Устройство для регулирования рн и парциального давления растворенного кислорода в культуральной жидкости в ферментере

 

Использование: в биотехнологии, в частности в области управляемого культивирования микроорганизмов,, Сущность: устройство снабжено камерой для обработки культуральной жидкости с двумя соосно расположенными газопроницаемыми кольцевыми мембранами, между которыми образована промежуточная жидкостная полость, именная две поверхности контакта газ-жидкость, и разделенная на две части газовая полостьо Устройство содержит ферментер 5, микропористый фильтр 6, датчики 1 и 2, расположенные в измерительной камере 4, насос-дозатор 7, ис-„ полнительную камеру 80 Камера 8 состоит из полости 19 для культуральной жидкости и двух газовых полостей, разделенных между собой обечайками 22 и 23, расположенных соосно0 3 ил. сл

СО)03 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5l)5 С 12 Q 3/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) Н A ВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1576569 (21) 4931302/13 (22) 25.04.91 (46) 23.09.92. Бюл. и 35 (71) Воронежский механический завод и Институт биохимии и физиологии микроорганизмов АН СССР . (72) В.A.Áàëàøîâ и A,Н.Шкидченко (56) Авторское свидетельство СССР

Н 1332817, кл, С 12 О 3/00, 1987.

Авторское свидетельство СССР

М 1576569, кл„ С 12 Q 3/00, 1988. - (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ рН

И ПАРЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ РАСТВОРЕННОГО КИСЛОРОДА В КУЛЬТУРАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ

В ФЕРИЕНТЕРЕ (57) Использование: в биотехнологии, в частности в области управляемого

Изобретение относится к биотехнологии и, в частности к управляемому культивированию микроорганизмов как в исследовательских целях, так и в промышленных условиях и является дальнейшим усовершенствованием изобретения по авт. св. Н 1576569.

Управление величиной рО в культуральной среде я ферментере является важнейшей задачей в обеспечении процесса культивирования аэробных микроорганизмов. Особенно это важно для процессов в колонных ферментерах, которые работают по принципу аппарата полного вытеснения, так как в медленно перемещающейся в них культуральной среде происходит быстрое по высоте колонны выедание растворенноЫЛ 1763489 А2 культивирования микроорганизмов. Сущность: устройство снабжено камерой для обработки культуральной жидкости с двумя соосно расположенными газо" проницаемыми кольцевыми мембранами, между которыми образована промежуточная жидкостная полость, име " ая две поверхности контакта газ-жидкость, и разделенная на две части газовая полость, Устройство содержит ферментер 5, микропористый фильтр 6, датчики 1 и 2, расположенные в измерительной камере 4, насос-дозатор 7, ис-. полнительную камеру 8, Камера 8 состоит из полости 19 для культуральной жидкости и двух газовых полостей, разделенных между собой обечайками

22 и 23, расположенных соосно. 3 ил, го кислорода и культура в верхних зонах таких ферментеров оказывается практически без кислорода.

Традиционно одним из способов управления газообменом является регулирование насыщения культуральной суспензии газом за счет изменения расхода воздуха и степени перемешивания.. При этом измерение обеспеченности культуры кислородом осуществляют непосредственно в ферментере в культуральной суспензии. Подачу воздуха или кислорода также осуществляют непосредственно в ферментер.

Известен способ .автоматического управления аэрацией в процессе культивирования микроорганизмов с непрерывным прокачиванием культуральной

4 о () ОО

Ь,) 17б34 суспензии по замкнутому контуру, при этом суспензия сначала поступает на устройство, которое измеряет скорость потребления О в реальных условиях аэрации ферментера. Затем прокачиваемая среда попадает на сосуд для ее аэрации, где она дополнительно насыщается кислородом.

Насыщенная кислородом культуральная суспензия поступает на устройстso, которое измеряет скорость потребления О при нелимитируемом кислородом росте микроорганизмов, Далее автоматически определяется разность измеряемых величин и осуществляется регулирование расхода воздуха на аэрации в зависимости от величины этой разности.

Таким образом, измерение потребле- g ния культурой кислорода проводят в выносном контуре, а подачу воздуха на аэрации осуществляют непосредственно в ферментер.

Данный способ не может быть ис- 25 пользован для управления газообменом при выращивании микроорганизмов в. колонных ферментерах полного вытеснения, в том числе и используемых для многофазного культивирования. ЗО

Увеличение расхода воздуха снижает коэффициент заполнения ферментера„

Использовать насыщение культуральной жидкости введением чистого кислорода невозможно из-за токсического действия кислорода на микроорганизмы.

Кроме того, использование в данном способе контура с циркуляцией культуральной суспензии, особенно при выращивании мицелиальных форм, при- що водит к обрастанию и закупориванию выносных контуров и измерительных датчиков, в частности рО, что не позволяет точно измерять рО и, со ответственно, целенаправленйо управлять газообменом.

Известны устройства промежуточной. аэрации по высоте колонных ферменте" ров, в которых применены различныебарботажные, эжектирующие и переливные устройства, а также разделение на секций, Недостаток их заключается в том, что для поддержания необходимого уров-, ня рО в различных зонах ферментера вводится достаточно большое количест- 5 во воздуха, процент использования ко" торого непосредственно в биопроцессе очень низкий. 9

К тому we, интенсивный гидродинамический режим смешивания и растворения кислорода воздуха в суспензии травмирует достаточно большой круг применяемых культур (мицелин, грибы, некоторые дрожжевые культуры и т,п.).

Кроме того, указанные культуры склонны к интенсивному обрастанию различных поверхностей, в том числе и чувствительных поверхностей датчиков рО, что приводит к получению недостоверной информации р0 в суспензии и, как следствие, невозможности поддерживать этот параметр на необходимом уровне.

Известны также устройства пробоотбора культуральной жидкости из ферментера через фильтрующие элементы, задерживающие клетки микроорганизмов, с измерением в пробе необходимых йараметров и возвратом ее в ферментер.

Обрастание датчиков в них исключено, но отсутствует возможность поддержания рО в суспензии, Известно устройство, включающее пробоотборник с фильтрующим элементом, размещенных внутри ферментера идеального смешивания, трубопровод, побудитель расхода и камеры для из" мерительных электродов, размещенных вне ферментера, измерение параметров процесса производится в отсутствие микроорганизмов и культуральная жидкость возвращается в ферментер со скоростью 50 мл/час. Недостатками указанного устройства являются:

- размещение пробоотборного устройства внутри ферментера и в отсутствии интенсивного перемешивания жидкости, обрастание его микроорганизмами и блокирование;

- низкая скорость протока через измерительную систему, исключающая возможность оказывать управляющие воздействия на основной объем среды;

- отсутствие возможности управляющих воздействий на состав культуральной жидкости.

Найболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является "Устройство для регулирования рН и рОз в культуральной жидкости в ферментере", Устройство позволяет регулировать величину парциального давления раст5 1 воренного кислорода в культуральных жидкостях в биореакторах и защищено от обрастания электродов микроорганизмами.

Однако при высоких скоростях потребления кислорода микрообъектами, оно оказывается неростаточно эффективным вследствие малой поверхности" контакта газовой Фазы (или кислорода) с жидкой фазой, Газопроницаемая мембрана образует лишь одну поверхность вспомогательной камеры и дальнейшая интенсификация процесса абсорбции кислорода жидкой фазой невозможна.

Целью предполагаемого изобретения является повышение производитель ности насыщения жидкостей кислородом в процессах культивирования микроорганизмов.

В устройстве по авт. св. М 1576569.. указанная цель достигается тем, что камера для обработки культуральной жидкости имеет рве соосно расположенные газопроницаемые кольцевые мембраны, межлу которыми образована промежуточная жидкостная полость, имеющая две поверхности контакта газ-жидкость» и разделенная на две части газовая полость.

На Фиг.1 приведена принципиальная схема устройства на фиг.2 - сечение

А-А; на Фиг.3 - выносной элемент 1, Устройство содержит датчики РН 1, парциального давления растворенного кислорода 2, подсоединенные к соответствующим регуляторам (не показаны), дозатор 3 РМ титранта, управляющий вход которого соединен с регулятором РН, Датчики 1 и 2 расположены в измерительной камере 4, которая подключена к Ферментеру 5 через микропористый фильтр 6, не пропускающий микроорганизмы, К измеритель ной камере 4 последовательно подсоединены импульсный насос-дозатор 7 и дополнительная камера 8 для обработки культуральной жидкости, выходной патрубок 9 которой соединен тру" бопроводом со штуцером 10 возврата жидкости в Ферментер 5.

Импульсный насос-дозатор содержит упругую мембрану 11, входно" 12 и выходной 13 клапаны„

Входной клапан 12 имеет седло 14, у которого поверхность герметизации выполнена выпуклой Формы, а упругий лепесток 15 имеет плоскую Форму. Та763489 б ким образом, в нейтральном положении между лепестком 15 и выпуклым седлом 14 имеется небольшой зазор.

Выходной клапан 13 выполнен "нормальным", т.е. седло 16 имеет слегка выгнутую поверхность герметизации, а упругий лепесток 17 протянут ее упругим "хвостиком" к вогнутому сед10 лу 16» за счет чего достигается упругая герметизация клапана 13. На крышке насоса-лозатора 7 имеется входной штуцер 18, к которому подводятся пневмоимпульсы, приводящие насос-дозатор 7 в действие.

Камера 8 для обработки культуральной жидкости состоит из полости 19 для культуральной жидкости и двух газовых полостей 20 и 21, разрелен20 ных между собой обечайками 22 и 23.

Меньшая обечайка 22 расположена соосно большей обечайке 23. Обечайки состоят из газопроницаемой мембраны

24, защищенной с обеих сторон от

25 деформации и поврежденной при пере падах давлений сетками 25. Мембрана

24 и сетки 25 расположены в уплотнениях 26, находящихся в кольце 27, края которого обжаты для герметиза30 ции. К корпусу 28 устройства крепится крышка 29.

Устройство также содержит источник 30 регулируемого давления кислорода, управляющий вход которого свяЗ5 зан с Регулятором парциального дав ления растворенного кислорода, и пробоотборный штуцер 31, причем выхоры дозатора 3 РН титранта и источника 30 регулируемого давления кис40 лорода подсоединены к .камере 8 для обработки культуральной жидкости.

Устройство работает следующим образом„

Управляющие пневмоимпульсы, пос45 тупающие от внешнего пневмогенератора (не показан), поступают на импульсный насос-дозатор 7, который начинает прокачку культуральной жидкости по замкнутому контуру: Ферментер 5, g0 микропористый Фильтр 6, измерительную камеру 4, насос-дозатор 7, полость 19, патрубок 9, штуцер 10, Ферментер 5. При снятии импульса давления мембрана 11 за счет своей уп55 ругости принимает форму, показанную на фиг„1, при этом происходит заса.сывание дозы культуральной жидкости из Ферментера 5 через микропористый фильтр 6 в измерительную камеру 4„

dc-dt где К1—

= К1-$ (CA-С) ° х Х, коэффициент абсорбции кислорода средой; площадь поверхности контакта газ-жидкость; концентрация 0 равновесная с воздухом; концентрация О, удельная скорость потребления 0, концентрация биомассы.

7 17

Микроорганизмы, находящиеся в культуральной жидкости, задерживаются фильтром 6 и в камеру 4 не попадают.

При поступлении очередного давления в начале хода мембраны 11 клапан 12 за счет своего зазора еще приоткрыт и часть жидкости обратным ходом из измерительной камеры 4 через фильтр

6 поступает в ферментер 5, очищая фильтр 6 от осевших на нем микроор- ганизмов. При дальнейшем ходе мембраны 11 лепесток 15 клапана 12 де"

Формируется и закрывает седло 14, . прекращая тем самым обратный поток жидкости. С этого момента жидкость из насоса-дозатора 7 поступает через клапан 13 в полость 19, где подвергается рН титрованию за счет подачи в нее доз рН-титранта от дозатора 3 рН-титранта, а также насыщению кислородом через мембраны 24 обечаек

22 и 23, за счет создания необходимого давления кислорода в полостях

20 и 21 источником 30 регулируемого давления кислорода. При последующем такте насоса-дозатора 7 насыщенная кислородом и подтитрованная до необходимых уровней жидкость вытесняется из полости 19 через патрубок 9 и штуцер 10 в ферментер 5, 8 ходе работы устройства через пробоотборный штуцер 31 можно отобрать пробу культуральной жидкости для анализа ее по другим интересующим исследователя параметрам. Кроме того, штуцер 31 необходим при заполнении устройства жидкостью перед началом работы.

Процесс насыщения жидкой Фазы кислородом описывается законом Генри по

Формуле:

Применение предлагаемого устройства в микробиологической практике, в частности при культивировании микроорганизмов, позволит, при лимитировании роста микробов недостатком кислорода, увеличить скорость их роста не менее, чем в 2 раза, либо во столько же раз повысить концентрацию биомассы микроорганизмов в биореакторе. изобретения

Формула

Устройство для регулирования рН и парциального давления растворенно" го кислорода в культуральной жидкости в ферментере по авт, св. Ю 1576569, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения производительнос< и путем увеличения поверхности контакта жидкости с кислородом, камера для обработки культуральной жидкости имеет две соосно расположенные газопроницаемые мембраны, служащие для разделения ее на жидкостную полость с двумя поверхностями контакта газ-жидкость и две газовые полости.

Из данного уравнения следует, что с увеличением 5 повышается производительность насыщения жидкой фазы . кислородом. Предлагаемое устройство позволяет увеличить указанную площадь по сравнению с прототипом, что подтверждается следующими расчетами, Например, размеры газопроницаемой

1О мембраны прототипа равны 100 100 мм, соответственно 5 ф,.„ „„<< 1 0 MM

Диаметр большей мембраны предлагаемого устройства равен D = 100 мм, диаметр меньшей мембраны d = 80 мм, 15 а ширина 30 мм. Тогда суммарная площадь мембран соответственно 5 = 2,3 10 мм2. Ширина мембраны 30 мм вы@ бирается конструктивно, так как изго" товить жидкостную полость меньшего

20 размера, как в прототипе, так и в, предлагаемом устройстве, технологическй сложно.

Увеличение ширины мембраны позволяет увеличивать площадь контакта газ-жидкость без значительного увеличения габаритных размеров устройства,, по сравнению с прототипом.

1У6348Э р Н-реьулютора.

-.(803дукй рИ-титра и т.

Фиа.f

1763489 f

Составитель Г,Богачева

Редактор И.Кузнецова Техред И.Иоргентал Корректор И.шулла

» «»»»» »W

» » Вю ФВ ° \»»» «»»»»» В»»»»

Заказ 1201 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãîðoä, ул. Гагарина, 101