DD301484A7 - Bioreaktor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor zur Durchführung mikrobieller Prozesse im Labor- und Technikumsmaßstab und zur Entwicklung prozeßangepaßter technischer Bioreaktoren. Die Aufgabe, einen einfach aufgebauten und leicht handhabbaren Bioreaktor für die unterschiedlichsten biotechnologischen Verfahrensvarianten bei gleichzeitiger Anpassung an verschiedenartige Prozeßführungen zu entwickeln wird dadurch gelöst, daß untereinander durch Flansche verschiedene Funktionsmodule und Adapter so miteinander verbunden werden, damit unterschiedliche Produktvolumina oder verschiedenartige Bioreaktortypen realisiert werden können. Die Reihenfolge der Funktionsmodule und Adapter untereinander ist beliebig wählbar und deren jeweilige Anzahl kann ungleich 1 sein. Figur{Bioreaktor; Funktionsmodule, austauschbar; Maßstabsübertragung; biotechnologische Verfahrensvarianten; Bioreaktortypen; Bioreaktorentwicklung; Prozesse, mikrobiell}

Description

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt dia technische Aufgabe zu Grunde, einen einfach handhabbaren universell einsetzbaren, in seiner Geometrie und bioverfahrenstechnischen Gestaltung flexiblen Bioreaktor zu entwickeln, der schnell, unkompliziert und in optimaler Weise an zu entwickelnde biotechnologische Verfahrensvarianten angepaßt werden kann.

Das betrifft insbesondere die Entwicklung von kontinuierlich ablaufenden mikrobiellen Prozessen, die Erhöhung der Biomassekonzentration im Bioreaktor sowie die Integration und Kopplung von Aufarbeitungsschritten in bzw. an den Bioreaktor. Die mikrobiellen Prozesse können dabei unter aeroben oder anaeroben Bedingungen steril oder unsteril in einer oder mehreren Verfahrensstufen ablaufen. Die bioverfahrenstechnische Gestaltung des Bioreaktors sichert eine gleichmäßige Verteilung der Mikroorganismen und Nährstoffe über das gesamte Kultivierungsvolumen, die ausreichende Versorgung der Biomasse mit Nährstoffen, die Abführung bzw. Zuführung von Wärme, die Dissipation von Energie, hohe Transportkoeffizienten, Variation der Flüssigphasendurchmischung, definiertes Führen von Stoffströmen und die Variation des Durchmessers-Höhen-Verhältnisses ermöglichen ein sicheres Scale-up.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß unterschiedliche Module und Adapter, die vorgefertigt sind und unterschiedliche bioverfahrenstechnische Aufgaben lösen können, durch lösbare Verbindungen miteinander durch Flansche gekoppelt werden, wobei die Reihenfolge der einzelnen Module und Adapter frei wählbar ist und die Anzahl der einzelnen Module und Adapter auch ungleich 1 sein kann.

So wird auf ein Bodenflanschmodul, das in seinem mittleren Teil Stutzen für einen Energiestromeintrag (z. B. Gas) oder zentral ein Rührorgan aufweist, ein Stutzenmodul mit einem Innendurchmesser-Höhen-Verhältnis (D 1/H1) von 0,7 bis 1,0, welcher an seiner Mantelfläche an sich gegenüberliegenden Stellen Stutzen aufweist, angeordnet. Ein Flanschadapter mit einem Innendurchmesser D2, dessen Ringinnenflächen unterschiedliche Halterungen und Aufnahmesysteme für bioverfahrenstechnisch wirksame Reaktoreinbauten (wie z.B. ein Gegenlager für ein Rührorgan, für ein oder mehrere zentrisch im Reaktor angebrachte Rohre geringeren Durchmessers, ringförmige Einspannungen für zentrisch angeordnete Membranschläuche oder Halteelemente für zentrisch fixierte scheibenförmige Trögerelemente zum definierten Positionieren von Mikroorganismenaufwuchsmaterialien) aufweist, verbindet den Stutzenmodul mit einem Temperiermodul mit einem Innendurchmesser-Höhen-Verhältnis (D3/H 3) von 0,3 bis 0,5, wooei dieser an seiner äußeren Mantelfläche einen in bekannter Weise angeordneten Temperiermantel aufweist. Weiterhin angeflanscht ist ein Reaktorschußmodul mit einem Innendurchmesser-Höhen-Verhältnis (D4/H4) von 0,12 bis 0,5 der gleich dem Flanschadapter an einer oder beiden Ringinnenflächen seiner Anschlußflansche Aufnahmen für Halterungen und Aufnahmesysteme aufweisen kann. Hier sind insbesondere Halterungen für solche Reaktoreinbauten (wie z. B. Halteelemente für zentrisch fixierte scheibenförmige Trägerelemente zum definierten Positionieren von Mikroorganismenaufwuchsmaterialien) die ein Fesibett aufnehmen oder eine Schaumbildung verhindern können. Die Mantelfläche des Reaktorschußmodules kann aus korrosionsfestem Metall, aus Spezialgas oder Kunststoff ausgeführt sein. An den Reaktorschußmodul wird ein Stutzenmodul angeflanscht, der durch einen Stutzen versehenen Deckelflanschmodul abgeschlossen wird, so daß insgesamt ein geschlossener Reaktorraum entsteht, der in der üblichen Weise einer Sterilisation unterzogen werden kann.

Die Innendurchmesser D1, D2, D3 und D4 der einzelnen Module können unterschiedlich sein, so daß Module gleichen Innendurchmessers miteinander verbunden und mit Modulen eines anderen Innendurchmessers unter Verwendung konstruktiv angepaßter Flanschadapter kombiniert werden können, um dadurch z.B. geänderte Strömungsverhältnisse im Bioreaktor zu ermöglichen.

Vorzugsweise sind jedoch die Innendurchmesser D 1,D2,D3 und D4 von gleicher Größe, während die Höhen H1, H 2, H 3 und H 4 variiert werden können.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß durch die Kombinations- und Kopplungsfähigkeit der vorgefertigten Module untereinander und die Varianz der Anzahl und der bioverfahrenstechnischen Wirkung einzelner Module, bei bestimmten Innendurchmesser-Höhen-Verhältnis Bioreaktorvolu..iina verschiedenster Stufungen erhalten und mehrere Reaktoren über Verbindungsrohrleitungen gekoppelt sowie neue bioverfahrenstechnische Wirkungen induziert were !en können. Dabei sind in einfacher Weise und kurzer Zeit die Realisierung solcher Reaktorkombinationen möglich, wo in einem Reaktor oder durch Kopplung mehrerer Reaktoren ober Rohrleitungssysteme zu mehreren Verfahrensstufen oder mehrere entsprechende mikrobielle Prozesse entwickelt, getestet und in einen technischen Maßstab übertragen werden können. Zur Gewährleistung einer universellen Kombinationsfähigkeit der vorgefertigten Module und Flanschadaptor untereinander weisen die Flansche des Stutzenmodules, des Temperiermodules, des Reaktorschußmoduls und die Stirnflächen des Flanschadapters wechselseitig Nut oder Feder auf, die gleichfalls auch in den Deckelflansch- und Bodenf ianschmodulen angebracht sind. Weiterhin wurde festgestellt, daß mit Hilfe der gestuft einstellbaren Peaktorvolumina die Verweilzeit des Stoffsystems in optimalerWeise an den mikrobiologischen Prozeß und den anfallenden Subsuntstrom angepaßt werden kann. Außerdem ergab sich, daß für Bakterien, die in der Natur zusammenarbeiten (wie z. B. bei der Nitrifikation Nitrosomonas und Nitrobucter oder bei der Methangärung säurebildende Bakterien, essigsäurebildende Bakterien und methanbildende Bakterien), durch die Anordnung der Reaktormodule und die Zuführung von Substraten und ΐ ohlcnstoffquellen enthaltenden Stoffströmen an bestimmten Stellen des Reaktors, für'vorgegebene definierte Reaktorzonen günstige Lebensbedingungen erzeugt und erhalten werden können. Weiterhin ist es möglich, durch den Einsatz von Mikroorganismenaufwuchsträgern in definierten Bereichen des Reaktors gleichzeitig die Verweilzeit von der Mikroorganismendichte und -konzentration zu entkoppeln sowie durch die Verschaltung von Substrat- und Produktströmen bei mikrobiellen Prozessen, die in einer oder in mehreren Stufen ablaufen, die Standzeiten von Festbettreaktoren zu erhöhen i/.nd die Ausbildung von typischen Konzentrationsprofilen für Substrat und Produkt zu vermeiden.

Außerdem wurde festgestellt, daß durch die Fixierung der Mikroorganismen auf verschiedenen Trägermaterialien und die Anordnung der Trägermaterialien mittels Trägermaterialaufnahmevorrichtungen in einer bestimmten Entfernung vom mit einem Rührorgan ausgestatteten Bodenflanschmodul, die Schädigung der Mikroorganismen durch hohe Scherkräfte weitgehend vermieden werden kann und damit eine äußere Schlaufe zur Rückführung des austretenden Flüssigkeitsstromes in den Festbetteingang überflüssig wird. Dadurch können Konzentrationsgradienten abgebaut, das pH-Profil nivelliert und eine Verbesserung der Produktfreisetzung erreicht werden.

Ausführungsbeispiel

Der erfindungsgemäße diversifizierbare Bioreaktor zur Durchführung von Experimenten für die Entwicklung, Testung und Maßstabsübertragung von an den mikrobiologischen Prozeß und an das Stoffsystsm angepaßten Bioreaktoren soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden und zwar zeigt

Fig. 1: eine Darstellung des orfindungsgemäßen Bioreaktors zur anaeroben Abwasserbehandlung.

Bioreaktor zur anaeroben Abwasserbehandlung mit Hilfe von auf Trägermaterial Immobilisierten Mikroorganismenpopulationen Fig. 1 zeigt hier den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung.

Auf den unteren Bodenflanschmodul 6 mit Standfüßen und den Stutzen a, b, die zum Entleeren oder zum Begasen bzw. zur Aufnahme von Begasungselementen (Ringe, Düsen etc.) genutzt werden können, wird das Stutzenmodul 1 (D1/H1 = 0,8) montiert. Auf dem Umfang des Stutzenmodules 1 sind paarweise gegenüberliegend in einer Schnittebene die Stutzen c, g und d, h angeordnet.

Die Stutzen, an die Rohrleitungen oder Schlauchverbindungen in einem bestimmten Durchmesserbereich flexibel oder fest angeschlossen werden können, dienen der Zu- bzw. Ablesung des Abwassers sowie der Zugabe und Entnahme von Impfschlamm. Beide Module bestehen aus korrosionsfestem hochlegiertem Stahl. Ein Flanschadapter 2 mit Durchmesser D2 verbindet das Stulzenmodul 1 mit dem darüber angeordneten Temperiermodul 3 (D3/H 3 = 0,37).

Die Kopplung der Module 1 und 3 ist auch ohne den Flanschadapter 2, dessen Ringinnenflächen unterschiedliche Halterungen und Aufnahmesysteme für bioverfahrenstechnisch wirksame Reaktoreinbauten, z. B. Rohre, Membranschläuche, Trägerelemente für Mikroorganismenaufwuchsmaterialien usw., enthalten können, möglich. Der Doppelmantel des Temporiermodules 3 dient zur Aufnahme des zirkulierenden Heiz- und/oder Kühlmediums. Der Temperiermodul 3 besteht ebenfalls aus hochlegiertem Stahl.

Der Reaktorschußmodul 4, wird über dem Temperiermodul 3 angeordnet und mit diesem verschraubt. Der aus Spezialglas bestehende Reaktorschußmodul 4, der in Verbindung mit angepaßten Spannelementen auch unterschiedliche Bauhöhen H4 (600--1200mm) haben kann, dient zur Ummantelung der Mikroorganismenaufwuchsträger. Zur visuellen Kontrolle und Beobachtung des ablaufenden mikrowellen Prozesses, wird der Reaktorschuß aus Spezialglas oder Kunststoff ausgeführt. Der Reaktorkopf, der aus einem weiteren Stutzenmodul 1 mit verschraubten Deckelflanschmodul 5 besteht, schließt den Bioreaktorraum nach obenhin ab. Die im Deckelflanschmodul 5 und im Stutzenmodul 1 angeordneten Stutzen I, m, e, f, i und k dienen zur Ableitung von Gasen, der Zu- bzw. Abfuhr von Abwassern, als Überlauf und zur Aufnahme von Sensoren. Auf die Reaktoreinbauten 7 wurden die Aufwuchsträgermaterialien aufgebracht. Die feststoffentlastenden Abwässer, die auf mikrobieller Basis unter anaeroben Bedingungen gereinigt werden sollen, gelangen über die Stutzen i, k im Kopfteil (Abstrom) oder die Stutzen g, h im Bodenbereich (Aufstrom) in den Bioreaktor. Zum Abbau von Temperatur-, pH-Wert- und Konzenirationsgradienten wird der Reaktorinhalt mit Hilfe einer Pumpe über ein äußeres Rohrleitungssystem umgewälzt. Das außerhalb des Bioreaktors angeordnete Rohrleitungssystem wird unten über den Stutzen b und oben über den Stutzen e mit dem Reaktionsrdum verbunden. Das äußere Rohrleitungssystem ist so gestaltet, daß sowohl das Umwälzen des Reaktorinhaltes im Ab- oder im Aufstrom möglich ist. Je nach Verschaltungsvariante (Auf- oder Abstrom) befindet sich der Ansaugstutzen der Pumpe am unteren oder oberen Stutzenmodul 1. Der Impfschlamm, in dem die zur mikrobiologischen Reinigung benötigten Mikroorganismen in suspendierter Form vorhanden sind, wird über einen Stutzen in das äußere Rohrleitungssystem gesaugt und mit dem Abwasser vermischt in den Reaktionsraum gepumpt und dort mit dem zur Immobilisierung vorgesehenen Trägermaterial in Kontakt gebracht. Die Trägermaterialien wurden vorher im Bereich des Reaktorschußmoduls 4 auf den Reaktoreinbau 7 angeordnet. Die füi den mikrobiellen Prozuß benötigte Wärme, wird über das im Doppelmantel der Temperiermodule 3 zirkulierende Heizmedium, zugeführt.

Zur Gewährleistung eines konstanten Reaktorfüllstandes verläßt über einen am Stutzen g angeschlossenen Siphon die gleiche Abwassermenge wie die zugeführte Abwassermenge den Reaktionsraum. Das durch die Stoffwechseltätigkeit der Mikroorganismenpopulation entstehende Biogas verläßt über den Stutzen m im Deckelflanschmodul 5 den Heaktor. Durch ein mit einf m Gebläse ausgerüsteten Rohrleitungssystem kann das Biogas abgesaugt und über den Stutzen d im unteren Stutzenmodul 1 wieder in den Reaktionsraum eingepreßt werden.

Claims (2)

1. Bioreaktor, bestehend aus einem mit einem Energieeintragsystem versehenen geschlossenen Reaktionsbehälter, welcher Stutzen für eine Produktzu- und -abführung sowie Meßstellen für die Prozeßführung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß untereinander durch mit Nut und Feder versehene Flansche ein vorgefertigter Bodenflanschmodul (6) mit Vorrichtungen zum Energieeintrag, ein vorgefertigter Stutzenmodul (1) mit einem Innendurchmesser-Höhen-Verhältnis D1/H1 von 0,7 bis 1,0, welcher an seiner Mantelfläche an sich gegenüberliegenden Stellen Stutzen aufweist, ein vorgefertigter Flanschadapter (2) mit einem Innendurchmesser D2, dessen Innenringe mit Aufnahmen für Reaktoreinbauten (7) versehen ist, ein vorgefertigter Temperiermodul (3) mit einem Innendurchmesser-Höhen-Verhältnis D3/H3 von 0,3 bis 0.5, wobei dieser an seiner äußeren Mantelfläche einen in bekannter Weise angeordneten Heiz- und Kühlmantel aufweist, ein vorgefertigten Reaktorschußmodul (4) mit einem Innendurchmesser-Höhen-Verhältnis D4/H4von 0,12 bis 0,5, dessen Flansch am Innenring Aufnahmen für Reaktoreinbauten (7) aufweisen, ein vorgefertigter, mit Stutzen versehener Deckelflanschmodul (5), der mit einem weiteren Stutzenmodul (1) gekoppelt ist, lösbar miteinander verbunden sind.

2. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenfolge der Kombination der Stutzenmodule (1), Temperiermodule (3), Reaktorschußmodule (4) und Flanschadapter (2) beliebig wählbar und die Anzahl der jeweiligen Module und Adapter auch ungleich 1 ist.

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor zur Durchführung von Experimenten, mit dem Ziel der Entwicklung mikrobiologischer Verfahren im Labor- und Technikumsmaßstab, durch dessen apparatetechnische Diversifizieibarkeit an den mikrobiologischen Prozeß angepaßte technische Bioreaktoren konzipiert werden können.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Mit konventionellen Rührreaktoren, die bei Stoffumwandlungsprozessen eingesetzt werden, können eine Reihe von an Bioreaktoren gestellte Primäranforderungen erfüllt werden. Das betrifft eine gleichförmige Verteilung der Mikroorganismen und der Nährstoffe über das gesamte Kultivierungsvolumen, die Versorgung der Biomasse mit Nährstoffen und die Einstellung bestimmter Milieubedingungen (Temperatur, pH-Wert, Druck). Weitere Anforderungen, die aus typischen Bioprozeßbedingungen resultieren, sind, bedingt durch die Bauart (vorzugsweise unlösbare Verbindungen der Reaktorbaugruppen und die Reaktorform), nicht mehr zu erfüllen.

Dazu zählen die Aufkonzentrierung der Biomasse, die Entkopplung von Verweilzeit und Biomassekonzentration, Vermeidung von Mikroorganismenschädigungen durch hohe Scherkräfte im Bereich der Rührelemente und die Realisierung kontinuierlicher Prozesse. Nachteilig ist weiterhin, daß Anschaffung und Betrieb von Rührreaktoren sehr kostenintensiv sind. Bekannt ist, daß ein Teil dor aus dem Bioprozeß resultierenden Forderungen durch Termreaktoren und daraus abgeleiteten Modifikationen erfüllt werden können. Vorteilhafte Eigenschaften dieser Bioreaktoren sind die einfache Konstruktion, Verzicht auf bewegte Teile (Rührer), verminderter Platzbedarf, geringerer Energieeintrag, geringere Wärmeübertragerflächen, Realisierung hoher Stoffeintragsraten, gute Transportkoeffizienten, gute Energiedissipation, fehlen von Zonen und extremer Scherbeanspruchung und Variation der Flüssigphasendispersion bis zu einem gewissen Ausmaß durch konstr. Maßnahmen. Nachteilin ^!=t jedoch, daß bedingt durch die Bauweise, Bauform und Herstellungstechnolor· j {vorwiegend unlösbare Verbindung der Reaktorbaugruppen) die Anpassung eines existierenden Bioreaktors an sich ändernde Prozeßbedingungen nicht ohne größeren Aufwand möglich ist. Weiterhin ist nachteilig, daß solche Entwicklungstendenzen in der Bioreaktortechnik wie die Entwicklung von kontinuierlichen Prozessen, insbesondere auch von Mehrstufenprozessen, die weitere Erhöhung der Biomassekonzentration im Reaktor, die Integration von Aufarbeitungsschritten, die Kopplungsmögüchkeiten (Stoffströme, Ene gieströme) zu vor- und nachgeschalteten Verfahrensstufen ein sicheres Scale-up und der wahlweise aerobe oder anaerobe Betrieb, ohne gravierende technische Eingriffo in die Bioreaktorkonfiguration nur ungenügend oder gar nicht berücksichtigt werden können. Alle nachträglichen Eingriffe in die Bioreaktorkonfiguration und die bioverfahrenstechnisch optimale Gestaltung des Reaktionsraumes sind zeitaufwendig und teuer.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines einfach aufgebauten und leicht handhabbaren Bioreaktors, der dur.h seine Bauweise, Konfiguration und Herstellungstechnologie bioverfahrenstechnische Möglichkeiten bietet, die in einem bestimmten Stoffsystem ablaufenden mikrowellen Prozesse hinsichtlich der Konzipierung, Entwicklung und Testung von mikrowellen Verfahren zu untersuchen sowie die Übertragung des Verfahrens in einen technischen Maßstab, zeitsparend und effektiv durchzuführen.