Implementierung. Mikroorganismen Construction and operation of a gas-lift bioreactor for cultivating thermophilic microorganisms

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1 07 Konstruktion und Implementierung eines Gas-Lift-Biore AKtors zur KultIvierung thermophiler Mikroorganismen Construction and operation of a gas-lift bioreactor for cultivating thermophilic microorganisms TEXT: M. Sc. Kornelius Schweinfurth 1, Dr. Renate Schulze 2, Otto Fuchs 2, Dr. Guido Meurer 2, DR. Christian Naumer 2 Illustration: Bettina Schreiner Im Rahmen einer Masterarbeit bei BRAIN konstruierte M. Sc. Kornelius Schweinfurth von der RWTH Aachen einen Gas-Lift-Bioreaktor zur Kultivierung eines thermophilen, Kohlenstoffdioxid-fixierenden Mikroorganismus im Labormaßstab. As part of a master s thesis, Kornelius Schweinfurth (M. Sc.) from RWTH Aachen University constructed a gaslift bioreactor at BRAIN to cultivate a thermophilic, carbon-dioxide-fixing microorganism on a laboratory scale. 1 RWTH Aachen 2 BRAIN AG

2 BRAIN spezial: Konstruktion eines Gas-Lift-Bioreaktors BRAIN special: Construction of a gas-lift bioreactor 09 Verstrebung Struts Gas-Flüssigkeits-Separator (Kopf) Gas-liquid separator (headspace) Innenleitrohr Draft tube Deckel Cover Strömungsstörer Baffle Aluminiumring Aluminium ring Temperiermantel Heating/cooling jacket Verstrebung Struts Nachfolgend sind redaktionell gekürzte und bearbeitete Auszüge aus der Masterarbeit von M. Sc. Kornelius Schweinfurth zu lesen. Die Arbeit entstand zwischen Juli 2012 und Dezember 2012 in Kooperation der RWTH Aachen und BRAIN. Sie wurde betreut von Dr. Renate Schulze und Dr. Christian Naumer. Die praktischen Arbeitsanteile wurden mit der Unterstützung von Werkstattmeister Otto Fuchs realisiert. Ziel der Masterarbeit waren die Konstruktion, der Bau und die Inbetriebnahme eines Gas-Lift-Bioreaktors zur Kultivierung eines thermophilen, Kohlenstoffdioxid-fixierenden Mikroorganismus im technischen Labormaßstab. Below are some edited and abridged excerpts from Zusammenfassung Neben vielen verschiedenen Bioreaktor-Typen nimmt der Gas-Lift-Bioreaktor eine Sonderstellung ein. Bei diesem pneumatisch betriebenen Bioreaktor kann auf bewegliche und mechanische sowie hydraulisch betriebene Bauteile gänzlich verzichtet werden. Der Leistungseintrag erfolgt ausschließlich über die Begasung bzw. den Vordruck und die kinetische Energie des zugeleiteten Gases. Die pro Zeit abgegebene Expansionsarbeit des komprimierten Gases entspricht der eingetragenen Leistung. [1] In der Masterarbeit wurde ein solcher Gas-Lift- Bioreaktor mit Innenleitrohr geplant, gebaut und schließlich zur Kultivierung thermophiler Mikroorganismen im Labormaßstab angewendet. Gas-Lift-Bioreaktoren Grundsätzlich kann zwischen drei verschiedenen Bioreaktor-Typen unterschieden werden: Neben mechanisch betriebenen Bioreaktoren (Rührwerks-Bioreaktoren) und hydraulisch betriebenen Reaktoren (z. B. Wirbelschicht- und Rohr-Bioreaktoren) nimmt der pneumatisch betriebene Gas-Lift- Bioreaktor eine Sonderstellung ein. Dieser Bioreaktor-Typ ist eine Weiterentwicklung des Blasensäulen-Bioreaktors und verfügt über spezielle statische Einbauten, die im Vergleich zur Blasensäule beispielsweise Suspendierfähigkeit sowie Wärme- und Stofftransportleistung erhöhen. M. Sc. Kornelius Schweinfurth s master s thesis, which was written between July and December 2012 in cooperation between RWTH Aachen University and BRAIN. The thesis was mentored by Dr Renate Schulze and Dr Christian Naumer. The practical work was performed with support from workshop manager Otto Fuchs. The aim of the master s thesis was to develop, build and operate a gas-lift bioreactor to cultivate a thermophilic, carbon dioxide-fixing microorganism on a technical laboratory scale. Summary The gas-lift bioreactor is a special kind of bioreactor. It is pneumatically operated and has no need for moving, mechanical or hydraulic components. It derives its power exclusively from gas input/admission pressure and the kinetic energy of the input gas. The expansion of the compressed gas per unit time corresponds to the power input. [1] In the master s thesis, a gas-lift bioreactor of this type with a draft tube was planned, built and finally used to cultivate thermophilic microorganisms on a laboratory scale. Gas-lift bioreactors There are basically three types of bioreactor: mechanically operated (stirred-tank bioreactors), hydraulically operated reactors (e. g. fluidised bed and tubular bioreactors) and pneumatically operated gas-lift bioreactors, which are a special category. This is a further development of the bubble column bioreactor and has special static components, which increase suspensibility, heat transfer and mass transfer. Was ist ein Gas-Lift-Bioreaktor? Boden Base Begasungsorgan Sparger Ein Bioreaktor, häufig auch als Fermenter bezeichnet, ist ein Behälter, in dem Mikroorganismen, Zellen oder kleine Pflanzen unter möglichst optimalen Bedingungen kultiviert (auch: fermentiert) werden. Der Betrieb eines Bioreaktors ist somit eine Anwendung, die biologische Prozesse wie z. B. Biokonversion oder Biokatalyse in technischen Einrichtungen nutzbar macht. Zweck kann die Gewinnung der Zellen, von Bestandteilen der Zellen oder von Stoffwechselprodukten sein. Diese können z. B. als Wirkstoff in der pharmazeutischen oder als Grundchemikalie in der chemischen Industrie verwendet werden. Auch der Abbau chemischer Verbindungen kann in Bioreaktoren stattfinden, wie z. B. bei der Abwasserreinigung in Kläranlagen. Die Herstellung von Bier und Wein findet ebenfalls in Bioreaktoren statt. In Bioreaktoren werden Organismen für verschiedene Zwecke kultiviert. Daher stehen mehrere Reaktorvarianten zur Verfügung. Typisch sind Rührkesselreaktoren aus Metall. Aber auch Varianten wie z. B. Festbettreaktoren, Photobioreaktoren oder Gas-Lift-Bioreaktoren werden verwendet. Gas-Lift-Bioreaktoren, die bei Verwendung von Luft als eingetragenem Gas auch Airlift-Fermenter genannt werden, sind turmförmige Bioreaktoren, in denen zumeist aerobe biotechnologische Reaktionen unter optimierten Bedingungen ablaufen. Im Gegensatz zu anderen Bioreaktortypen haben Gas-Lift- Bioreaktoren keine mechanischen Rührwerke. Die Umwälzung des Gesamtvolumens erfolgt durch kontrollierten Gaseintrag innerhalb einer konstruktiv festgelegten Schlaufe. Hierbei wird das Gas am Behälterboden in ein vertikales Innenleitrohr eingetragen und über dieses nach oben befördert. Während das Gas am Kopfende des Reaktors entweicht, erfolgt eine Rückströmung der gaslosen Flüssigkeit über den äußeren Ringraum zum Reaktorboden. So entsteht eine kontinuierliche Strömung, die durch den Auftrieb der Gasblasen im Innenleitrohr erzeugt wird. Standfuß Floor stand Die einfachere Konstruktion eines Gas-Lift-Bioreaktors gegenüber einem Rührkesselbioreaktor erlaubt einen kostengünstigeren und weniger störanfälligen Betrieb. Weiterhin ist eine Maßstabsvergrößerung (scale up) leichter umsetzbar. What is a gas-lift bioreactor? A bioreactor, frequently also called a fermenter, is a container in which microorganisms, cells or small plants are cultivated (or fermented) under the best possible conditions. Bioreactors are therefore used to enable biological processes such as bioconversion or biocatalysis to be carried out at technical facilities. Their purpose may be to obtain cells, cell constituents or metabolic products. These may be used, for example, as active ingredients in the pharmaceutical industry, or as basic chemicals in the chemical industry. Chemical compounds may also be broken down in bioreactors, e.g. for treating wastewater in sewage plants. Beer and wine are also produced in bioreactors. Organisms are cultivated in bioreactors for various purposes. That is why several variants are available. Stirred-tank reactors made of metal are the typical variety, but others are also used, such as solid-bed reactors, photobioreactors or gas-lift bioreactors. Gas-lift bioreactors, also known as air-lift fermenters when air is the influent gas, are tower-shaped bioreactors in which aerobic biotechnological reactions usually take place under optimised conditions. In contrast to other types of bioreactor, gas-lift bioreactors have no mechanical stirrers. The entire material mass is circulated by means of controlled gas input inside a fixed loop. Gas is fed into a vertical draft tube at the base of the container and conveyed to the top. While the gas escapes at the top of the reactor, the gas-free liquid flows back via the outer space to the base of the reactor. This produces a continuous stream that is caused by gas bubbles rising in the draft tube. The simpler design of a gas-lift bioreactor as compared with a stirred-tank bioreactor enables less expensive operation and requires less maintenance. It also makes for easier scale-up.

3 11 In Gas-Lift-Bioreaktoren wird das Strömungsverhalten des Mediums hauptsächlich durch die Bauart des Bioreaktors bestimmt. Gas-Lift-Bioreaktoren weisen zwei Bereiche mit unterschiedlichem Strömungsverhalten auf. Im sogenannten Riser kommt es zu einer Aufwärtsströmung des Mediums und im Downcomer zu einer Abwärtströmung. Beide Bauteile sind oben und unten miteinander verknüpft, sodass eine Zirkulationsströmung auftritt. Das Begasungsorgan befindet sich unterhalb des Risers im Bodenbereich. Je nachdem wie der Kopfbereich (Gas-Flüssigkeits-Separator) des Gas-Lift-Bioreaktors ausgelegt ist, wird verstärkt oder vermindert Gas aus der Flüssigkeitsphase abgereichert. In Abbildung 1 ist der grundlegende In gas-lift bioreactors, the flow behaviour of the medium is mainly determined by the reactor configuration. Gas- Aufbau eines Gas-Lift-Bioreaktors dargestellt. Es wird zwischen drei verschiedenen Bauarten lift bioreactors have two areas with different flow behaviour. von Gas-Lift-Bioreaktoren unterschieden. Neben Gas- The medium flows upwards in the so-called riser and downwards in the downcomer. Both channels are linked at the Lift-Bioreaktoren, bei denen Riser und Downcomer mittels einer Trennwand voneinander getrennt sind, top and bottom, which creates cyclic flow. The gas sparger und Reaktoren, bei denen der Downcomer über eine is located in the base below the riser. Depending on the design of the reactor s headspace (gas-liquid separator), more externe Außenschlaufe realisiert ist, ist der Gas-Lift- Bioreaktor mit einem Innenleitrohr (Riser) die einfachste und eine häufig realisierte Ausführung. [2] Alle basic design of a gas-lift bioreactor. or less gas is stripped from the liquid phase. Fig. 1 shows the drei Bauarten sind in Abbildung 2 dargestellt. Gas-lift reactors are divided into three types. Besides Um zu verstehen, wie es in Gas-Lift-Bioreaktoren those in which the riser and downcomer are separated by a überhaupt zu einer Zirkulationsströmung kommen baffle (split-cylinder reactors), and ones in which the downcomer takes the form of an external loop, the type with an kann, betrachtet man zwei zunächst voneinander unabhängige Flüssigkeitssäulen. Die eine Säule entspricht der begasten Flüssigkeit im Riser. Da es im countered variant. [2] All three types are shown in Fig. 2. internal loop (riser) is the simplest and most frequently en- Gas-Flüssigkeits-Separator zu einer Gasabreicherung To understand how cyclic flow is produced in a gas-lift bioreactor, one looks at the two initially separate liquid columns. kommt, hat das Medium im Downcomer einen geringeren Gasgehalt und somit eine höhere Dichte. One of them corresponds to the gasified liquid in the riser. Beide Säulen sind miteinander verbunden und es Since the gas disengages in the gas-liquid separator, the medium in the downcomer has lower gas holdup and thus a higher kommt infolge des Dichteausgleichs zu einer kontinuierlichen Zirkulationsströmung (siehe Abbildung density. Both columns are connected with each other, and the 3). Je höher der Dichteunterschied der beiden Säulen compensation in density creates a continuous cyclic flow (see und je größer ihr Höhenunterschied ist, desto höher Fig. 3). The greater the difference in density between the two ist die Umwälzgeschwindigkeit. [1] columns, and the greater the difference in height between the Die durch die verschiedenen Gasgehalte (φ) in two columns, the greater the circulation rate. [1] Riser und Downcomer resultierende Druckdifferenz The difference in pressure at the bottom of the gas-lift am Boden des Gas-Lift-Bioreaktors kann durch folgende Formel ausgedrückt werden. [3] downcomer can be expressed by the following formula. [3] bioreactor due to the different gas holdup (φ) in the riser and (1) (1) Diese Druckdifferenz treibt das Medium im Bodenbereich des Bioreaktors von Downcomer zu Riser tom of the bioreactor from the downcomer to the riser and This difference in pressure drives the medium at the bot- und ermöglicht die Zirkulationsströmung. Da der Gasgehalt im Riser bzw. Downcomer ein Durchschnittscomer are both average values that are integrated along the enables cyclic flow. Since the gas holdups in the riser or downwert ist, der über die Reaktorhöhe integriert wird, height of the reactor, it follows that there are hardly any focal points of energy dissipation in the gas-lift bioreactor. The folgt, dass es kaum zu fokaler Energiedissipation im Gas-Lift-Bioreaktor kommt. Somit sind Scherkräfte homogen über den Reaktor verteilt. Die höchste Scher- the reactor. The greatest shear load occurs at the 180 bend shear forces are therefore homogeneously distributed across belastung tritt bei der 180 -Wendung zwischen Riser between the riser and the downcomer. [3] Owing to this property, gas-lift bioreactors are particularly suitable for cultivating und Downcomer auf. [3] Aufgrund dieser Eigenschaft sind Gas-Lift-Bioreaktoren besonders für die Kultivierung scherempfindlicher Zellkulturen, Pflanzenzellen Fluctuations in velocity in the riser and downcomer due shear-sensitive cell cultures, plant cells and microorganisms. [4] und Mikroorganismen geeignet. [4] to churn-turbulent flow are also evenly distributed. [5] It can Gas-Flüssigkeits- Separator Gas-liquid separator Abwärtsströmung Downcomer Abluft Offgas Zuluft Influent air Innenleitrohr Draft tube Aufwärtsströmung Riser Bodenbereich Base Abb. 1 Fig. 1 Aufbau eines Gas-Lift-Bioreaktors mit Innenleitrohr Design of a gas-lift bioreactor with draft tube Des Weiteren sind durch Strömungsturbulenz hervorgerufene Geschwindigkeitsfluktuationen in Riser und Downcomer weitestgehend homogen verteilt. [5] Es ist daher anzunehmen, dass die homogene Verteilung der Scherkräfte in Gas-Lift-Bioreaktoren der Hauptgrund für den Erfolg der Kultivierung vieler scherempfindlicher Zellkulturen und Mikroorganismen ist. [6, 7] Ein weiterer Vorteil von Gas-Lift-Bioreaktoren therefore be presumed that the homogeneous distribution ist der technisch relativ einfache Aufbau. Es kann of shear forces in gas-lift bioreactors is the main reason for gänzlich auf alle beweglichen Teile wie Rührwerke their successful cultivation of many shear-sensitive cell cultures and microorganisms. le und anfällige Dichtungstechnik verzichtet werden. und damit verbundene steriltechnisch anspruchsvol- [6, 7] Another advantage of gas-lift bioreactors is their relatively simple configuration. There is no need for any moving tationen von Zellkulturen und Pflanzenzellen, bei Diese Eigenschaft ist besonders bei Langzeitfermen- parts such as stirrers, nor for the related sealing technology denen ein hohes Kontaminationsrisiko vorliegt, entscheidend. [3] that is required to ensure sterility and is both demanding and high-maintenance. This is crucial particularly for the longterm fermentation of cell cultures and plant cells that involve abgegebene Expansionsarbeit der eingetragenen In Gas-Lift-Bioreaktoren entspricht die pro Zeit a high risk of contamination. [3] Leistung. Unter der Annahme, dass das Gas aufgrund In gas-lift bioreactors, the expansion per unit time corresponds to the power input. Assuming that the gas spontator spontan die Mediumstemperatur annimmt, liegt der großen Oberfläche bei Eintreten in den Bioreakneously assumes the temperature of the medium due to its eine isotherme Expansion vor, deren Leistung wie large surface area when entering the bioreactor, expansion folgt berechnet werden kann: [1] is isothermal, and can be calculated as follows: [1] Kinetic energy is also introduced by the influent gas. [8] On condition that the gas flow rate in the empty tube cor- Abb. 2 Fig. 2 Verschiedene Bauarten von Gas-Lift-Bioreaktoren: [3] Gas-Lift-Bioreaktor mit durch eine Trennwand getrenntem Riser und Downcomer (1); Gas-Lift-Bioreaktor mit Innenleitrohr (2); Gas-Lift-Bioreaktor mit Außenschleife für den Downcomer (3). Various types of gas-lift bioreactors: [3] gas-lift bioreactor with a riser and downcomer that are separated by a baffle (1); internal-loop gas-lift bioreactor (2); gas-lift bioreactor with an external downcomer loop (3). (2) (1) Gas output Gas input (2) (3) Des Weiteren erfolgt auch ein kinetischer Energieeintrag über das zugeführte Gas. [8] Unter der Voraussetzung, dass die Gasleerrohrgeschwindigkeit Niveauausgleich Level compensation Dichteausgleich Density compensation Abb. 3 Fig. 3 Mammutpumpprinzip: Aufgrund des Dichteund Niveauunterschieds zwischen begaster (1) und unbegaster (2) Flüssigkeitssäule kommt es bei ständiger Begasung zu einer kontinuierlichen Zirkulationsströmung zwischen den miteinander verbundenen Riser (1) und Downcomer (2). Mammoth pump principle: owing to the difference in density and fill level of gasified (1) and non-gasified (2) liquid columns, constant gas input creates continuous cyclic flow between the connected riser (1) and downcomer (2). (2) Δh 1 2 h 1 > h 2 V 1 = V 2 ρ 1 < ρ 2 Δρ

4 BRAIN spezial: Konstruktion eines Gas-Lift-Bioreaktors BRAIN special: Construction of a gas-lift bioreactor näherungsweise der Gasaustrittsgeschwindigkeit entspricht, kann der kinetische Leistungseintrag berechnet werden: [1] (3) responds approximately to the effluent gas flow rate, the kinetic energy input can be calculated as follows: [1] Aufgrund der geringen Dichte eines Gases wird der kinetische Leistungseintrag in der Regel als ver (3) nachlässigbar klein erachtet und somit nicht berücksichtigt. [1,14] Owing to the low density of a gas, the kinetic energy Zusammenfassend kann der gesamte Leistungs- input is usually considered to be negligible. [1,14] eintrag (isotherme Expansionsarbeit mit kinetischem Summing up, the overall power input (isothermal exenergieeintrag) auch durch folgende Formel ausge- pansion with kinetic energy input) can also be expressed by drückt werden: [8] the following formula: [8] Das Verhältnis der Gaseintrittsgeschwindigkeit in einen Gas-Lift-Bioreaktor zur anfänglichen, viel höheren Gasgeschwindigkeit im Begasungsorgan wird mit dem Faktor η beschreiben. Dieser Effizienzfaktor hat gewöhnlich einen Wert von 0,06 und ist ursächlich dafür, dass der kinetische Anteil des Leistungseintrags in Gas-Lift-Bioreaktoren oft vernachlässigt werden kann. [9] Grundsätzlich kann man bei der Planung, Auslegung und beim Betrieb eines Gas-Lift-Bioreaktors zwischen Betriebsparametern und Konstruktionsparametern unterscheiden, die sich auf zu beobachtende hydrodynamische Parameter auswirken oder von diesen beeinflusst werden. [10] Diese Parameter und deren Einflüsse sind in Abbildung 4 dargestellt. Konstruktionsparameter sind Reaktorhöhe, das Verhältnis der Querschnittsfläche von Downcomer zu Riser, das geometrische Design des GasFlüssigkeits-Separators und die Höhe der unteren Aussparung, die Riser und Downcomer verbindet. [11] Diese Aussparung ist proportional zur freien Fläche, die durchströmt werden kann, und stellt somit den Strömungswiderstand in diesem Bereich dar. Die Betriebsparameter sind hauptsächlich die Begasungsrate und, jedoch zu einem geringeren Ausmaß, die Füllstandshöhe (im nicht begasten Zustand) über dem Riser. Diese beiden unabhängigen Betriebsparameter bestimmen hauptsächlich die Fluidgeschwindigkeit in Gas-Lift-Bioreaktoren unter Einfluss des Gasgehalts und der damit einhergehenden Druckdifferenz zwischen Riser und Downcomer. Die Viskosität ist in Abbildung 4 nicht als unabhängiger Parameter aufgeführt, da sich die rheologischen Eigenschaften des Mediums während des Fermentationsprozesses ändern. [3] (4) Von den ersten Ideenskizzen über die maßgenauen technischen Zeichnungen The ratio of the influent gas flow rate in a gas-lift biore- bis zum funktionsfähigen Fermenter actor to the initial, much higher gas flow rate in the sparger ist es ein langer Weg. It s a long is described by the factor η. This efficiency factor is usually road from the first sketches on paper 0.06 and is the reason why the kinetic portion of the power to accurate scale drawings by the input in gas-lift bioreactors can often be ignored. [9] draftsman, and on to a functioning A basic distinction can be made when planning, de- fermenter. signing and operating a gas-lift bioreactor between the operating variables and design variables that have an effect on the observable hydrodynamic variables, or are influenced by these. [10] These parameters and their influences are shown in Fig. 4. The design variables are the reactor height, the riserto-downcomer cross-sectional area ratio, the geometrical design of the gas-liquid separator and the bottom clearance that connects the riser to the downcomer. [11] This clearance is proportional to the free area for flow in the bottom, and therefore represents the resistance to flow in this part of the reactor. The main operating variables are the gas input rate and, to a lesser extent, the top clearance (distance between the upper part of the draft tube and the surface of the nongasified liquid). These two independent variables set the conditions that determine the liquid velocity in gas-lift bioreactors via the influence of the gas holdup and of the related pressure drops between the riser and the downcomer. Viscosity is not shown as an independent variable in Fig. 4 because the rheological properties of the medium change in the course of the fermentation process. [3] The ratio between the cross-sectional area of the riser and downcomer (see formula 5) has a strong influence on gas holdup in the respective sections of the gas-lift bioreactor and can be set in the range from 0.1 to 0.9. [11] (5) The choice of R value is of crucial importance for designing a gas-lift bioreactor because the relative gas holdups in the riser and downcomer change sharply as a function of BLICKWINKEL KONSTRUKTION construction Bilder: Kornelius Schweinfurth (4) 13

5 15 Operation variables Gas input Top clearance Riser holdup Separator holdup Das Verhältnis der Querschnittsfläche von Downcomer zu Riser (siehe Formel 5) hat starken Einfluss auf den Gasgehalt in den jeweiligen Regionen des Gas-Lift-Bioreaktors und kann im Bereich von 0,1 bis 0,9 gewählt werden. [11] Top pressure drop Liquid velocity Viscosity Downcomer holdup Abb. 4 Fig. 4 Darstellung der Betriebs- und Konstruktionsparamater von Gas-Lift-Bioreaktoren und ihres Einflusses auf hydrodynamische Eigenschaften [3] Operating and design variables of gas-lift bioreactors and their influence on hydrodynamic properties [3] (5) Die Wahl des R-Werts hat entscheidende Bedeutung beim Design eines Gas-Lift-Bioreaktors, da sich mit variierendem Verhältnis der Querschnittsflächen die relativen Gasgehalte in Riser und Downcomer stark ändern. Bei gleicher Gasgeschwindigkeit und bei hohem R-Wert sinkt der relative Gasgehalt im Riser, der Gasgehalt im Downcomer jedoch steigt. Bei einem R-Wert von ca. 0,5 sind die relativen Gasgehalte in Riser und Downcomer halbmaximal, weshalb ein solches Verhältnis häufig bei der Auslegung von Gas-Lift-Bioreaktoren gewählt wird. [11] Friction pressure drop Bottom pressure drop Design variables Area ratio Reactor hight Bottom clearance Separator design Die Höhe der unteren Aussparung zwischen Boden und Innenleitrohr ist für die Fluidgeschwindigkeit bzw. die Zirkulationsgeschwindigkeit von entthe varying riser-to-downcomer cross-sectional area ratio. At the same gas flow rate and at a high R value, the relative gas holdup in the riser drops, whereas it increases in the downcomer. At an R value of approx. 0.5, the relative gas holdups in the riser and downcomer reach half their maximum, which is why a ratio of this kind is frequently chosen when designing gas-lift bioreactors. [11] The bottom clearance between the base and the draft tube is of crucial importance for the liquid flow rate or the circulation rate. As mentioned above, this clearance is proportional to the free area for flow of the medium, and creates resistance to flow. If the clearance is reduced, the flow rate drops and the gas holdup is sharply reduced, due to a longer residence time in the gas-liquid separator and thus a greater probability of gas disengagement. [11] To keep the liquid flow rate high and minimise the resistance to flow at the base of the gas-lift bioreactor, the clearance between the scheidender Bedeutung. Wie bereits erwähnt ist diese Aussparung proportional zur freien Fläche, die vom Medium durchströmt werden kann, und stellt einen Strömungswiderstand dar. Wird diese Aussparung verringert, sinkt die Fluidgeschwindigkeit und der Gasgehalt nimmt, aufgrund längerer Verweilzeit im Gas- Flüssigkeits-Separator und somit höherer Gas-Abreicherungs-Wahrscheinlichkeit, stark ab. [11] Um die Fluidgeschwindigkeit hoch zu halten und den Strömungswiderstand im Bodenbereich des Gas-Lift-Bioreaktors zu minimieren, sollte der Abstand zwischen Boden und Innenleitrohr mindestens dem Abstand von Riser zu Downcomer entsprechen. Wird der Abstand allerdings zu hoch gewählt, kann es im Bodenbereich base and the draft tube should be at least the same as that between the riser and the downcomer. If the gap is too big, zu unerwünschter Strömungsstagnation kommen. flow may stagnate at the base, which is undesirable. Der Gas-Flüssigkeits-Separator eines Gas-Lift-Bio- The gas-liquid separator of a gas-lift bioreactor has a reaktors beeinflusst im großen Maße die Gas-Abreicherung. [3] Um eine ausreichende Gas-Abreicherung strong influence on gas disengagement. [3] In order to ensure adequate gas disengagement, the reactor cross-section is zu gewährleisten, wird in diesem Bauteil oft der Reaktorquerschnitt vergrößert. Hierdurch kommt es zu often enlarged in this part. This lengthens the residence time of the gasified medium in the upper section of the reactor einer längeren Verweilzeit des begasten Mediums im and causes more gas to be released. [12] Fig. 5 shows various oberen Bereich des Reaktors und somit zu erhöhter designs for a gas-liquid separator. Owing to the special design of external-loop gas-lift bioreactors, this type of reacsigkeits-separators sind in Abbildung 5 dargestellt. Gasfreisetzung. [12] Verschiedene Designs des Gas-Flüstor is especially suitable for processes in which particularly Aufgrund der speziellen Bauweise von Gas-Lifthigh gas disengagement is required. In this type of gas-lift Bioreaktoren mit Außenschleife eignet sich dieser bioreactor, the space between the riser and the downcomer Reaktortyp besonders gut für Verfahren, bei denen can be increased, which prolongs the residence time in the eine besonders hohe Gasabreicherung erwünscht gas-liquid separator and enhances gas disengagement. The ist. Bei dieser Gas-Lift-Bioreaktor-Bauweise kann der residence time in the separator is also increased by installing Abstand zwischen Riser und Downcomer verlängert specific baffles (see Fig. 5). und somit die Verweilzeit im Gas-Flüssigkeits-Separator und die Gasabreicherung erhöht werden. Auch Gas-lift bioreactors can also be very slim (see formula 6), with a value of up to 10. The resulting high reactor surface-to-volume ratio encourages heat transfer. Further adsigkeits-separator wird die Verweilzeit im Separator durch bestimmte Strömungsumlenkung im Gas-Flüsvantages of this type of reactor are the excellent utilisation erhöht (siehe Abbildung 5). of the influent gas by the cultivated organism, the increase Gas-Lift-Bioreaktoren können zudem mit hohem Schlankheitsgrad ausgelegt werden (siehe For- in the possible power input and the high circulation rate this achieves, which have a positive effect on heat and mass mel 6), der einen Wert bis zu 10 betragen kann. Das transfer. In addition, the foam produced during cultivation daraus resultierende hohe Verhältnis von Reaktorcan be entrained in the downcomer. [1] Oberfläche zu Reaktor-Volumen begünstigt den Wärmeaustausch. Hohe Ausnutzung des zugeströmten Gases durch den kultivierten Organismus, Steige- (6) rung des möglichen Leistungseintrags und dadurch In gas-lift bioreactors, a distinction is made between bewirkte hohe Zirkulationsgeschwindigkeiten, die dynamic and static spargers. Static spargers include sintered sich positiv auf Wärme- und Stofftransport auswirken, sind weitere Vorteile dieses Bioreaktor-Typs. Zu- plates, ring perforated spargers or single-orifice spargers. Dynamic spargers include two-substance nozzles that disperse dem kann während der Kultivierung entstehender the gas by means of the kinetic energy of an influent liquid. [13] Schaum im Downcomer mitgerissen werden. [1] The selection of the suitable sparger depends on a number of factors. Ring perforated spargers or plates are inexpensive, (6) easy to install and operate. Sintered plates are somewhat more expensive because of the increased loss in pressure between the gasified side and the side that enters into contact mischen und statischen Begasungsorganen unter- Bei Gas-Lift-Bioreaktoren wird zwischen dyna- with the medium. They also tend to clog and present a higher schieden. Zu den statischen Begasungsorganen zählen Sinterplatten, perforierte Begasungsringe oder risk of contamination, which is a problem particularly for cell culture fermentation. Owing to their demanding design and Begasungsorgane mit nur einer einzigen Öffnung. the need for additional external liquid circulation, dynamic Dynamische Begasungsorgane sind zum Beispiel spargers are seldom used for operating gas-lift bioreactors. [8] Zweistoffdüsen, die das Gas mittels der kinetischen

6 17 (1) Gas separator configurations of internal-loop ALRs Energie einer zugeleiteten Flüssigkeit dispergieren. [13] Die Wahl des geeigneten Begasungsorgans hängt von vielen Faktoren ab. Perforierte Begasungsringe oder -platten sind günstig, einfach zu installieren und zu betreiben. Sinterplatten sind etwas kostenintensiver, da es zu einem erhöhten Druckverlust zwischen begaster und mediumsberührter Seite kommt. Des Weiteren neigen Sinterplatten zu Verstopfung und somit zu einem erhöhten Kontaminationsrisiko, was insbesondere bei Zellkultur-Fermentationen ein Problem darstellt. Dynamische Begasungsorgane werden aufgrund der anspruchsvollen Konstruktion und der Notwendigkeit einer zusätzlichen externen Flüssigkeitszirkulation selten beim Betrieb von Gas-Lift- Bioreaktoren eingesetzt. [8] Die Fluidgeschwindigkeit bzw. die Begasungsrate in Gas-Lift-Bioreaktoren ist einer der wichtigsten Parameter beim Betrieb dieses Bioreaktor-Typs. Sie hat Einfluss auf den Gasgehalt in Riser und Downcomer, Mischzeit, Verweilzeit des Gases in der Flüssigkeit und Stoff- sowie Wärmetransportkoeffizienten. Insbesondere hängt die Fluid- und Zirkulationsgeschwindigkeit vom Gaseintrag ab und steigt bei steigender Begasungsrate (siehe Abbildung 3 und 4). Allerdings wird bei erhöhtem Gaseintrag und daraus resultierender erhöhter Fluidgeschwindigkeit die Verweilzeit der Gasblasen im Riser verkürzt und es werden vermehrt Gasblasen in den Downcomer gezogen. Da so die hydrostatische Triebkraft zwischen Riser und Downcomer verringert wird, sinkt die Zirkulationsgeschwindigkeit. Die optimale Begasungsrate in Gas-Lift-Bioreaktoren muss also im Einzelfall [4, 14, 15] bestimmt werden. Ein weiterer wichtiger Betriebsparameter in Gas-Lift-Bioreaktoren ist die Füllstandshöhe. Der Flüssigkeitsstand über dem Riser und das Design des Gas-Flüssigkeits-Separators beeinflussen maßgeblich die Verschleppung von Gasblasen vom Riser in den Downcomer. Hierbei ist allerdings zwischen Gas- Lift-Bioreaktoren mit Innenleitrohr und solchen mit Außenschleife zu unterscheiden. Bei Gas-Lift-Bioreaktoren mit Innenleitrohr werden bei geringer Füllstandshöhe vermehrt Gasblasen in den Downcomer gezogen, wohingegen bei Gas-Lift-Bioreaktoren mit Außenschleife der umgekehrte Fall auftritt. Dies ist damit zu erklären, dass bei Gas-Lift-Bioreaktoren mit Außenschleife die Verweilzeit der Gasblasen im Gas- Flüssigkeit-Separator aufgrund der Wegstrecke zwischen Riser und Downcomer länger ist und deshalb die Wahrscheinlichkeit der Abreicherung bei niedrigem Füllstand steigt (siehe Abbildung 5). [4, 16] Im Riser ist die Geschwindigkeit des aufsteigenden Gases gewöhnlich höher als die der Flüssigkeit. Nur bei sehr kleinen Gasblasen ist die Auftriebskraft vernachlässigbar gering und beide Phasen strömen gleich schnell. Es wurden bisher viele verschiedene Strömungsarten beschrieben, jedoch sind nur zwei für Gas-Lift-Bioreaktoren interessant. [17, 18] Neben ei- Abb. 5 Fig. 5 (2) Gas separator configurations of external-loop ALRs Verschiedene Designs von Gas-Flüssigkeits-Separatoren: [3] Separatoren in Gas- Lift-Bioreaktoren mit Innenleitrohr und Trennwand (1); Separatoren in Gas-Lift- Bioreaktoren mit Außenschleife (2) Various designs for gas-liquid separators: [3] separators in internal-loop gas-lift bioreactors with baffle (1); separators in gas-lift bioreactors with an external loop (2) Inlet superficial gas velocity J G (m/s) Slug flow Column diameter, D (m) Abb. 6 Fig. 6 Darstellung möglicher Strömungszustände im Riser in Abhängigkeit von Säulendurchmesser und Strömungsgeschwindigkeit des Gases [3] Possible flow conditions in the riser as a function of column diameter and gas flow rate [3] The liquid flow rate or gas input rate in gas-lift bioreactors is one of the key parameters for operating this kind of bioreactor. It has an influence on the gas holdup in the riser and downcomer, the mixing time, the residence time of the gas in the liquid and the mass and heat transfer coefficients. The liquid flow rate and circulation rate in particular depend on gas input, and rise at an increasing gas input rate (see Figs. 3 and 4). However, with increased gas input and the resulting increase in liquid flow rate, the residence time of gas bubbles in the riser is reduced and more gas bubbles are drawn into the downcomer. Since this reduces the hydrostatic drive between the riser and the downcomer, there is a drop in circulation rate. The ideal gas input rate in gas-lift bioreactors must [4, 14, 15] therefore be determined from case to case. Another important operating variable in gas-lift bioreactors is the filling volume. The fill level above the riser and the design of the gas-liquid separator have a major influence on the entrainment of gas bubbles from the riser to the downcomer. A distinction must be made, however, between internal-loop gas-lift bioreactors and those with an external loop. In internal-loop gas-lift bioreactors, more gas bubbles are drawn into the downcomer at a low filling volume, whereas the opposite is true of gas-lift bioreactors with an external loop. This is because, in the latter type of reactor, the residence time of the gas bubbles in the gas-liquid separator is longer due to the distance from the riser to the downcomer. The likelihood of disengagement is therefore [4, 16] greater at a low fill level (see Fig. 5). Gas usually rises faster than the liquid in the riser. Only very small gas bubbles rise at a negligible speed and both phases flow at more or less the same rate. Many different types of flow have been described, but only two of them are of interest for gas-lift bioreactors. [17, 18] Besides straight bubble flow, in which the small bubbles have a relatively uniform diameter and turbulence is low, there may also be oscillating bubble flow with bubbles of different diameter. Oscillating bubble flow in the riser can be obtained by increasing the gas input rate. Another way to achieve such flow is to increase the riser diameter (see Fig. 6). In each case, plug flow must be avoided, because gas bubbles can then fill the entire cross-section of the riser and strongly impede mass transfer. [3] Gas-lift bioreactors are therefore suitable in particular for biological processes that require high mass transfer rates but simultaneously tolerate only low shear forces. Another crucial advantage is the low energy rener homogenen Blasenströmung, bei der kleine Blasen relativ einheitlich im Durchmesser sind und die Turbulenz gering ist, kann auch eine turbulente Blasenströmung mit Blasen unterschiedlichen Durchmessers vorliegen. Ein Zustand mit turbulenter Blasenströmung im Riser kann durch Erhöhung der Begasungsrate erzielt werden. Eine weitere Möglichkeit, einen solchen Strömungszustand zu erzielen, besteht darin, den Durchmesser des Risers zu erhöhen (siehe Abbildung 6). In jedem Fall gilt es, eine Pfropfenströmung zu quirement and correspondingly low operating costs, which is vermeiden, da Gasblasen hier die gesamte Querschnittsfläche des Risers ausfüllen könnten, was den especially important for large-scale production. Massentransfer stark beeinträchtigen würde. [3] Outlook Gas-Lift-Bioreaktoren sind also insbesondere für biologische Prozesse, die hohe Massentransferraten benötigen, aber gleichzeitig nur geringe Ein- It would also be conceivable to build an in situ sterilisable gas-lift bioreactor. This would be a practical alternative, wirkungen von Scherkräften tolerieren, geeignet. even if sterilisation is probably not possible later on at an Entscheidende Vorteile sind außerdem der geringe industrial scale. To avoid mass restriction in the downcomer Energiebedarf und damit verbundene geringe Betriebskosten, was besonders im Großmaßstab von of the gas-lift bioreactor and to increase gas holdup, a perforated draft tube might be used that increases the transfer Bedeutung ist. of the saturated gas mixture from the riser to the downcomer. Ausblick [3] This would, however, have a strong influence on the flow conditions, which should be kept in mind. Static mixers in the riser and downcomer might also lead to more turbulent flow and increased mass transfer. [3] Feeding in deminer- Bioreaktors wäre aus praktischen Gründen denkbar, Der Bau eines in situ sterilisierbaren Gas-Liftalised water using a precision balance could largely prevent auch wenn im späteren Großmaßstab eine Sterilisation vermutlich nicht möglich ist. Um mögliche Stoffli- fluctuations in the fill level due to evaporation losses and ensure constant flow conditions. The fill level could also be mitationen im Downcomer des Gas-Lift-Bioreaktors measured by a corresponding level sensor. zu vermeiden und den Gasgehalt zu erhöhen, ist die Heterogeneous chrun-turbulent flow Homogeneous bubbly flow 0.1 1

7 19 Verwendung eines perforierten Innenleitrohrs denkbar, das einen Übergang des gesättigten Gasgemischs von Riser in den Downcomer erhöht. [3] Dies würde allerdings die Strömungsverhältnisse stark beeinflussen, was zu berücksichtigen wäre. Statische Mischer in Riser und Downcomer könnten ebenfalls zu verstärkter turbulenter Strömung und somit erhöhtem Stofftransport führen. [3] Die über eine Präzisionswaage geregelte Zufütterung vollentsalzten Wassers könnte Schwankungen des Füllstands aufgrund von Verdampfungsverlusten nahezu beheben und somit konstante Strömungsbedingungen gewährleisten. Die Füllstandsmessung könnte auch über eine entsprechende Level-Sonde realisiert werden. To increase the kla values for oxygen, carbon dioxide Um die kla-werte für Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff (in dieser Arbeit nicht be- might make sense to use a different sparger. In general, and hydrogen (which are not determined in this thesis), it stimmt) zu erhöhen, wäre die Verwendung eines other methods for determining kla should be tested (e. g. anderen Begasungsorgans möglicherweise sinnvoll. by consumption or sodium sulphite, and by measuring the Generell sollten weitere kla-bestimmungsmethoden offgas values) so as to minimise the possibly pronounced deviations from standards that are measured. getestet werden (Bestimmung mit Verbraucher oder Natriumsulfit sowie über Messungen der Abgaswerte), um die teilweise hohen Standardabweichungen gases and make it easier to estimate and assess the growth In order to verify the probable limitation of dissolved bei den Bestimmungen zu minimieren. of the thermophilic microorganisms, it would be helpful to Um die wahrscheinliche Limitation gelöster Gase use appropriate sensors to measure the dissolved gas concentrations. It would also be useful to measure the gas con- verifizieren und das Wachstum der thermophilen Mikroorganismen insgesamt besser abschätzen und centrations in the offgas. Further tests would have to be bewerten zu können, wäre der Einsatz entsprechender Sonden zur Messung der gelösten Gas-Konzent- behaviour with alternative energy sources. made in serum flasks to obtain more findings on the growth rationen hilfreich. Eine Messung der Gas-Konzentrationen in der Abluft wäre auch sinnvoll. Um weitere Erkenntnisse bezüglich des Wachstumsverhaltens mit alternativen Energiequellen zu erhalten, müssten weitere Versuche in Serumflaschen erfolgen. Personalie: Dr. Christian Naumer Christian Naumer studierte von 1996 bis 2000 Biotechnologie an der Hochschule Mannheim und schloss dort bis 2002 ein internationales Biotechnology-Master-Studium mit Schwerpunkt Bioprozess-Entwicklung an. Seine anschließende Promotion am Institut für Mikrobiologie der Universität Mainz schloss er im Oktober 2005 erfolgreich ab. Im gleichen Jahr stieg er als Projektleiter bei BRAIN ein. Damals wie heute gehören die Bereiche der EDV und der Bioinformatik zu einem wichtigen Teil seiner Tätigkeit. Seit Juli 2012 ist er außerdem als Plattformkoordinator für die Bioprozesstechnik und das Downstream-Processing tätig und hier vor allem für die (Weiter-)Entwicklung dieser Bereiche sowie für die Betreuung der Infrastruktur zuständig. About the person: Dr Christian Naumer Christian Naumer studied biotechnology at Hochschule Mannheim University of Applied Sciences from and completed his international master s degree in biotechnology there in 2002, majoring in bioprocess development. He went on to obtain a doctorate at Mainz University s Institute of Microbiology in October In the same year, he joined BRAIN as a project manager. Electronic data processing and bioinformatics have remained an important part of his work. Since July 2012, he has also been a platform coordinator for bioprocess engineering and downstream processing. Here, he is mainly responsible for the (further) development of these areas and for infrastructure management. Personalie: M. Sc. Kornelius Schweinfurth M. Sc. Kornelius Schweinfurth schloss Anfang 2013 sein Studium der molekularen und angewandten Biotechnologie mit dem Schwerpunkt Verfahrenstechnik an der RWTH Aachen ab. Seine Masterarbeit zur Konstruktion eines Gas-Lift-Bioreaktors erstellte er während seines 6-monatigen BRAIN-Stipendiums von April bis September 2012 bei BRAIN. Im Zuge seines Studiums an der RWTH erweiterte er sein Wissen durch viele Praktika und Traineeships, darunter Forschungsaufenthalte beim EMBL in Heidelberg, der Hochschule Mannheim, der Universität Heidelberg sowie dem Polytechnic Institute of New York University. Im Anschluss an sein Studium hat er die Position eines Projektingenieurs im Raum Stuttgart übernommen. About the person: Kornelius Schweinfurth (M. Sc.) Kornelius Schweinfurth (M. Sc.) completed his studies of molecular and applied biotechnology at RWTH Aachen University in early 2013, majoring in process engineering. He wrote his master s thesis on the construction of a gas-lift bioreactor during his six-month BRAIN scholarship from April to September During his studies at RWTH Aachen University, he expanded his knowledge by taking part in a number of internships and traineeships. These included research residencies at EMBL in Heidelberg, Mannheim University, Heidelberg University and the Polytechnic Institute of New York University. Following his studies, he took on a position as project engineer in the Stuttgart area. Ergebnisse der Masterarbeit Results of the master s thesis Literatur References [1] Storhas, W. 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(1987): Growth of E. coli in a stirred tank and in an air lift tower reactor with an outer loop, Bioprocess and Biosystems Engineering (Band 2), Nr. 1, Seite [8] Chisti, M. Y. und Moo-Young, M. (1987): Airlift reactors: characteristics, applications and design considerations, Chemical Engineering Communications (Band 60), Nr. 1 6, Seite [9] Moo-Young, M. und Blanch, H. W. (1981): Design of biochemical reactors mass transfer criteria for simple and complex systems, Reactors and Reactions, Seite 1 69 [10] Merchuk, J. C., Ladwa, N., Cameron, A., Bulmer, M., Berzin, I. und Pickett, A. M. (1999): Liquid flow and mixing in concentric tube air-lift reactors, Journal of Chemical Technology and Biotechnology (Band 66), Nr. 2, Seite [11] Gavrilescu, M. und Tudose, R. Z. (1998): Concentric-tube airlift bioreactors, Bioprocess and Biosystems Engineering (Band 19), Nr. 1, Seite [12] Siegel, M. H., Merchuk, J. C. und Schugerl, K. (2004): Air-lift reactor analysis: Interrelationships between riser, downcomer, and gas-liquid separator behavior, including gas recirculation effects, AIChE journal (Band 32), Nr. 10, Seite [13] Wirges, H. P. (2004): Reaktionstechnik in Blasensäulen. Reihe Grundlagen der Chemischen Technik. Von W.-D. Deckwer. Salle und Sauerländer, Frankfurt/M Chemie Ingenieur Technik (Band 59), Nr. 5, Seite [14] Verlaan, P., Tramper, J., Riet, K. und Luyben, K. (1986): Hydrodynamics and axial dispersion in an air-liftloop-bioreactor with two-and three-phase flow [15] Merchuk, J. C. und Stein, Y. (2004): Local hold-up and liquid velocity in air-lift reactors, AIChE journal (Band 27), Nr. 3, Seite [16] Merchuk, J. C., Ladwa, N., Cameron, A., Bulmer, M. und Pickett, A. (2004): Concentric-tube airlift reactors: Effects of geometrical design on performance, AIChE journal (Band 40), Nr. 7, Seite [17] Wallis, G. B. (1969): One-dimensional two-phase flow (Band 1), McGraw-Hill New York [18] Viswanathan, K. (1985): Flow Patterns in Bubble Columns, Encyclopedia of Fluid Mechanics (Band 38), Seite Erfolgreiche Planung und Konstruktion verschiedener Gas- Lift-Bioreaktoren. Gas-Lift-Bioreaktoren eignen sich zur Kultivierung thermophiler Mikroorganismen. Gas-Lift-Bioreaktoren sind im Anwendungsfeld gegenüber klassischem Rührwerksbioreaktor überlegen. Gas-Lift-Bioreaktoren sind mit ca. 700-fach weniger Energieeintrag zu betreiben. Limitierender Faktor bei der Kultivierung von Biomasse ist die geringe Löslichkeit von Gasen in temperierten Flüssigkeiten. Diverse Wege, um den Gas-Stofftransport im System zu erhöhen, wurden in der Masterarbeit implementiert. Die Masterarbeit wurde während seines 6-monatigen BRAIN- Stipendiums von April bis September 2012 bei BRAIN in Zwingenberg erstellt. Sie wurde Ende 2012 von BRAIN mit dem Studierenden Award ausgezeichnet. Successful planning and building of various gas-lift bioreactors Gas-lift bioreactors are suitable for cultivating thermophilic microorganisms. Gas-lift bioreactors are superior to classical stirred-tank bioreactors in this field of application. Gas-lift bioreactors can be operated with approx. 700 times less power input. The limiting factor for cultivating biomass is the low solubility of gas in heated liquids. The master s thesis explored various ways of increasing the gas-liquid mass transfer. The master s thesis was written during his six-month BRAIN scholarship from April to September 2012 at BRAIN in Zwingenberg. It received the BRAIN Student s Award in late 2012.

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