CH358195A - Fermenter - Google Patents

Description

      Fermenter       Es sind     Fermenter    zur Züchtung von     Mikro-          Organismen,    insbesondere der     Aeroben-Typen,    be  kannt. Diese weisen einen aufrecht stehenden Kessel auf,  in dessen unterem zentralem Teil ein an eine Luftzufuhr  leitung angeschlossener Verteiler angeordnet ist,  unter dem sich eine motorisch     antreibbare    Bewegungs  einrichtung für den     flüssigen    Kesselinhalt befindet.

    Diese Flüssigkeit besteht aus einer Nährlösung, in  welcher eine Reinkultur der zu züchtenden     Mikro-          Organismen    unter Zuführung von Sauerstoff     mittels     der einströmenden Luft durch ständige Umwälzung  im Kessel in der Konzentration angereichert wird.  Zur     Durchmischung    der Flüssigkeit und Durch  mischung derselben mit der eingeführten Luft wurden  als Bewegungseinrichtungen bisher hauptsächlich  Rührwerke verwendet. Diese bewirken zwar durch  den     Rührprozess    auch eine gewisse Umwälzung der  Flüssigkeit im Kessel.

   Die Umwälzung ist jedoch  an den einzelnen Stellen des Kessels sehr unterschied  lich, so dass es mehr oder weniger dem Zufall über  lassen ist, inwieweit und in welchem Ausmasse im  Durchschnitt eine     Durchmischung    der Flüssigkeit  und - Vermischung mit der zugeführten Luft erfolgt.  



  Die vorliegende Erfindung geht nun von der  Erkenntnis aus, dass sich der mikrobiologische Prozess  und damit die Konzentrationserhöhung der zu züch  tenden     Mikro-Organismen    in der Nährlösung um so  schneller und wirksamer abspielt, je grösser die Homo  genität des Nährbodens ist, einschliesslich der Sauer  stoffverteilung durch die zugeführte Luft.

   Um dieser  Forderung in optimaler Weise genügen zu können,  ist der den Gegenstand der vorliegenden     Erfindung     bildende     Fermenter    der eingangs erwähnten Art  dadurch gekennzeichnet, dass der Kessel unterhalb des  Luftverteilers eine halsartige Verengung aufweist,  in welcher sich die als Schaufelrad mit vertikaler  von aussen     antreibbarer    Achse ausgebildete     Flüssig-          keitsbewegungseinrichtung    befindet, und dass der    unterhalb dieser Verengung befindliche     Kesselendteil     als     Umlenkraum    zum Umlenken der aus dem Schaufel  rad ausströmenden Flüssigkeit in einen aus einem,

    bis in eine     vorbestimmte    Höhe hinaufreichenden,  unten und oben offenen Doppelmantel bestehenden  Hohlzylinder ausgebildet ist.     Damit    lässt sich eine  den ganzen Flüssigkeitsinhalt des Kessels erfassende,  stetige Umwälzung des Kesselinhaltes erreichen,  indem die vom Schaufelrad geförderte Flüssigkeit  vorerst vom übrigen Kesselinhalt getrennt auf der  Unterseite abgeführt und auf der Oberseite wieder  zugeführt wird.

   Durch eine geeignete Gestaltung der       Umlenkungseinrichtung    der aus dem Schaufelrad  ausströmenden Flüssigkeit lässt sich ferner der     Ge-          schwindigkeits-    und Druckverlauf des abgesonderten  Flüssigkeitsteils,     zusammen        mit    dem     mitgeförderten     Luftanteil im Sinne einer intensiven Lösung der Luft  in der Flüssigkeit     beeinflussen.    Ausserdem kann durch  die Art und Weise der Wiederzuführung des abge  sonderten Teiles des Kesselinhaltes     zum    übrigen Teil,  der Sauerstoffübergang in die Flüssigkeit noch ver  bessert werden, indem es ohne weiteres möglich ist,

    hierbei eine erhebliche     Oberflächenvergrösserung    der  mit der Luft in Kontakt gelangenden Fläche zu er  zielen. Die Wiederbeifügung des abgesonderten     Kes-          selinhaltteils    kann nämlich vorteilhaft unter Bildung  eines Überfalls des zurückgeführten     Flüssigkeit-          Luft-Gemisches    erfolgen, wobei sich eine um so grössere  Zerteilung der überfallenden Menge bildet, je grösser  die Fallhöhe ist.

   Dieser Vorgang spielt sich in der  über dem flüssigen Kesselinhalt befindlichen Luft  atmosphäre ab, so dass diese Luft,     zusammen    mit  der in der abgesonderten Flüssigkeit     mitgeführten     Luft eine verhältnismässig grosse     Kontaktfläche        mit     der Flüssigkeit hat, wodurch erneut optimale Voraus  setzungen für einen guten Sauerstoffübergang in die  Flüssigkeit vorliegen.  



  Mit dem ganzen     Umwälz-    und Durchmischungs-           prozess    geht natürlich eine völlige Angleichung der  Temperatur sämtlicher Teile des Kesselinhaltes mitein  ander vor sich; insbesondere kann eine günstige Tempe  raturregulierung durch     Temperierung    des abgesonder  ten Flüssigkeitsteiles erfolgen, so dass bei der anschlie  ssenden     Zurückführung    dieses Teils in den übrigen  Kesselinhalt die Temperaturangleichung gewährleistet  ist.  



  Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel des       Erfindungsgegenstandes    im vertikalen Mittellängs  schnitt.  



  Der     Fermenter    weist einen Kessel 1 auf, der aus  einem Unterteil 2 und einem als Deckel ausgebildeten  Oberteil 3 besteht. Beide sind an den einander zuge  kehrten Seiten mit Flanschen 4 versehen, die in üb  licher Weise durch Schraubenbolzen hermetisch  schliessend miteinander verbunden werden.  



  Der Kessel ist zylindrisch gestaltet und mittels  seitlich vorspringenden Augen 5 in nicht dargestellter  Weise mit vertikal liegender Achse montiert. Der  Kesselunterteil 2 weist einen zylindrischen Mantel 6  auf, der unten durch einen sich nach unten konisch  verjüngenden Boden 7 abgeschlossen ist. Dieser ist  mit einer zentralen Öffnung versehen, in welcher ein  Support 8 eingesetzt ist, der auf der Unterseite mit  einem Flansch 9 versehen ist, der mittels Schrauben  in nicht dargestellter Weise mit dem Boden 7 dicht  schliessend verbunden ist. Im Boden 7 befindet sich  eine Öffnung 10, die an eine nicht dargestellte Abfuhr  leitung angeschlossen ist. Auf dem Support 8 ist ein  Schaufelrad 11 mit vertikaler Achse drehbar gelagert.

    Dieses sitzt auf einer nicht dargestellten vertikalen  Welle, die     drehbar    im Support gelagert ist und von  einem nicht dargestellten Motor     antreibbar    ist. Ober  halb des Kesselbodens 7 in einem Abstand von diesem  ist ein ringförmiger     Verdrängerkörper    12 angeordnet,  der als Hohlkörper ausgebildet ist und auf der Ober  seite Schrägstützen 13 trägt, die einen Luftverteiler  14 abstützen, der sich zentral in geringem Abstand  oberhalb des Schaufelrades 11 befindet und zweck  mässig in üblicher Weise aus einem mit Austritts  löchern versehenen, ringförmig gebogenen Rohr be  steht, das an eine     Luftzuführungsleitung    15 angeschlos  sen ist.

   Diese ist bis in den obern Teil des Kesselunter  teils 2 hinaufgeführt und an dieser Stelle unter Bildung  eines     Anschlussflansches    16 durch die Kesselwand hin  durchgeführt. An den Flansch 16 wird eine nicht  dargestellte     Druckluftförderleitung    angeschlossen. Auf  der gegenüberliegenden Seite ist in analoger Weise  unter Bildung eines     Anschlussflansches    17 eine Luft  abfuhrleitung 18 durch die Wand des Kesselunter  teils 2 hindurchgeführt. Die Leitung 18 reicht bis  in den obersten Teil des hochgewölbten Deckels 3,  an welcher Stelle die Einmündung des Rohres 18 liegt.  



  Der     Verdrängerkörper    12 bildet unterhalb des  Luftverteilers 14 eine halsartige Verengung 19 des  Kessels, in welcher sich das Schaufelrad 11 befindet.  Der unterhalb dieser Verengung     befindliche        Kessel-          endteil    ist als     Un-Ienkraum    zum Umlenken der aus  dem Schaufelrad 11 ausströmenden Flüssigkeit in    einen Hohlzylinder 20 ausgebildet. Dieser ist durch  einen Doppelmantel 21 gebildet, welcher bis oberhalb  des vorbestimmten Flüssigkeitsniveaus des Kessels  geführt ist. Auf der Aussenseite ist der Hohlzylinder  20 durch den Mantel 6 des Kesselunterteils begrenzt,  wogegen der Innenmantel 22 auf dem Aussenrand  des     Verdrängerkörpers    12 sitzt.

   Das Oberende des  Innenmantels 22 bildet eine Überfallkante 23 für die  aus dem unten und oben offenen Hohlzylinder 20 aus  strömende Flüssigkeit.  



  Die Aussenseite 24 des Supports 8 ist für eine stetige  seitliche Umlenkung der aus dem Schaufelrad 11 aus  tretenden Flüssigkeit nach unten erweitert. Die  Innenseite des Kesselbodens 7 geht stetig und der  Unterseite 25 des     Verdrängerkörpers    12 angepasst  einerseits in die     Support-Aussenseite    24 und anderseits  in den Kesselmantel 6 über. Der Raum zwischen dem  Kesselboden 7 und der Unterseite 25 des     Verdränger-          körpers    12 verengt sich von innen nach aussen all  mählich.

   Die Verhältnisse sind so gestaltet, dass die  aus dem Schaufelrad austretende Flüssigkeit vorerst  in der     Umbiegungsstelle,    in welcher sich der Richtungs  pfeil befindet, eine Geschwindigkeitsabnahme infolge       Querschnittserweiterung    aufweist und anschliessend  bis zum Eintritt in den Hohlzylinder 20 wieder eine  Geschwindigkeitszunahme und eine entsprechende  Druckabnahme erfährt.  



  Um den Kesselmantel 6 herum ist ein     Wärme-          austauscher    26 angeordnet, der sich ungefähr über  den Bereich des Hohlzylinders 20 erstreckt und mit  dem Kesselmantel 6 einen geschlossenen Hohlraum  27 bildet, an dem unten und oben je ein Rohrstutzen  28 bzw. 29 angeschlossen ist. An diese Stutzen wird  eine Zu- bzw.     Abfuhrleitung    für ein Wärmemedium  angeschlossen, welches zur     Temperierung    der haupt  sächlich durch Hohlzylinder 20     fliessenden    Flüssigkeit  dient, wodurch die Temperatur des Flüssigkeits  inhalts des Kessels geregelt wird.  



  Die zu behandelnde, mit anzureichernden     Mikro-          Organismen    geimpfte Nährlösung wird durch eine  Öffnung 30 im Deckel 3 eingefüllt bis zum vorbestimm  ten Niveau. Alsdann wird die Öffnung 30 durch einen  nicht dargestellten Verschluss geschlossen, der von  einer     Nachfülleitung    durchsetzt ist, um das während  des Betriebes etwaig verdampfende Wasser zu er  setzen. Gegebenenfalls kann das Einfüllen der ge  samten Lösung auch durch diese     Nachfülleitung     erfolgen.  



  Der     Wärmeaustauscher    wird in Betrieb gesetzt,  so dass ständig auf eine vorbestimmte Temperatur  erwärmtes Wasser durch den Stutzen 28 in den Hohl  raum 27 eintritt und abgekühltes Wasser aus dem  Stutzen 29 ausfliesst. Die Schraube 11 wird mit der  vorbestimmten     Drehzahl    angetrieben und durch die  Luftleitung 15 in vorbestimmtem Ausmasse Druck  luft eingelassen.

   Die Flüssigkeit im zentralen Kegel  raum wird durch den Luftverteiler 14 hindurch  sowie diesem entlang, wie durch Pfeile angedeutet,       hindurchgesaugt    und reisst aus den Löchern des Ver  teilers 14 ausströmende Luft zum Teil mit, so dass      ein     Flüssigkeit-Luft-Gemisch    in den zwischen dem  Boden 7 und dem Verdrängungskörper 12 befindlichen  Raum hindurch in den Hohlzylinder 20 gedrückt  wird, wobei die an der Eintrittsstelle in den Zwischen  raum erfolgende Geschwindigkeitsabnahme des durch  strömenden Gemisches und die anschliessende Ge  schwindigkeitszunahme erfahrungsgemäss dazu bei  trägt, die Konzentration des gelösten Sauerstoffes  in der Flüssigkeit zu erhöhen,

   was für die Geschwindig  keit der     Mikro-Organismen-Konzentration    in der  Nährlösung von Bedeutung ist. Infolge der durch  die Schraube 11 erzeugten Turbulenz in der Strömung  findet hierbei eine gründliche     Durchmischung    der  Mischungsbestandteile statt, was sich ebenfalls im  gleichen günstigen Sinne auswirkt.  



  Das     Flüssigkeit-Luft-Gemisch    wird beim Durch  strömen des Hohlzylinders 20 von unten nach oben  unter dem Einfluss des     Wärmeaustauschers    26 auf die  vorbestimmte Temperatur gebracht und strömt dann  über die     Überlaufkante    23 in den inneren Raum des  Kessels. Je nach der eingestellten Saug- und Förder  wirkung, welche durch die Schraube 11 hervorgerufen  wird, wird die Flüssigkeit beim Austritt aus dem Hohl  zylinder 20 mehr oder weniger hoch geschleudert  und fällt dann im freien Fall, wie durch Pfeile ange  deutet, auf das Flüssigkeitsniveau hinunter.

   Dieses  hat infolge des durch die Schraube 11 erzeugten  zentralen Soges eine trichterförmige Oberfläche,  wobei die     Trichterausbildung    um so stärker in Er  scheinung tritt, je grösser die Förderleistung der       Schraube    11 ist. Durch die grössere     Trichtertiefe    wird  wieder die Fallhöhe des herunterfallenden     Flüssigkeit-          Luft-Gemisches    erhöht, wodurch die Zerteilung dieses       Gemisches    entsprechend der Fallhöhe zunimmt.  Dadurch wächst die Kontaktoberfläche der herunter  fallenden Flüssigkeit gegenüber der den ganzen über  dem Flüssigkeitsniveau befindlichen Kesselraum aus  füllenden Luft.

   Infolgedessen findet eine intensive  Durchlüftung der Flüssigkeit und eine entsprechend  erhöhte     Sauerstoffaufnahme    durch die Nährlösung  statt. Der     Sauerstoff    Übergangswert ist massgebend  für den Wirkungsgrad der Gesamtleistung des     Fer-          menters    und also ein wesentlicher Faktor für die  Anreicherung der Nährlösung. Infolge der kontinuier  lichen Umwälzung der gesamten Nährlösung wird  die Differenz der Konzentration zwischen den ein  zelnen Stellen der Nährlösung im Kessel auf ein Mini  mum herabgesetzt, so dass die Nährlösung praktisch  überall die gleiche Konzentration aufweist.

   Da der  mikrobiologische Prozess in einer verhältnismässig  verdünnten Nährlösung stattfindet, ist durch diese  Ausgeglichenheit der Konzentration die Durch  schnittskonzentration gegenüber den bekannten       Fermentern    mit an den verschiedenen Stellen der  Nährlösung stark unterschiedlicher Konzentration  überlegen. Dasselbe gilt hinsichtlich der ausgeglichenen  Temperatur, welche durch die intensive Umwälzung  der Nährlösung sowie insbesondere durch die starke  Verteilung beim Überfall über die Kante 23 gefördert  wird, was im übrigen auch bezüglich der Homogenität    der Nährlösung hinsichtlich aller anderen massgebenden  Faktoren der Fall ist, wie insbesondere die gute       Durchmischung    und der vorzügliche Sauerstoffüber  gang von der Luft in die Flüssigkeit.  



  Nach Erreichung der gewünschten Konzentration  wird die Nährlösung durch die an der Bodenöffnung 10  angeschlossene, nicht dargestellte Leitung im ge  wünschten Ausmasse abgezogen und durch Einfüllen  neuer Nährlösung durch die Zuleitung im Deckel 3  ersetzt. Es ist auch möglich, statt dessen kontinuierlich  zu arbeiten, indem nach Erreichen der gewünschten  Konzentration durch die Bodenöffnung 10 ein kon  tinuierlicher Abzug an angereicherter Lösung statt  findet sowie durch die Zuleitung im Deckel eine gleiche  Menge frischer Nährlösung zugeführt wird, wobei  sich gegenüber dem diskontinuierlichen Prozess wegen  der Ersparnis der Zeit für das Ablassen des Konzen  trates und des Einfüllens der neuen Charge eine ent  sprechend höhere Leistung erzielen lässt,

   ausserdem  ein     wirtschaftlicheres    Arbeiten auch wegen Arbeits  ersparnis möglich ist, da der kontinuierliche Betrieb  nur noch einer blossen Überwachung bedarf.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Fermenter, insbesondere zur Züchtung von Mikro- Organismen der Aeroben-Typen, der einen aufrecht stehenden Kessel aufweist, in dessen unterem zen tralen Teil ein an eine Luftzufuhrleitung angeschlosse ner Verteiler angeordnet ist, unter dem sich eine moto risch antreibbare Bewegungseinrichtung für den flüssigen Kesselinhalt befindet, dadurch gekenn zeichnet, dass der Kessel (1) unterhalb des Luftver teilers (14) eine halsartige Verengung (19) aufweist, in welcher sich die als Schaufelrad (11) mit vertikaler,

   von aussen antreibbarer Achse ausgebildete Flüssig- keitsbewegun.gseinrichtung befindet, und dass der unterhalb dieser Verengung befindliche Kesselendteil als Umlenkraum zum Umlenken der aus dem Schaufel rad ausströmenden Flüssigkeit in einen, aus einem bis in eine vorbestimmte Höhe hinaufreichenden, unten und oben offenen Doppelmantel (21) bestehen den Hohlzylinder (20) ausgebildet ist.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Fermenter nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass der Doppelmantel (21) bis oberhalb des vorbestimmten Flüssigkeitsniveaus des Kessels geführt ist, so dass das Oberende des Innenmantels (22) eine Überfallkante (23) für die aus dem Hohl zylinder (20) austretende Flüssigkeit bildet. 2. Fermenter nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass der Hohlzylinder (20) auf der Aussen seite durch den Kesselmantel (6) begrenzt ist.

   3. Fermenter nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass der Innenmantel (22) des Hohl zylinders (20) auf dem Aussenrand eines im unteren Kesselteil angeordneten, ringförmigen Verdränger- körpers (12) sitzt, der die zentrale Kesselverengung (19) bildet und mit seiner Unterseite den Flüssig keitsumlenkungsraum nach oben begrenzt. 4. Fermenter nach Unteranspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, dass der Luftverteiler (14) mittels Stützen (13) auf dem Verdrängerkörper (12) sitzt.

   5. Fermenter nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass das Schaufelrad (11) auf einem Support (8) gelagert ist, der sich auf der Aussenseite (24) nach unten für eine stetige seitliche Umlenkung der aus dem Schaufelrad (11) austretenden Flüssig keit erweitert. 6. Fermenter nach Unteranspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, dass der Support (8) dichtschliessend in einer zentralen Öffnung des Kesselbodens (7) ein gesetzt ist.

   7. Fermenter nach Unteranspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, dass die Innenseite des Kesselbodens (7) stetig in die Aussenseite (24) des Supports (8) übergeht und der Unterseite (25) des Verdränger- körpers (12) angepasst schräg nach oben und aussen verläuft. B. Fermenter nach<I>den</I> Unteransprüchen 3,<I>5</I> trnd 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen der Supportaussenseite (24) sowie der Unterseite (25) des Verdrängerkörpers (12) und der Innenseite des Kessel bodens (7) derart gestaltet ist, dass die Geschwindig keit des von innen nach aussen durchströmender.

   Mediums vorerst stetig zu- und alsdann bis zum Eintritt in den Hohlzylinder (20) stetig abnimmt. 9. Fermenter nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass der Hohlzylinder (20) auf der Aussenseite von einem Wärmeaustauscher (26) um geben ist.