CS257317B1

CS257317B1 - Continuous fermentation equipment

Info

Publication number: CS257317B1
Application number: CS868074A
Authority: CS
Inventors: Milos Vranek
Original assignee: Milos Vranek
Priority date: 1986-11-07
Filing date: 1986-11-07
Publication date: 1988-04-15
Also published as: CS807486A1

Abstract

Bioreaktor tvoří uzavřená nádoba s potrubím pro nátok substrátu, cirkulačním válcem, přívodem vzduchu a soustavou mechanických míchadel. Je charakterizován, tím, že z víka reaktoru je vyvedeno odtahové potrubí, které je zaústěno do zásobní nádrže, popřípadě dalšího technologického zařízení. V odtahovém-potrubí, které slouží jednak k odtahu produktu a současně i k odvodu výstupního plynu z bioreaktoru, je zařazeno odpěňovací zařízení, opatřené výstupem odděleného plynu a popřípadě i prostředky pro regulaci velikosti plochy tohoto výstupu. Odpěňovací zařízení je možno provést jako cyklón s víkem, které po obvodu vymezuje výstupní otvor pro oddělený plyn a které je provedeno jako po výšce stavitelné. Cyklón je popřípadě opatřen mechanickým míchadlem a přívodem chemických odpěňovacich činidel.The bioreactor consists of a closed vessel with a pipeline for the substrate inlet, a circulation cylinder, an air inlet and a system of mechanical stirrers. It is characterized by the fact that an exhaust pipe is led out of the reactor lid, which is connected to a storage tank or other technological equipment. The exhaust pipe, which serves both to exhaust the product and at the same time to discharge the outlet gas from the bioreactor, includes a defoaming device equipped with an outlet for the separated gas and optionally means for regulating the size of the area of this outlet. The defoaming device can be made as a cyclone with a lid that defines an outlet opening for the separated gas around the circumference and is designed to be adjustable in height. The cyclone is optionally equipped with a mechanical stirrer and a supply of chemical defoaming agents.

Description

Vynález se týká nového konstrukčního uspořádání bioreaktoru, který je určen pro kontinuální procesy, a to zejména procesy aerobní, jako je výroba krmných bílkovin z kvasničné biomasy, a je k tomuto účelu opatřen cirkulačním válcem, přívodem,vzduchu a soustavou mechanických míchadel.The invention relates to a new bioreactor design for continuous processes, in particular aerobic processes, such as the production of feed proteins from yeast biomass, and for this purpose is provided with a circulation cylinder, air supply and a mechanical stirrer system.

v praxi dosud užívané bioreaktory, pracující s cirkulačním válcem a mechanickými míchadly, se vyznačují vesměs tím, že objem fermentačního média je zpravidla menší než objem nádoby reaktoru a horní okraj cirkulačního válce je přitom určité vzdálenosti pod hladinou média, která je udržována na přibližně konstantní hodnotě. Tím je zajištěn nátok fermentačního média do cirkulačního válce a jeho cirkulace v nádobě, vyvolané axiálním míchadlem umístěným ve spodní části cirkulačního válce. Pod axiálním míchadlem umístěné radiální míchadlo naproti tomu zajištuje dispergaci vzduchu, přiváděného obvykle vhodným distributorem pod toto míchadlo. Výsledný produkt se k dalšímu zpracování odvádí zpravidla ze spodní části bioreaktoru.In practice, the bioreactors used up to now using the circulation cylinder and mechanical stirrers are characterized in that the volume of the fermentation medium is generally smaller than the volume of the reactor vessel and the upper edge of the circulation cylinder is some distance below the medium level which is maintained at approximately constant . This ensures that the fermentation medium is fed into the circulation cylinder and circulated in the vessel by the axial stirrer located at the bottom of the circulation cylinder. On the other hand, a radial agitator placed under the axial agitator ensures the dispersion of the air supplied usually by a suitable distributor under the agitator. The resulting product is generally removed from the bottom of the bioreactor for further processing.

Při procesu probíhajícího v bioreaktoru se na hladině fermentačního média obvykle vytváří vrstva pěny. Tato pěna tvoří u většiny bioreaktorů dosavadního provedení podstatný podíl média přepadajícího do cirkulačního válce. Vysoký podíl plynu v pěně snižuje však čerpací účinnost axiálního míchadla, což se projeví zhoršením jeho homogenizačnich účinků.In a bioreactor process, a foam layer is usually formed at the level of the fermentation medium. In most of the prior art bioreactors, this foam constitutes a substantial proportion of the medium falling into the circulation cylinder. However, a high proportion of gas in the foam reduces the pumping efficiency of the axial agitator, which results in a deterioration of its homogenization effects.

Další nevýhodou dosud užívaných zařízení je skutečnost, že není možno využít celého objemu nádoby bioreaktoru k produkci biomasy vzhledem k tomu, že je třeba hladinu fermentačního média,udržovat v dostatečné vzdálenosti od víka nádoby bioreaktoru. Aby se udržela přibližně konstantní hodnota hladiny fermentačního média, je obvykle nutná aplikace chemických odpěňovacích prostředků. Gena těchto prostředků je však vysoká a jejich použití má kromě toho za následek sníženi objemového součinitele přestupu kyslíku ze vzduchu do kapalné fáze.Another disadvantage of the devices used hitherto is that it is not possible to use the entire volume of the bioreactor vessel to produce biomass, since the level of the fermentation medium needs to be kept at a sufficient distance from the lid of the bioreactor vessel. In order to maintain an approximately constant level of the fermentation medium, chemical antifoam agents are usually required. However, the genes of these compositions are high and their use also results in a reduction in the volume coefficient of oxygen transfer from air to liquid phase.

K řešení těchto problémů přispívá bioreaktor pro kontinální procesy podle vynálezu, který tvoří uzavřená nádoba s potrubím pro nátok substrátů, cirkulačním válcem, přívodem vzduchu a soustavou mechanických míchadel a který je charakterizován tím, že z vlka bioreaktoru je vyvedeno odtahové potrubí, které je zaústěno do zásobní nádrže, popřípadě dalšího technologického zařízení, a v němž je zařazeno odpěňovací zařízení, opatřené výstupem odděleného plynu. Odpěňovaci zařízení je možno opatřit dále prostředky pro regulaci velikosti plochy výstupu plynu, a tím i regulaci tlaku v bioreaktoru.The continuous process bioreactor of the present invention, which consists of a closed vessel with a substrate inlet pipe, a circulation cylinder, an air inlet and a mechanical stirrer assembly, is characterized to have an exhaust pipe leading from the bioreactor waveguide. storage tank or other technological equipment, and which includes an antifoaming device equipped with a separate gas outlet. The antifoaming device can furthermore be provided with means for controlling the size of the gas outlet area and thereby regulating the pressure in the bioreactor.

V něj jednodušším případě je odpěňovací zařízení řešeno jako cyklón s víkem, které po svém obvodu vymezuje výstupní otvor pro plyn. Víko je provedeno jako po výšce stavitelné, což umožňuje měnit plynule plochu otvoru, kterým do ovzduší odchází oddělený plyn. Cyklón může být vybaven nadto mechanickým míchadlem, kterým je vstupující směs uváděna do rotačního pohybu. Jestliže však směs na vstupu do cyklómu vykazuje dostatečně vysoký obsah kinetické energie, zaručující potřebnou rotaci, není použití mechanického míchadla nutné. Je kromě toho účelné opatřit cyklón i potrubím pro dávkování chemických odpěňovacích činidel pro případy, kdy mechanické odpěňování samo o sobě není dostatečně účinné.In a simpler case, the antifoam device is designed as a cyclone with a lid which defines a gas outlet opening along its perimeter. The lid is designed to be height-adjustable, which makes it possible to vary continuously the area of the opening through which the separated gas enters the atmosphere. In addition, the cyclone can be equipped with a mechanical stirrer, by means of which the incoming mixture is rotated. However, if the mixture at the inlet to the cyclome has a sufficiently high kinetic energy content to guarantee the necessary rotation, the use of a mechanical stirrer is not necessary. In addition, it is expedient to provide a cyclone with a line for dispensing chemical antifoam agents in cases where mechanical antifoam alone is not sufficiently effective.

Hlavní přednosti bioreaktoru v provedení podle vynálezu odpočívají v tom, žeThe main advantages of the bioreactor according to the invention lie in the fact that:

- se využije celého objemu nádoby bioreaktoru k produkci biomasy,- the entire volume of the bioreactor vessel is used to produce biomass,

- že se sníží spotřeba odpěňovacích činidel a zamezí se jejich vlivu na snížení hodnoty objemového součinitele přenosu kyslíku v produkční části bioreaktoru a- that the consumption of antifoam agents is reduced and that their effect on the reduction of the oxygen transfer volume coefficient value in the production part of the bioreactor is avoided, and

- že se posléze i lepší homogenizace fermentačního média v bioreaktoru vzhledem k tomu, že se sníží podíl plynu ve směsi čerpané axiálním míchadlem.- that the homogenization of the fermentation broth in the bioreactor is subsequently improved, since the proportion of gas in the mixture pumped by the axial stirrer is reduced.

Příkladné provedení bioreaktoru pro kontinuální procesy podle vynálezu je dále schematicky znázorněno na připojeném výkrese, který představuje svislý řez bioreaktorem s odtahovým potrubím, v němž je zařazen cyklón a které je zaústěno do zásobní nádrže. Ve znázorěném provedení je ve svislé ose válcové nádoby 1^ bioreaktoru, opatřené kuželovým víkem,2, umístěn cirkulační válec.2· Ve spodní části cirkulačního válce 3 je v jeho svislé ose umístěno směrem dolů čerpající axiální míchadlo 4, uložené na společné hřídeli s radiálním míchadlem 5.An exemplary embodiment of a bioreactor for continuous processes according to the invention is further schematically illustrated in the accompanying drawing, which is a vertical section of a bioreactor with a discharge line in which a cyclone is inserted and which is connected to a storage tank. In the embodiment shown, a circulation cylinder 2 is disposed in the vertical axis of the cylindrical bioreactor vessel 1 provided with a conical lid 2. At the bottom of the circulation cylinder 3, a downwardly pumping axial agitator 4 is disposed on its common shaft with a radial shaft. stirrer 5.

Obě míchadla .4 a _5 jsou oddělena přepážkou 7_ ^ve tvaru mezikruží a jejich pohon je řešen ze spodní části bioreaktoru. Pod radiálním míchadlem 5 je umístěn distributor vzduchu 2· Potrubí 2 pro nátok substrátu ústí do cirkulačního válce 2· Kuželové víko 2 je v horní části spojeno s odtahovým potrubím 2/ které ústí do cyklónu IQ, opatřeného mechanickým míchadlem 11. Víko 12 vymezuje po svém obvodu otvor 14, kterým do ovzduší vystupuje ze směsi oddělený plyn. Víko 12 je provedeno jako po výšce stavitlené, takže výstupní plocha otvoru 14 a tím i tlak uvnitř zařízení mohou být plynule regulovány. Ze spodní části cyklónu 10 odtéká odpěněný produkt samospádem do zásobní nádrže 13, odkud je přečerpáván k dalšímu zpracování.The two stirrers 4 and 5 are separated by a partition 7 ^{in the} form of an annulus and their drive is solved from the bottom of the bioreactor. An air distributor 2 is placed below the radial stirrer 5. Substrate 2 for inlet of the substrate opens into the circulation cylinder 2. The conical cover 2 is connected in the upper part to the exhaust pipe 2 which opens into a cyclone 10 provided with a mechanical stirrer. an orifice 14 through which a separate gas emerges from the mixture into the atmosphere. The lid 12 is height-adjustable, so that the outlet surface of the opening 14 and thus the pressure inside the device can be continuously controlled. From the bottom of the cyclone 10, the foamed product flows by gravity into the storage tank 13, from which it is pumped for further processing.

Bioreaktor ve znázorněném provedení pracuje následujícím způsobem: substrát,'přiváděný nátokovým potrubím 2 do cirkulačního válce _3< proudí vlivem čerpacího účinku axiálního míchadla j4 cirkulačním válcem 2 směrem dolů, kde se nad dělící přepážkou,2 směr jeho toku obrací. Fermentační médium se přitom obohacuje vzduchem, přiváděným distributorem 6 a dispergovaným do média působením radiálního míchadla 2· Vzduchem obohacená směs stoupá prostorem mezi stěnou cirkulačního válce 2 ^a stěnou nádoby 2 k hladině, kde přepadá přes horní okraj cirkulačního válce 2 3θΗο vnitřního prostoru. Vzdálenost horního okraje cirkulačního válce 2 °d víka 2 bioreaktoru se přitom volí tak, aby pěna, která se tvoří v horní části nádoby 2, byla vystupujícím plynem strhávána do odtahového potrubí 2·The bioreactor in the illustrated embodiment operates in the following manner: the substrate fed by the inlet pipe 2 to the circulation cylinder 3 flows downwardly through the circulation cylinder 2 due to the pumping effect of the axial stirrer 2, where the flow direction reverses above the partition. The fermentation medium is enriched by the air supplied by the distributor 6 and dispersed in the medium by the action of a radial agitator 2. The air-enriched mixture rises through the space between the wall of the circulation cylinder 2 ^{and the} wall of the vessel 2 to the surface. The distance of the upper edge of the circulation cylinder 2 ° d of the bioreactor cover 2 is selected in such a way that the foam formed in the upper part of the vessel 2 is entrained by the exhaust gas into the exhaust pipe 2.

V cyklónu 10 je směs uváděna jednak vlastní energií, jednak působením mechanického míhadla 11 do rotačního pohybu, při němž dochází k oddělení plynné váze. Mechanické odpěňování může popřípadě být podpořeno i přisednou chemických odpěňovacích prostředků. Ze směsi oddělený plyn se odvádí volně do ovzduší otvorem 21/ vymezeným víkem 12 cyklónu 10, zatímco odpěněný produkt samospádem stéká do zásobní nádrže.13. Výška hladiny v zásobní nádrži 13 nesmí - s ohledem na požadovaný tlak v cyklónu 10 - klesnout pod určitou minimální hodnotu. Zařízení je v zásadě vhodné pouze pro nastavení nízkých hodnot přetlaku nad hladinou fermentačního média v bioreaktoru. Vyhovuje kupříkladu pro procesy vyžadující septičnost výroby.In the cyclone 10, the mixture is introduced by its own energy and by a mechanical stirrer 11 in a rotational motion, in which the gas-weight is separated. Mechanical antifoaming may optionally be supported by the adjoining chemical antifoams. The separated gas is discharged freely into the atmosphere through the opening 21 / defined by the lid 12 of the cyclone 10, while the foamed product flows by gravity into the storage tank.13. The level in the storage tank 13 must not fall below a certain minimum value in view of the required pressure in the cyclone 10. In principle, the device is only suitable for setting low pressures above the level of the fermentation medium in the bioreactor. It is suitable, for example, for processes requiring septic production.

Uspořádání bioreaktoru pro kontinuální procesy podle vynálezu není ovšem omezeno jen na provedení znázorněné na výkrese či popsané v předchozí části přihlášky. Může být použit jiný tvar víka, jiné uspořádání míchací soustavy i jiné druhy míchadel. Potrubí pro nátok substrátu do bioreaktoru může být zavedeno do kterékoliv části nádoby reaktoru. Jestliže směs vstupující do cyklónu vykazuje dostatečně vysokou energii, zaručující potřebnou rotaci, není nutné použití mechanického míchadla v cyklónu. Jiným způsobem může být řešen i výstup plynu z cyklónu s prostředky k nastavení velikosti jeho plochy. Cyklón může být, jak již bylo dříve uvedeno, opatřen nadto i potrubím pro dávkování chemických odpěňovacích činidel pro případ, kdy mechanické odpěňování samo není dostatečně účinné.However, the bioreactor arrangement for the continuous processes of the invention is not limited to the embodiment shown in the drawing or described in the foregoing part of the application. Different lid shapes, different mixer configurations, and other types of agitators can be used. The substrate feed line into the bioreactor may be introduced into any part of the reactor vessel. If the mixture entering the cyclone exhibits a sufficiently high energy to provide the necessary rotation, it is not necessary to use a mechanical stirrer in the cyclone. Alternatively, the gas outlet of the cyclone may be provided with means for adjusting its surface area. In addition, as previously mentioned, the cyclone can also be provided with a line for dispensing chemical antifoam agents in case the mechanical antifoam itself is not sufficiently effective.

Znázorněný a popsaný systém odtahu a odpěňování produktu může být nicméně použit i u jiných než mechanicky míchaných bioreaktorů.However, the product recovery and defoaming system illustrated and described can also be applied to non-mechanically stirred bioreactors.

Claims

A continuous fermentation plant comprising a closed vessel with a substrate inlet pipe, a circulation cylinder, an air inlet and a mechanical stirrer assembly, characterized in that an exhaust pipe (9) is discharged from the bioreactor cap (2) to the bioreactor. a storage tank (13) or another technological device which includes an antifoaming device equipped with a separate gas outlet.

* \

Device according to claim 1, characterized in that the antifoam device is provided with means for controlling the size of the gas outlet area.

Device according to Claims 1 and 2, characterized in that the antifoaming device is designed as a cyclone (10) with a lid (12) defining a gas outlet opening (14) along its circumference and adjustable in height, the cyclone ( 10) is optionally provided with a mechanical stirrer (11) and a pipeline for dispensing chemical antifoam agents.