Аппарат для культивирования микроорганизмов
Изобретение относится к оборудованию для культивирования микроорганизмов и может быть использовано в различных отраслях промышленности, а также в исследовательской практике. Аппарат включает горизонтально расположенную трубчатую ферментационную емкость, устройства для аэрации и перемешивания культуральной жидкости и теплообменник. Каждое устройство содержит корпус, сообщенный с ферментационной емкостью, и циркуляционный контур для аэрирующего газа и культуральной жидкости, состоящий из трубопроводов, пульсатора газожидкостной смеси, сменного сопла и регулятора расхода газа, установленного на одном из трубопроводов. Ферментационная емкость выполнена из прозрачного термостойкого стекла. На торцах ферментационной емкости расположены защитные экраны, выполненные из перфорированного гидрофобного материала. Изобретение обеспечивает эффективный массообмен путем равномерного распределения аэрирующего газа во всем объеме культуральной жидкости, а также повышение производительности аппарата. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к аппаратам для культивирования микроорганизмов и может быть использовано в пищевой, микробиологической и медицинской промышленности, а также в исследовательской практике.
Известен аппарат для культивирования микроорганизмов (патент RU 2135579, С 12 М 1/04, опубл.1999), содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды и устройство для аэрации и перемешивания среды, включающее горизонтальное лопастное колесо, укрепленное на вертикальном полом валу и размещенное в верхней части емкости, непосредственно под крышкой, кольцевую перегородку, установленную в цилиндрической емкости соосно лопастному колесу, и механизм стабилизации положения кольцевой перегородки относительно поверхности жидкой фазы.
В указанном аппарате создается осесимметричное вихревое движение жидкости с осевым противотоком клеток и не обеспечивается равномерное распределение аэрирующего газа во всем объеме культуральной жидкости, тем самым не обеспечиваются оптимальные условия для культивирования клеток. Кроме того, конструкция аппарата насыщена металлоемкими агрегатами и вращающимся валом, что снижает асептическую надежность аппарата и усложняет его стерилизацию.
Известен аппарат для культивирования микроорганизмов (прототип) (GB 1499410, 01.02.1978), содержащий горизонтально расположенную трубчатую ферментационную емкость, шнек, жестко закрепленный на валу привода, размещенного внутри емкости по всей ее длине, аэратор, выполненный в виде трубопровода с перфорированными отверстиями для формирования пузырьков воздуха, теплообменник в виде рубашки, жестко закрепленной вокруг емкости, штуцеры для отвода отработанных газов, равномерно размещенные по всей длине емкости, в верхней ее части. Штуцеры для ввода в аппарат питательной среды и отвода из него продуктов ферментации размещены в нижней его части и разнесены по разные стороны длины емкости.
В известном аппарате перемешивание культуральной жидкости осуществляют посредством шнека, что ограничивает сферу его использования только исследовательской практикой, так как с увеличением длины корпуса аппарата и шнека возрастут радиальные силы, действующие на вал шнека при его вращении, что приведет к изгибу приводного вала и его поломке.
Аэрацию культуральной жидкости в аппарате осуществляют методом барботажного газообмена, эффективность которого резко снижается с увеличением высоты столба культуральной жидкости и, тем самым, не обеспечивается равномерное распределение аэрирующего газа, что приводит к снижению производительности аппарата.
Применение шнека для перемешивания и перемещения культуральной жидкости исключает возможность культивирования микроорганизмов, механическое воздействие на которые приводит к их деструкции, что сужает область применение аппарата.
Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности массообмена за счет равномерного распределения аэрирующего газа во всем объеме культуральной жидкости и повышении производительности аппарата.
Этот результат достигается тем, что аппарат для культивирования микроорганизмов, включающий горизонтально расположенную трубчатую ферментационную емкость, устройство для аэрации и перемешивания культуральной жидкости и теплообменник, согласно изобретения, снабжен, по меньшей мере, одним дополнительным устройством для аэрации и перемешивания культуральной жидкости, при этом каждое устройство содержит корпус, сообщенный с ферментационной емкостью, и циркуляционный контур для аэрирующего газа и культуральной жидкости, состоящий из трубопроводов, пульсатора газожидкостной смеси, сменного сопла и регулятора расхода газа, установленного на одном из трубопроводов;
а также тем, что ферментационная емкость выполнена из прозрачного термостойкого стекла;
а также тем, что на торцах ферментационной емкости расположены защитные экраны, выполненные из перфорированного гидрофобного материала.
В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом его выполнения и чертежами, на которых представлены:
фиг.1 - схема аппарата для культивирования микроорганизмов;
фиг.2 - то же, разрез аппарата по А-А;
фиг.3 - схема аппарата для культивирования микроорганизмов повышенной производительности.
Аппарат для культивирования микроорганизмов, представленный на фиг.1, содержит устройства для аэрации и перемешивания культуральной жидкости 1 и горизонтально расположенную трубчатую ферментационную емкость 2, выполненные в виде отдельных модулей, соединенных и герметизированных между собой посредством фланцевых соединений 3, а по торцам закрытых съемными заглушками 4.
Устройство для аэрации и перемешивания 1 (далее устройство 1) (фиг.2) содержит: корпус 5, например, в виде полого цилиндра, внутри которого установлен теплообменник 6; циркуляционный контур для аэрирующего газа и культуральной жидкости, состоящий из пульсатора газожидкостной смеси 7 с упругой диафрагмой 8, сообщенного через трубопровод 9 для протока аэрирующего газа и регулятор 10 расхода газа с внутренней полостью устройства 1. Циркуляционный контур для аэрирующего газа и культуральной жидкости также снабжен трубопроводом 11 с установленным на его конце сменным соплом 12, размещенным внутри корпуса 5 и соединяющим внутреннюю полость устройства 1 с пульсатором 7 для протока газожидкостной смеси и генератором импульсов сжатого воздуха 13, понуждающим к перемещению диафрагмы 8 пульсатора 7. Устройство 1 также содержит штуцеры 14 и 15 для продувки газов через аппарат для культивирования микроорганизмов.
В качестве регулятора 10 расхода газа может быть использован, например, перистальтический насос.
Трубчатая ферментационная емкость 2 (далее емкость 2) выполнена, например, из прозрачного термостойкого стекла и снабжена защитными экранами 16 из перфорированного гидрофобного материала, устанавливаемыми, в случае необходимости, на торцах емкости, и загрузочным патрубком 17.
Защитные экраны 16 устанавливаются в том случае, если в качестве продуцента используются клетки, образующие в процессе культивирования агломераты биомассы или иммобилизованные на носителях, и защищают устройства 1 от засорения фрагментами биомассы или нерастворимыми фракциями жидкой среды в процессе культивирования.
Съемные заглушки 4 снабжены патрубком 18 для подачи среды или слива готовой продукции.
Сменные сопла 12 обеспечивают различные условия перемешивания культуральной жидкости.
Тангенциальное направление потока газожидкостной струи, образованное соплом 12, создает в аппарате вращательное движение культуральной жидкости, что позволяет более равномерно активизировать массообмен.
Направление соплом 12, имеющим Г-образную форму, газожидкостной струи в нижнюю часть аппарата обеспечивает столкновение газожидкостной струи с нижней стенкой аппарата и образование мелкодисперсной фракции газовых пузырьков, поднимающихся к поверхности культуральной жидкости, что обеспечивает флотацию культивируемых клеток в приповерхностный слой и их культивирование в условиях фракционной локализации в питательной среде. Созданные условия перемешивания при культивировании повышают производительность аппарата при производстве биомассы клеток или внеклеточных биологически активных веществ, так как обеспечиваются условия протока питательной среды через аппарат без слива биомассы продуцента.
Направление соплом 12, выполненным в виде тройника, газожидкостных струй в разные стороны обеспечивает активное газожидкостное перемешивание рабочей жидкости в устройствах для аэрации и перемешивания и щадящие условия массообмена в ферментационной емкости. Такие условия обеспечивают реализацию биокаталитических процессов с использованием иммобилизованных клеток, закрепленных на носителях.
Аппарат для культивирования микроорганизмов повышенной производительности, представленный на фиг.3, включает заданное число устройств для аэрации и перемешивания культуральной жидкости 1 (на фиг.3 представлено 3 модуля) и ферментационных емкостей 2 (на фиг.3 представлено 2 модуля), выстроенных в поочередную, последовательную цепь. Наращивание модулей позволяет конструировать аппарат заданного объема с обеспечением масштабирования ферментационных процессов без изменения технологических регламентов от лабораторного до промышленного уровня.
Аппарат для культивирования микроорганизмов, в цепь модулей которого включены дополнительные устройства для аэрации и перемешивания культуральной жидкости без численного увеличения ферментационных емкостей, обеспечивает интенсификацию массообменных процессов при культивировании.
Работа аппарата для культивирования микроорганизмов (фиг.1) осуществляется следующим образом. Перед началом работы на трубопровод 11 устанавливают сопло 12, выбранное согласно заданным условиям перемешивания жидкости и, при необходимости, защитные экраны 16. Далее выполняются известные процедурные работы по стерилизации оборудования, питательной среды и получению инокулюма продуцента. Затем в емкость 2 через патрубок 17 в асептических условиях вносят заданный объем инокулюма продуцента, а через патрубок 18 подают питательную среду, которые термостатируют при заданной температуре посредством теплообменников 6, а через штуцера 14 и 15 продувают стерильный воздух с заданным расходом. На генераторах импульсов сжатого воздуха 13 задают частоту импульсов и производят их включение. При поступлении импульса сжатого воздуха от генератора 13 на пульсатор 7 упругая диафрагма 8 сжимается и находящаяся в ней газожидкостная смесь по трубопроводу 11 через сопло 12 выдавливается в устройство 1, обеспечивая заданные условия перемешивания. После прекращения действия импульса сжатого воздуха на диафрагму 8 сжатый воздух из пульсатора 7 сбрасывается в атмосферу, а упругая диафрагма 8 восстанавливает свою исходную форму. Под действием упругой силы диафрагмы 8 через сопло 12 и трубопровод 11 в пульсатор 7 загружается жидкость, а по трубопроводу 9 через регулятор 10 расхода газа - воздух.
В процессах загрузки и разгрузки пульсатора 7 жидкостью и воздухом под действием трения образуется мелкодисперсная газожидкостная среда, в которой происходит интенсивное растворение кислорода воздуха.
Импульсы сжатого воздуха от генераторов 13 поступают на диафрагмы 8 пульсаторов 7 каждого устройства 1 в противофазе, что позволяет при вытеснении газожидкостной смеси из одного пульсатора 7 в полость устройства 1 производить загрузку жидкости из полости другого устройства 1 в другой пульсатор 7 и, таким образом, обеспечивать непрерывный режим перемешивания жидкости в аппарате для культивирования микроорганизмов.
Момент вращения жидкости, насыщенной кислородом воздуха в устройствах 1, передается жидкости, находящейся в емкости 2, в результате чего осуществляется их массообмен, протекающий в щадящих условиях культивирования клеток.
Слив готового продукта осуществляется через патрубок 18, к которому подсоединяется емкость для сбора готового продукта в асептических условиях (на фиг.1 не показана).
В тех случаях, когда массопередача недостаточна для проведения биохимических реакций, к установленным устройствам 1 может быть подсоединено еще одно устройство 1, при этом интенсивность массопередачи будет увеличена.
Увеличение производительности аппарата для культивирования микроорганизмов осуществляется посредством увеличения числа ферментационных емкостей 2 в горизонтальном направлении, а интенсивность массопередачи регулируется числом используемых устройств для аэрации и перемешивания жидкости 1 и частотой импульсов генератора импульсов сжатого воздуха 13.
Размещение ферментационных емкостей 2 между устройствами для аэрации и перемешивания культуральной жидкости 1, а также условия работы пульсаторов 7 в противофазе обеспечивают высокоэффективный массообмен в ферментационных емкостях, осуществляемый в ламинарных условиях осевого циклического перемешивания жидкости, насыщенной кислородом воздуха, с ненасыщенной жидкостью.
Сменные сопла позволяют создать аппарат с заданной характеристикой перемешивания жидкости по всей длине аппарата.
Прозрачная ферментационная емкость обеспечивает визуальный контроль за процессом культивирования, а также позволяет использовать аппарат для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов и клеток.
Предлагаемая конструкция аппарата позволяет реализовывать биотехнологические процессы с использованием самых разнообразных продуцентов, в том числе иммобилизованных на носителе.
При проведении непрерывных процессов биосинтеза, биокатализа или биотрансформации биологически активных веществ чередование в аппарате устройств для аэрации и перемешивания культуральной жидкости и ферментационных емкостей обеспечивает полное потребление сбалансированного субстрата и управляемую постадийную аэрацию биопродуцентов.
Горизонтальное расположение и цилиндрическая форма аппарата позволяют сохранить гидродинамические условия аэрации и перемешивания жидкости при масштабировании, что обеспечивает высокую воспроизводимость процессов.
Простая конструкция аппарата обеспечивает высокую технологическую и асептическую надежность при проведении длительных непрерывных процессов.
Аппарат обладает высокой прочностью, низким потреблением электроэнергии, технологичен при проведении монтажных работ и удобен в эксплуатации.
1. Аппарат для культивирования микроорганизмов, включающий горизонтально расположенную трубчатую ферментационную емкость, устройство для аэрации и перемешивания культуральной жидкости и теплообменник, отличающийся тем, что он снабжен, по меньшей мере, одним дополнительным устройством для аэрации и перемешивания культуральной жидкости, при этом каждое устройство содержит корпус, сообщенный с ферментационной емкостью, и циркуляционный контур для аэрирующего газа и культуральной жидкости, состоящий из трубопроводов, пульсатора газожидкостной смеси, сменного сопла и регулятора расхода газа, установленного на одном из трубопроводов.
2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что ферментационная емкость выполнена из прозрачного термостойкого стекла.
3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что на торцах ферментационной емкости расположены защитные экраны, выполненные из перфорированного гидрофобного материала.
