrze jest wprowadzane w poblizu dolnego konca komory PW, skad wedruje w góre przez srodowisko fermentacyjne w tej komorze, czesciowo ja wypelniajac. Poniewaz powietrze jest lzejsze od cieczy, cisnienie P| w dolnej czesci komory PW jest nizsze niz cisnienie P2 w dolnej czesci komory PO (która zawiera mniej powietrza). Nastepuje cyrkulacja srodowiska fermentacyjnego pomiedzy komora PW i komora PO, spowodowana róznica cisnien P| i P2, w kierunku w góre komory PW do szczytu fermentora, podczas gdy w komorze PO kierunek przeplywu jest odwrotny. W ten sposób odbywa sie stale krazenie srodowiska fermentacyjnego pomiedzy obszarem wysokiego cisnienia hydrostatycznego w dolnej czesci komory PW, gdzie nastepuje przenoszenie tlenu do srodowiska, a obszarem niskiego cisnienia hydrostatycznego w górnej czesci tej komory, gdzie odbywa sie przenoszenie dwutlenku wegla ze srodowiska. Szybkosc przeplywu srodowiska jest okreslona przez róznice Pt i P2. która zalezy od wysokosci operatywne} fermentora i od szybkosci powietrza wprowadzanego do komory PW. Odpowiednie wysokosci operatywne zaleza od rodzaju prowadzonej fermentacji i skali wytwarzania. Okreslenie „wysokosc operatywna" fermentora oznacza te czesc calkowitej jego wysokosci, do której siega srodowisko fermentacyjne podczas procesu. Korzystnym przykladem urzadzenia objetego wynalazkiem, sa dwfe komory, korzystnie o ksztalcie cylindrycznym, umieszczone obok siebie i polaczone przewodami rurowymi w górnych i dolnych koncach, co stwarza zamkniety obieg. Pod wplywem róznicy cisnien spowodowanej róznym stopniem napowietrzania, w dwóch obszarach nastepuje krazenie srodowiska poprzez dolna rure laczaca. Przeplyw nastepuje w kierunku nizszego cisnienia od dolnej czesci komory PW do dolnej czesci komory PO. Srodowisko fermentacyjne przeplywa wiec w góre komory PW we wspólpradzie z powietrzem wtryskiwanym do komory PW w jednym lub wielu miejscach niezaleznie od doprowadzania w co najmniej jednym miejscu w poblizu jej podstawy. Komora PW jest podzielona na szereg pionowych odcinków, korzystnie dwa, z których nizszy odcinek ma przekrój poprzeczny wiekszy niz odcinek znajdujacy sie bezposrednio nad nim. W komorze podzielonej tylko na dwa takie odcinki, wiekszosc masy tlenu zostaje przeniesiona do fazy cieklej w polnym odcinku. Wieksza srednica dolnego odcinka przedluza czas przebywania cieczy i gazu w dolnej czesci, co pozwala na maksymalne rozpuszczenie tlenu w fazie cieklej, zapewniajac kulturze optymalne warunki wzrostu. Jest rzecza wazna, ze dluzsze przebywanie w srodowisku ma miejsce w tej wlasnie czesci, gdyz posiada ona wyzsze cisnienie90219 3 hydrostatyczne zapewniajace szybsze rozpuszczanie tlenu w kulturze. Nad dolnym odcinkiem srednica komory PW zostaje zmniejszona przez wprowadzenie np. pierscienia redukcyjnego lub w inny dogodny sposób, Górny odcinek komory PW, korzystnie o ksztalcie cylindrycznym, posiada wiec mniejsza srednice od odcinka dolnego. Szybkosc poruszania sie ku górze zarówno gazu jak i srodowiska fermentacyjnego w czesci górnej wzrasta z powodu mniejszej srednicy i wobec tego ta czesc mieszaniny gaz-ciecz, która stanowi gaz, bardzo sie zwieksza. Wysokosc górnego odcinka dobiera sie w zaleznosci od cisnienia hydrostatycznego wymaganego dla zapewnienia doplywu odpowiedniej ilosci tlenu do dolnego odcinka, oraz od czasu wymaganego na desorpcje metabolicznego dwutlenku wegla tworzacego sie podczas fermentacji. Uwolnienie dwutlenku wegla z cieklej kultury nastepuje przy niskim cisnieniu hydrostatycznym, dlatego maksymalna desorpcja ma miejsce w szczytowej czesci komory PW. Dodatkowo mozna wprowadzac powietrze do górnej czesci komory PW w celu lepszego usuniecia metabolicznego dwutlenku wegla. Dodatkowo wprowa¬ dzone powietrze, lub inny gaz, obniza cisnienie czastkowe dwutlenku wegla zawartego w gazie juz wystepujacym w komorze PW, przez co zostaje wzmozona jego zdolnosc do desoprcji. W ten sposób z jednej strony doprowadza sie dostateczna ilosc tlenu z powietrza, ewentualnie wzbogaconego tlenem, dla podtrzymania rozwoju kultury, a z drugiej — odprowadza sie z kultury dostateczna ilosc dwutlenku wegla, aby nie doszlo do zatrucia mikroorga- l nizmów. Z górnej czesci komory PW mieszanina cieczy i gazu przeplywa rura laczaca górne konce dwóch komór. Oddzielanie sie gazu od cieczy nastepuje wzdluz tej rury. Ciecz posiada pozioma skladowa szybkosci wzdluz rury, natomiast gaz posiada zarówno pozioma skladowa, nadawana przez ogólny przeplyw mieszaniny ograniczonej sciankami rury, oraz pionowa skladowa szybkosci nadawanej silami sprezystymi pojedynczych pecherzyków. Znajac szybkosc przeplywu gazu i cieczy wdanym punkcie, mozna obliczyc, jaka powinna byc swobodna powierzchnia cieczy w rurze, aby nastapila zasadniczo calkowita desorpcja gazu z cieczy przed jej wejsciem na szczyt komory PO, która nie zawiera powietrza albo zawiera go mniej niz komora PW. Plyn fermentacyjny wedruje w dól komory PO do dolnej czesci komory PW dolna rura laczaca. Srednica komory PO powinna byc na tyle mala, zeby czas przebywania kultury w tej komorze byl krótki w porównaniu z czasem przebywania w komorze PW; lecz nie powinna byc zbyt mala, zeby spadek cisnienia powstaly na skutek duzej predkosci plynu w komorze PO nie byl zbyt duzy w porównaniu do cisnienia hydrostatycznego, pod wplywem którego nastepuje krazenie kultury pomiedzy dwoma obszarami. Do komory PO mozna dodatkowo wprowadzic powietrze, ewentualnie wzbogacone w tlen, w róznych punktach, z których jeden korzystnie znajduje sie blisko szczytu tej komory. Jednakze powietrze mozna dodawac tylko w takich ilosciach, aby srednia zawartosc gazu w mieszaninie gaz-ciecz znajdujacej sie w komorze PO byla nizsza od podobnej zawartosci w komorze PW. Powietrze wprowadzane do komory PO moze sluzyc zarówno do regulowania szybkosci krazenia plynu przez ustalenie róznicy cisnien hydrostatycznych panujacych u podstawy komory PW i u podstawy komory PO, jak i do kontynuowania wzrostu mikroorganizmów w komorze PO przez dostarczenie kulturze tlenu. Dla obydwu komór optymalne przenoszenie mas wystepuje przy srednicy pecherzyków od 1 mm do 4 mm. Dlatego element do wtryskiwania powietrza do fermentatora powinien wytwarzac pecherzyki o takiej wielkosci. W kulturze fermentacyjnej wprawdzie koalescencja pecherzyków gazu nie zachodzi zbyt latwo, ale zjawisko to mozna jeszcze zmniejszyc umieszczajac w obydwu komorach przeszkody dla gazu i cieczy plynacych wspólpradowo, na których pecherzyki gazu ulegaja rozbiciu. Moga to byc metalowe, np. ze stali, lub z tworzywa sztucznego siatki, kraty, prety, plyty sitowe lub inne zapory do wywolywania miejscowej turbulencji. Rozbicie pecherzyków poteguje sie przy duzych szybkosciach w tomorze PW. Innym przykladem wykonania, mniej korzystnego, sposobu wedlug wynalazku jest fermentacja prowadzo¬ na wfermentorze podzielonym przegroda wzdluz jego operatywnej wysokosci na dwie komory, wewnetrzna i zewnetrzna, przy czym komora zewnetrzna otacza komore wewnetrzna. Komory te sa ze soba polaczone w górnych i dolnych koncafch przegrody. Przegroda w fermentatorze moze byc tak ustawiona, aby jej dolny koniec znajdowal sie nieco nad jego podstawa. Jeszcze korzystniej jest, gdy przegroda przechodzi przez otwór w podstawie fermentatora a ciecz przechodzi przewodem polaczonym zdolnym koncem komory PO do wymiennika ciepla, skad powraca przewodem do dolnej czesci komory PW. W ten sposób róznica cisnien wytworzona w komorze PW pod wplywem pecherzyków gazu zastepuje pompe, tloczac mieszanine do wymiennika ciepla. Obie komory korzystnie posiadaja przekroje koliste. Optymalna srednica komory PO zalezy od rodzaju procesu fermentacyjnego, poniewaz to okresla optymalna szybkosc wymagana dla ciecz* przechodzacej przez komore PO, a szybkosc zmienia sie odwrotnie do powierzchni komory PO. Minimalna dopuszczalna szybkosc zalezy od tego, przez jak dlugi czas moga sie obejsc bez tlenu mikroorganizmy stosowane w procesie fermentacji. Jesli szybkosc jest za mala, mikroorganizmy wygina. Maksymalna dopuszczalna szybkosc zalezy od wielkosci4 90 219 spadku cisnienia wymaganego na wyjsciu przewodów w przegrodzie (aby zapewnic przejscia plynu pomiedzy komorami wzdluz calej dlugosci przegrody), to znaczy im wieksza jest szybkosc cieczy w komorze PO, tym wiekszy jest spadek cisnienia hydrostatycznego na wyjsciu. W komorze PW pecherzyki gazu w swojej wedrówce ku górze maja sklonnosc do laczenia sie w wieksze, a te z kolei do laczenia sie ze soba tworzac duze pecherze gazu w górnej czesci komory PW. Tosprawia, ze zostaje naruszona homogenicznosc cieczy wysyconej pecherzykami gazu, a takie spada przenoszenie mas gazu do i z roztworu. Trudnosc te mozna usunac przez zawrócenie w dól plynacej cieczy z komory PO do komory PW w punktach wzdluz przegrody, korzystnie na calej jej dlugosci. Ujscia przewodów w przegrodzie, przez które ciecz przedostaje sie z komory PO do komory PW, powinny znajdowac sie korzystnie w tych punktach, w których dla danej ilosci doprowadzanego powietrza, wedrujace do góry pecherzyki osiagaja krytyczna wartosc kawitacji wzglednej (kawitacja wzgledna oznacza stosunek objetosci gazu zawartego wplynie do calkowitej objetosci tego plynu, przy denej wysokosci). Gdy ciecz wprowadza sie do komory PW z komory PO w tych' wlasnie punktach, wartosc tego ulamka ulega zmniejszeniu, a szybkosc cieczy w góre komory PW zwiekszeniu. Ilosc cieczy dodatkowo doprowadzanej z komory PO do komory PW okresla stopien obnizenia ulamka ' objetosciowego fazy gazowej w komorze PW. Zbyt mala jej ilosc prowadzi do odpowiednio malego obnizenia ulamka objetosciowego gazu i powoduje, ze ulamek ten po krótkim czasie osiaga w komorze PW ponownie wartosc krytyczna. Zbyt duza ilosc powoduje nagly spadek ulamka objetosciowego gazu i zmniejszenie powierzchni cieczy dostepnej dla tlenu i dwutlenku wegla. Zrównowazenie uzyskuje sie korzystnie przez rozmieszczenie w przegrodzie duzej liczby otworów, z których kazdy przepuszcza do komory PW mala ilosc dodatkowej cieczy i malej liczby otworów, z których kazdy przepuszcza duza ilosc cieczy. Korzystnie otwory te znajduja sie w pierscieniu utworzonym przez wspólsrodkowe zachodzace na siebie rury o róznej srednicy, przy czym szersza rura jest umieszczona nad rura o mniejszej srednicy. Predkosc przeplywu cieczy z komory PO do komory PW mozna obliczyc z róznicy powierzchni wiekszej i mniejszej rury i szybkosci liniowej cieczy w komorze PO. Korzysci plynace z tego sposobu to prostota rozwiazania pod wzgledem mechanicznym oraz sprowadzenie do minimum turbulencji w komorze PO. Ciecz po znalezieniu sie w komorze PW ulega dokladnemu wymieszaniu z pozostala ciecza i gazem dzieki plytom odchylajacym (deflektorom), które przeplywowi osiowemu z komory PO nadaja, calkowicie lub czesciowo, kierunek promieniowy. Innym rozwiazaniem moga byc rynienki stanowiace koncówki rurek umieszczonych w komorze PO do przejmowania cieczy. W komorze PO wywierca sie otwory, przez które wprowadza sie rynienki do komory PW, gdzie nastepuje dokladne mieszanie sie cieczy wprowadzonej z ciecza zawierajaca pecherzyki gazu. Rynienki moga miec dowolny przekrój, korzystnie kolowy i korzystnie zagiete pod odpowiednim katem zapewniajacym dobre wymieszanie. Liczba takich rynienek jest dowolna a rozmieszczone sa na obwodzie komory PO. Ponizej poziomu rynienek komora PO moze posiadac zwezona srednice, za pomoca elementu redukcyjnego, dla zapewnienia odpowiedniej predkosci cieczy. Dla zapobiezenia nadmiernej koalescencji pecherzyków, która moglaby obnizyc przenoszenie mas gazu, mozna umiescic w komorze PW filtry, np. plastykowe lub stalowe siatki, na których rozbijalyby sie pecherzyki gazu? Przy tym wykonaniu sposobu wedlug wynalazku, dla pewnych pecherzyków, w szczególnosci malych, istnieje mozliwosc, ze nie beda one w stanie przedrzec sie przez powierzchnie cieczy w swej wedrówce ku górze na szczyt komory PW i w rezultacie przedostana sie do komory PO. Aby te mozliwosc zmniejszyc, mozna górny koniec przegrody odgiac na zewnatrz tak, aby utworzyl sie z niego stozek. W ten sposób zostaje zwiekszona powierzchnia dostepna dla pecherzyków. Pecherzyki beda dodatkowo sie oddzielac dzieki dzialaniu odchylonej czesci przegrody. Pecherzyki dosiegnawszy przegrody musza wedrowac wzdluz i pod czescia odchylona, to znaczy musza wedrowac pod katem, zamiast, jak normalnie, pionowo, przez co uzyskuja dodatkowa mozliwosc przedarcia sie przez powierzchnie cieczy. Wielkosc czesci odchylonej zalezy od wielkosci pecherzyków, to znaczy dlugosc odchylonej czesci uzalezniona jest od wielkosci spodziewanych w tym miejscu pecherzyków. Kat nachylenia stozka moze byc rózny, do polozenia poziomego wlacznie. Korzystnie kat ten powinien wynosic 4S°. Czesc odchylona moze zawierac szereg rurek lub kominów wystajacych ponad powierzchnie cieczy w fermentorze, którymi uchodza oddzielone pecherzyki gazu. Korzystnie kominy te sa równomiernie rozmiesz¬ czone wokól górnej czesci komory PW. Kominy moga miec dowolny przekrój, np. kolowy, lub moga stanowic pólkuliste rynienki znajdujace sie na zewnetrznym obrzezu przegrody. Powierzchnia komina zalezy od ilosci wprowadzanego gazu do fermentora i od ich liczby. Kominy powinny znacznie wystawac nad powierzchnie cieczy, by zapobiec jej przedostawaniu sie donich. t W dolnym koncu komory PW powinien znajdowac sie co najmniej jeden wlot powietrza. Jesli jest to korzystne, takich doprowadzen powietrza i/lub tlenu moze byc wiecej w innych punktach wzdluz calej komory. W przypadku prowadzenia procesu metoda ciagla, w scianach fermentora moga sie znajdowac wejscia dla90 219 6 wprowadzania reagentów i odprowadzania produktów. Subttrat gazowy mozna wprowadzac do fermentora w dolnym koncu komory PW, lacznie z powietrzem i/lub tlenem lub oddzielnie. Urzadzenie wedlug wynalazku posiada nastepujace korzystne cechy: Nie stosuje sie mieszadel. Ciecz jest mieszana za posrednictwem pecherzyków wedrujacych ku górze w komorze PW, dzieki czemu nastepuje krazenie homogenicznej cieczy pod dzialaniem wytworzonego cisnienia hydrostatycznego. W urzadzeniu wystepuje róznica cisnien. Tlen glównie rozpuszcza sie w obszarze wyzszego cisnienia, a CO* desorbuje sie glównie w obszarze nizszego cisnienia. Miedzy obszarami wysokiego i niskiego cisnienia mieszanina fermentacyjna krazy szybko I ciagle, przez co unika sie narazania mikroorganizmów na dzialanie 02 lub CÓ2 o wysokich cisnieniach czastkowych. Przeplyw mieszaniny fermentacyjnej odbywa sie na skutek dzialania sil hydrostatycznych powstalych w wyniku podzielenia urzadzenia na komore z przeplywem wznoszacym i komore z przeplywem w dól, przy wprowadzeniu znacznie wiecej powietrza do tej pierwszej. Wynalazek ilustruja zalaczone rysunki. Fig. 1-6 ilustruja dwie postacie urzadzenia wedlug wynalazku z dwoma komorami umieszczonymi obok siebie. Fig. 7 ilustruje korzystne rozwiazanie urzadzenia z komorami umieszczonymi obok siebie. Fig. 8 przedstawia schemat oddzialu do produkcji ciaglej bialka spozywczego wytwarzanego sposobem wedlug wynalazku. Fig. 1 przedstawia czesc urzadzenia wedlug wynalazku. Fig. 2 przedstawia rzut glówny poziomy górnej czesci urzadzenia. Fig. 3 przedstawia przekrój poprzeczny wzdluz linii AA z fig. 1. Fig. 4 przedstawia widok bocznej górnej czesci urzadzenia. Fig. 5 przedstawia przekrój czesci urzadzenia o innym rozwiazaniu. Fig.6 przedstawia przekrój poprzeczny wzdluz linii AA z fig. 5. Fig. 7 przedstawia widok boczny, czesciowo w przekroju, korzystnego rozwiazania urzadzenia. Korzystne rozwiazanie, przedstawione na fig. 7, sklada sie z komory o przeplywie wznoszacym (PW) obejmujacej cylindryczny odcinek górny 24 i dolny 25, które sa polaczone elementem redukcyjnym 34, przy czym odcinek górny 24 posiada mniejsza srednice p\i odcinek doiny 25. Odcinek górny 24 polaczony jest górnym elementem laczacym 29 z górna czescia cylindrycznej komory o przeplywie opadajacym (PO) 28, dolny zas odcinek 25 polaczony jest dolnym elementem laczacym 26 z podstawa komory PO. Powietrze wtryskiwane jest do dolnego odcinka 25 przewodami rozpryskowymi 27, co powoduje ciagly obieg srodowiska fermentacyjne¬ go zajmujacego przestrzen do poziomu c-c. pórny element laczacy 29 nie moze byc w calosci wypelniony ciecza; musi w nim wystepowac powierzchnia swobodna cieczy, przez która wydostaja sie powietrze i dwutlenek wegla ze srodowiska fermentacyjnego i uchodza przewodem 30. Dodatkowe powietrze jest wtryskiwane do dolnej czesci komory PO 28 przewodem 33. Substrat jest wprowadzany przewodem 37, produkt zas usuwany przewodem 35. Dodatkowe pozywki, np. amoniak, mozna wprowadzac do fermentora przewodem 36. Górny odcinek 24 komory PW zawiera szereg elementów 38 do rozbijania pecherzyków. Komora PO 28 wyposazona jest w wymiennik ciepla 31. Urzadzenie przedstawione na fig. 1-4 sklada sie z zewnetrznego walca 12 otaczajacego komore PW 13 i komore PO 14, oddzielonych wewnetrzna sciana 15. Wewnetrzna sciana 15 sklada sie z szeregu cylindrycznych odcinków, z których kazdy posiada mniejsza srednice niz odcinek znajdujacy sie bezposrednio nad nim. Na zlaczeniach kazdej pary odcinków przez sciane 15 przechodza pierscieniowe przewody wylotowe 16. Odcinki utrzymywane sa we wzajemnej pozycji rozporami17. A Deflektory 21 ponizej przewodów wylotowych 16 kieruja ciecz wychodzaca z komory 14, tak aby nastapilo dokladnie wymieszanie taj cieczy z ciecza i gazem w komorze 13. W kazdym miejscu laczenia sie dwóch odcinków sciana górnego odcinka moze zachodzic na odcinek znajdujacy sie pod nim, tak aby powstala oslona 20, która moze byc równolegla do wewnetrznej sciany 15, jak pokazano na fig. 1, lub moze sie odchylac pod katem np. 8° do sciany górnego odcinka. Polaczenia, w których Sciana górnego odcinka przechodzi w odchylona oslone^ sa najkorzystniejsze w górnej czesci fermentora. Komora P014 laczy sie z komora PW 13 za posrednictwem przewodu (nie pokazanego na rysunkach) przechodzacego przez podstawe komory 14 i podstawe komory 13 (nie pokazane na rysunkach) do wymiennika ciepla (nie pokazane na rysunkach) a stad do komory 13 przez jej podstawe. W podstawie znajduja sie równiez wyloty elementu do wtryskiwania powietrza (nie pokazane na rysunkach) do komory 13. W górnej czesci fermentom, w którym sciany zewnetrzna 12 i wewnetrzna 15 odchylaja sie ukosnie na zewnatrz, najwyzszy odcinek sciany wewnetrznej 15 przechodzi w stozek 22, przez który przechodza kominy 23. Zewnetrzna sciana 12 wystaja na pewna wysokosc nad górne konce stozka 22 i kominy23. t Inne rozwiazanie, mniej korzystne, przedstawiaja fig. 5 i fig. 6. Ciagla sciana 16 posiada zwezenia, tworzac w ten sposób szereg odcinków o coraz wiekszej srednicy w miare posuwania sie ku górze. W miejscu laczanla sie par odcinków przez sciane 15 przechodza wyloty przewodów 18, których konce wystaja w komorze PW, tworzac rynienki.6 90 219 Pbdczas wykonywania sposobu wedlug wynalazku, przy uzyciu fermentora przedstawionego na fig 1-4 maruna fermentacyjna zajmuje przestrzec do linii B-B (fig. 4). Powietrze doprowadza sie w odpowiedniej ilofa do komory PW 13. Pecherzyki wedruj w gore, a nastepnie osiagnawszy stolek 22 male pecherzyki nie mogace wydostac sie z cieczy wedruja po jego spodniej powierzchni i stopniowo osiagaja powierzchnie, z której uchodza zanim ciecz przejdzie do komory 14. Nieliczne pecherzyki, które przedostaly sie do komory 14 albo uchodza z powierzchni cieczy albo wedruja w dól komory 14. Wieksze pecherzyki wydostaja sie kominami 23 Poniewaz w komorze 13 znajduje sie wiecej pecherzyków niz w komorze U.cKnienieP! u podstawy komory 13 jest nizsze niz cisnienie P2 u podstawy komory 14. Ciecz wedruje w góre w komorze 13, a w komorze 14 w dól Czesc cieczy wedrujacej w dól jest zawracana do komory 13 przewodami 16 rozmieszczonymi na calej dlugosci przegrody 15. Ciecz przechodzaca do dolnej czesci komory 14 przechodzi przewodem do wymiennika ciepla, po czym wraca do komory 13. W oddziale produkcji, przedstawionym na fig. 8, substrat w sposób ciagly przechodzi przewodem 1 do mieszalnika 2. w którym jest rozcienczany woda; przewodem 3 doprowadza sie zwiazek azotowy i sole nieorganiczne. Otrzymany wodny roztwór substratu przechodzi z mieszalnika 2 do sterylizatora (nie pokazany na' rysunku), a stamtad do fermentora 5, do którego uprzednio wprowadzono szczep mikroorganizmów. Przewodem 6, poprzez filtr 7 wprowadza $ke powietrze pod cisnieniem. Amoniak wprowadza sie przewodem 8 poprzez filtr 9. oraz dodatkowe powietrze przewodem 4. Wfermentorze tworzy sie bialkowy produkt, który w postaci zawiesmy przechodzi w sposób'ciagly na wirówke 10. Stad staly produkt bialkowy przesylany jest do suszarni 11; nie przefermentowana ciecz zawraca sie do mieszalnika 2. W czasie calego procesu wfermentorze utrzymuje sie temperature okolo 30°C W suszarni produkt suszy sie goracym powietrzem w 100-300°C i odbiera przewodem 12. Przyklad. Dla fermentora przedstawionego na fig. 7 teoretycznie obliczono objetosciowa szybkosc przenoszenia tlenu oraz zdolnosc przenoszenia w zaleznosci od wysokosci fermentora. Objetosciowa szybkosc przenoszenia tlenu, wyrazona w kilogramach 02 na godzine na metr szescienny cieklej kultury, jest to szybkosc z jaka tlen rozpuszcza sie w cieklej kulturze. Zdolnosc przenoszenia jest to stosunek szybkosci przenoszenia tlenu do zdolnosci jego zuzywania wyrazonej w kg 02 rozpuszczonego w cieklej kulturze na kilowatogodzine mocy zuzytej na sprezanie powietrza przed jego wprowadzeniem do cieklej kultury. Poniewaz zdolnosc przenoszenia maleje ze wzrostem szybkosci przenoszenia, ze wzgledu na ekonomie** nósc pracy fermentora wskazane jest, aby obydwa parametry w miare mozliwosci mialy wysokie wartosci liczbowe. Obliczen dokonano na podstawie równania dla przenoszenia gazów (w szczególnosci tlenu ICO*) zachodza* cego miedzy pecherzykami i ciekla kultura i wyliczenie zmian cisnienia w róznych miejscach ukladu. Moc, wymagana do sprezania gazu, obliczono na podstawie nastepujacych zalozen: Cisnienie w górnej czesci ukladu (gdzie nastepuje uwolnienie gazu) wynosi 1,5 bara abs. Pomiedzy kompresorem i wejsciem gazu do fermentora nastepuje strata cisnienia 1 bara. Jako gaz wprowadzany przyjeto powietrze o poczatkowych parametrach: cisnienie 1 bara i temp. 20°C. Przyjeto, ze proces sprezania jest adiabatyczny (izentropowy), do takiego wzrostu cisnienia, aby skompensowac strate 1 bara i wprowadzic powietrze do fermentora pod cisnieniem (lub cisnieniami) panujacymi w miejscu (miejscach) doprowadzania gazu. Z zalozen tych wynika, ze prace sprezania sa w stanie wykonac duze sprezarki osiowe z chlodzeniem miedzy dwoma stopniami. Przyjeto, ze do 45% gazu nalezy wprowadzic do komory z przeplywem opadajacym w nie wiecej niz trzech punktach. Otrzymane wyniki zestawiono w tablicy. Szybkosc przenoszenia tlenu do srodowiska (kg)godz.m3 2 6 8 12 14 16 Tablica- Zdolnosc przenoszenia (kg/kwat.godz.) 27 3,0 2,7 2,5 2.3 2.1 1.9 Wysokosc fermentora (m) ,20 40 50 60 70 8090 219 7 Przy obliczaniu powyzszych danych opierano sie na ostroznych zalozeniach odnosnie wspólczynnika przenoszenia I wielkosci pecherzyków. Zdanych tych wynika, ze ze wzrostem wysokosci fermentore wzrasta objetosciowa szybkosc przenoszenia tlenu.. PL PL PL PL PL PL

Claims (17)

Zastrzezenia patentowe*

1. Sposób aerobowej 'fermentacji substratu za pomoce mikroorganizmów zdolnych do wykorzystywania tego substratu dla wlasnego rozwoju, polegajacy na ciaglej cyrkulacji srodowiska fermentacyjnego, skladajacego sie z substratu i mikroorganizmów, w ukladzie zawierajacym komore z przeplywem wznoszacym i komore z przeplywem opadajacym oraz elementy zapewniajace ciagly obieg srodowiska fermentacyjnego pomiedzy komorami i doprowadzaniu powietrza i/lub tlenu do komory z przeplywem wznoszacym w dolnym jej koncu lub w poblizu tego konca dla wytworzenia w dolnych czesciach komór róznicy cisnien hydrostatycznych wystarcza¬ jacej do spowodowania ciaglego przeplywu srodowiska fermentacyjnego pomiedzy dwoma obszarami o róznych cisnieniach hydrostatycznych, przy tym powietrze i/tub tlen rozpuszcza sie w srodowisku fermentacyjnym w obszarze o wyzszym cisnieniu hydrostatycznym, znamienny tym, ze komora z przeplywem wznosza cym jest podzielona w osi pionowej na odcinki, z których kazdy posiada przekrój poprzeczny wiekszy od przekroju poprzecznego odcinka znajdujacego sie bezposrednio nad nim, powodujac, ze przeplyw srodowiska fermentacyjnego w góre komory z przeplywem wznoszacym posiada wieksza szybkosc na dowolnym odcinku górnym znajdujacym sie nad nizszym lub najnizszym odcinkiem niz szybkosc na dowolnym odcinku ponizej wspomnianego odcinka górnego.

2. Sposób wedlug zastrz. 1,znamienny tym, ze srodowisko fermentacyjne poddaje sie cyrkulacji ciaglej w ukladzie, w którym komora z przeplywem wznoszacym jest podzielona na dwa odcinki

3. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze'srodowisko fermentacji poddaje sie cyrkulacji w ukladzie, w którym obydwie komory znajduja sie obok siebie i sa polaczone ze soba w górnym I dolnym koncu.

4. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze szybkosc przeplywu cieczy reguluje sie doplywem powietrza i/lub tlenu w górnej czesci komory o przeplywie opadajacym.

5. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze jako substrat stosuje sie weglowodór lub weglowodór utleniony.

6. Sposób wedlug zastrz. 5, znamienny tym, ze jako substrat stosuje sie metanol.

7. Sposób wedlug zastrz. 1,znamienny tym, ze srodowisko fermentacji przepuszcza sie w sposób ciagly przez wymiennik ciepla w celu odprowadzenia nadmiaru ciepla.

8. Urzadzenie do aerobowej fermentacji, obejmujace komore z przeplywem wznoszacym i komore z przeplywem opadajacym oraz elementy zapewniajace ciagla cyrkulacje srodowiska fermentacyjnego miedzy komorami, przy tym w dolnej czesci komory z przeplywem wznoszacym znajduje sie element do doprowadzania gazu do urzadzenia w celu wytworzenia w nim, gdy zawiera srodowisko fermentacyjne, róznicy cisnien hydrostatycznych pomiedzy dolnymi czesciami komór wystarczajacej do wprawienia srodowiska fermentacyjna go w ciagly przeplyw miedzy dwoma obszarami o róznych cisnieniach hydrostatycznych, a w górnej czesci urzadzenia znajduje sie element do wyprowadzania gazu na zewnatrz, znamienne tym, ze komora z przeplywem wznoszacym iest podzielona w osi pionowej na odcinki, z których* kazdy posiada przekrój poprzeczny wiekszy od przekroju poprzecznego odcinka znajdujacego sie bezposrednio nad nim.

9. Urzadzenie wedlug zastrz. 8, znamienne tym, ze komora o przeplywie wznoszacym jest podzielona na odcinki górny i dolny.

10. Urzadzenie wedlug zastrz. 8 albo 9, znamienne tym, ze komory sa umieszczone obok siebie i polaczone w górnym i dolnym koncu.

11. Urzadzenie wedlug zastrz. 8, znamienne tym, ze element do doprowadzania gazu zapewnia to doprowadzanie w wielu punktach wzdluz komory o przeplywie wznoszacym.

12. Urzadzenie wedlug zastrz. 8, znamienne tym, ze zawiera element do doprowadzania gazu w górnej czesci komory o przeplywie opadajacym.

13. Urzadzenie wedlug zastrz. 8, znamienne tym, ze zawiera element do wywolania lokalnej turbulencji w komorze o przeplywie wznoszacym.

14. Urzadzenie wedlug zastrz. 13, znamienne tym, ze element do wywolywania turbulencji stanowi pojedyncze lub wielokrotne siatki, sita lub plyty z metalu lubplastyku. ,

15. Urzadzenie wedlug zastrz. 8, znamienne tym, ze zawiera komory umieszczone jedna w drugiej.

16. Urzadzenie wedlug zastrz. 15, znamienne tym, ze komore zewnetrzna stanowi komora o przeplywie wznoszacym.8 80 2tS

17. Urzadzenie wedlug zastrz. 15 albo 18, znimitnns tym, ze homory polaczone sa w górnym i dolnym kortcu oraz co najrnpiej w jednym miejscu posrednim. T FIG.2, FIG 490 219 FIG. 5 FIG.6. i ii 30 33 28 37 X 31 FIG 7. 29 "-35 .—38 -24 V" 25 tr-5= >=k 36 32 -27 76 FIG.8.