CS255974B1

CS255974B1 - Fermentor

Info

Publication number: CS255974B1
Application number: CS858096A
Authority: CS
Inventors: Pavel Seichter; Vladimir Slama; Lubos Pesl; Jiri Mazoch; Oto Vitek
Original assignee: Pavel Seichter; Vladimir Slama; Lubos Pesl; Jiri Mazoch; Oto Vitek
Priority date: 1985-11-11
Filing date: 1985-11-11
Publication date: 1988-04-15
Also published as: CS809685A1

Abstract

Fermentor sestává ze svislé nádoby obsahující radiální narážky, distributor vzduchu a nejméně tři axiální míchadla. Pro zabezpečení potřebného dispergačňího a homogenizačního účinku jsou míchadla umístěna nad sebou na společné hřídeli ve vzdálenosti 0,25 až 1,0 průměru nádoby a jsou opatřena minimálně dvěma vodorovnými lopatkami, vykazujícími lomený profil. Průměr míchadel činí min. 0,6 průměru nádoby a největší šířka lopatek nepřesahuje 0,25 průměru míchadla. Distrubutor je umístěn pod néjnižším michadlem ve vzdálenosti 0,2 až 1,0 průměru nádoby. Jeho vzdálenost ode dna činí 0,05 až 0,6 průměru nádoby. Lopatky mohou na vnějším obvodu nést radiální usměrňovače. Při použití usměrňovačů je účelné volit provedení, při němž jsou lopatky orientovány vypuklou částí nahoru.The fermenter consists of a vertical vessel containing radial baffles, an air distributor and at least three axial stirrers. To ensure the necessary dispersion and homogenization effect, the stirrers are placed one above the other on a common shaft at a distance of 0.25 to 1.0 of the vessel diameter and are equipped with at least two horizontal blades with a broken profile. The diameter of the stirrers is at least 0.6 of the vessel diameter and the largest width of the blades does not exceed 0.25 of the stirrer diameter. The distributor is placed under the lowest stirrer at a distance of 0.2 to 1.0 of the vessel diameter. Its distance from the bottom is 0.05 to 0.6 of the vessel diameter. The blades can carry radial deflectors on the outer circumference. When using deflectors, it is advisable to choose a design in which the blades are oriented with the convex part upwards.

Description

Vynález se týká fermentoru pro aerobní kultivace, opatřeného axiálními lopatkovými míchadly s lomenou plochou lopatek.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an aerobic culture fermenter provided with axial paddle stirrers with a broken blade area.

%%

U fermentačních zařízení pro aerobní kultivace se do fermentační nádoby přivádí vzduch, který je třeba v kapalné fermentační zápaře intenzivně dispergovat do jemných bublin. Většinou se k tomuto účelu užívají rotační míchadla turbinového typu. Z bublin přechází kyslík do kapalné fáze a zde je třeba jej spolu s dalšími komponentami procesu homogenizovat v celém objemu vsádky. Oba procesy, jak dispergace plynu tak i následná homogenizace celé vsádky, jsou určujícími faktory pro výtěžnost procesu a tím i jeho efektivnost.In aerobic culture fermenters, air is fed into the fermentation vessel and must be vigorously dispersed into fine bubbles in the liquid fermentation broth. Rotary agitators of the turbine type are mostly used for this purpose. Oxygen is transferred from the bubbles to the liquid phase and here, along with other process components, must be homogenized throughout the batch volume. Both processes, both gas dispersion and subsequent homogenization of the whole batch, are decisive factors for the process yield and thus its efficiency.

Dosud užívané systémy fermentorů, kupříkladu fermentory v uspořádání podle čs. AO 148 540 nebo 210 535, se sice vyznačují dostatečnou dispergační kapacitou, vykazují však vesměs nízké homogenizační účinky. Přitom u řady fermentačních procesů, zejména u procesů prováděných v provozním měřítku, je právě dokonalá homogenita vsádky určující složkou. Nedostatečná homogenizační účinnost dosavadních fermentorů se musí v těchto případech kompenzovat zvýšenou spotřebou energie na míchání a dmýchání.Fermenter systems hitherto used, e.g. AO 148 540 or 210 535, although they exhibit a sufficient dispersing capacity, but exhibit generally low homogenization effects. In a number of fermentation processes, in particular on a commercial scale, perfect batch homogeneity is the determining component. In these cases, the insufficient homogenization efficiency of the previous fermenters must be compensated by the increased energy consumption for mixing and blowing.

Dalším důležitým technologickým požadavkem je rovnoměrné rozdělení disipace mechanické energie a pole střižných sil v celém objemu nádoby. Dosavadní systémy fermentorů pracují vesměs s menšími průměry míchadel a vyššími otáčkami, což vede často k překročení přípustného namáhání procesních mikroorganismů v oblasti okrajů míchadel a tím i ke snížení aktivity těchto organismů nebo dokonce jejich porušení.Another important technological requirement is an even distribution of mechanical energy dissipation and shear forces across the vessel. The prior art fermenter systems generally operate with smaller agitator diameters and higher speeds, which often results in exceeding the permissible stresses of the process microorganisms in the region of the agitator edges and thereby reducing or even breaking down the activity of these organisms.

Dané požadavky naproti tomu splňuje axiální míchadlo pro homogenizační míchání kapalin i vícefázových kapalných soustav podle čs. AO 248 314. Toto míchadlo, které tvoří náboj a nejméně dvě vodorovné lopatky, je charakterizováno tím, že plocha lopatek je nejméně jednou lomená. Při jednoduchém lomu svírá přitom horní náběžná plocha se spodní náběžnou plochou lopatek úhel nejméně 160°, přičemž horní náběžná plocha svírá s rovinou rotace míchadla úhel nejméně 10°, zatímco spodní náběžná plocha úhel menší než 75°. Obecně, při vícenásobném lomu, se úhel, který svírají jednotlivé náběžné plochy s rovinou rotace míchadla, postupně zvětšuje. Náběžné plochy vykazují trojúhelníkový či čtyřúhelníkový tvar a horní náběžná plocha je zakončena ostřím, jehož vnitřní úhel činí 10 až 45°.On the other hand, the axial stirrer for homogenizing mixing of liquids and multiphase liquid systems according to the art. This stirrer, which constitutes a charge and at least two horizontal vanes, is characterized in that the surface of the vanes is at least once broken. In the case of a single fracture, the upper leading surface forms an angle of at least 160 [deg.] With the lower leading surface of the blades, wherein the upper leading surface forms an angle of at least 10 [deg.] With the plane of rotation. Generally, at multiple fracture, the angle between the individual leading surfaces and the plane of rotation of the agitator gradually increases. The leading surfaces have a triangular or quadrangular shape and the upper leading surface is terminated by a blade having an internal angle of 10 to 45 °.

Fermentor v provedení podle vynálezu využívá příznivých pevnostních a hydrodynamických vlastností axiálního lopatkového míchadla podle čs. AO 248 314. Sestává ze svislé nádoby opatřené radiálními narážkami, distributorem vzduchu a míchacím zařízením, zahrnujícím axiální míchadla s nejméně dvěma vodorovnými lopatkami, jejichž plocha je alespoň jednou lomena s postupně se zvětšujícím úhlem náběhových ploch lopatek vzhledem k rovině rotace míchadla. Podstata fermentoru v provedení podle vynálezu spočívá v tom, že v nádobě fermentoru jsou na společné hřídeli nad sebou umístěna nejméně tři axiální míchadla ve vzdálenosti odpovídající 0,25 až 1,0 průměru nádoby a pod nejnižŠím míchadlem je ve vzdálenosti 0,2 až 1,0 průměru nádoby od míchadla a 0,05 až 0,5 průměru nádoby ode dna nádoby umístěn distributor vzduchu.The fermenter according to the invention utilizes the favorable strength and hydrodynamic properties of the axial paddle stirrer according to U.S. Pat. AO 248 314. It consists of a vertical container provided with radial stops, an air distributor and a mixing device, comprising axial agitators with at least two horizontal vanes, the surface of which is at least once broken with a gradually increasing angle of incidence of the vanes with respect to the plane of rotation. The principle of the fermenter according to the invention consists in that at least three axial agitators are placed one above the other in the fermenter vessel at a distance corresponding to 0.25 to 1.0 of the vessel diameter and below the lowest agitator at a distance of 0.2 to 1, An air distributor is placed at the vessel diameter from the stirrer and 0.05 to 0.5 vessel diameter from the bottom of the vessel.

Průměr míchadel činí přitom nejméně 0,6 průměru nádoby, průměr distributoru nejméně 0,5 průměru nádoby a největší šířka lopatek míchadel je rovna nebo menší než 0,25 průměru míchadla. Pro zvýšení dispergačního a homogenizačního účinku jsou lopatky míchadel popřípadě orientovány vypuklou částí směrem dolů a alespoň u některých z nich jsou na vnějším obvodu umístěny radiální usměrňovače, jejich pracovní plocha svírá v místě upevnění na lopatce s tečnou obvodové kružnice úhel 15 až 45°. Sousední axiální míchadla jsou přitom s výhodou navzájem pootočena o úhel 10 až 90°.The diameter of the stirrers is at least 0.6 of the vessel diameter, the distributor diameter of at least 0.5 of the vessel diameter and the largest width of the stirrer blades equal to or less than 0.25 of the stirrer diameter. To increase the dispersing and homogenizing effect, the stirrer blades are optionally oriented downwardly with the convex portion and at least some of them have radial rectifiers on their outer circumference, their working surface forms an angle of 15 to 45 ° at the attachment point on the vane. The adjoining axial agitators are preferably rotated by an angle of 10 to 90 [deg.].

Výhody uspořádání fermentoru podle vynálezu spočívají v tom, že umístěním většího počtu velkoprůměrových axiálních lopatkových míchadel nad sebou ve spojení s rovněž velkoprůměrovým distributorem vzduchu umístěným pod nejnižším míchadlem, se dosáhne potřebného přestupu kyslíku do kapaliny při nižší spotřebě energie než^:’u dosud známých systémů.The advantages of the arrangement of the fermenter according to the invention consist in the fact that the placing of the plurality of large-diameter axial blade stirrers superimposed in conjunction with a similarly large diameter air distributor located below the lowermost agitator, to achieve the necessary transfer of oxygen into the liquid at a lower energy consumption than ^'previously known systems.

Disipace mechanické energie a pole střižných sil ve fementačním mediu jsou rovnoměrně, takže nedochází ke snížení aktivity přítomných mikroorganismů. Hlavní výhodou nového uspořádání fementoru je však především rychlejší homogenizace uvnitř fermentačního media, jež se příznivě odráží na celkové výtěžnosti technologického procesu.The dissipation of the mechanical energy and the shear field in the fementing medium are uniform, so that the activity of the microorganisms present is not reduced. However, the main advantage of the new fementor arrangement is mainly faster homogenization inside the fermentation medium, which is positively reflected in the overall yield of the technological process.

Počet míchadel je v zásadě závislý především na poměru výšky kapalinové náplně k průměru nádoby. Vzdálenost sousedních míchadel se volí v závislosti na počtu lopatek u jednotlivých míchadel a počet lopatek závisí opět především na povolené výši smykového namáhání mikroorganismů přítomných v míchaném fermentačním mediu. Zvýšení počtu lopatek je možno při zachování konstantní spotřeby energie snížit otáčky míchadla a obvodovou rychlost lopatek a tím současně snižit i nerovnoměrnosti v polí smykových sil. Z důvodů rovnoměrného rozdělení disipace mechanické energie je dále účelně volit provedení, při němž největší šířka lopatek axiálních míchadel je rovna nebo nebo menší než 0,25 průměru míchadla. Ohel pootočení sousedních míchadel se pak volí v závislosti na počtu míchadel a počtu lopatek u jednotlivých míchadel.The number of agitators depends essentially on the ratio of the height of the liquid filling to the diameter of the container. The distance of the adjacent stirrers is selected depending on the number of blades of the individual stirrers, and again the number of blades depends primarily on the allowed amount of shear stress of the microorganisms present in the stirred fermentation medium. Increasing the number of blades can reduce the stirrer speed and the peripheral speed of the blades while maintaining a constant energy consumption, thereby reducing unevenness in shear force fields. For reasons of uniform distribution of the dissipation of the mechanical energy, it is further expedient to select an embodiment in which the greatest width of the blades of the axial stirrers is equal to or less than 0.25 of the stirrer diameter. The angle of rotation of the adjacent stirrers is then selected depending on the number of stirrers and the number of blades of the individual stirrers.

Další intenzifikaci dispergačního a homogenizačního účinku míchacího ústrojí přináší nadto použití radiálních usměrňovačů, umístěných na vnějším obvodu lopatek axiálních míchadel Usměrňovače vytvářejí na koncích lopatek dílčí radiální tok, kterým je část bublin strhávána ve směru ke stěně nádoby fermentoru. Tímto způsobem se zejména ve spojení s natočením lopatek lomenou, vypuklou částí směrem dolů vyvolá cirkulace směsi kapaliny a vzduchových bublin podél stěny nádoby směrem dolů a středovou částí nádoby nahoru. Prodlouží se tak dobapbbytu bublin v kapalině a zvýší se přenos kyslíku mezi plynnou a kapalnou fází.In addition, the use of radial baffles located on the outer periphery of the blades of the axial agitators further intensifies the dispersing and homogenizing effect of the agitator. The baffles create a partial radial flow at the ends of the blades through which part of the bubbles is entrained towards the wall of the fermenter vessel. In this way, particularly in conjunction with the angled, convex downward direction of the blades, a mixture of the liquid and air bubbles is circulated downwardly along the vessel wall and the central portion of the vessel upward. This will prolong the time the bubble is in the liquid and increase the oxygen transfer between the gaseous and liquid phases.

Toto opatření je zejména důležité u velkoobjemových fermentačních zařízení s velkými nároky na spotřebu kyslíku.This measure is particularly important for large-scale fermenters with high oxygen consumption.

Příkladné provedení fermentoru podle vynálezu je dále znázorněno na připojeném výkrese, kde obr. 1 představuje svislý řez nádobou fermentoru s pěti nad sebou umístěnými axiálními míchadly, opatřenými vždy dvojicí lopatek orientovaných vypuklou částí směrem dolů, obr. 2a detailní boční pohled na míchadlo se dvěma lopatkami podle obr. 1 v rovině rotace míchadla, kolmo na podélnou osu lopatek, obr. 2b odpovídající půdorysný pohled na míchadlo podle obr. 2a a obr. 2c boční pohled na míchadlo podle obr. 2a a 2b v rovině rotace míchadla, ve směru podélné osy lopatek.An exemplary embodiment of a fermenter according to the invention is further illustrated in the accompanying drawing, wherein FIG. 1 is a vertical sectional view of a fermenter vessel with five overhead axial agitators each provided with a pair of blades oriented downwardly; FIG. Fig. 2b shows a corresponding plan view of the agitator of Fig. 2a and Fig. 2c a side view of the agitator of Figs. 2a and 2b in the agitator rotation plane, in the direction of the longitudinal axis. blades.

Fermentor v provedení znázorněném na obr. 1 sestává ze svislé nádoby 1_ s klenutým dnem a radiálně rozloženými svislými narážkami 2· Ve svislé· ose nádoby 1_ je otočně uložen hřídel 6_, na němž je v rovnoměrném odstupu nad sebou upevněno pět axiálních míchadel 4_, opatřených vždy dvojicí lopatek 5.. Sousední míchadla 4_ jsou navzájem pootočena o 90°. Pod nejnižším míchadlem 4 je umístěn distributor 2 vzduchu.The fermenter in the embodiment shown in Fig. 1 consists of a vertical vessel 7 with a vaulted bottom and radially spaced vertical stops 2. The adjacent stirrers 4 are rotated 90 ° to each other. An air distributor 2 is located under the lowest stirrer 4.

Vlastní provedení axiálních míchadel 4. je dobře patrno z obr. 2a až 2c. Lopatky 2 míchadel 4 vykazují lomený profil 1_ a jsou orientovány vypuklou částí směrem dolů. NáběŽné plochy lopatek 2 mají čtyřúhelníkový tvar a jejich roviny svírají navzájem úhel 160°.The actual design of the axial agitators 4 can be clearly seen from FIGS. 2a to 2c. The blades 2 of the stirrers 4 have a kinked profile 7 and are directed downwards by the convex portion. The leading surfaces of the blades 2 have a rectangular shape and their planes form an angle of 160 ° to each other.

Horní náběžná plocha přitom svírá s rovinou rotace míchadla 4_ úhel 45°, zatímco spodní náběžná plocha úhel 25°. Lopatky jsou na vnějším obvodu opatřeny radiálními usměrňovači 2 ve tvaru svislých plošek, které s tečnou obvodové kružnice v místě upevnění usměrňovačů 2 k lopatce 5_ svírají úhel 15°.The upper leading surface forms an angle of 45 ° with the plane of rotation of the agitator 4, while the lower leading surface forms an angle of 25 °. The blades are provided with radial baffles 2 in the form of vertical flats on the outer circumference, which form an angle of 15 ° with the tangential circumferential circle at the point of attachment of the baffles 2 to the blade 5.

Cirkulace směsi kapalné a plynné fáze (vzduchu) probíhá ve znázorněném zařízení, založeném na použití míchadel s lopatkami orientovanými vypuklou částí směrem dolů, následujícím způsobem : vzduch přiváděný distributorem o relativně velkém průměru se rovnoměrně rozptýlí po celém průměru nádoby. Účinkem axiálních míchadel s lomeným profilem lopatky jsou vzniklé bubliny vzduchu rozptýleny v jemnou disperzi, která je vlivem proudění, vyvolaného rotací míchadel, unášena střední částí nádoby fermentoru směrem k hladině fermentační zápary. Působením radiální složky rychlosti proudění na koncích lopatek je přitom část stoupající disperze vrhaná proti stěně nádoby a účinkem sestupného proudu recirkulována podél stěny nádoby směrem ke dnu.The circulation of the liquid-gas phase (air) mixture takes place in the illustrated apparatus, based on the use of down-mixer paddles, as follows: air supplied by a relatively large diameter distributor is evenly distributed throughout the diameter of the vessel. As a result of axial agitators with a broken blade profile, the resulting air bubbles are dispersed in a fine dispersion which is carried by the central part of the fermenter vessel towards the level of the fermentation mine due to the flow induced by the agitator rotation. Due to the radial flow velocity component at the ends of the blades, a portion of the rising dispersion thrown against the vessel wall is recirculated along the vessel wall towards the bottom by the downstream flow.

Tímto způsobem se podstatně zvýší podíl recirkulujícího vzduchu, přičemž při každém průchodu disperze oblastí lopatek dochází opakovaně k další dispergaci vzduchových bublin a jejich postupném zmenšování při současném zvětšení celkové mezifázové plochy. Intenzivní cirkulace směsi v nádobě s převládající axiální složkou zajištuje nadto rychlou homogenizaci všech komponent procesu.In this way, the proportion of recirculated air is substantially increased, with each passing of the dispersion of the blade regions repeatedly dispersing the air bubbles and gradually decreasing them while increasing the total interfacial area. In addition, the intensive circulation of the mixture in the vessel with the predominant axial component ensures rapid homogenization of all process components.

Konstrukční provedení fermentoru podle vynálezu není ovšem omezeno jen na znázorněné uspořádání. Svislé radiální narážky mohou být kupříkladu nahrazeny narážkami jiného provedení, příkladně narážkami vytvořenými z teplosměrnných trubkových svazků.However, the construction of the fermenter according to the invention is not limited to the arrangement shown. For example, the vertical radial baffles may be replaced by baffles of another embodiment, for example baffles formed from heat transfer tube bundles.

U axiálních míchadel je možno použít i lopatek obrácených vypuklou částí směrem nahoru a to popřípadě i v kombinaci s radiálními usměrňovači. Tok směsi v nádobě je v tomto případě obrácený: disperze vzduchových bublin v kapalném fermentačním mediu proudí podél stěn nádoby směrem vzhůru a středovou částí recirkuluje směrem ke dnu nádoby. Použití usměrňovačů při tomto uspořádání míchadel a obráceném toku směsi dává ovšem horší výsledky.In the case of axial agitators, it is also possible to use the blades facing upwards, possibly in combination with radial baffles. The flow of the mixture in the vessel is reversed in this case: the dispersion of air bubbles in the liquid fermentation medium flows upwardly along the vessel walls and recirculates through the central portion towards the vessel bottom. However, the use of rectifiers in this mixer arrangement and reverse flow of the mixture gives worse results.

V některých případech není nutno, aby radiálními usměrňovači byly opatřeny lopatky všech míchadel. Aby se předešlo předčasnému úniku vzduchových bublin z kapalného fementačního media v horní části nádoby a posílil se recirkulační účinek axiálních míchadel, často postačí, jestliže jsou usměrňovače upevněny pouze na lopatkách horních míchadel.In some cases, it is not necessary for all agitator blades to be provided with radial baffles. To prevent premature leakage of air bubbles from the liquid fermentation medium at the top of the vessel and to enhance the recirculating effect of the axial agitators, it is often sufficient if the rectifiers are mounted only on the blades of the upper agitators.

Pro jednoduchost nebylo znázorněno vytváření ostří na horních náběžných plochách lopatek axiálních míchadel, třebaže toto provedení má zejména u velkoobjemových fermentorů s velkým průměrem míchadel obzvláštní význam, neboř snižuje odpor lopatek při zachování nebo dokonce zvýšení čerpacího a tudíž homogenizačního účinku míchadel.For the sake of simplicity, the formation of the blades on the upper leading surfaces of the blades of the axial stirrers has not been shown, although this embodiment is particularly important in large-volume fermenters with a large stirrer diameter, since it reduces the blade resistance while maintaining or even increasing the pumping and therefore homogenising effect of the stirrers.

Claims

1. A fermenter comprising a vertical receptacle provided with radial baffles, an air distributor and a mixing device comprising axial stirrers with at least two horizontal vanes, the surface of which is at least once broken with a gradually increasing angle of incidence relative to the plane of rotation of the stirrer, (1) at least three axial agitators (4) are placed one above the other on the common shaft (6) at a distance corresponding to 0.25 to 1.0 of the diameter of the vessel (1), and at a distance of 0.2 to below the lowest agitator (4) 1.0 of the diameter of the vessel (1) from the stirrer (4) and 0.05 to 0.5 of the diameter of the vessel (1) from the bottom of the vessel (1) placed an air distributor (3), the diameter of the stirrers (4) being at least 0.6 the diameter of the vessel (1), the diameter of the distributor (3) of the stirrers (4) is equal to or less than 0.25 of the diameter of the stirrer (4), the stirrer blades (5) being optionally further convex The radial baffles (8) are arranged on the outer circumference, at least in some of them, whose working surface forms an angle of 15 to 45 [deg.] with the tangential circumferential circle at the attachment point on the blade (5).

Fermenter according to Claim 1, characterized in that the adjacent axial agitators (4) are rotated with respect to each other by an angle of 10 to 90 °.

2 drawings