DE2402082A1

DE2402082A1 - Vorrichtung zum kultivieren von mikroorganismen

Info

Publication number: DE2402082A1
Application number: DE2402082A
Authority: DE
Inventors: Akihiko Kataoka
Original assignee: Japan Gasoline Co Ltd; Dainippon Ink and Chemicals Co Ltd
Current assignee: JGC Corp; DIC Corp
Priority date: 1973-01-29
Filing date: 1974-01-17
Publication date: 1974-08-01
Also published as: DE2402082C3; FR2215464A1; JPS49100281A; ES422674A1; DE2402082B2; US3910826A; JPS527073B2; FR2215464B1

Description

Anmelder: 1. DAIMIPPON IMK Ai-¹D CHEMICALS, I!C. 2 AO 208 2

Ho. 3-35-55, Sakashita, Itabashi-ku, Tokyo, Japan 2. JAPAi! GASOLINE CO., UO.

No. 2-1, Otemachi 2-chome, Chiyoda-ku, Tokyo, Japan

Vorrichtung zum Kultivieren von Mikroorganismen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kultivieren von Mikroorganismen unter Verwendung einer Blasengärsäule.

Zur Zellvermehrung beispielsweise bei der Kohlenwasserstoff-Fermentation wurde bisher ein Kultivierverfahren angewandt, bei dem Nährelemente, wie normales Paraffin, in eine Blasensäulen-Fermentiervorrichtung bzw. eine sog. Blasengärsäule eingegeben werden. Der Gärsäule wird durch Belüftung Sauerstoff während einer festen Zeitspanne zugeführt, die für das Wachstum der Mikroorganismen erforderlich ist. Anschließend wird die die Zellen enthaltende kultivierte Flüssigkeit aus der Gärsäule abgezogen, werden die Zellen von der Kulturflüssigkeit abgetrennt und die Ablauge verworfen.

Oa bei diesem aerobischen Fermentier- oder Gärverfahren die durch die Atmung der Mikroorganismen in der Gärsäule.gebildeten, winzigen Kohlendioxidbläeschen im allgemeinen im Inneren der Gär-

409831 /0763

säule zusammen mit der Kulturflüssigkeit zirkulieren und weil hierbei gleichzeitig eine große Wärmemenge erzeugt wird, ist es für die Durchführung der Kultivierung von Mikroorganismen auf industrieller Eaäs äußerst wichtig, für eine Unterdrückung des in großen Mengen entstehenden Schaums, eine wirksame Abfuhr der bei der Kultivierung entstehenden Wärme und die ausreichende Sauerstoffzufuhr zu den Zellen zu sorgen. Unter diesen Gesichtspunkten ist eine Blasengärsäule mit einem Zug- oder Saugrohr in Form einer Blasensäule mit einem in diese eingebauten Saugrohr erwähnenswert, die als Vorrichtung vorgeschlagen wurde, welche alle vorgenannten Erfordernisse gemeinsam erfüllen soll. Genauer gesagt, erweist sich ein in eine Gärvorrichtung eingebautes Saugrohr bezüglich der Sauerstoffzufuhr zu den Zellen und der vergleichsweise geringeren Schaumbildung als wesentlich vorteilhafter als z. v. die herkömmliche Gärvorrichtung mit Rührwerk. Da jedoch diese blasengärsäule mit Saugrohr ein sogenanntes Innenwärmetauschersystem darstellt, bei dem ein Wärmetauscher in die Gärvorrichtung eingebaut ist, unterliegt sie dem Nachteil, daß die Vorrichtungskosten im Fall einer Vorrichtung von industriell Üblicher Größe zu hoch sind und daß die Vorrichtung in einem Störungsfall schwierig instandzusetzen ist, so daß eine derartige Vorrichtung nicht von besonders praktischem Nutzen ist.

Aufgabe der Erfindung ist daher in erster Linie die Schaffung einer Kultiviervorrichtung für Mikroorganismen, welche die Züch-

AO 98 31/0763

24ΓΙ2082

tune» oder Kultivierung von Mikroorganismen unter zufriedenstellenden Bedingungen ermönlicht. Außerdem soll eine Kultiviervorrichtung für Mikroorganismen ohne Zusatz einer Einrichtung wie Entschäumer, Schaumaufbrecher oder dergleichen, gebaut werden können.

Mit dem Ziel, die Vorteile der herkömmlichen Blasengärsäule mit Saugrohr auf industrieller Basis im bestmöglichen Ausmaß auszunutzen, wurde erfindungsgemäß ein Verfahren untersucht, bei dem der Wärmetauscher außerhalb der Gärvorrichtung angeordnet ist und die Kultur- oder Nährflüssigkeit nach dem Absaugen derselben aus der Gärvorrichtung kühlt. Wenn der Wärmetauscher jedoch einfach außerhalb der Gärvorrichtung angeordnet wird, ist eine Entschäumungs- oder Schaumaufbrechvorrichtung zur Lncternung von Schaum aus der umgewälzten Nährflüssigkeit erforderlich. Eine aufwendige Spezialpumpe, z. E. eine Zahnradpumpe, muß eingebaut werden, so daC sich verschiedene, von dieser zusätzlichen Ausrüstung herrührende Schwierigkeiten ergeben und das Gesamtergebnis ziemlich unbefriedigend ist.

Infolgedessen wurde dieser Lösungsweg noch einmal überdacht, und es wurden weitere Versuche zur Verbesserung der bekannten Vorrichtung angestellt. Als Ergebnis dieser Bemühungen hat es sich erfindungsgemäß als möglich erwiesen, Mikroorganismen ohne die Anordnung zusätzlicher Geräte, wie Entschäumer, Tahnradpumpe usw., sehr zufriedenstellend zu kultivieren, indem die Position

/-09631/0733

-A-

2 Λ Π ? Π 8 2

eines Gasverteilers zur Einleitung und Verteilung von Gas im Inneren einer Elasengärsöule mit ~ug- oder Saugrohr festgelegt wird (wobei selbstverständlich kein Wärmetauscher in diese Gärvorrichtung eingebaut ist), wobei unterhalb des Gasverteilers eine Gas/Flüssigkeit-Trennzone gebildet wird, die diese Gas/ Flüssigkeit-Trennzone durchströmende, einen vergleichsweise niedrigen Schaumgehalt besitzende Nährflüssigkeit aus der Gärvorrichtung abgezogen und diese Nährflüssigkeit mittels einer herkömmlichen Pumpe zur Kühlung zu einem außerhalb der Gärvorrichtung angeordneten Wärmetauscher gefördert wird. Die Erfindung wurde auf der Grundlage dieser Erkenntnis entwickelt.

Die genannte Aufgabe wird daher bei einer Kultiviervorrichtung für Mikroorganismen unter Verwendung einer Blasengärsäule mit Saugrohr erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Abstand zwischen dem untersten Ende des Saugrohrs und dem Boden der Gärvorrichtung in einem Bereich von 1/2 bis 3/2 des Durchmessers des Saugrohrs liegt, der Gasverteiler in einem 2/3 der Strecke zwischen dem untersten Ende des Saugrohrs und dem Poden der Gärvorrichtung entsprechenden Abstand über dem Poden angeordnet ist, die vom ^'oden der Gärvorrichtuno abgesaugte Nährflüssigkeit durch eine Zentrifugal- oder Schleuderpumpe zu einem Wärmetauscher gefördert wird, um durch dloscn gekühlt zu werden, und Me so gekünlie "lü'nrflüssigkeit in -Vr ί I erteil der Gärvor¹": c' tun -urück^ef ührt wir!.

,, ύ \ I i) V :■

Im folgenden ist eine bevorzugte Äusführungsform der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert, die eine schematische Vorderansicht einer Vorrichtung mit den Merkmalen nach der Erfindung zeigt. Die Kultiviervorrichtung weist auf: eine bezeichnete Fermentier- bzw. Gärvorrichtung 1, ein Saugrohr 2, einen Einlaß 3 für das Medium, einen Gasverteiler δ nahe des unteren Endes 6 des Saugrohrs, einen Boden 7, eine Umwälzpumpe 10, eine Auslaßdüse oder -öffnung 11 zum Abziehen der Nährflüssigkeit, einen Wärmetauscher 13 und eine Einlaßdüse bzw. -öffnung 15 für die rückgeführte Flüssigkeit.

Wie erwähnt, wird mit der Erfindung eine Vorrichtung für die aerobische Kultivierung von Mikroorganismen unter Verwendung einer Blasengärsäule mit Saugrohr geschaffen, bei welcher durch Festlegung der Position des Gasverteilers 5 und des untersten Endes 6 des Saugrohrs eine Gas/Flüssigkeit-Trennzone gebildet wird. Die diese Trennzone passierende Nährflüssigkeit wird außerhalb der Gärvorrichtung wirksam und wirtschaftlich gekühlt.

Die in der Zeichnung dargestellte Blasengärsäule besteht aus einer Gärvorrichtung 1 mit einem in diese eingebauten zylindrischen Saugrohr 2. Die Vorrichtung ist so ausgelegt, daß die Über einen Flüssigkeitseinlaß 3 zugeführte Mährflüssigkeit 4 in Form eines Gas/Flüssigkeits-Gemisches um das Saugrohr 2 herum zirkuliert und dabei durch aus dem Gasverteiler 5 austretende Luft oder ein anderes Mischgas mit Sauerstoff umgewälzt wird.

40983 1/0763

Als Gasverteiler 5 kann eine übliche Lochplatte, eine poröse Platte oder eine Düse angesetzt werden. Der Gasverteiler 5 ist hierbei zwischen dem unteren Ende 6 des Saugrohrs und dem Boden 7 · der Gärvorrichtung angeordnet. Im Hinblick auf die noch näher zu erläuternde Gas/Flüssigkeit-Trennzone 8 unter dem Gasverteiler ist dieser genau in einer Höhe entsprechend zwei Dritteln des linearen Abstands zwischen dem unteren Ende 6 des Saugrohrs und dem Vorrichtungsboden 7 angeordnet. In dem unter diesem Gasverteiler 5 befindlichen Teil ist die Geschwindigkeit der Abwnrtsströmung der Umwälzflüssigkeit vergleichsweise niedrig, so daß sie infolge des Auftriebs des Schaumes von der Aufwärtsströmung überholt wird. Infolgedessen bildet sich eine Gas/Fl'üssigkeit-Trennzone 3, wodurch der Blasengehalt der Nährflüssigkeit in der Nähe des Bodens der Gärvorrichtung innerhalb der Trennzone 3 auf weniger als ungefähr 10^ verringert wird. Wenn daher der Gasverteiler 5 unterhalb der genannten Position angeordnet wird, beeinträchtigt er die Gas/Flüssigkeit-Trennzone 8, so daß der Gasblasengehalt der vom Boden der Gärvorrichtung abgezogenen Mährflüssigkeit hoch wird, was zu Kavitationen in der Pumpe führt, wodurch letztere schließlich ausfallen kann. Dieser Zustand ist zu vermeiden. Deshalb kann der Gasverteiler 5 auch oberhalb der angegebenen Position und sogar innerhalb des Saugrohrs 2 angeordnet werden. Außerdem entspricht das untere Ende 6 des Saugrohrs 2 dem unteren Ende seines Umfangs, wobei der Abstand zwischen diesem Umfangsende und dem Vorrichtungsboden 7 zumindest etwa dem halben Durchmesser des Saugrohrs 2 und vorzugsweise 1/2 bis 3/2 des Durchmessers des Saugrohrs entsprechen muß. Ist dieses

409 8 3 1 /0763

2 α η ? η R 2

\\aD, kleiner als der halbe Durchmesser des Saugrohrs, so wird die Gas/Flüssigkeit-Trennzone 6 zu schmal, wodurch eine zufriedenstellende Gas/Flüssigkeit-Trennung unmöglich wird. Beträgt dieser Abstand dagegen mehr als 3/2 Saugrohrdurchmesser, so führt die dadurch bedingte Vergrößerung der Gärvorrichtung 1, obgleich sich die Gas/FlUssigkeit-Trennung zufriedenstellend erzielen läßt, nicht unbedingt zu einer Verbesserung der wirksamen Ausnutzung der Vorrichtung, so daß diese Maßnahme nicht wirtschaftlich ist. Darüber hinaus besteht bei einer Vergrößerung der Kapazität des anaerobischen Abschnitts über das erforderliche Ausmaß hinaus auch die Gefahr für eine Wachstumsbegünstigung unerwünschte iiikroben. Die die Gas/Flüssigkeit-Trennzone 0 passierende uährflüssigkeit wird über die Düse 11 und ein Rohr 12 abgesaugt und mittels einer herkömmlichen Schleuderpump? 10 _.. '⁵en Wärmetauscher 13 gefördert, um gekühlt zu werden,, Die gekühlte Nährflüssigkeit strömt über ein Rohr 14 und wird über die Flüssigkeitsrührführdüse 15 wieder in die Gärvorrichtung 1 eingeführt. ;'.eim Arbeiten mit einem kontinuierlichen System kann ein Teil der Nährflüssigkeit Über eine Rohrleitung 16 vom System abgezweigt werden, während ein getrennter Auslaß 17 zum Abziehen von Flüssigkeit aus der Gärvorrichtung selbst vorgesehen sein kann. Wie erwähnt, eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung somit sowohl für den Chargenbetrieb als auch für -Jen kontinuierlichen bzw. Dauerbetrieb. Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung weist außerdem einen Gasauslaß 18 auf.

Vie aus der vorrtehenden UeschreiLLn- hervorgeht, besitzt die

4 0 S ? 3 1 / 0 7 ü 3

2 4. η ? Ω β 2

erfindungsgemäße Vorrichtung ein.Saugrohr 2, das in einer vorbestimmten Position in die Gärvorrichtung 1 eingebaut ist. Der den Einlaß für das sauerstoffhaltige Gas darstellende Gasverteiler 5 ist an einer vorgeschriebenen Stelle in der Vorrichtung angeordnet, die die Gas/Flüssigkeit-Abtrennung durch beabsichtigte Bildung einer Gas/Flüssigkeit-Trennzone 3 für die Nährflüssigkeit unter dem Gasverteiler 5 begünstigt; der Gasblasengehalt in der Nährflüssigkeit ist in der Nähe des Vorrichtungsbodens innerhalb der genannten Trennzone 8 ganz betrechtlich herabgesetzt. Die so behandelte Nährflüssigkeit wird zur Kühlung aus der Gärvorrichtung 1 abgezogen und die gekühlte Nährflüssigkeit wieder in die Gärvorrichtung 1 zurückgeleitet. Zur Durchführung der aerobischen Kultivierung von Mikroorganismen unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Nährmedium bzw. der Nährboden über den Einlaß 3 in die Vorrichtung eingeleitet, worauf, wie erwähnt, ein sauerstoffhaltiges Gas, Luft oder dergleichen über den Gasverteiler 5 in der Nährflüssigkeit dispergiert wird. Das Strömungsschema der Nährflüssigkeit 4 ist in der Zeichnung durch die Pfeile angedeutet. Infolge dieser Ausbildung bildet sich unter dem Gasverteiler 5 eine Gas/Flüssigkeit-Trennzone 8, durch welche die Gas/Flüssigkeit-Trennung begünstigt wird. Die wärmere Nährflüssigkei wird über den Auslaß Π abgezogen und durch die Schleuderpumpe 10 in den Wärmetauscher 13 gefördert. Diese aus der Gärvorrichtung 1 abgezogene Nährflüssigkeit besitzt einen niedrigen Gasblasengehalt, so daß keine speziellen Umwälzvorrichtungen, etwa Verdrängungspumpen (Zahnrad-, Drehkolben-, Flügelradpumpen und dergleichen) oder Injektoren, angewandt

409331/ 0 763

2407082

zu werden brauchen; vielmehr kann die Umwälzung der Flüssigkeit zufriedenstellend mittels einer herkömmlichen Zentrifugal- oder Schleuderpumpe erfolgen..Der Einsatz von Zusatzgeräten wie Entschäumern, Schaumaufbrechern und dergleichen ist selbstverständlich ebenfalls überflüssig. Die durch den Wärmetauscher 13 gekühlte Nährflüssigkeit wird über den Rückführ-Einlaß 15 wieder in die Gärvorrichtung 1 zurückgeleitet.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Schaumbildung ohne weiteres unterdrückt werden. Die Abfuhr der bei der Kultivierung entstehenden Wärme kann höchst wirksam mittels des außerhalb der Gärvorrichtung angeordneten Wärmetauschers erfolgen. Außerdem besitzt diese Vorrichtung den Vorteil, daß die für die Kühlung der NährflUssigkeit außerhalb der Gärvorrichtung dienende Rohrleitung nur einen kleinen Durchmesser zu besitzen braucht, weil der Schaumgehalt in der Nährflüssigkeit äußerst niedrig ist; diese Konstruktion ist daher nicht nur sehr wirtschaftlich, vielmehr kann außerdem verhindert werden, daß die Nährflüssigkeit durch unerwünschte Mikroben verunreinigt wird. Der besondere Vorzug der Erfindung liegt darin, daß mit ihr die Kühlung der Nährflüssigkeit außerhalb der Gärvorrichtung auf industrieller Basis möglich wird, wodurch die Anwendung einer großen Blasengärsäule mit Saugrohr und eine Vereinfachung der Vorrichtung möglich wird. Störmöglichkeiten im Betrieb sind weitgehend ausgeschaltet; die Vorrichtung kann im Fall von etwaigen Störungen leicht instandgesetzt werden.

4 0 S 8 31 /0763

2402Π82

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

Beispiel Ί

Es wurde eine Blasengärsäule mit Saugrohr verwendet, bei welcher die Säule 50 cm Durchmesser und 500 cm Höhe besitzt. Das Saugrohr ist 365 cm lang, und der Abstand zwischen den unteren Ende des Saugrohrs und den Säulenboden sowie der Abstand zwischen der Lage der Gaseinblasdüse und dem Säulenboden betragen jeweils 35 cm. In diese Gärvorrichtung wurden 780 1 eines Nährmediums eingefüllt.

Die in einer Zellenkonzentration von 0,2 Gew.-% angewandte Hefe war von der Spezies Candida tropicalis. Durch Einblasen einer vorgeschriebenen Luftmenge unter einem Blasdruck von etwa 0,1 kg/cm (Meßdruck) Über den Gasverteiler in die Säule wurde bei gleichzeitiger Umwälzung der Flüssigkeit die Kultivierung eingeleitet. Um die Temperatur während der Kultivierung auf 32° C zu halten, wurde die Flüssigkeit kontinuierlich am Säulenboden abgezogen und Über den Wärmetauscher zur Gärvorrichtung zurückgeführt, Der Kultiviervorgang verlief bis zum Abschluß der Kultivierung sehr gleichmäßig. Hierbei zeigte es sich, daß die Mittlere scheinbare Gesamtdichtβ des Gas/Flüssigkeits-Gemisches in der Säule 0,65 g/cM und die mittlere scheinbare Dichte am Auslaß für die Nährflüssigkeit mehr als 0,9 g/cm betrugen (der Gasblasengehalt der abgezogenen Flüssigkeit betrug weniger als

409831 /0763

240?082

Ceispiele 2 bis 4 und Vergleichsbeispiel

Unter Verwendung der gleichen Vorrichtung wie im Beispiel Ί (mit Ausnahme einer teilweise Abwandlung des Saugrohrs) und unter Anwendung des gleichen Verfahrens wie in Beispiel 1 wurde eine Kultivierung bzw. Züchtung von Mikroorganismen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt, welche belegt, daß der Abstand zwischen dem untersten Ende des Saugrohrs und dem Boden der Gärvorrichtung, d.h. dem Säulenboden, sowie die Position des Gasverteilers einen großen Einfluß auf den Ciasengehalt der aus der G3rvorrich-s,ung abgezogenen Hährflüssigkeit haben.

- Tabelle S. 12 -

408831/0763

	Säulen durchmesser (cm)	Saugrohr durchmesser (cm)	Abstand zwi schen unterem Ende des Saugrohrs und Säulenboden (cm)	Abstand zwi schen unterem Ende des Saugrohrs und Gasverteiler (cm)	Gasblasen gehalt
Erfindungsbeispiel 2 ¹¹ 3 4	50 50 50	35 26 35	25 35 35	0 10 3	9 CD
^ergleichsbeispiel 1 N 2 3 H 4 η 5*	50 50 50 50 50	35 35 35 26 22	15 25 35 25 35	—' N) N) CO N) 00 N) O	35 ^ PO 30 °° cn 32^ 31 7

*) Beim Vergleichsbeispiel 5 war der Abstand zwischen dem unteren Ende des Saugrohrs und dem Vorrichtungsboden so groß, daß der Wirkungsgrad der Gärvorrichtung mangelhaft war.

Claims

1. Vorrichtung für die aerobische Kultivierung von Mikroorganismen unter Verwendung einer Blasengärsäule mit einem in die Gärvorrichtung eingesetzten Saugrohr, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem untersten Ende (6) des Saugrohrs (2) und dem Boden (7) der Gärvorrichtung (1) auf 1/2 bis 3/2 des Durchmessers des Saugrohrs festgelegt ist, daß ein Gasverteiler (5) in einer Höhe entsprechend 2/3 des Abstands zwischen dem untersten Ende des Saugrohrs und dem Boden der Gärvorrichtung angeordnet ist,

und daß die am Boden der Gärvorrichtung abgezogene Nährflüssigkeit (4) nach der Kühlung durch einen Wärmeaustauscher (13) in den Oberteil der Gärvorrichtung zurückführbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit durch eine Zentrifugal- oder Schleuderpumpe (10) durch den Wärmeaustauscher zu pumpen ist.

409831 /0763

AH

Leerseite