CS271673B1

CS271673B1 - Biofactor

Info

Publication number: CS271673B1
Application number: CS871635A
Authority: CS
Inventors: Pavel Ing Csc Seichter; Jiri Ing Mazoch; Milos Ing Vranek
Original assignee: Seichter Pavel; Jiri Ing Mazoch; Milos Ing Vranek
Priority date: 1987-03-12
Filing date: 1987-03-12
Publication date: 1990-11-14
Also published as: CS163587A1

Abstract

This solution concerns the bioreactor, which is for the execution of fermentation processes. The vertically placed vessel (1) of the cylindrical shape contains a shaft (5), which is coaxial to the vessel (1). The shaft (5) is equipped with mixers (4), which are arranged above it. The vessel (1) also consists of the air distributor (3), which is placed under the mixers (4), and of vertical stop pieces (6), which are placed on the inside wall of the vessel (1). In order to attain the even distribution of the oxygen concentration in the whole volume of the fermentation medium, a circulation cylinder (2) is arranged coaxially with the vessel (2) in its upper part. The lower part of the cylinder is located in the close proximity of the air distributor (3) and its upper part is located in the close proximity of the lowest placed mixer (4).<IMAGE>

Description

(57) Řešení se týká bioreaktoru sloužícího k uskutečňování fermentačních pochodu. Svisle uložená nádoba (1) válcového tvaru obsahuje souose s ní umístěný hřídel (5), opatřený nad sebou upravenými míchadly (4), distributor (3) vzducnu, umístěný pod míchadly (4) a svislé narážky (6), umístěné na vnitřní stěně nádoby (1). Za účelem docílení rovnoměrného rozdělení koncentrace kyslíku v celém objemu fermentačního média je souose s nádobou íl) v její dolní části upraven cirkulační válec (2), iehož dolní ústí leží v bezprostřední blízkosti distributoru (3) vzduchu, a jehož horní ústí leží v bezprostřední blízkosti nejníže uloženého míchadla (4).(57) The present invention relates to a bioreactor for carrying out fermentation processes. The vertically mounted cylindrical vessel (1) comprises a coaxially arranged shaft (5) provided with superimposed agitators (4), an air distributor (3) positioned below the agitators (4) and vertical stops (6) located on the inner wall containers (1). In order to achieve a uniform distribution of the oxygen concentration throughout the fermentation medium, a circulation cylinder (2) is provided coaxially with the clay vessel (1), the lower mouth of which is in the immediate vicinity of the air distributor (3) and whose upper mouth is in the immediate vicinity. of the lowest mounted stirrer (4).

CS 271673 BlCS 271673 Bl

Vynález se týká bioreaktoru sloužícího к uskutečňování fermentačních pochodů·The invention relates to a bioreactor for carrying out fermentation processes.

U aerobních fermentací je třeba přivádět do bioreaktoru potřebné množství kyslíku pro dýchání mikroorganismů přes mezifázovou plochu bublin ve fermentačním médiu· Dostatečnou mezifázovou plochu lze vytvořit jednak intenzivním provzdušňováním, jednak mícháním, nejčastěji za použití mechanických míchadel· Osou známé bioreaktory, sloužící к současnému provzdušňování a míchání fermentačního média, se svisle uloženou válcovou nádobou, jejíž osou prochází hřídel s alespoň dvěma nad sebou upravenými míchadly· pod míchadly je upraven distributor vzduchu, přičemž na vnitřní stěně nádoby jsou proti vnějšímu obvodu míchadel upevněny radiálně rozmístěné svislé narážky· Nevýhodou těchto systémů je, že ve spodní části bioreaktoru je v důsledku vyššího hydrostatického tlaku a vyšší koncentrace kyslíku ve vstupujícím plynu podstatně vyšší hladina rozpuštěného kyslíku, než je v horní části bioreaktoru, což má za následek nerovnoměrné rozložení jeho koncentrace ve fermentačním médiu·In aerobic fermentations, the required amount of oxygen for breathing microorganisms must be supplied to the bioreactor through the interphase surface of the bubbles in the fermentation medium. fermentation medium with a vertically mounted cylindrical vessel whose axis passes through a shaft with at least two superimposed stirrers · an air distributor is provided underneath the stirrers, radially spaced vertical stops are mounted on the inner wall of the vessel against the external perimeter of the stirrers in the lower part of the bioreactor, due to the higher hydrostatic pressure and higher oxygen concentration in the incoming gas, the dissolved oxygen level is substantially higher than in the upper parts of the bioreactor, resulting in an uneven distribution of its concentration in the fermentation medium ·

Odstranění této nevýhody řeší vynález, jehož podstata spočívá v tom, že souose s nádobou bioreaktoru je v její dolní části upraven cirkulační válec, jehož dolní ústí leží v bezprostřední blízkosti distributoru vzduchu, umístěného uvnitř cirkulačního válce nebo pod ním, přičemž horní ústí cirkulačního válce leží v bezprostřední blízkosti nejníže umístěného míchadla, zasahujícího do prostoru cirkulačního válce nebo do prostoru nad ním· Míchadla mohou být radiální nebo axiální, přičemž u axiálního míchadla může být s výhodou použito podélně lomených lopatek· Při optimálních rozměrech činí vnitřní průměr cirkulačního válce 0,6 až 0,6 a vnější průměr míchadel 0,55 až 0,75 vnitřního průměru nádoby· Cirkulační válec lze též vytvořit jako válcový chladič, napojený na přívod chladicího média·The elimination of this disadvantage is solved by the invention in which a circulation cylinder is arranged coaxially with the bioreactor vessel in its lower part, the lower mouth of which is located in the immediate vicinity of the air distributor located inside or below the circulation cylinder. in the immediate vicinity of the lowest placed stirrer extending into or above the circulation cylinder space · Agitators may be radial or axial, with longitudinally curved blades may be advantageously used with an axial stirrer. 0.6 and outer diameter of the stirrers 0.55 to 0.75 inner vessel diameter · The circulation cylinder can also be designed as a cylindrical cooler connected to the coolant supply ·

Při uskutečňování fermentačních pochodů v bioreaktoru podle vynálezu je vzniklá mez i fázová plocha ve spodní části nádoby sice menší, avšak při vysokém parciálním tlaku kyslíku je celková rychlost přenosu kyslíku dostatečná, a to i při nižším příkonu energie na mechanické míchání· V horní části nádoby snížení parciálního tlaku kyslíku je kompnezováno vyšší mezifázovou plochou vytvořenou míchadly, takže celková rychlost přenosu kyslíku pro bíoreakci je stejná jako ve spodní části bioreaktoru· Takto lze udržovat konstantní hladinu rozpuštěného kyslíku i oxidu uhličitého v celém objemu fermentačního média a zajistit optimální podmínky práce bioreaktoru· Použití podélně lomených lopatek pro axiální míchadla umožňuje rychlou cirkulaci fermentačního média a intenzifikaci přenosu hmoty i tepla při relativně nízkých nárocích na spotřebu energie· Vzájemný poměr rozměrů nádoby, cirkulačního válce a míchadel vytváří rovnoměrné proudění v celém prúžezu nádoby a snižuje tlakové ztráty cirkulačního proudění fermentačního média na minimum· využití cirkulačního válce jako chladiče se příznivě projevuje v úspoře chladicích ploch a snížení spotřeby chladicí vody·In carrying out the fermentation processes in the bioreactor according to the invention, the resulting limit and phase area at the bottom of the vessel is smaller, but at a high partial pressure of oxygen the overall rate of oxygen transfer is sufficient, even at lower energy input for mechanical mixing. the partial oxygen pressure is compensated by the higher interphase surface created by the stirrers, so that the total oxygen transfer rate for the bioreactor is the same as at the bottom of the bioreactor. Thus, the dissolved oxygen and carbon dioxide levels can be kept constant throughout the fermentation medium and angled blades for axial agitators allow rapid circulation of the fermentation medium and intensification of mass and heat transfer at relatively low energy consumption requirements. · The use of the circulation cylinder as a cooler is beneficial in saving cooling surfaces and reducing cooling water consumption.

Na výkresu je schematicky znázorněn příklad bioreaktoru podle vynálezu ve svislém řezu.The drawing shows schematically an example of a bioreactor according to the invention in vertical section.

Do horní části svisle umístěné nádoby i válcového tvaru zasahuje shora souose uložený hřídel 5, spojený s neznázorněnou poháněči jednotkou· Hřídel 5 unáší čtyři nad sebou umístěná míchadla 4 axiálního typu· Jejich počet může být případně vyšší nebo nižší, minimálně však musí být na hřídeli 5 alespoň dvě míchadla 4· Proti vnějšímu obvodu míchadel 4 jsou na vnitřní stěně nádoby 1. upraveny radiálně rozmístěné svislé narážky 6. V dolní části vnitřního prostoru nádoby £ je uložen souose s nádobou 1. cirkulační válec 2, do jehož vnitřního prostoru v bezprostřední blízkosti jeho horního ústí zasahuje míchadlo 4 nejníže umístěné na hřídeli 5. Pod dolním ústím cirkulačního válce 2 v jeho bezprostřední blízkosti je upraven distributor 3, napojený na přívod tlakového vzduchu· Rozměry jednotlivých částí bioreaktoru jsou v zájmu docílení optimálních průtokových podmínek zvoleny tak, že vnitřní průměr cirkulačního válce 2 Čini 0,6 až 0,8 a vnější průměr míchadel 4 činí 0,55 až 0,75 vnitřního průměru nádoby 1· Chladicí plochu pro ochlazování fermentačního média tvoří vnitřní stěna zdvojeného pláště nádoby 1., jehožThe upper part of the vertically placed vessel and of the cylindrical shape is supported by a coaxially mounted shaft 5 connected to a drive unit (not shown). The shaft 5 carries four axial-type stirrers 4 superimposed. At least two agitators 4 are arranged opposite the outer circumference of the agitators 4. Radially spaced vertical stops 6 are provided on the inner wall of the vessel 1. In the lower part of the inner space of the vessel 6 a circulation cylinder 2 is arranged coaxially with the vessel. the lower mouth of the circulation cylinder 2 is located in the immediate vicinity of the circulation cylinder 2 and is connected to a compressed air supply. The dimensions of the individual parts of the bioreactor are for optimum flow conditions. k is selected so that the inner diameter of the circulation cylinder 2 is 0.6 to 0.8 and the outer diameter of the stirrers 4 is 0.55 to 0.75 the inner diameter of the vessel 1. whose

CS 271673 Bl meziprostor je napojen na zdroj chladicí látky, nebo může jako chladič sloužit přímo cirkulační válec 2, upravený pro tento účel obdobně jako plášť nádoby кCS 271673 B1 the interspace is connected to the coolant source, or the circulation cylinder 2, which is provided for this purpose in a manner similar to that of the vessel jacket k, can serve as the cooler directly

Vzduch vycházející z distributoru 3 se rozptýlí v kapalině obsažené v nádobě 1. a současně vyvolává její proudění cirkulačním válcem 2 směrem nahoru· Působením rotace míchadel 4 proudí kapalina dále horní částí nádoby 1^ směrem k hladině, přičemž působením radiální složky rychlosti proudění na koncích lopatek míchadel 4 je její část vrhána proti narážkám 6 na vnitřní stěně nádoby 2· Účinkem sestupného proudu je potom kapalina recirkulována podél stěny nádoby _1 směrem dolů· * Míchadla 4 axiálního typu mohou být s výhodou tvořena lomenými lopatkami ve smyslu čs· autorského osvě.dčení č· 248 314, kde plocha lopatek je jednou nebo vícekrát lomená > s postupně se zvětšujícím úhlem vzhledem k rovině rotace míchadla 4, přičemž jejich horní náběžná plocha je zakončena ostřím· Uvedená úprava podstatně zvyšuje pevnost lopatek bez zvětšení jejich tloušťky, přičemž takto tvarovaná míchadla 4 mají i příznivé hydrodynamické charakteristiky·The air coming out of the distributor 3 is dispersed in the liquid contained in the vessel 1 and at the same time causes it to flow upwardly through the cylinder 2. By the rotation of the agitators 4 the liquid continues to flow through the upper part of the vessel 1 towards the surface. part of the agitators 4 is thrown against the baffles 6 on the inner wall of the container 2. As a result of the downstream flow, the liquid is then recirculated downwardly along the wall of the container 1. The agitators 4 of the axial type can advantageously consist of blades in the sense of 248,314, wherein the area of the blades is broken one or more times with a gradually increasing angle with respect to the plane of rotation of the stirrer 4, the upper leading surface of which is terminated by a blade. The agitators 4 have favorable hydrodynamic characteristics.

V bioreaktoru podle vynálezu může být případně použito i míchadel 4 s radiálním působením, která mají sice méně příznivé hydrodynamické vlastnosti, avšak mají tu výhodu, Že vytvářejí vyšší střihová namáhání v důsledku vyšších smykových napětí vznikajících v kapalině při jejím průchodu radiálním míchadlem· Aplikace toho či onoho typu míchadel 4 bude záležet na zachování požadované úrovně smykových napětí v bioreaktoru, která je dána vazbou na kultivované mikroorganismy·Alternatively, radial agitators 4 may be used in the bioreactor according to the invention, which have less favorable hydrodynamic properties but have the advantage of producing higher shear stresses due to higher shear stresses in the liquid as it passes through the radial agitator. of this type of agitator 4 will depend on maintaining the required level of shear stress in the bioreactor, which is given by binding to cultured microorganisms ·

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

A bioreactor with a cylindrical vessel vertically mounted, with a shaft mounted coaxially in the vessel and provided with at least two superimposed agitators, with an air distributor positioned below the agitators and with vertical stops, radially spaced on the inner wall of the vessel against the outer perimeter by coaxial with the vessel (1) a circulation cylinder (2) is provided in its lower part, the lower mouth of which is in the immediate vicinity of the air distributor (3) and whose upper mouth is in the immediate vicinity of the lowest placed stirrer (4);

Bioreactor according to claim 1, characterized in that the air distributor (3) is located inside the circulation cylinder (2).

A bioreactor according to claim 1, characterized in that the air distributor (3) is located below the circulation cylinder (2).

4. A bioreactor according to claim 2 or 3, characterized in that the lowest stirrer (4) extends into the interior of the circulation cylinder (2).

A bioreactor according to claim 2 or 3, characterized in that the lowest placed stirrer (4) extends into the space above the circulation cylinder (2).

Bioreactor according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the stirrers (4), designed as axial, are provided with longitudinally angled blades.

Bioreactor according to Claims 1 to 6, characterized in that the inner diameter of the circulation cylinder (2) is 0.6 to 0.8 and the outer diameter of the agitators (4) is 0.55 to 0.75 of the inner diameter of the vessel (1).

Bioreactor according to Claims 1 to 7, characterized in that the circulation cylinder (2) is designed as a cylindrical cooler connected to a coolant source.