WO1987003615A1 - Process for supplying oxygen from fermentation plant and device for implementation of the process - Google Patents

Process for supplying oxygen from fermentation plant and device for implementation of the process

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WO1987003615A1
WO1987003615A1 PCT/EP1986/000744 EP8600744W WO8703615A1 WO 1987003615 A1 WO1987003615 A1 WO 1987003615A1 EP 8600744 W EP8600744 W EP 8600744W WO 8703615 A1 WO8703615 A1 WO 8703615A1
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membranes
fermenter
oxygen
plastic
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Ivan Sekoulov
Hans-Jürgen BRÄUTIGAM
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Definitions

  • the integrated metal mesh embedded in the silicone rubber is intended to enable high oxygen input rates through high oxygen partial pressures and, at the same time, as the support fabric expresses it, make the entire membrane system self-supporting.
  • the main disadvantage is the high technical effort required to manufacture the metal mesh-supported silicone membranes and the complete entry systems.
  • such tubular membranes can only be produced in a very limited length and not endlessly.
  • the inflexible and largely rigid metal mesh makes handling considerably more difficult and increases the risk of mechanical damage.
  • the object of the invention is to provide a method for the bubble-free oxygen supply of
  • the problem is solved in that the oxygen as a whole or in part via at least one fixed or moving plastic membrane with flexible fabric reinforcement on rigid support elements as a gas exchanger in the fermenter.
  • the gas exchanger is characterized in that the at least one plastic membrane with flexible fabric reinforcement is mounted on and supported by the dimensionally stable support elements.
  • the plastic membrane can be designed as a tubular or flat membrane, wherein the flexible fabric reinforcement can be embedded in the plastic membrane, can be arranged on the surface of the plastic membrane facing the water side or on the surface of the plastic membrane facing away from the water side.
  • plastic membranes with flexible fabric reinforcement are distinguished from known plastic membranes by considerable advantages.
  • the flexible fabric reinforcement in conjunction with the support elements enables the formation of plastic membrane modules that are self-supporting.
  • the plastic membrane and the flexible fabric reinforcement form an elastic, robust unit that is extremely resistant to pressure loads and mechanical stress.
  • These reinforced membranes are easy to handle, easy to process and enable high O 2 entry rates (10-20 gO / m 2 h) with little control effort.
  • Fig. 1 embodiments of hose merabrans to 3 for a gas exchanger in scheraatic
  • FIG. 7b shows a double membrane of the Ferraenters according to FIG. 7 in an enlarged detail view
  • Flg. 7c shows a further embodiment of a fermenter with a gas exchanger with flat membranes in a side view in section.
  • 9c shows a further arrangement of hose membranes in a schematic side view in an enlarged detail.
  • the z. B. can consist of a known silicone plastic.
  • the plastic membranes 4 are reinforced with a flexible fabric 6.
  • the fabric 6 can be embedded in the plastic membrane 4, arranged on the surface 8 facing the water side 7 or else on the surface 9 facing away from the water surface 7.
  • the fabric 6 can be made of monofilament or multifilament organic or inorganic fibers.
  • Organic fibers can be those made of polyester, polyamide, Teflon or the like, while glass fibers or carbon fibers can be used as inorganic fibers. Of particular advantage are fibers such. B. made of polyester, which can withstand the temperatures required for sterilization without adversely affecting their mechanical properties.
  • the fermenter 1 shown schematically in FIG. 7a consists of a fermenter housing 10 with a stirrer 11 arranged on the bottom.
  • a plastic membrane module 18, which consists of double membranes 19, is arranged as the gas exchanger 33.
  • Each double membrane 19 is formed from two flat membranes 12, 13, which are kept at a distance by means of a gas-permeable spacer 14 as a support element 32 (FIG. 7b).
  • the oxygen is introduced through the channel 20 formed by the flat membranes 12, 13 and can diffuse into the water side 7 through the flat membranes 12, 13.
  • the spacer 14 may e.g. B. be formed as a corrugated tape, mesh, fabric or the like.
  • Spacers 22 serving as support elements 32 are arranged between the double membranes 19.
  • These spacers 22 can also be designed as corrugated tape, mesh, fabric or the like.
  • the plastic Merabranra module 18 is held in side walls 23, 24 and is supported in the fermenter housing 10 on a mesh or grid-like support 31.
  • the gas exchanger 33 is designed to be self-supporting.
  • FIG. 7c A further fermenter 1a is shown in FIG. 7c, which differs from fermenter 1 by the arrangement of the stirrer.
  • the stirrer 25 used here is mounted horizontally and has rod-shaped stirring elements 26 which are arranged between the outer sides 27 of the flat membranes 12, 13 of the double membranes 19.
  • the stirring elements 26 are radial on the
  • the fermenter 2 shown in FIG. 8 also consists of a fermenter housing 10 with a stirrer 11 arranged on the bottom.
  • non-porous plastic membranes 4 are formed as hose membranes, which form the gas exchanger 33 as a plastic meran module 21.
  • the individual plastic membranes 4 are each formed into hose rings 15 with different diameters and one above the other and one inside the other stacked at a distance from each other.
  • Support elements 32 designed as supports 16 serve as spacers and position fixing.
  • FIG. 9a shows a schematic plan view of this plastic membrane module 21. It is also possible to form the tubular plastic membranes 4 in a horizontal plane in a spiral manner, as shown in FIG. 9b.
  • FIG. 9c shows a modification of the plastic merabran module 21, in which the individual hose rings 15 lie directly on top of one another.
  • This embodiment corresponds approximately to a plastic membrane module with flat membranes, the surface effective for the air introduction being enlarged by the curvature of the individual hose rings 15.
  • Spacers 22 are also arranged as support elements 32 between the hose rings 15 (FIG. 9a) and in the spiral-shaped hose rings 17 (FIG. 9b).
  • the mixing of the water phase 7, which also influences the oxygen input of the plastic membranes with flexible tissue reinforcement, can be carried out by one or more stirrers 11 and / or by an external circulation pump, which is not shown in the figures.
  • An additional movement such as Rotation leads to a further improvement in the oxygen input and thus the fermenter conversion performance.
  • the rotation can be constant or designed as a back and forth movement and / or up and down movement.
  • plastic membranes 3, 4, 5 with a flexible fabric reinforcement on support elements 32 is in principle suitable for the oxygen supply of all fermenter types used in biotechnology.
  • plastic membranes 3, 4, 5 with flexible fabric reinforcement as a membrane module in a module shape tailored to the application, such as a tube module, flat membrane module, winding module with tubes or flat membranes is particularly useful for Implementation of biotechnological conversions in fluidized bed and fluid bed fermenters is advantageous.
  • the biocatalysts are either as a biological coating on a fine-grained solid support such as e.g. B. Sand with a diameter of, for example, 0.5 now or without an additional carrier consisting only of bacterial mass, in pellet form, in a permanent state of suspension which is generated by the upward flow of the nutrient solution.
  • a fine-grained solid support such as e.g. B. Sand with a diameter of, for example, 0.5 now or without an additional carrier consisting only of bacterial mass, in pellet form, in a permanent state of suspension which is generated by the upward flow of the nutrient solution.
  • Detects the respective plastic membrane module which is advantageous in this case as Hose module or hose winding module is formed, evenly the entire fluidized bed, a gentle and even over the entire fluidized bed height, bubble-free oxygen supply is made possible.
  • Deadline Publication will be repeated if changes occur.
  • Process for supplying oxygen from fermentation plant in which the oxygen is introduced without bubbles through at least one pore-free plastic membrane with a flexible fabric reinforcement and device for implementing the process and for its use.
  • the oxygen required for Performance of the bio- process is fed in completely or partly free of bubbles through at least one factory-reinforced and pore-free plastic membrane mounted on support elements.
  • gas exchangers (33) having plastic pore-free membranes (4) mounted on supports (32) are arranged in the fermentation plant, said membranes being reinforced with a flexible fabric (6).
  • the oxygen required to carry out the bioprocess is total or partially bubble-free into the water phase through at least one fabric-reinforced, pore-free plastic membrane supported on supporting elements
  • gas exchangers (33) with pore-free plastic membranes (4) mounted on supports (32), which are reinforced with a flexible fabric (6), are arranged in the fermenter.

Abstract

Process for supplying oxygen from fermentation plant in which the oxygen is introduced without bubbles through at least one pore-free plastic membrane with a flexible fabric reinforcement, and device for implementing the process and for its use. The oxygen required for performance of the bio-process is fed in completely or partly free of bubbles through at least one fabric-reinforced and pore-free plastic membrane mounted on support elements. For this purpose, gas exchangers (33) having plastic pore-free membranes (4) mounted on supports (32) are arranged in the fermentation plant, said membranes being reinforced with a flexible fabric (6).

Description

Verfahren zur Sauerstoff versorgung von Fermemtern und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensProcess for oxygen supply to Fermemtern and device for carrying out the process
Bei Sauerstoff benötigenden biotechnologischen Verfahren führt die der O2-Versorgung dienende Luftdispergierung in der Wasserphase des Fermenters häufig zu Problemen durch die aufsteigenden Gasblasen, wie z.B. übermäßige Schaumbildung und hieraus resultierende unerwünschte Flotationseffekte . Auch Zellschädigungen, Verringerung des Zellwachstums und erhöhte Sterberaten werden häufig beobachtet. Um diese Probleme zu vermeiden ist deshalb vorgeschlagen worden, den erforderlichen Sauerstoff blasenfrei über poröse, hydrophobe Kunststoffmembranen in den Fermenter einzutragen, wobei die Membranen als Schlauchmembranen ausgebildet sind. Diese Membranen gestatten aufgrund der geringen zulässigen Sauerstoffpartialdrücke nur begrenzte Sauerstoffeintragsraten, da andernfalls bei Überschreitung des Blaspunkts aus den Poren unerwünschte Blasen austreten. Der steuerungsund regelungstechnische Aufwand um dies zu vermeiden ist erheblich. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, für die Züchtung empfindlicher tierischer Zellen in Suspensions- und Monolayerkulturen den Sauerstoff ebenfalls über gasperraeable nichtporöse Siliconsehläuche einzutragen. Diese Schlauchmembranen sind außerordentlich empfindlich gegen mechanische Einwirkungen, 30 daß ihr Einbau in den Fermenter sehr sorgfältig erfolgen muß damit Beschädigungen vermieden werden. Der Einsatz der empfindlichen Schläuche ist deshalb auf Laborfermenter begrenzt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß ebenfalls nur geringe Sauerstoffeintragsraten von etwa 2 go/m2h möglich sind, da andernfalls bei höheren Sauerstoffpartialdrücken von z.B. 1,5 bar Überdruck die Schlauchmem bran reißt. Weiterhin wurde vorgeschlagen, Sauerstoff in wässrige flüssigkeiten über ebenfalls nichtporöse Siliconmembranen mit einer metallischen Gewebeeinlage als Stütze einzutragen. Das im Siliconkautschuk eingebettete, integrierte Metallgewebe soll hohe SauerStoffeintragsraten durch hohe Sauerstoffpartialdrücke ermöglichen und gleichzeitig, wie durch die Bezeichnung Stützgewebe ausgedrückt wird, das gesamte Membransystem selbsttragend machen. Der wesentliche Nachteil ist der hohe technische Aufwand zur Herstellung der metallgewebegestützten Siliconmembranen sowie der kompletten Eintragssysteme. Außerdem können derartige Schlauchmembranen nur in sehr begrenzter Länge und nicht endlos hergestellt werden. Zusätzlich erschwert das unflexible und weitgehend starre Metalϊgewebe die Handhabung erheblich und erhöht die Gefahr der meachnischen Beschädigung.In the case of biotechnological processes which require oxygen, the air dispersion used for supplying O 2 in the water phase of the fermenter frequently leads to problems due to the rising gas bubbles, such as excessive foaming and the undesirable flotation effects resulting therefrom. Cell damage, reduced cell growth and increased death rates are also frequently observed. In order to avoid these problems, it has therefore been proposed to introduce the necessary oxygen into the fermenter bubble-free via porous, hydrophobic plastic membranes, the membranes being designed as tubular membranes. Due to the low permissible oxygen partial pressures, these membranes only allow limited oxygen introduction rates, since otherwise the bubbles will escape from the pores when the blowing point is exceeded. The control engineering effort to avoid this is considerable. It has also been proposed to also enter the oxygen via gas-permeable, non-porous silicone hoses for the cultivation of sensitive animal cells in suspension and monolayer cultures. These hose membranes are extremely sensitive to mechanical effects, 30 that their installation in the fermenter must be done very carefully so that damage is avoided. The use of sensitive hoses is therefore limited to laboratory fermenters. Another disadvantage is that only low oxygen introduction rates of about 2 g / m2h are also possible, since otherwise the hose diaphragm is at higher oxygen partial pressures of, for example, 1.5 bar overpressure bran tears. It has also been proposed to introduce oxygen into aqueous liquids via likewise non-porous silicone membranes with a metallic fabric insert as a support. The integrated metal mesh embedded in the silicone rubber is intended to enable high oxygen input rates through high oxygen partial pressures and, at the same time, as the support fabric expresses it, make the entire membrane system self-supporting. The main disadvantage is the high technical effort required to manufacture the metal mesh-supported silicone membranes and the complete entry systems. In addition, such tubular membranes can only be produced in a very limited length and not endlessly. In addition, the inflexible and largely rigid metal mesh makes handling considerably more difficult and increases the risk of mechanical damage.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur blasenfreien Sauerstoffversorgung vonThe object of the invention is to provide a method for the bubble-free oxygen supply of
Ferraentern und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, die bei geringem mechanischen Aufwand die beschriebenen Probleme, die mit den blasenfreien Sauerstoffeintragsverfahren verknüpft sind, zu vermeiden und gleichzeitig hohe Sauerstoffeintragsraten zu ermöglichen.To create Ferraentern and an apparatus for performing the method that with little mechanical effort to avoid the problems described, which are associated with the bubble-free oxygen introduction process, and at the same time to enable high oxygen entry rates.
Erfindungsgem. erfolgt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß der Sauerstoff insgesamt oder anteilsmäßig über mindestens eine feststehende oder bewegte Kunststoffraembran mit flexibler Gewebeverstärkung auf formsteifen Stützelementen als Gasaustauscher in den Fermenter eingetragen wird. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Gasaustauscher dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Kunststoffraembran mit flexibler Gewebeverstärkung auf den formsteifen Stützelementen gelagert ist und von diesen getragen wird. Die Kunststoffmembran kann als Schlauch- oder Flachmembran ausgebildet sein, wobei die flexible Gewebeverstärkung in die Kunststoffmerabran eingebettet, auf der der Wasserseite zugewandten Fläche der Kunststoffmembran oder aber auf der der Wasserseite abgewandten Fläche der Kunststoffmembran angeordnet sein kann.According to the invention. the problem is solved in that the oxygen as a whole or in part via at least one fixed or moving plastic membrane with flexible fabric reinforcement on rigid support elements as a gas exchanger in the fermenter. In one embodiment of the invention, the gas exchanger is characterized in that the at least one plastic membrane with flexible fabric reinforcement is mounted on and supported by the dimensionally stable support elements. The plastic membrane can be designed as a tubular or flat membrane, wherein the flexible fabric reinforcement can be embedded in the plastic membrane, can be arranged on the surface of the plastic membrane facing the water side or on the surface of the plastic membrane facing away from the water side.
Die je nach Typ des Fermenters und Anwendungsfall als Schlauch- oder Flachmembranmodule zur Anwendung kommenden Kunststoffmembranen mit flexibler Gewebeverstärkung zeichnen sich gegenüber bekannten Kunststoffmembranen durch erhebliche Vorteile aus. Durch die flexible Gewebeverstärkung wird in Verbindung mit den Stützelmenten die Ausbildung von Kunststoffmembranmodulen möglich, die selbsttragend sind. In Jedem Fall bilden die Kunststoffmembran und die flexible Gewebeverstärkung eine elastische, robuste Einheit, die außerordentlich widerstandsfähig gegen Druckbelastung und gegen mechanische Beanspruchung ist, Diese derart verstärkten Membranen sind problemlos zu handhaben, einfach zu verarbeiten und ermöglichen hohe O2-Eintragsraten (10-20 gO/m2h) bei geringem regelungstechnischen Aufwand.Depending on the type of fermenter and application, as plastic or flat membrane modules, plastic membranes with flexible fabric reinforcement are distinguished from known plastic membranes by considerable advantages. The flexible fabric reinforcement in conjunction with the support elements enables the formation of plastic membrane modules that are self-supporting. In any case, the plastic membrane and the flexible fabric reinforcement form an elastic, robust unit that is extremely resistant to pressure loads and mechanical stress.These reinforced membranes are easy to handle, easy to process and enable high O 2 entry rates (10-20 gO / m 2 h) with little control effort.
Weitere Merkmale der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben und nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtFurther features of the invention are described in the dependent claims and explained in more detail below with reference to the drawings. It shows
Fig. 1 Ausführungsformen von Schlauchmerabranen bis 3 für einen Gasaustauscher in scheraatischenFig. 1 embodiments of hose merabrans to 3 for a gas exchanger in scheraatic
Seitenansichten im Schnitt, Fig. 4 Ausführungsformen von Flachmembranen für bis 6 einen Gasaustauscher in schematischen Seitenansichten im Schnitt,Side views in section, 4 embodiments of flat membranes for up to 6 a gas exchanger in schematic side views in section,
Fig. 7a einen Fermenter mit einem Gasaustauscher mit Flachmembranen in der Seitenansicht im Schnitt,7a a fermenter with a gas exchanger with flat membranes in side view in section,
Fig. 7b eine Doppelmembran des Ferraenters nach Fig. 7 in einer vergrößerten Detailansicht,7b shows a double membrane of the Ferraenters according to FIG. 7 in an enlarged detail view,
Flg. 7c eine weitere Ausbildung eines Fermenters mit einem Gasaustauscher mit Flachmembranen in der Seitenansicht im Schnitt.Flg. 7c shows a further embodiment of a fermenter with a gas exchanger with flat membranes in a side view in section.
Fig. 8 einen Fermenter mit Gasaustauscher mitFig. 8 with a fermenter with gas exchanger
Schlauchmembranen in der Seitenansicht imTubular membranes in side view in
Schnitt,Cut,
Fig. 9a die Anordnung von Schlauchmerabranen in einer und 9b schematischen Draufsicht,9a the arrangement of hose merabrans in a and 9b schematic plan view,
Fig. 9c eine weitere Anordnung von Schlauchmembranen in einer schematischen Seitenansicht in einem vergrößerten Ausschnitt.9c shows a further arrangement of hose membranes in a schematic side view in an enlarged detail.
In Fig. 1 bis 3 sind als Schlauchmembranen ausgebildete Kunststoffmembranen 4 dargestellt, die z. B. aus einem ansich bekannten Siliconkunststoff bestehen können. Die Kunststoffmembranen 4 sind mit einem flexiblen Gewebe 6 verstärkt. Das Gewebe 6 kann in die Kunststoffmembran 4 eingebettet, auf der der Wasserseite 7 zugewandten Fläche 8 oder aber auf der der Wasserfläche 7 abgewandten Fläche 9 angeordnet sein. Das Gewebe 6 kann aus monofilen oder multifilen organischen oder anorganischen Fasern bestehen. Organische Fasern können solche aus Polyester, Polyamid, Teflon od. dgl, sein, während als anorganische Fasern z.B. Glasfasern oder Kohlenstoffasern verwendet werden können. Von besonderem Vorteil sind Fasern wie z. B. aus Polyester, die die zur Sterilisation erforderlichen Temperaturen ohne negative Beeinträchtigung ihrer mechanischen Eigenschaften ertragen können.In Fig. 1 to 3 designed as tubular membranes plastic membranes 4 are shown, the z. B. can consist of a known silicone plastic. The plastic membranes 4 are reinforced with a flexible fabric 6. The fabric 6 can be embedded in the plastic membrane 4, arranged on the surface 8 facing the water side 7 or else on the surface 9 facing away from the water surface 7. The fabric 6 can be made of monofilament or multifilament organic or inorganic fibers. Organic fibers can be those made of polyester, polyamide, Teflon or the like, while glass fibers or carbon fibers can be used as inorganic fibers. Of particular advantage are fibers such. B. made of polyester, which can withstand the temperatures required for sterilization without adversely affecting their mechanical properties.
In den Fig. 4 bis 6 sind schematisch ebenfalls porenfreie Kunststoffmerabranen 3 dargestellt, die jeweils als Flachmembran ausgebildet sind. Diese Kunststoffmembranen weisen ebenfalls Verstärkungen mit einem flexiblen Gewebe 6 auf, das wie oben beschrieben ausgebildet und angeordnet ist.4 to 6 schematically also show non-porous plastic merabrans 3, each of which is designed as a flat membrane. These plastic membranes also have reinforcements with a flexible fabric 6, which is designed and arranged as described above.
Der in Fig. 7a schematisch dargestellte Ferraenter 1 besteht aus einem Fermentergehäuse 10 mit einem bodenseitig angeordneten Rührer 11. In dem Fermentergehäuse 10 ist als Gasaustauscher 33 ein Kunststoffmembranmodul 18 angeordnet, das aus Doppelmembranen 19 besteht. Jede Doppelmembran 19 ist aus zwei Flachmembranen 12, 13 gebildet, die mittels eines gasdurchlässigen Abstandhalters 14 als Stützelement 32 auf Distanz gehalten werden (Flg. 7b). Durch den durch die Flachmembranen 12, 13 gebildeten Kanal 20 wird der Sauerstoff eingebracht und kann durch die Flachmembranen 12, 13 in die Wasserseite 7 diffund-ieren. Der Abstandshalter 14 kann z. B. als Wellband, Netz, Gewebe oder dergleichen ausgebildet sein. Zwischen den Doppelmembranen 19 sind als Stützelemente 32 dienende Abstandshalter 22 angeordnet. Diese verhindern, daß sich die Flachmembranen 12, 13 bei einer Beaufschlagung des Kanals 20 mit Gas durch den Gasdruck nach außen verformen. Diese Abstandshalter 22 können ebenfalls als Wellband, Netz, Gewebe oder dergleichen ausgebildet sein. Das Kunststoffmerabranraodul 18 ist in seitlichen Wänden 23, 24 gehalten und in dem Fermentergehäuse 10 auf einer netz- oder gitterartigen Auflage 31 abgestützt. Durch die Stützelemente 32 ist der Gasaustauscher 33 selbsttragend ausgebildet.The fermenter 1 shown schematically in FIG. 7a consists of a fermenter housing 10 with a stirrer 11 arranged on the bottom. In the fermenter housing 10, a plastic membrane module 18, which consists of double membranes 19, is arranged as the gas exchanger 33. Each double membrane 19 is formed from two flat membranes 12, 13, which are kept at a distance by means of a gas-permeable spacer 14 as a support element 32 (FIG. 7b). The oxygen is introduced through the channel 20 formed by the flat membranes 12, 13 and can diffuse into the water side 7 through the flat membranes 12, 13. The spacer 14 may e.g. B. be formed as a corrugated tape, mesh, fabric or the like. Spacers 22 serving as support elements 32 are arranged between the double membranes 19. These prevent the flat membranes 12, 13 from deforming when the channel 20 is exposed to gas due to the gas pressure. These spacers 22 can also be designed as corrugated tape, mesh, fabric or the like. The plastic Merabranra module 18 is held in side walls 23, 24 and is supported in the fermenter housing 10 on a mesh or grid-like support 31. By means of the support elements 32, the gas exchanger 33 is designed to be self-supporting.
In Fig. 7c ist ein weiterer Fermenter 1a dargestellt, der sich von dem Fermenter 1 durch die Anordnung des Rührers unterscheidet. Der hier verwendete Rührer 25 ist horizontal gelagert und weist stabförmige Rührelemente 26 auf, die zwischen den Außenseiten 27 der Flachmembranen 12, 13 der Doppςlmembranen 19 angeordnet sind. Die Rührelemente 26 sind radial auf derA further fermenter 1a is shown in FIG. 7c, which differs from fermenter 1 by the arrangement of the stirrer. The stirrer 25 used here is mounted horizontally and has rod-shaped stirring elements 26 which are arranged between the outer sides 27 of the flat membranes 12, 13 of the double membranes 19. The stirring elements 26 are radial on the
Welle 28 des Rührers 25 gelagert, die durch die eine seitliche Wand des Ferraentergehäuses 10 durchgeführt ist. Um einen schnellen Ein- und Ausbau des als Kunststoffmembranmodul 18 ausgebildeten Gasaustauschers 33 zu ermöglichen, können dessen seitlicheShaft 28 of the stirrer 25 mounted, which is carried out through the one side wall of the Ferraentergehäuses 10. In order to enable rapid installation and removal of the gas exchanger 33 designed as a plastic membrane module 18, its lateral ones
Wand 23 sowie die Doppelmembran 19 nicht näher dargestellte vertikale schlitzförmige Ausnehmungen 29, 30 aufweisen, die in Fig. 7c durch Bezugszeichen angedeutet sind. Bei einer Rotation des Rührers 25 wird ein besonders hoher scherkraftarmer Sauerstoffeintrag aus den Doppelmembranen 19 erzielt.Wall 23 and the double membrane 19 not shown vertical slot-shaped recesses 29, 30, which are indicated in Fig. 7c by reference numerals. When the stirrer 25 rotates, a particularly high low-shear oxygen input from the double membranes 19 is achieved.
Der in Flg. 8 dargestellte Fermenter 2 besteht ebenfalls aus einem Fermentergehäuse 10 mit einem bodenseitig angeordneten Rührer 11. In dem Fermentergehäuse 10 sind jedoch als Schlauchmembranen ausgebildete porenfreie Kunststoffmembranen 4 angeordnet, die als Kunststoffmerabranmodul 21 den Gasaustauscher 33 bilden. Die einzelnen Kunststoffmembranen 4 sind jeweils zu Schlauchringen 15 mit unterschiedlichem Durchmesser geformt und übereinander und Ineinander im Abstand voneinander gestapelt. Zur Distanzhaltung und Lagefixierung dienen als Stützen 16 ausgebildete Stützelemente 32. Fig. 9a zeigt eine schematische Draufsicht dieses so ausgebildeten Kunststoffmembranmoduls 21. Es ist auch möglich, die schlauchförmigen Kunststoffmembranen 4 in einer horizontalen Ebene jeweils spiralförmig auszubilden wie es Fig. 9b zeigt. Hierbei können jedoch unter Umständen ungleichmäßige mechanische Belastungen und Lufteintragsraten auftreten. Fig. 9c zeigt eine Abwandlung des Kunststoffmerabranmoduls 21, bei der die einzelnen Schlauchringe 15 direkt aufeinanderliegen. Diese Ausführungsform entspricht annähernd einem Kunststoffmembranmodul mit Flachraembranen, wobei die für den Lufteintrag wirksame Oberfläche durch die Wölbung der einzelnen Schlauchringe 15 vergrößert ist. Zwischen den Schlauchringen 15 (Flg.9a) und in den spiralförraig angeordneten Schlauchringen 17 (Fig. 9b) sind ebenfalls Abstandhalter 22 als Stützelemente 32 angeordnet.The one in Flg. The fermenter 2 shown in FIG. 8 also consists of a fermenter housing 10 with a stirrer 11 arranged on the bottom. In the fermenter housing 10, however, non-porous plastic membranes 4 are formed as hose membranes, which form the gas exchanger 33 as a plastic meran module 21. The individual plastic membranes 4 are each formed into hose rings 15 with different diameters and one above the other and one inside the other stacked at a distance from each other. Support elements 32 designed as supports 16 serve as spacers and position fixing. FIG. 9a shows a schematic plan view of this plastic membrane module 21. It is also possible to form the tubular plastic membranes 4 in a horizontal plane in a spiral manner, as shown in FIG. 9b. However, uneven mechanical loads and air entry rates can occur under certain circumstances. FIG. 9c shows a modification of the plastic merabran module 21, in which the individual hose rings 15 lie directly on top of one another. This embodiment corresponds approximately to a plastic membrane module with flat membranes, the surface effective for the air introduction being enlarged by the curvature of the individual hose rings 15. Spacers 22 are also arranged as support elements 32 between the hose rings 15 (FIG. 9a) and in the spiral-shaped hose rings 17 (FIG. 9b).
Die Durchmischung der Wasserphase 7, die auch den Sauerstoffeintrag der Kunststoffmembranen mit flexibler Gewebeverstärkung beeinflußt, kann durch einen oder mehrere Rührer 11 und/oder durch eine externe Umwälzpumpe erfolgen, die in den Abbildungen nicht näher dargestellt ist. Eine zusätzliche Bewegung wie z.B. Rotation führt zu einer weiteren Verbesserung des Sauerstoffeintrags und damit der Fermenterumsatzleistung. Die Rotation kann hierbei gleichbleibend oder als Hin- und Herbewegung und/oder Aufund Abbewegung ausgebildet sein.The mixing of the water phase 7, which also influences the oxygen input of the plastic membranes with flexible tissue reinforcement, can be carried out by one or more stirrers 11 and / or by an external circulation pump, which is not shown in the figures. An additional movement such as Rotation leads to a further improvement in the oxygen input and thus the fermenter conversion performance. The rotation can be constant or designed as a back and forth movement and / or up and down movement.
Die durch die flexible Gewebeverstärkung in Verbindung mit den Stützelementen 32 erzielte Verbesserung der mechanischen Stabilität der Kunststoffraembranen 3, 4, 5 führt zusätzlich zu einer vollkommen problemlosen Handhabung der jeweiligen Membran. Die Gefahr einer mechanischen Beschädigung, die bei bekannten verstärkten dünnwandigen Membranen stets gegeben ist und den Bau von Sauerstoffeintragsroodulen auf Membranbasis im technischen Maßstab erschwert, ist bei den Kunststoffmerabranen 3, 4, 5 mit flexibler Gewebeverstärkung und Stützelementen 32 weitgehend beseitigt.The improvement in the mechanical stability of the plastic membranes achieved by the flexible fabric reinforcement in connection with the support elements 32 3, 4, 5 additionally leads to a completely problem-free handling of the respective membrane. The danger of mechanical damage, which is always present in known reinforced thin-walled membranes and which complicates the construction of membrane-based oxygen introduction modules on the industrial scale, has been largely eliminated in the case of plastic merabrans 3, 4, 5 with flexible fabric reinforcement and support elements 32.
Der blasenfreie und damit auch zwangsläufig schaumfreie Sauerstoffelntrag über nicht bewegte oder bewegte nicht poröse Kunststoffmembranen 3, 4, 5 mit einer flexiblen Gewebeverstärkung auf Stützelementen 32 ist prinzipiell für die Sauerstoffversorgung aller in der Biotechnologie eingesetzter Fermentertypen geeignet. Neben dem Einsatz in Rührkessel-Schlaufenfermentern, Air-Llftfermentern und Festbettfermentern ist die Verwendung von Kunststoffmembranen 3, 4, 5 mit flexibler Gewebeverstärkung als Membranmodul in jeweils auf den Anwendungsfall zugeschnittener Modulform wie Schlauchmodul, Flachmembranmodul, Wickelmodul mit Schläuchen bzw. Flachmembranen besonders auch für die Durchführung von biotechnologischen Umsetzungen in Wirbelschichtund Fließbettfermentern vorteilhaft.The bubble-free and thus inevitably foam-free oxygen transfer over non-moving or moving non-porous plastic membranes 3, 4, 5 with a flexible fabric reinforcement on support elements 32 is in principle suitable for the oxygen supply of all fermenter types used in biotechnology. In addition to the use in stirred tank loop fermenters, air / air fermenters and fixed bed fermenters, the use of plastic membranes 3, 4, 5 with flexible fabric reinforcement as a membrane module in a module shape tailored to the application, such as a tube module, flat membrane module, winding module with tubes or flat membranes, is particularly useful for Implementation of biotechnological conversions in fluidized bed and fluid bed fermenters is advantageous.
Beim Wirbelschicht- bzw. Fließbettfermenter befinden sich die Biokatalysatoren entweder als biologischerBelag auf einem feinkörnigen festen Träger wie z. B. Sand mit einem Durchmesser von z.B. 0,5 nun oder ohne zusätzlichen Träger nur aus Bakterienmasse bestehend, in Pelletform, in einem permanenten Schwebezustand, der durch den aufwärtsgerichteten Strom der Nährlösung erzeugt wird. Erfaßt das jeweilige Kunststoffraembranmodul, das in diesem Fall vorteilhaft als Schlauchmodul bzw. Schlauchwickelraodul ausgebildet ist, gleichmäßig das gesamte Fließbett, wird eine schonende und über die gesamte Fließbetthöhe gleichmäßige blasenfreie Sauerstoffversorgung ermöglicht. Auch beim wirbelschicht-und Fließbettfermenter, bei denen der Sauerstoffeintrag der Kunststoffmembranen mit Gewebeverstärkung weitgehend durch die Membrandiraensionen und den Sauerstoffpartialdruck bestimmt wird, bewirkt eine kontinuierliche Hin- und Herbewegung der Membranen bzw. des Membranraoduls in der horizontalen und/oder vertikalen Richtung eine Verbesserung des Sauerstoffeintrags. In the fluidized bed or fluidized bed fermenter, the biocatalysts are either as a biological coating on a fine-grained solid support such as e.g. B. Sand with a diameter of, for example, 0.5 now or without an additional carrier consisting only of bacterial mass, in pellet form, in a permanent state of suspension which is generated by the upward flow of the nutrient solution. Detects the respective plastic membrane module, which is advantageous in this case as Hose module or hose winding module is formed, evenly the entire fluidized bed, a gentle and even over the entire fluidized bed height, bubble-free oxygen supply is made possible. In the case of fluidized bed and fluidized bed fermenters, too, in which the oxygen input of the plastic membranes with tissue reinforcement is largely determined by the membrane dimensions and the oxygen partial pressure, a continuous back and forth movement of the membranes or the membrane module in the horizontal and / or vertical direction improves the oxygen input .
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INTERNATIONALE ANMELDUNG VERÖFFENTLICHT NACH DEM VERTRAG ÜBER DIE INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT AUF DEM GEBIET DES PATENTWESENS (PCT)INTERNATIONAL APPLICATION PUBLISHED AFTER THE INTERNATIONAL COOPERATION AGREEMENT IN THE PATENT AREA (PCT)
(51) Internationale Patentklassifikation 4 : (11) Internationale Veröffentlichungsnummer : WO 87/ 03 C12M 3/00, 1/12 A3 (43) Internationales(51) International Patent Classification 4: (11) International Publication Number: WO 87/03 C12M 3/00, 1/12 A3 (43) Internationales
Veröffentlichungsdatum 18. Juni 1987 ( 18.0Release DATE June 18, 1987 (18.0
P (21) Internationales Aktenzeichen: PCT/EP86/00744 (81) Bestimmungsstaaten: AT (europäisches Patent), BE ropäisches Patent), CH (europäisches Patent),P (21) International reference number: PCT / EP86 / 00744 (81) Destination countries: AT (European patent), BE European patent), CH (European patent),
(22) Internationales Anmeldedatum: (europäisches Patent), FR (europäisches Patent),(22) International filing date: (European patent), FR (European patent),
12. Dezember 1986 (12.12.86) (europäisches Patent), IT (europäisches Patent), LU (europäisches Patent), NL (europäisches Pat SE (europäisches Patent), US.December 12, 1986 (12.12.86) (European patent), IT (European patent), LU (European patent), NL (European patent SE (European patent), US.
(31) Prioritätsaktenzeichen: P 35 44382.0(31) Priority record number: P 35 44 382.0
(32) Prioritätsdatum: 14. Dezember 1985 (14.12.85) Veröffentlicht(32) Priority date: December 14, 1985 (December 14, 1985) Published
I Mit internationalem Recherchenbericht.I With an international search report.
(33) Prioritätsland: DE Vor Ablauf der für Änderungen der Ansprüche zugelas(33) Priority country: DE Before expiry of the rights to change
Frist. Veröffentlichung wird wiederholt falls Änderun eintreffen.Deadline. Publication will be repeated if changes occur.
(71X72) Anmelder und Erfinder: SE OULOV, Ivan [DE/ DE]; Müllenhoff eg 22, D-2000 Hamburg 52 (DE). (88) Veröffentlichungsdatuin des internationalen Recherchen BRÄUTIGAM, Hans- Jürgen [DE/DE]; Marmstorfer- eg 74, D-2100 Hamburg 90 (DE). richts: 19. November 1987 (19.11.(71X72) Applicant and inventor: SE OULOV, Ivan [DE / DE]; Müllenhoff eg 22, D-2000 Hamburg 52 (DE). (88) Publication date of the international search BRÄUTIGAM, Hans-Jürgen [DE / DE]; Marmstorfereg 74, D-2100 Hamburg 90 (DE). Judge: November 19, 1987 (November 19.
(74) Anwälte: SCHMIDT-BOGATZ Y, Jürgen usw. ; Schlossmühlendamm 1, D-2100 Hamburg 90 (DE).(74) Lawyers: SCHMIDT-BOGATZ Y, Jürgen etc.; Schlossmühlendamm 1, D-2100 Hamburg 90 (DE).
(54) Title: PROCESS FOR SUPPLYING OXYGEN FROM FERMENTATION PLANT AND DEVICE FOR IMP MENTATION OF THE PROCESS(54) Title: PROCESS FOR SUPPLYING OXYGEN FROM FERMENTATION PLANT AND DEVICE FOR IMP MENTATION OF THE PROCESS
(54) Bezeichnung: VERFAHREN ZUR SAUERSTOFFVERSORGUNG VON FERMENTERN UND VORRI TUNG ZUR DURCHFÜHRUNG DES VERFAHRENS(54) Name: PROCESS FOR THE OXYGEN SUPPLY OF FERMENTERN AND DEVICE FOR IMPLEMENTING THE PROCESS
(57) Abstract(57) Abstract
Process for supplying oxygen from fermentation plant in which the oxygen is introduced without bubbles through at least one pore-free plastic membrane with a flexible fabric reinforcement, and device for implementing the process and for its use. The oxygen required for Performance of the bio- process is fed in completely or partly free of bubbles through at least one fa- bric-reinforced and pore-free plastic membrane mounted on support ele- ments. For this purpose, gas exchangers (33) having plastic pore-free mem- branes (4) mounted on supports (32) are arranged in the fermentation plant, said membranes being reinforced with a flexible fabric (6).Process for supplying oxygen from fermentation plant in which the oxygen is introduced without bubbles through at least one pore-free plastic membrane with a flexible fabric reinforcement, and device for implementing the process and for its use. The oxygen required for Performance of the bio- process is fed in completely or partly free of bubbles through at least one factory-reinforced and pore-free plastic membrane mounted on support elements. For this purpose, gas exchangers (33) having plastic pore-free membranes (4) mounted on supports (32) are arranged in the fermentation plant, said membranes being reinforced with a flexible fabric (6).
(57) Zusammenfassung(57) Summary
Verfahren zur Sauerstoffversorgung von Fermentern, in denen der Sauerstoffeintrag blasenfrei durch mindestens eine porenfreie Kunststoffmembran mit flexibler Gewebeverstärkung erfolgt, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie dessen Anwendung. Der für die Durchführung des Bioprozesses erforderliche Sauerstoff wird insgesamt oder an-
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teilsmässig blasenfrei durch mindestens eine gewebeverstärkte porenfreie und auf Stützelementen gelagerte Kunststoffmembran in die Wasserphase eingetragen. Hierzu sind in dem Fermenter Gasaustauscher (33) mit auf Stützen (32) gelagerten porenfreien Kunststoffmembranen (4) angeordnet, die mit einem flexiblen Gewebe (6) verstärkt sind. Process for supplying oxygen to fermenters in which the oxygen is introduced bubble-free through at least one non-porous plastic membrane with flexible fabric reinforcement, and a device for carrying out the process and its use. The oxygen required to carry out the bioprocess is total or
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partially bubble-free into the water phase through at least one fabric-reinforced, pore-free plastic membrane supported on supporting elements For this purpose, gas exchangers (33) with pore-free plastic membranes (4) mounted on supports (32), which are reinforced with a flexible fabric (6), are arranged in the fermenter.
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CF Zentrale Afrikanische Republik KR Republik Korea SN SenegalCF Central African Republic KR Republic of Korea SN Senegal
CG Kongo I Liechtenstein SU Sovϊet UnionCG Congo I Liechtenstein SU Sovϊet Union
CH Schweiz LK Sri Lanka TD TschadCH Switzerland LK Sri Lanka TD Chad
CM Kamerun LU Luxemburg: TG TogoCM Cameroon LU Luxembourg: TG Togo
DE Deutschland, Bundesrepublik MC Monaco US Vereinigte Staaten von AmerikaDE Germany, Federal Republic of MC Monaco US United States
DK Dänemark MG MadagaskarDK Denmark MG Madagascar
FI Finnland ML Mali FI Finland ML Mali

Claims

P A T E N T A H S P R Ü C H E PATENT SPEAKING
1. Verfahren zur blasenfreien Sauerstoffversorgung von Fermentern, in denen der Gasaustausch durch eine porenfreie Kunststoffmembran mit integriertem Gewebe erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff insgesamt oder anteilsmäßig über mindestens eine feststehende oder bewegte Kunststoffmembran mit flexibler Gewebeverstärkung auf forrasteifen Stützelementen als Gasaustauscher in die Wasserphase eingetragen wird.1. A method for bubble-free oxygen supply to fermenters in which the gas exchange takes place through a pore-free plastic membrane with integrated tissue, characterized in that the oxygen as a whole or in part via at least one fixed or moving plastic membrane with flexible tissue reinforcement on rigid support elements as a gas exchanger in the water phase becomes.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Minimierung der Schaumbildung und Flotationseffekte der im Fermenter erforderliche Sauerstoff zum einen Teil durch eine ansich bekannte Blasenbelüftung und zum anderen Teil blasenfrei über eine oder mehrere porenfreie Kunststoffmembranen mit flexibler Gewebeverstärkung in die Wasserphase eingetragen wird.2. The method according to claim 1, characterized in that to minimize the foaming and flotation effects of the oxygen required in the fermenter is entered partly through a known bubble ventilation and partly without bubbles via one or more non-porous plastic membranes with flexible fabric reinforcement in the water phase.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Bioreaktor ein Rührkessel-, Schlaufen-,3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that as a bioreactor, a stirred tank, loop,
Fließbett-, Wirbelschicht-, Airlift- oder Fest- bettfermenter verwendet wird,Fluid bed, fluidized bed, airlift or fixed bed fermenter is used,
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffzufuhr ausschließlich oder zusätzlich über porenfreie Kunststoffmembranen mit flexibler Gewebeverstärkung in einem Rezirkulationswasserstrom eines Rührkessel-, Schlaufen-, Fließbett- oder Wirbelschichtfermenters erfolgt. 4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the oxygen supply takes place exclusively or additionally via pore-free plastic membranes with flexible fabric reinforcement in a recirculation water stream of a stirred tank, loop, fluidized bed or fluidized bed fermenter.
5. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffeintrag über porenfreie Kunststoffraembranen mit flexibler Gewebeverstärkung im Fermenter zur Züchtung empfindlicher Bakterien kulturen und Zellkulturen menschlicher, tierischer und pflanzlicher Herkunft erfolgt.5. Application of the method according to claim 1 to 4, characterized in that the oxygen input via pore-free plastic membranes with flexible tissue reinforcement in the fermenter for the cultivation of sensitive bacteria cultures and cell cultures of human, animal and vegetable origin.
6. Gasaustauscher zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4 sowie dessen Anwendung nach Anspruch 5, mit mindestens einer porenfreien Kunststoffraembran (3, 4, 5) mit integriertem Gewebe (6), dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine gewebeverstärkte Kunststoffraembran (3, 4, 5) auf Stützelementen (32) gelagert ist und ein in die Kunststoffmembran (3, 4, 5) eingebettetes oder an der der Wasserphase (7) zugewandten Fläche (8) oder an der der Wasserphase (7) abgewandten Fläche (9) der Kunststoffraembran (3, 4, 5) angeordnetes flexibles Gewebe (6) aufweist.6. Gas exchanger for performing the method according to claim 1 to 4 and its use according to claim 5, with at least one non-porous plastic membrane (3, 4, 5) with integrated fabric (6), characterized in that the at least one fabric-reinforced plastic membrane (3, 4, 5) is mounted on support elements (32) and a surface (8) embedded in the plastic membrane (3, 4, 5) or on the surface (8) facing the water phase (7) or on the surface (9) facing away from the water phase (7) the plastic membrane (3, 4, 5) has a flexible fabric (6).
7. Gasaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (32) als Stütze (16), Abstandshalter (22) od, dgl. ausgebildet ist.7. Gas exchanger according to claim 6, characterized in that the support element (32) is designed as a support (16), spacer (22) or the like.
8, Gasaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das die Kunststoffmembran (3, 4, 5) verstärkende Gewebe (6) aus monofilen oder multifilen organischen Fasern besteht.8, gas exchanger according to claim 6, characterized in that the plastic membrane (3, 4, 5) reinforcing fabric (6) consists of monofilament or multifilament organic fibers.
9. Gasaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das die Kunststoffmembran (3, 4, 5) verstärkende Gewebe (6) aus anorganischen monofilen oder multifilen Fasern besteht. 9. Gas exchanger according to claim 6, characterized in that the plastic membrane (3, 4, 5) reinforcing fabric (6) consists of inorganic monofilament or multifilament fibers.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die porenfreie Kunststoffmembran (4) als Flach- oder Schlauchmembran ausgebildet ist.10. The device according to claim 7 to 12, characterized in that the non-porous plastic membrane (4) is designed as a flat or tubular membrane.
11. Anwendung des Gasaustauschers nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mittels mindestens einer gewebeverstärkten auf einem Stützelement (32) gelagerten Kunststoffmembran (3, 4, 5) in einem Fermenter (1, 2) der Sauerstoffeintrag und gleichzeitig /oder verzögert die Entfernung des durch die Bioprozesse entstandenen Kohlendyoxids oder anderer leichtflüchtiger Stoffwechselendprodukte erfolgt.11. Use of the gas exchanger according to claim 6 to 10, characterized in that by means of at least one fabric-reinforced plastic membrane (3, 4, 5) mounted on a support element (32) in a fermenter (1, 2) the oxygen input and at the same time / or delays the Removal of the carbon dioxide or other volatile metabolic end products created by the bioprocesses takes place.
12. Anwendung des Gasaustauschers nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die. in der Wasserphase im Fermenter (1, 2) gelösten gegebenenfalls unerwünschte Substanzen über mittels einer gewebeverstärkten auf einem Stützelement (32) gelagerten KunstStoffmembran (3, 4, 5) abgeführt werden. 12. Use of the gas exchanger according to claim 6 to 10, characterized in that the. Any unwanted substances dissolved in the water phase in the fermenter (1, 2) are removed via a plastic membrane (3, 4, 5) supported on a support element (32).
PCT/EP1986/000744 1985-12-14 1986-12-12 Process for supplying oxygen from fermentation plant and device for implementation of the process WO1987003615A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DEP3544382.0 1985-12-14
DE19853544382 DE3544382A1 (en) 1985-12-14 1985-12-14 METHOD FOR THE OXYGEN SUPPLY OF BIOREACTORS AND DEVICE FOR IMPLEMENTING THE METHOD AND USE OF THE DEVICE

Publications (3)

Publication Number Publication Date
WO1987003615A2 WO1987003615A2 (en) 1987-06-18
WO1987003615A1 true WO1987003615A1 (en) 1987-06-18
WO1987003615A3 WO1987003615A3 (en) 1987-11-19

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