DD265161A1

DD265161A1 - Vorrichtung zur begasung von fluessigkeiten

Info

Publication number: DD265161A1
Application number: DD87306779A
Authority: DD
Inventors: Dieter Weichert; Klaus Tanneberger; Guenter Klappach; Helga Schroeter; Axel Borbonus; Harald Kind
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1987-09-09
Filing date: 1987-09-09
Publication date: 1989-02-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begasung von Fluessigkeiten, insbesondere waessriger Medien. Die Vorrichtung gestattet eine volumenhomogene Begasung mikrobiologischer Kulturmedien unter Vermeidung von mechanischer Zellschaedigung oder Stresserscheinungen. Die Begasungsvorrichtung besitzt in einer Ebene aber bevorzugt in mehreren Ebenen angeordnete flexible Schlaeuche, die multiplex ventilartig wirkende Mikroschlitze aufweisen. Das mit einer Rohrrahmenkonstruktion verbundene Schlauchsystem eignet sich fuer den Eintrag von Sauerstoff, Ammoniak und gasfoermigen Kohlenstoffverbindungen bei der diskontinuierlichen und kontinuierlichen Fermentation auch bei Sterilfahrweise sowie fuer die Wasserbelueftung, insbesondere im Rahmen der biologischen Abproduktbehandlung. Die Erfindung kann in der mikrobiologischen Forschung und Industrie sowie in der Wasserbehandlung und biologischen Abproduktbehandlung verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft olne Begasungsvorrichtung für Flüssigkeiten, insbesondere für wäßrige Medien, die für die Kultivierung

von Mikroorganismen, pflanzlichen und tierischen Zellen sowie für die Wasser- und Abwasserbehandlung eingesetzt worden |

kann. Bevorzugte Anwendungsgebiete der Erfindung sind die mikrobiologische Industrie und die biologische \

Abproduktbehandlung. j

Charakterisierung des bekannten Standes der Technik

Die bisher bekannten Begasungsvorrichtungdn von Fermentationen arbeiten entweder nach dem Prinzip des begasten '

Rührfermentois oder narrt dem Prinzip der Blasensäule (air lift). In jüngster Zeit wurde auch das Tauchstrahlprinzip eingeführt, ^: das speziell konstruierte Pumpen für den Mediumumlauf erfordert, so wird in der DE-OS 1442820 eine solche Vorrichtung ,

beansprucht. Auch innerhalb des Fermentors angeordnete Kreiselpumpen wurden, wie in der DE-OS 23830, unter Patentschutz ; gestellt. Auch Schlaufenreaktoren benötigen für ihre Sauerstoffübertragungsleitungen neben den eingebauten Schikanen j

großdimensionierte Pumpsysteme, die eine Steriltechnik erschweren und lokal g jße Scherfelder aufweisen, das gilt auch für den im DD-PS 137807 beschriebenen Apparat.

Da jedoch Immer mehr neben der Massenzüchtung von Mi troorganismen die Herstellung chemischer, enzymologischer und biologisch-pharmazeutischer Produkte das Ziel der Fermentation darstellt, wobei spezielle Stoffwechselleistungen von Hefen, Bakterien, Pilzen sowie von pflanzlichen und tierischen Zellen genutzt werden, lassen sich die bisher genannten Fermentationsvorrichtungen aus folgenden Gründen nicht optimal nutzen: ;

— mechanische Bauteile zur Förderung oder Zerteilung von Fermentationsmedium in Form von Pumpen, Rührern usw. ! erschweren oder gestatten erst gar nicht die Steriltechnik '

— Pumpen, Rührer und zentrale Begasungsdüsen weisen in ihrem unmittelbaren Wirkungsfeld hohe Scherfelder im Medium ι auf, die zu Zellrupturen und/oder Streßerscheinungen u. ä. bei Mikroorganismer, sowie pflanzlichen und tierischen Zellen führen.

Das gilt auch für den in der DD-PS 160154 beschriebenen Apparat zur Kultivierung mycelartiger Mikroorganismen und für den | Schlaufenreaktor gemäß DE-OS 24367Θ3.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, eine Begasungsvorrichtunu für Fermentation zu schaffen, bei der die Begasung volumonhomogen ohne schädigende Scherfelder für die zu kultivierenden Zellen erfolgt. Dabei soll ausschließlich ein unter Druck stehendes Gas, welches mittels Gaskompressoren erzeugt wird und durch Filtertechnik keimfrei gehalten werden kann, für die Begasung und Durchmiechung des Mediums benutzt werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Begasungsvorrichtung, die bei scherfeldarmer, volumenhomogener Begasung die Kultivierung von Mikroorganismen sowie von pflanzlichen und tierischen Zellen zur Herstellung von Zellbiomasse oder Stoffwechselprodukten auch unter sterilen Bedingungen gestattet.

Da die bisher bekannten Begasunysvorrichtungen aerator Fermentationen gekennzeichnet sind durch die lokalisierte, quasi punktuelle Gaseinspeisung, z. 8. von sauerstoffhaltigem Gas mit nachfolgender Verteilung, was Vorrichtungen wie Pumpen, Rührer, Zweistoffdüsen u.a. erfordert, die als Nachteile hohe lokale Scherfeldor, risikovollen Einsät: bei Sterilfahrweise u.a. aufweisen, galt es, eine Begasungsvorrichtung mit folgenden Eigenschaften zu entwickeln:

— ausschließliche Nutzung eines komprimierten, z. B. sauerstoffhaltigen Gases und tier dafür erforderlichen ausgereiften wenig störanfälligen Gaskoinpressions- und Gasreinigungstechnik in Kombination mit einer Begasungsvorrichtung, dia den Gaseintrag an multiplen Raumpunkten bei scherfeldarmer volumenhomogener Begasung und Durchmischung des Mediums bewirkt, was in einfacher Weise die Abdichtung der Ferrrwntatlonsvoi richtung bei geforderter Sterilfahrwelse ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindunysgemflß durch eine Begasungitvorrichtung gelöst, die aus einer Ronrrahmenkonstruktion (4) besteht, in der sich in einer Ebene bevorzugt jedoch in mehreren Ebenen verspannte f iexlble Schläuche (6) aus einem Elast- oder Plastwerkstoff befinden, die mit multiplex ventilartig wirkenden Mikroschlitzen (20) versehen sind.

In die Rohn ahmenkonstruktion (4) wird über die Gaezuf ühriingsstutzen (12/13) ein unter Druck stehendes gasförmiges Medium eingeblasen, das Gas verteilt sich innerhalb der Rohrrahmenkonstruktion (4) und wird übar die Stutzen (18) den flexiblen Schläuchen (5) zugeführt, die z.B. zwischen den Halteelementen (17) verspannt sind. Entsprechend dem wählbaren

vorgegebenen Gasdruck öffnen sich die Mikroschlitze (20) ventilartig und lassen das Gas in variierbar großen Mlkroblasen in die

Flüssigkeit entweichen. Durch die Anordnung der Schläuche (5) in beispielsweise mehreren Ebenen wird eine gleichmäßige Verteilung des Gases innerhalb des gesamten Flüssigkeitsvolumens erreicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich beispielsweise In Fermentoren für aerobe Fermentationsverfahren einbauen oder

auch in Belüftungsbecken für die Wasser- und Abwasserbehandlung.

Es lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung spezifische Volumenbegasungsgeschv.'ndlgkeiton in einem weiten Bereich realisieren, die beispielsweise variierbar zwischen 0,001 und 1,0wm liegen können. In den Figuren 1,2 und 3 ist die Vorrichtung schematisch dargestellt. Die Figuren 4 bis 7 zeigen beispielhaft verschiedene Anwendungsmöglichkeiten der Vorrichtung. In den nachfolgenden Beispielen werden Anwendungsmöglichkeiten der Vorrichtung näher beschrieben. Beispiel 1

Zum Einsatz für eine Verhefung kam die erfindungsgemäße Begasungsvorrichtung in Verbindung mit dem in Figur 4 dargestellten Fermentortyp. In dem zylindrischen Fermentor mit den Abmessungen: Höhe 5m; Reaktorraumdurchmesser: , 1,6m; Fermentorkopfdurchmesser: 2,8m; Leitrohrlänge: 3,8m, ist der Kühlmantel 1,2 sowie konzentr'i3ch ein Loitrohr3 eingebaut, In dem sich die Rohrrahmenkcnstruktion (4) der Begaeungevorrtchtung befindet, dta zahlreiche verspannte flexible Schläuche (5) In verschiedenen Ebenen besitzt. Die flexiblen Schläuche (6) sind mit Mikroschlüzen (20) von 0,1-0,5 mm Länge versehen, dabei liegt die Anzahl dar Schlitze zwischen 100 und 1000 pro 1 m Länge. Der Durchmesser des Schlauches (5} kann so gewählt werden, daß nur 1 bis 4% des Reaktorvolumens beansprucht werden. Die Zuführung des Gases erfolgt durch den Kopf des Fermenturs (12), wobei der Rohrrahmen (4) die Verteilung des Gases Ober 2 Stutzen (18) in einer Begasungsebene übernimmt. Dem zugeführten Gas kann bei Bedarf Ammoniak über den Stutzen (11) zur pH-Regelung und für die Stickstoffversorgung zugemischt werden. Die Füllmasse im Fermentor wird zur Einstellung einer günstigen Mediumzirkulation zwischen Leitrohr (3) und Innenwand (2} durch Differenzbodendruckmessung (6); (7) geregelt. Die Mediumentnahme (8) und die Nährlösungszuführung (15) erfolgen beim kontinuierlichen Prozeß und zur Füllmassekorrektur.

Der Kühlwassereintritt und -austritt erfolgt an den Zuführungen (9) und (10). Für die Demontage der Rohrrahmenkonstruktion ist die Flanschöffnung (16) vorgesehen.

Die im Leitrohr (3) angeordnete Rohrrahmenkonstruktion (4) mit den in sechs Ebenen im Abstand von 0,5 m verspannten flexiblen Schläuchen (5) gestattete durch den Einsatz von etwa 100 m Schlauch aus plastifiziertem Polyvinylchlorid von 2 cm Durchmesser und etwa 0,2cm Wandstärke, der mit 35000 bis 40000 Mikroschlltzen (20) von 0,3mm Länge versehen war, eine Begasung mit 300Nm³ Luft bei 5 · 10³Pa Druck. Die so begaste Näh; lösung der Zusammensetzung pro m³:50kg · Saccharose, 0,7 kg · (NH₄I₂SO₄,1,9 kg · KH₂PO₄,0,76 kg · MgSO₄ · 7H₂O und Spurennnteile der Elemente Zn; Mn; Fe und Cu, wurde mit dem Hefestamm der Gattung Candida utllis H 92 angeimpft und der pH-Wert bei 4 ± 0,2 durch die geregelte Zumischung von Ammoniakgas konstant gehalten. Die so bei 32⁰C durchgeführte Fermentation Im batch-Veifahren ergab am Ende 6,4m³ Hefesuspension mit einem Gehalt von 24,9 kg · Trockenhefe/m³. Die maximal erreichte Produktivität war 4,5 kg · HTS/m³ · h, dabei lag die mit der Luft eingebrechte Leistung bei 1,2 kW/m³. j

Beispiel 2 j

Für die Versuchsdurchführung wurde die gleiche Kombination von Begasungsvorrichtung und Fermentortyp wie im Beispiel 1 ' benutzt. Der Fermentor wurde mit 6,4m³ Kultivierungsmedium gefüllt, welches in 1 m³ folgende Bestandteile enthielt:

10kg · Hefe Brettanomyces spec. H99 — IMET H136; 0,7kg (NH₄)₂SO₄; 0,76kg · KH₂PO₄; 0,3kg · MgSO₄ · 7H₂O; ' 0,084kg ZnSO₄; 0,022kg · MnSO₄; 0,034 kg · FeSO₄ · 7H₂O. Die eingesetzte Hefe wurde im gleichen Fermentor auf Ethanol

vorgezüchtet. Dem Formentor wurden stündlich 290Nm³ einer Abluft zugeführt, die 3,2 Vol.-% Acetaldehyd enthielt, dabei <

betrug der Druck vor dem Gasaustritt 5 · 10⁸Pa. Ebenfalls stündlich wurden 1,06m³ dos beschriebenen Kultivierungsmediums \

ohne Hefe zudosiert und der Masseinhalt im Fermentor konstant gehalten. Die pH-Regeiuüg auf den Sollwert von 4,6 erfolgte ' mittels des der Zuluft zugemischten gasförmigen Ammoniaks. Die kontinuierlich mit einer Durchflußrete von 0,166h"' bei 33"C

durchgeführte Fermentation ergab eine Hefekonzentration von 10,9kg Trockenmasse/m³, was einer Produktivität von 1,8kg/m³ · h ι

bei einem Restsauors'offgehalt in der acetaldehydfreien Abluft von 16% entsprach. ι

Beispiel 3 > Zum Einsatz kam die erfindungsgemäße Begasungsvorrichtung, die am Boden des in der Figur 6 dargestellten Fermentors |

angeordnet war. Der Fermentor mit dem Trägersockel (26) und den Abmessungen: Kopfdurchmesser. 1,5m; j

Bodendurchmesser: 0,6m und der Gesamthöhe: 2,6m besteht aus einem zylindrischen Oberteil und einem asymmetrischen ! Kegelstumpf (24) mit Mantelkühlung 1; 2. Die In der Figur 6; 7 dargestellte Begasungsvorrichtung befindet sich direkt auf der j Bodenplatte 22 und besteht aus einem Rohrrahmen mit zahlreichen Stutzen, zwischen denen ohne Zwischenräume geschlitzte j

flexible Schläuche (6) verspannt sind, die an der oberen Seite zahlreiche Schlitze (20) von etwa 0,3 mm Länge besitzen. Verwendet ; wurden etwa 10m Silikonschlauch von 0,8cm Durchmesser, der pro 1 m 2 bis 3000 Schlitze (20) besaß. Im Kopfteil ist ein beweglicher Ring (23) zur Beseitigung von Randbewuchs angebracht.

Der Fermentor verfügt über Gaszu- (12) und Gasabführung (14) sowie über eine Nährlösungezudoeierung (16). Dem sterilisierten Fermentor wurden 3000I einer sterilisierten Nährlösung folgender Zusammensetzung pro Liter zugeführt: 20g Glucose; 4,24g ι

(NH₄I₂SO₄; 0,75g KH₂PO₄; MgSO₄ · 7K₂O und die Spurenelemente Fe; Mn; Zn; Cu und Co in Mengen von 0,05 bis 0,26mg. I

Danach wurde mit 10' Sporen/l dos Pilzes Gliocladium spec, angeimpft und bei 32⁰C und bei Regelung des pH-Wertes auf 4,6 j

mittels wäßrigen Ammoniaks mit uiner Belüftungsrate von 1,2 vvm bei 2,6 MPa Vordruck 27,6 h diskontinuierlich kultiviert, wobei j

die spezielle geometrische Form des Fermentors eine innere Mediumzirkulation bewirkt. Es wurde eine i

Endbiomassekonzentration von 9,8g mikrobielle Trockenmasse pro kg Fermentationsmedium erhalten. Es hatte sich ι

ausschließlich makroskopisch strukturiertes sternförmiges Mycel von einem Durchmecser 2 bis 5mm gebildet, welches einen ;

geringen Filterwiderstand besitzt und als Biofilter dienen kann. i

Claims

Vorrichtung zur Begasung von Flüssigkeiten, insbesondere wäßriger Medien, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Rohrrahmenkonstruktion (4) flexible Schläuche (5) mit multiplex ventilartig wirkenden Mikroschlitzen (20) horizontal in einer oder mehreren Ebenen so angeordnet sind, daß das gasförmige Medium über die Rohrrahmenkonstruktion (4) den Schläuchen (5) zugeführt und durch die Mikroschlitze (20) in die zu begasende Flüssigkeit eingetragen wird.

Hierzu 5 Seiten Zeichnungen Anwendungsgebiet der Erfindung