DD301484A7 - BIOREACTOR - Google Patents
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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}The invention relates to a bioreactor for carrying out microbial processes in the laboratory and pilot plant scale and for the development of process-adapted technical bioreactors. The task to develop a simply constructed and easy to handle bioreactor for a variety of biotechnological process variants while adapting to different types of process control is achieved by mutually connected by flanges different functional modules and adapters so that different product volumes or different bioreactor types can be realized. The order of the function modules and adapters among each other is arbitrary and their respective number can not be 1. FIG {bioreactor; Functional modules, interchangeable; Scale-up; biotechnological process variants; Bioreactors; Bioreactor development; Processes, microbial}
Description
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.The invention is based on the technical task to develop an easily manageable universally applicable, in its geometry and biotechnological design flexible bioreactor, which can be adapted quickly, easily and optimally to be developed biotechnological process variants.
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.This applies in particular to the development of continuous microbial processes, the increase of the biomass concentration in the bioreactor as well as the integration and coupling of processing steps into or onto the bioreactor. The microbial processes may be performed under aerobic or anaerobic conditions sterile or non-sterile in one or more stages of the process. The bioprocess engineering design of the bioreactor ensures a uniform distribution of the microorganisms and nutrients over the entire cultivation volume, the adequate supply of biomass with nutrients, the removal or supply of heat, the dissipation of energy, high transport coefficients, variation of the liquid phase mixing, defined guiding of material flows and the variation of the diameter-height ratio enables a safe 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.According to the invention, this object is achieved in that different modules and adapters that are prefabricated and can solve different bioengineering tasks are coupled by releasable connections to each other by flanges, the order of the individual modules and adapters is arbitrary and the number of individual modules and Adapter can also be unequal to 1.
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.Thus, a neck module with an inner diameter-height ratio (D 1 / H 1) of 0.7 to 1, on a bottom flange module, which in its middle part neck for an energy flow input (eg gas) or centrally has a stirrer, 0, which has at its lateral surface at opposite points nozzles arranged. A Flanschadapter with an inner diameter D2, the ring inner surfaces different brackets and recording systems for biochemically effective reactor internals (such as an abutment for a stirrer, for one or more centrally mounted in the reactor tubes of smaller diameter, annular clamping for centric membrane hoses or holding elements for centric fixed disk-shaped Trögerelemente for defined positioning of Mikroorganismenaufwuchsmaterialien), connects the nozzle module with a tempering with an inner diameter-height ratio (D3 / H 3) of 0.3 to 0.5, wooei this has on its outer surface arranged in a known manner tempering , Flanged further is a reactor shot module with an inner diameter-height ratio (D4 / H4) of 0.12 to 0.5 equal to the flange adapter on one or both ring inner surfaces of its connecting flanges recordings for holders and recording systems may have. In particular, holders for such reactor internals (such as, for example, holding elements for centrically fixed disc-shaped carrier elements for the defined positioning of microorganism growth materials) which can receive a fibrous bed or prevent foaming are used here. The lateral surface of the reactor module can be made of corrosion-resistant metal, special gas or plastic. To the reactor shot module, a nozzle module is flanged, which is completed by a nozzle provided Deckelflanschmodul, so that a total of a closed reactor space is formed, which can be subjected to sterilization in the usual way.
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.The inner diameters D1, D2, D3 and D4 of the individual modules may be different, so that modules of the same inner diameter can be connected to each other and combined with modules of a different inner diameter using design adapted flange adapters, thereby e.g. to allow changed flow conditions in the bioreactor.
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.Preferably, however, the inner diameters D 1, D 2, D 3 and D 4 are of the same size, while the heights H 1, H 2, H 3 and H 4 can be varied.
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.Surprisingly, it has been found that obtained by the combination and coupling ability of the prefabricated modules with each other and the variance of the number and bio-technical effect of individual modules, with certain inner diameter-height ratio Bioreaktorvolu..iina various gradations and coupled multiple reactors via connecting pipelines and new biotechnological Effects could be induced. In this case, the realization of such reactor combinations are possible in a simple manner and in a short time, where in a reactor or by coupling several reactors above piping systems to several process stages or several corresponding microbial processes can be developed, tested and transferred to an industrial scale. To ensure a universal ability to combine the prefabricated modules and Flanschadaptor with each other, the flanges of the nozzle module, the tempering, the Reaktorschußmoduls and the end faces of the flange adapter mutually groove or spring, which are also mounted in the Deckelflansch- and Bodenf ianschmodulen. Furthermore, it was found that the residence time of the material system can be optimally adapted to the microbiological process and the resulting sub-current with the aid of the step-adjustable peactor volumes. In addition, it has been found that for bacteria that work in nature (such as nitrification Nitrosomonas and Nitrobucter or methane in the acidification bacteria, acetic acid-forming bacteria and methanogenic bacteria), by the arrangement of the reactor modules and the supply of substrates and Material streams containing oil sources can be produced and obtained at certain points of the reactor for favorable defined reactor zones. Furthermore, it is possible to simultaneously decouple the residence time from the microorganism density and concentration by the use of microorganism growth media in defined areas of the reactor and the connection of substrate and product streams in microbial processes that take place in one or more stages, the life of fixed bed reactors i / .nd to avoid the formation of typical concentration profiles for substrate and product.
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.In addition, it has been found that by fixing the microorganisms on different support materials and the arrangement of the support materials by means of carrier material receiving devices at a certain distance from the equipped with a stirrer Bodenflanschmodul, the damage to the microorganisms can be largely avoided by high shear forces and thus an outer loop to return the emerging liquid flow in the fixed bed input is unnecessary. As a result, concentration gradients can be reduced, the pH profile leveled and an improvement in product release achieved.
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 zeigtThe diversifiable bioreactor according to the invention for carrying out experiments for the development, testing and scale-up of bioreactors adapted to the microbiological process and to the material system will be explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment
Fig. 1: eine Darstellung des orfindungsgemäßen Bioreaktors zur anaeroben Abwasserbehandlung.1 shows a representation of the bioreactor according to the invention for anaerobic wastewater treatment.
Bioreaktor zur anaeroben Abwasserbehandlung mit Hilfe von auf Trägermaterial Immobilisierten Mikroorganismenpopulationen Fig. 1 zeigt hier den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung.Bioreactor for anaerobic wastewater treatment with the aid of microorganism populations immobilized on carrier material FIG. 1 shows the basic structure of the device.
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.On the lower bottom flange 6 with feet and the nozzle a, b, which can be used for emptying or for gassing or for receiving gassing (rings, nozzles, etc.), the nozzle module 1 (D1 / H1 = 0.8) assembled. On the circumference of the nozzle module 1, the nozzles c, g and d, h are arranged in pairs opposite one another in a sectional plane.
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).The nozzles, to which pipelines or hose connections in a certain diameter range can be connected flexibly or firmly, are used for metering or reading of the wastewater as well as the addition and removal of seed sludge. Both modules are made of corrosion-resistant high-alloy steel. A flange adapter 2 with diameter D2 connects the platen module 1 with the tempering module 3 arranged above it (D3 / H3 = 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.The coupling of the modules 1 and 3 is also without the flange adapter 2, the ring inner surfaces different mounts and recording systems for biochemically effective reactor internals, z. As pipes, membrane hoses, support elements for Mikroorganismenaufwuchsmaterialien etc., may contain. The double jacket of the Temporiermodules 3 serves to accommodate the circulating heating and / or cooling medium. The tempering 3 is also made of high-alloy steel.
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.The reactor shot module 4 is arranged above the temperature control module 3 and screwed thereto. The special glass reactor reactor module 4, which can also have different heights H4 (600--1200mm) in conjunction with adapted clamping elements, serves to encase the Mikroorganismenaufwuchsträger. For visual inspection and monitoring of the running microwave process, the reactor shot is made of special glass or plastic. The reactor head, which consists of a further nozzle module 1 with a bolted cover flange module 5, closes the bioreactor space upwards. The nozzles I, m, e, f, i and k arranged in the cover flange module 5 and in the nozzle module 1 are used for the discharge of gases, the supply and removal of waste water, as an overflow and for receiving sensors. On the reactor internals 7, the growth carrier materials were applied. The solids-discharging effluents, which are to be purified on a microbial basis under anaerobic conditions, reach the bioreactor through the nozzles i, k in the head section (downflow) or the pipes g, h in the bottom section (upflow). To reduce the temperature, pH and concentration gradients, the reactor contents are circulated by means of a pump via an external piping system. The outside of the bioreactor arranged piping system is connected at the bottom over the port b and above the port e with the Reaktionsrdum. The outer piping system is designed so that both the circulation of the reactor contents in the down or upflow is possible. Depending on the connection variant (upflow or outflow), the suction nozzle of the pump is located on the lower or upper nozzle module 1. The inoculation sludge, in which the microorganisms required for microbiological purification are present in suspended form, is sucked into the outer pipe system via a nozzle mixed with the wastewater pumped into the reaction space and there brought into contact with the intended for immobilization support material. The support materials were previously arranged in the region of the reactor shot module 4 on the reactor installation 7. The heat required for the microbial process is supplied via the heating medium circulating in the double jacket of the temperature control modules 3.
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.To ensure a constant reactor level, the same amount of wastewater as the amount of waste water leaves the reaction space via a siphon connected to the connection g. The biogas resulting from the metabolic activity of the microorganism population leaves the header via the connection m in the cover flange module 5. By means of a pipeline system equipped with a blower, the biogas can be sucked off and pressed back into the reaction space via the connection d in the lower connection module 1.
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