Durchrühren / Belüftung
als wesentlicher faktor des massenaustausches

Das Durchrühren und die Belüftung sind nicht die einzigen Faktoren, wodurch der Massenaustausch im Bioreaktor oder das Wachstum von Mikroorganismen bestimmt wird. Es wird sowohl durch die Eigenschaften des Stamms der selben Mikroorganismen, als auch durch die Auswahl eines genau balancierten Nährbodens, die Prozeßmoden u.a. bestimmt. Diese Faktoren müssen aber in der Zuständigkeit der Technologiefachleute bleiben, wir werden besprechen, wie in diese Richtung der Bioreaktor helfen kann.

Bezüglich der Beurteilung der Rolle vom Durchrühren sind 2 extreme Meinungen ziemlich verbreitet:

• Die Mikrobiologen sagen oft: "Welche wesentliche Bedeutung denn die Durchrührung haben kann? Wenn der Partialdruck des aufgelösten Sauerstoffs (Ach, was für eine lange Erklärung, sie ist aber notwendig, damit es korrekt wäre) pO₂ zu wenig gezeigt wird, muß man etwas intensiver rühren. Und falls die Umdrehungen des Rührwerks so sind, daß wir den Schaum und andere Probleme nicht mehr bewältigen können, wird es einfach nicht vergrößert und wir finden uns damit ab, daß der pO₂ zu gering ist".
• In its turn,Auf der anderen Seite sagen die Fachleute der Vermischung ("mixing people"): "O, die Sache mit dem Durchrühren ist nicht so einfach! Erstens, wird bei der Auswahl eines falschen Rühr- und Belüftungsmodus der Massenaustausch bei derselben Eingangsleistung wesentlich vermindert. Zweitens, führt eine falsche Auswahl des Rührsystems schon bei einer relativ geringen Eingangsleistung (die Fachleute der Vermischung pflegen im Unterschied von den Mikrobiologen für die Charakterisierung der Vermischung sagen üblich nicht "die Umdrehungen des Rührwerks", sondern "die Eingangsleistung des Rührwerks") zu irreversiblen mechanischen Beschädigungen der empfindlichen Mikroorganismen (d.i., der mizellaren Pilzen, noch mehr empfindliche werden hier nicht besprochen) führen. Dritten, kann eine sinnlose Erhöhung des Luftverbrauchs sogar zur Verschlimmerung des Massenaustausches verursachen". Und es gibt noch mindestens 6 Argumente dafür, wie bedeutungsvoll das Durchrühren bei der Kultivierung von Mikroorganismen ist.

Wie ist es aber in der Wirklichkeit?

Um das zu klären, werden wir zuerst die Ergebnisse des Rührprozesses aufführen:

• Dispergierung von Luftblasen;
• Massenübertragung von den Luftblasen (d.h., die Sauerstoffzufuhr) in die Flüssigkeit und danach in die Zellen;
• Zufuhr der Bestandteile des Nährbodens zu den Zellen (richtiger gesagt, zu den Agglomeraten der Zellen);
• Beseitigung des Sedimentierens;
• Sicherstellung des Wärmeaustausches;
• Auflösung der schwer löslichen Komponenten des Nährbodens.

Das folgende Zeichnung wiederspiegelt Massübergang in der Prozeâ von Kultivierung der Mikroorganismen:

Wie schon im Kapitel "Aufbau des Laborbioreaktors", erwähnt wurde, sind die meistens angewandten die Rührwerke des Typs der Ruschton - Turbine. Diese gewährleisten bei einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit des Rührwerks die größte Eingangsleistung. Es ist von der Hinsicht der Auswahl des Rührmodus praktisch. Weiter wird gezeigt, daß es doch Fermentationen gibt, wofür die Standardturbine nicht mehr die beste Lösung ist. Natürlich, gibt es Fermentationen, wo die Rolle der Vermischung ziemlich trivial ist. Allerdings ist es auch in solchen Fällen empfehlenswert, einige Gesetzmäßigkeiten der Vermischung / der Belüftung zu berücksichtigen:

1. Mindest- und Höchstgrenze der Rotation des Rührwerks.

   Unabhängig von der Anzeige des pO₂ (bzw. anderen alternativen Parametern des Wachstums oder der Atmung) wird nicht empfohlen, die Rotationsgeschwindigkeit des Rührwerks geringer als die empirisch bestimmte kritische Grenze nmin zu wählen. Diese Grenze nmin wird so gewählt, damit folgende Erscheinungen ausgeschlossen würden:

   • Sedimentieren;
   • "tote" Bereiche.

   Andererseits wird die Auswahl der kritischen Grenze der maximalen Rotationsgeschwindigkeit des Rührwerks nmax durch folgende Forderungen bestimmt:

   • Schaumbildung;
   • Fluktuationen der Flüssigkeitsoberfläche, d.i., "Wellenbildung" , und dadurch auch die Verdämpfung der Flüssigkeit.
2. Verhältnis der Vermischung / der Belüftung.

   Bei der Auswahl der Intensitätswerte der Vermischung / der Belüftung und ihrer gegenseitigen relativen Verhältnisse muß folgendes berücksichtigt werden:

   • Zur Erhöhung der Intensität der Übertragung vom Sauerstoff und von anderen Komponenten empfehlen wir zuerst mit der Vergrößerung der Rotationsgeschwindigkeit des Rührwerks anzufangen und nur bei der Annäherung zu n ? nmax die zur Belüftung notwendige Luftmenge Q allmählich zu vergrößern. Davor wird der Wert Q so gewählt, um eine stabile Belüftung sicherzustellen. Üblich ist es 1 vvm (vvm - das Verhältnis der zugeführten Luftmenge zum Arbeitsvolumen des Bioreaktors). Das bedeutet, daß wenn wir den Luftverbrauch l/min definieren, wird die zugeführte Luftmenge mit dem Arbeitsvolumen des Bioreaktors gleich sein.
   • Bei relativ niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten des Rührwerks muß man aufmerksam sein, damit die zugeführte Luftmenge nicht soweit vergrößert würde, daß das Effekt "flooding" beginnt. Worum es sich beim Effekt "flooding" handelt und wie der Übergang daran vom Zustand "loading" geschieht, läßt sich am besten mit Hilfe der folgenden Abbildungen erklären:

   Wie man sehen kann, konzentrieren sich die Luftblasen beim Eintritt des Modus "flooding" nur im Mittelteil des Reaktors und sind schlecht dispergiert. Deshalb ist ein solcher Zustand der Vermischung / der Belüftung für das Wachstum von Mikroorganismen sehr ungünstig.

   Es muß darauf hingewiesen werden, daß der Übergang vom Zustand "loading" zu "flooding" den Charakter der Hysterese hat. Das bedeutet, daß bei der Herabsetzung der zugeführten Luftmenge Q, das Effekt "flooding" bei einem geringerem Luftverbrauch verschwinden wird, als es angefangen hat.

   In der Fortsetzung der Beschreibung dieser Problematik muß erwähnt werden, daß bei der Entstehung des Effekts "flooding" , die standardmäßige Ruschton - Turbine nicht mehr die annehmbarste Lösung des Rührwerks ist. In solchen Fällen sind am geeignetsten die Rührsysteme Chemineer CD-6 bzw. BT-6, sowohl AB 6SRGT (wird auch als Rührwerk von Smith bezeichnet). Durch die Konstruktion solcher Rührwerke wird ein intensiver Einzug der Luftblasen in radiale Richtung auch bei niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten des Rührwerks sichergestellt. Im Ergebnis bleibt für die Luftblasen nichts anderes übrig, als sich der Dispergierung unterwerfen zu lassen. Mit Hilfe von solchen Rührwerken gelingt es, die Luftmenge Q, bei der das Effekt "flooding" eintritt, wesentlich zu vergrößern.

3. Kultivierung von mechanisch empfindlichen Mikroorganismen

   (grundsätzlich wird hier von der Kultivierung der mizellaren Organismen gesprochen, weil das Rühren von noch mehr empfindlichen Zellenkulturen andere Hinsichten hat, d.h., sogar bei einem minimalen turbulenten Betrieb ist das Rühren solcher Kulturen nicht zulässig).

   Bei der Vermischung der Organismen der mizellaren Pilze mit der standardmäßigen Ruschton - Turbine vergrößert sich der Massenaustausch während der Prozesses der Kultivierung nur bis zu einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit des Rührwerks, und bei der weiteren Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit des Rührwerks werden die Merkmale des Massenaustausches immer schlechter. Der Grund für eine solche Erscheinung liegt in der irreversiblen mechanischen Beschädigung der Zellen. Diese kritische Rotation des Rührwerks ist, natürlich, nicht streng fixiert und hängt von mehreren Faktoren ab:

   • von der Art des Stammes der Mikroorganismen;
   • von der Zusammensetzung des Nährbodens;
   • vom Modus der Belüftung;
   • von der Menge der zugewachsenen Biomasse (bei einer größeren Biomasse wird diese kritische Rotationsgeschwindigkeit gewöhnlich geringer, weil im solchen Fall ist es für die mizellaren Mikroorganismen schwieriger, aus dem lokal intensiven Rührbereich "zu entfliehen");
   • und von anderen Faktoren, wodurch die reologischen Eigenschaften des Mediums und der Zellenzustand bestimmt werden.

   Eine der meistens verbreiteten mizellaren Kulturen ist Ekato Intermig. IM diesen Fall besteht das Rührwerk aus zwei Rührwerken, d.i., aus dem unteren und aus dem oberen. Bei einer solchen Kombination werden im Rührwerk die axialen Strömungen generiert, und die radiale Endkonstruktion des Rührwerkes gewährleistet eine ausreichende radiale Vermischung. Dadurch wird eine gleichmäßigere Verteilung der Eingangsenergie der Rührwerke im Volumen des Reaktors gewährleistet, und im Ergebnis werden die maximalen Scherkräfte geringer.

Eine andere konstruktivere Lösung für das Rühren der mizellaren Kulturen ist das sogenannte "Rührsystem des Gegenstroms". Im diesen Rührsystem generiert das untere Rührwerk den Axialstrom aufwärts, aber das obere Rührwerk - den nach unten gerichteten Strom. Durch die Flügelform des Rührwerks wird eine ausreichende Verdrehung des Stromes gefördert, d.h., im Ergebnis der tangentialen Komponenten stellt das in Betracht kommende Rührsystem sowohl eine gleichmäßige Verteilung der zugeführten mechanischen Energie (d.h., geringe Scherspannungen), als auch eine ausreichende Stufe der Dispergierung sicher.