CS252934B1

CS252934B1 - Aeration devices especially for fermentation of microorganisms

Info

Publication number: CS252934B1
Application number: CS862681A
Authority: CS
Inventors: Jaroslav Votruba; Miroslav Sobotka; Miroslav Salvet
Original assignee: Jaroslav Votruba; Miroslav Sobotka; Miroslav Salvet
Priority date: 1986-04-14
Filing date: 1986-04-14
Publication date: 1987-10-15
Also published as: CS268186A1

Abstract

Aerační zařízení obsahuje míchací nádobu se zarážkami a s přívodem plynu a dutý rotor s hnanou hřídeli, který je umístěn uvnitř míchací nádoby a který je tvořen pláštěm a dnem případně opatřen nágtavcem, přičemž ve středu dna je alespoň jeden vstupní otvor pro vstup kapalného média do rotoru, přičemž dutý rotor je nahoře otevřený nebo opatřeny víkem. Mezi dnem míchací nádoby a vstupní části dutého rotoru soustředně kolem vstupní části dutého rotoru je umístěn dutý prstenec spojený s přívodem plynu, v řečeném dutém prstenci jsou upraveny otvory, které jsou opatřeny trubičkovými tryskami, ústícími do prostoru míchací nádoby mimo vstupní část dutého prostoru, přičemž ústí trubičkových trysek jsou nasměrována do místa ppo vznik protiproudu cirkulující kapaliny. Ústí trubičkových trysek mohou být upevněna v prostoru zarážek v míchací nádoběThe aeration device comprises a mixing vessel with stops and a gas inlet and a hollow rotor with a driven shaft, which is located inside the mixing vessel and which is formed by a casing and a bottom optionally provided with a stopper, wherein in the center of the bottom there is at least one inlet opening for the entry of liquid medium into the rotor, wherein the hollow rotor is open at the top or provided with a lid. Between the bottom of the mixing vessel and the inlet part of the hollow rotor, concentrically around the inlet part of the hollow rotor, a hollow ring is located connected to the gas inlet, in said hollow ring there are arranged openings which are provided with tubular nozzles, opening into the space of the mixing vessel outside the inlet part of the hollow space, wherein the mouths of the tubular nozzles are directed to the place where a countercurrent of the circulating liquid occurs. The mouths of the tubular nozzles can be fixed in the space of the stops in the mixing vessel

Description

(54) Aerační zařízení zejména pro fermentaoe mikroorganismů(54) Aeration equipment especially for fermentation of microorganisms

Aerační zařízení obsahuje míchací nádobu se zarážkami a s přívodem plynu a dutý rotor s hnanou hřídeli, který je umístěn uvnitř míchací nádoby a který je tvořen pláštěm a dnem případně opatřen nágtavcem, přičemž ve středu dna je alespoň jeden vstupní otvor pro vstup kapalného média do rotoru, přičemž dutý rotor je nahoře otevřený nebo opatřeny víkem. Mezi dnem míchací nádoby a vstupní části dutého rotoru soustředně kolem vstupní části dutého rotoru je umístěn dutý prstenec spojený s přívodem plynu, v řečeném dutém prstenci jsou upraveny otvory, které jsou opatřeny trubičkovými tryskami, ústícími do prostoru míchací nádoby mimo vstupní část dutého prostoru, přičemž ústí trubičkových trysek jsou nasměrována do místa ppo vznik protiproudu cirkulující kapaliny. Ústí trubičkových trysek mohou být upevněna v prostoru zarážek v míchací nádobě.The aeration apparatus comprises a mixing vessel with stops and a gas inlet and a hollow rotor with a driven shaft, which is located inside the mixing vessel and is formed by a jacket and a bottom optionally with a goblet, with at least one inlet opening for liquid medium entering the rotor. wherein the hollow rotor is open at the top or provided with a lid. Between the bottom of the mixing vessel and the inlet portion of the hollow rotor concentrically around the inlet portion of the hollow rotor there is a hollow ring connected to the gas inlet, said hollow ring having holes provided with tubing nozzles opening into the mixing vessel space outside the inlet portion of the hollow space. the orifices of the tube nozzles are directed to the point p for the countercurrent of the circulating liquid. The orifices of the tube nozzles may be fixed in the space of the stops in the mixing vessel.

252 934252 934

Cpravy ve vytištěných popiosch vynálaaůCorrections in printed popiosch vynálaaů

Vo vytištěná® popisu vynálezu k autorskému aovédeoníIn the printed description of the invention to the author's author

Gd je chybně vytištěno PV,Gd is misprinted PV,

Správná :Correct:

pypy

-Οδ.K-Οδ.K

252 934252 934

Vynález se týká aeračního zařízení zejména pro fermentace mikroorganismů. Zařízeni umožňuje optimální dispersi plynné fáze v tekuté fázi v míchacích nádobách, na přiklad fermentorech, při použiti válcového bezlopatkového michadla dle A0 c. 228 221 a AO č. 228 350.The invention relates to an aeration device, in particular for the fermentation of microorganisms. The device allows optimal dispersion of the gaseous phase in the liquid phase in mixing vessels, for example fermenters, using a cylindrical bladeless stirrer according to A0 No. 228 221 and AO No. 228 350.

Při použití uvedeného michadla se může plynná fáze např. vzduch dispergovat do tekuté dvěma způsoby. Jednak tím, že při rozstřiku tekutiny nad hladinou dochází ke styku drobných kápi ček s plynem nad hladinou. Nárazem kapličky na stěny míchací nádoby se plyn vpravuje do tekutiny ve formě bublinek. Na stěnách nádoby se vytvoří film tekutiny, který stéká na hladinu. Povrch filmu a hladina tekuté fáze v nádobě je další styčnou plochou mezi tekutou a plynnou fázi. Další možnosti je aplikovat do tekuté fáze pomoci trysky pod míchadlem.By using said agitator, the gas phase, e.g. air, can be dispersed into a liquid in two ways. On the one hand, when the liquid is sprayed above the surface, the small hoods come into contact with the gas above the surface. By impacting the droplet on the walls of the mixing vessel, the gas is introduced into the liquid in the form of bubbles. A film of fluid is formed on the walls of the container and flows down to the surface. The surface of the film and the level of the liquid phase in the vessel are another interface between the liquid and the gas phase. Another possibility is to apply to the liquid phase by means of a nozzle under the stirrer.

Nevýhody tohoto známého systému se projevuji u procesů kde záleží na maximální možné dispersi plynné fáze v tekuté. Mícháni pomoci válcového michadla probíhá tak, že je tekutá fáze pomoci odstředivých sil na dnu válce michadla nasávána do prostoru dutého válce michadla. Tam stoupá k hornímu okraji michadla a je ve formě kapiček rozstřikována do prostoru nad míchadlo. Plyn z trysky je tímto proudem tekutiny strhován do prostoru válce michadla a po krátké zádrži v tekutině během postupu tekutiny michadlem tekutinu opouští. Proto je tento známý systém málo účinný.The disadvantages of this known system are manifested in processes where the maximum possible dispersion of the gas phase in the liquid matters. Stirring by means of a cylindrical agitator takes place in such a way that the liquid phase is sucked into the space of the hollow agitator cylinder by means of centrifugal forces at the bottom of the agitator cylinder. There it rises to the upper edge of the stirrer and is sprayed in the form of droplets into the space above the stirrer. The gas from the nozzle is entrained by the flow of fluid into the space of the agitator cylinder and, after a brief retention in the fluid during the fluid flow through the agitator, exits the fluid. Therefore, this known system is poorly effective.

252 934252 934

Uvedené nevýhody odstraňuje aerační zařízeni podle vynálezu, jehož podstatou je, že mezi dnem míchací nádoby a vstupní části dutého rotoru soustředně kolem vstupní části dutého rotoru je umístěn dutý prstenec spojený s přívodem plynu, v řečeném dutém prstenci jsou upraveny otvory, které jsou opatřeny trubičkovými tryskami, ústícími do prostoru míchací nádoby mimo vstupní část dutého rotoru, přičemž ústi trubičkových trysek jsou nasměrována do místa pro vznik protiproudu cirkulující kapaliny. Ústí trubičkových trysek mohou být přitom fixována v prostoru zarážek v míchací nádobě.The aforementioned disadvantages are eliminated by the aeration device according to the invention, which consists in that between the bottom of the mixing vessel and the inlet part of the hollow rotor concentrically around the inlet part of the hollow rotor there is a hollow ring connected to the gas inlet. opening into the mixing vessel space outside the inlet portion of the hollow rotor, the orifices of the tubing nozzles being directed to the point of countercurrent flow of the circulating liquid. The orifices of the tube nozzles can be fixed in the space of the stops in the mixing vessel.

Zařízení sestává z přívodu plynné fáze do prostoru míchacího zařízení, z dutého prstence napojeného na přívod a umístěného u dna míchací nádoby soustředně kolem vstupu míchacího válce a z trubičkových trysek vycházejících z dutého prstence, které umožňují rozvádění plynu do nejvhodnějSich míst míchané tekutiny. Trubičky je možno tvarovat /ohýbat/ tak, aby pohyb plynových bublinek v tekutině probíhal proti směru proudu tekutiny s možnosti nastaveni optimální zádrže bublin v tekutině. Plynnou fázi lze tak zavádět do místa, kde proud tekutiny od hladiny ke dnu míchadla působí proti snaze bublinek vystoupit nad hladinu. Rovněž lze trubičky tvarovat tak, aby bublinky plynu vycházely proti rotací tekutiny způsobené michadlem.The apparatus consists of a gas phase inlet into the mixing device space, a hollow ring connected to the inlet and located at the bottom of the mixing vessel concentrically around the inlet of the mixing cylinder and tubing nozzles extending from the hollow ring to allow gas to be distributed to the most suitable locations. The tubes can be shaped so that the movement of gas bubbles in the fluid takes place upstream of the fluid with the possibility of adjusting the optimal containment of the bubbles in the fluid. The gaseous phase can thus be introduced at a point where the fluid flow from the surface to the bottom of the stirrer counteracts the attempt of bubbles to rise above the surface. Also, the tubes can be shaped such that the gas bubbles rise against the rotation of the fluid caused by the agitator.

Bublinky plynu jsou v tekutině nadnášeny a pokud nepůsobí žádná sila, zejména proti jejich pohybu, pohybuji se prudce k hladině. Zařízeni podle tohoto vynálezu umožňuje zavést zdroj plynových bublinek /ústi trubičkových trysek/ do mist, kde působí proti přirozenému pohybu bublinek k hladině cirkulační proud tekutiny směřující od hladiny k vstupnímu otvoru mithadla. Diky možnosti tvarováni trysky ohýbáním je možné zdroj plynových bublin zavést právě tam, kde sila, která nadnáší bubliny je téměř zcela eliminována proudem tekutiny směrem dolu. Dobu zdrženi bublinek v tekutině lze nastavit tak, aby přestup plynu na příklad kyslíku při vzdušněni u fermentorů byl nejoptimálnějši vzhledem k množství dodaného plynu a energie potřebné pro mícháni. Doba přestupu plynu do tekutiny je přitom zkrácena diky tomu, že kolem vznášejících se bublinek proudí směremGas bubbles are floated in the fluid and if there is no force, especially against their movement, I move sharply to the surface. The device according to the invention makes it possible to introduce a source of gas bubbles (orifice of the tubing nozzles) into places where a circulating fluid flow directed from the surface to the inlet opening of the stirrer counteracts the natural movement of the bubbles to the surface. Due to the possibility of bending the nozzle, it is possible to introduce the source of gas bubbles where the silo that buoys the bubbles is almost completely eliminated by the downstream fluid flow. The residence time of the bubbles in the fluid can be adjusted so that the gas transfer, for example, oxygen in the air of fermenters is most optimal with respect to the amount of gas supplied and the energy required for mixing. The time of transfer of the gas into the fluid is reduced by the fact that it flows in the direction of the floating bubbles

252 934 dolu tekutina a ústi trubičkových trysek je možno nastavit tak, aby bublinky vystupovaly do protiproudu tekutiny způsobeného rotaci michadla. Tak je povrch bublinek neustále omýván proudem čerstvé tekutiny. Přirozená snaha bublinek vystupovat k povrchu a pohyb bublinek z ústi trubičkových trysek je využíváno k lepšímu přístupu plynu do tekutiny při sníženém nároku na energii a zkrácení času.The fluid downstream and the mouth of the tubular nozzles can be adjusted so that the bubbles protrude into the countercurrent of the fluid caused by the rotation of the agitator. Thus, the surface of the bubbles is constantly washed with a stream of fresh liquid. The natural desire for bubbles to rise to the surface and the movement of bubbles from the mouth of the tubing nozzles is utilized to improve gas access to the fluid while reducing energy demand and reducing time.

iand

Metodou adaptivní identifikace byl vyhodnocen objemový koeficient přestupu kyslíku k_Ls v závislosti na otáčkách michadla a postupné rychlosti vzduchu u zařízení dle vynálezu. Vzhledem k tomu, ře systém s válcovým michadlem není z hlediska aerace možno považovat za bublanou kolonu ani za typický aerovaný tank byla rozměrovou analysou fénolenologických rovnic heterogenního vícerychlostního toku odvozena řada možných bezrozměrných kritérií pro korelaci koeficientu přenosu kysléku a rychlosti vzdušnění. Z korelaci pro objemový koeficient přenosu kyslíku bylo zjištěno, že oproti běžnému umístěni aeračniho systému v blízkosti středu dna nádoby je účinnost aerace u zařízeni dle vynálezu zvýšena cca o 60 %.By the adaptive identification method, the volumetric coefficient of oxygen transfer to _{L s} was evaluated as a function of the agitator speed and the progressive air velocity of the device according to the invention. Since the cylindrical agitator system cannot be considered a bubbling column or a typical aerated tank in terms of aeration, a number of possible dimensionless criteria for correlating the oxygen transfer coefficient and the aeration rate have been derived by dimensional analysis of the phenolenological equations of heterogeneous multi-flow. From the correlation for the oxygen transfer volume coefficient, it has been found that, compared to the conventional location of the aeration system near the bottom of the vessel, the aeration efficiency of the device according to the invention is increased by about 60%.

Na přiloženém výkresu je schematicky znázorněn přiklad aeračniho zařízení dle vynálezu v nárysu pro účely fermentace mi kroorgani smú.The accompanying drawing schematically shows an example of an aeration apparatus according to the invention in front view for the purpose of fermentation of microorganisms.

Aeračni zařízeni dle vynálezu sestává z fermentačni nádoby se zarážkami ve které je uloženo válcové duté míchadlo £ se dnem 9. ^s centrálním vstupním otvorem, upevněné na hřídeli 8. a otáčející se v ložisku T.The aeration device according to the invention consists of a fermentation vessel with stops in which a cylindrical hollow stirrer 8 with a bottom 9 ^{with a} central inlet opening is mounted, mounted on the shaft 8 and rotating in the bearing T.

Mezi dnem fermentačni nádoby ^a vstupní částí 10 dutého michadla 2_ je soustředně umístěn dutý prstenec £ s přívodem £ plynu s otvory, které jsou opatřeny trubičkovými tryskami 5_, ústicimi do prostoru fermentačni nádoby mimo vstupní část JJD dutého michadla 2. Přitom ústi trysek 2 j® bu3 nasměrováno do protiproudu cirkulující kapaliny nebo do mista turbulence za zarážkami 6.·Between the bottom of the fermentation vessel ^{and the} inlet portion 10 of the hollow agitator 2 there is a concentric hollow ring 6 with a gas inlet 6 having openings which are provided with tubular nozzles 5 opening into the fermentation vessel space outside the inlet portion 10 of the hollow agitator. either directed to the countercurrent of the circulating liquid or to the turbulence point behind the stoppers 6. ·

Bublinky vystupující z ústi trubičkových trysek 5_ a proudící ke hladině kapaliny směrem vzhůru jsou zadržovány pohybem cirkulující kapaliny opačným směrem.Bubbles emerging from the mouth of the tubular nozzles 5 and flowing upwardly to the liquid level are retained by moving the circulating liquid in the opposite direction.

252 934252 934

Tím jsou bublinky cirkulující kapalinou stále omývány, čímž se zvýší přístup plynu do kapaliny a současně jsou v kapalině zadržovány, čímž se prodlouží doba styku bublinek s kapalinou.Thus, the bubbles circulating through the liquid are constantly washed, thereby increasing gas access to the liquid and at the same time being retained in the liquid, thereby increasing the contact time of the bubbles with the liquid.

Oba tyto faktory mají značný ekonomický význam. Dochází k úspoře dodávaného plynu do fermentačniho procesu a k úspoře energie vzhledem ke zkráceni doby fermentace.Both of these factors are of considerable economic importance. This saves the gas supplied to the fermentation process and saves energy with a view to reducing the fermentation time.

Použití aeračního zařízení lze použít nejen při fermentacich a v biochemii, ale i obecně při chemických reakcích, při kterých je nutná intenzivní aerace nebo přívod jiného plynu do reakce.The use of aeration equipment can be used not only in fermentations and in biochemistry, but also generally in chemical reactions in which intensive aeration or the introduction of another gas into the reaction is required.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

252 934

Aeration apparatus, in particular for the fermentation of microorganisms, comprising a mixing vessel with stops and a gas supply and a hollow rotor with a driven shaft, which is located inside the mixing vessel and is formed by a jacket and a bottom optionally with an extension, an opening for the inlet of the liquid medium into the rotor, the hollow rotor being top-opened or capped, characterized in that between the bottom of the mixing vessel (1) and the inlet part (10) of the hollow rotor (2) concentrically around the inlet part (10) of the hollow rotor 2) a hollow ring (4) connected to the gas inlet (3) is provided, said hollow ring (4) having openings which are provided with tubular rods (5) opening into the space of the mixing vessel (1) outside the inlet a portion (10) of the hollow rotor (2), wherein the orifices of the tubing nozzles (5) are directed to the point of countercurrent flow of the circulating liquid,

2. Aeration device according to claim 1, characterized in that the orifices of the tubular nozzles Ir are fixed in the space of the stops (6) in the mixing device.