Hochdichte mikrobielle Kultivierungen haben oft metabolische Wärmeleistungen, die so gross sind wie kleine Kraftwerke, so dass eine angemessene Kühlung erforderlich ist, um die gewünschte Kultivierungstemperatur zu halten. Im Vergleich zu kleineren Fermentern, die ein höheres Oberflächen-Volumen-Verhältnis aufweisen, ist die Kühlleistung grösserer Fermenter aufgrund ihrer reduzierten Wärmeaustauschfläche vergleichsweise geringer.

Natürlich ist die Wärmeaustauschfläche nur einer der Parameter, die die Kühlleistung beeinflussen. Andere Möglichkeiten, die Kühleffizienz zu erhöhen, sind die Regulierung der Kühlflüssigkeitstemperatur, die Steuerung der Flüssigkeitsströme, Erhöhung der Turbulenz im Fermenter und im Mantel und so weiter.

Die Grundregel für die Konstruktion eines solchen Systems ist die Vergrösserung der Wärmeaustauschfläche und die Unterstützung durch Verwendung kälterer (auch unterkühlter) Kühlflüssigkeiten. In diesem Beitrag konzentriert sich Bioengineering auf drei Möglichkeiten, diese Herausforderung anzugehen.

Gekühlte Strombrecher

Die erste Methode ist die Zugabe von vier bis sechs hohlen Strombrechern, durch die Kühlflüssigkeit zirkulieren kann. Die Strombrecher von Bioengineering erfüllen alle hygienischen Standards und führen zu keinen Einschränkungen in Bezug auf die Reinigung. Die Strombrecher können manuell mit Kühlflüssigkeit beaufschlagt oder in ein vollautomatisches System integriert werden. Da die meisten Fermenter ohnehin Strombrecher benötigen, um eine Wirbelbildung zu verhindern, stellen gekühlte Strombrecher eine Lösung dar, die zwei Fliegen mit einer Klappe schlägt. Gekühlte Strombrecher sind jedoch in ihrer Kapazität zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche begrenzt.

Kühlregister

Kühlregister können gekühlte Strombrecher unter Umständen ergänzen, wenn eine noch grössere Wärmeaustauschfläche erforderlich ist. Die Reinigung solcher Kühlregister kann allerdings ein Problem darstellen, das Bioengineering durch die Kombination der Kühlregister mit der lokalen CIP-Rückführung umgangen hat. Kühlregister können auch individuell für alle möglichen Anwendungen ausgelegt werden: So können sie beispielsweise ausschliesslich im unteren Behälter platziert werden, wenn das metabolische Wärmeproblem eine Produktionsphase betrifft, die nur den unteren Kesselbereich nutzt, oder sie können über die ganze Füllhöhe des Behälters verteilt sein, wenn das Problem bei maximalem Arbeitsvolumen auftritt.

Direkte Kühlung mit Kühlflüssigkeit

Da die Temperatur der Kühlflüssigkeiten die Kühlleistung beeinflusst, ist in einigen Fällen eine direkte Versorgung des Behältermantels oder der zusätzlichen Kühlelemente erforderlich. Beim Einsatz unterkühlter Flüssigkeiten (unter 0 °C / 32 °F) muss besonders vorsichtig vorgegangen werden, da es unter diesen Bedingungen zum Einfrieren wässriger Lösungen kommen kann. Bioengineering verwendet daher speziell geeignete Anlagekomponenten und einen angepassten Temperaturregelmodus im SCADA-System.