АППАРАТ ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Полезная модель относится к биотехнологии, а точнее к оборудованию для культивирования микроорганизмов, в том числе таких, как мицелиальные грибы, которые чувствительны к механическим воздействиям, возникающим при интенсификации массообмена и культивируемых как в аэробных, так и анаэробных условиях и может быть использовано в микробиологической, медицинской, пищевой промышленности и исследовательской практике.
Известен ферментер (RU №2182926, C1, дата публикации 2002.05.27.) включающий емкость с крышкой, снабженную расположенной в ней циркуляционной трубой с раструбом, насосом и патрубками для протока воздуха и рабочей жидкости. В раструбе укреплены отбойные пластины. Ферментер содержит байпасный контур для циркуляции рабочей жидкости. На дне емкости по периметру радиально укреплены направляющие пластины для создания в ней направленного потока рабочей жидкости. Под крышкой емкости размещен аэратор. Байпасный контур содержит газожидкостный разделитель, связанный трубопроводом с установленной в емкости трубкой заданного уровня рабочей жидкости, и мембранный дозатор, подключенный трубопроводами к газожидкостному разделителю и емкости. Аэратор выполнен в виде кольцевого коллектора с радиально расположенными отверстиями.
Недостатком конструкции ферментера является то, что увеличение газообмена, который происходит по площади контакта аэрирующего воздуха и культуральной жидкости, требует увеличения скорости смены поверхностного слоя культуральной жидкости за счет ее циркуляции под действием механического перемешивающего устройства, однако такое перемешивание культуральной жидкости приводит к недопустимым разрушающим воздействиям на клетки при выращивании мицелиальных микроорганизмов.
1
2
п
3
Известен аппарат для выращивания микроорганизмов, патент RU №2221038, C2, дата публикации 2004.01.10. Аппарат содержит вертикальный цилиндрический корпус, разделенный по высоте перегородками на секции ввода дегазирующего культуральную жидкость газа, ввода питательной среды и отвода газа с продуктами метаболизма, культивирования, теплообмена и ввода газа. Аппарат снабжен системой рециркуляции культуральной жидкости из нижней секции культивирования в верхнюю и установленными по высоте корпуса в перегородках цилиндрическими трубами с винтовой спиралью. Стенка труб в секции ввода дегазирующего газа и в секции ввода газового субстрата выполнена из двух коаксиально расположенных с зазором перфорированных цилиндров, между которыми размещены твердые частицы. Между указанными секциями внутри цилиндрических труб установлены с кольцевым зазором заглушенные патрубки для образования столба жидкости над ними. Газовая полость секции культивирования сообщена с секцией ввода газа при помощи трубопровода и нагнетательного устройства. Соотношение диаметров перфорированных цилиндров составляет d/d=1,1-3,0, а соотношение внутреннего диаметра циркуляционной трубы к диаметру заглушенного патрубка d/d=1,1-2,6. Изобретение обеспечивает увеличение поверхности контакта газовой фазы с жидкостью, повышение производительности аппарата и снижение энергозатрат на циркуляцию культуральной жидкости и газового субстрата.
Недостатком изобретения является сложность конструкции. Кроме того, так как для увеличения поверхности контакта газовой фазы с жидкостью клетки образуют стекающие пленки, которые стекают по винтовой поверхности в турбулентном потоке, это приводит к недопустимым механическим воздействиям на клетки при культивировании мицелиальных микроорганизмов.
Наиболее близким предлагаемому техническому решению является «Аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей и микроорганизмов» по патенту RU 2270245, C1, дата публикации 2006.02.20.
Аппарат содержит ферментационную емкость с крышкой и патрубками соответственно для подачи аэрирующего газа в газовую полость ферментационной емкости и отвода метаболитных газов из газовой полости, устройство для аэрации и перемешивания культуральной среды, включающее контур подачи аэрирующего воздуха через обратный клапан и экран для образования под ним газовой подушки, а также средство создания колебаний газовой подушки для перемешивания культуральной среды. Экран размещен в полости аппарата и при реализации ферментационных процессов погружен в культуральную среду.
Перемешивание культуральной среды осуществляется за счет возвратно-поступательного перемещения жидкости из полости экрана в полость ферментационной емкости и обратно за счет изменения объема газовой подушки и использования при возвратном движении принципа сообщающихся сосудов. Газообмен между газовой и жидкой фазами в аппарате осуществляется через суммарную площадь поверхностного раздела среды газ-жидкость. В рассматриваемом аппарате площадь контакта на границе газ-жидкость суммируется из площади на поверхности культуральной жидкости в ферментационной емкости и площади газовой полости непосредственно под экраном, которая образуется при подаче газов под экран. Газообмен в газовой подушке под экраном и отвод метаболитных газов обеспечивается выбросом газовых пузырей из полости под экраном и подачей под экран замещающего объема свежего воздуха. Газовые пузыри барботируют через слой культуральной жидкости к выходу метаболитных газов,
Интенсификация условий газо- и массообмена в культуральной среде достигается наращиванием количества экранов, погружаемых в культуральную среду, за счет соответствующего увеличения площади контакта газ-жидкость.
Однако, многослойное размещение экранов в полости ферментационной емкости существенно усложняет конструкцию и эксплуатационное обслуживание аппарата.
Технический результат полезной модели заключается в повышении эффективности массообмена при культивировании микроорганизмов в аэробных, анаэробных и переходных условиях культивирования.
Этот результат достигается тем, что аппарат для культивирования микроорганизмов, включающий горизонтально расположенную ферментационную емкость с боковыми крышками и штуцерами для подачи аэрирующего и перемешивающего газа в верхнюю полость емкости и отвода газообразной среды, аэратор, снабженный штуцером для подачи аэрирующего и перемешивающего газа, входной и выходной фильтры и устройство управления, содержит воздухоразделительное устройство и управляемые клапаны включения аэробного или анаэробного режимов, причем вход и выход воздухоразделительного устройства соответственно соединены через клапаны включения аэробного или анаэробного режимов с входным фильтром, а выход последнего через управляемые клапаны сообщен со штуцерами подачи аэрирующего газа в верхнюю полость емкости и в аэратор, а канал отвода газов из аэратора, соединенный со штуцером для подачи аэрирующего и перемешивающего газа последнего, включает последовательно соединенные обратный клапан, нормально закрытый клапан, каплеотделитель и выходной фильтр, приэтом второй вход каплеотделителя через другой нормально закрытый клапан соединен со штуцером отвода газообразной среды, а выход каплеотделителя сообщен через управляемый клапан и штуцер возврата с ферментационной емкостью, причем аэратор выполнен в виде съемной цилиндрической емкости, установленной во внутренней полости ферментационной емкости с зазорами к ее стенкам, снабжен отверстиями в нижней части для перетекания культуральной жидкости из аэратора в ферментационную емкость и обратно и заполнен насадкой, а также тем, что аэратор заполнен насадками в форме колец Рашига.
В предлагаемом изобретении достигается управлением потоками газов, подводимых для аэрации, перемешивания и отвода метаболитных газов, за счет применения исполнительных клапанов и использования насадок, что обеспечивает увеличение площади поверхности газ-жидкость за счет образования стекающих пленок на их поверхности, а также применением воздухоразделительной установки и азота для управления перемешиванием и отводом метаболитных газов.
Изобретение поясняется чертежами:
на фиг.1 схематично изображен аппарат в продольном разрезе.
на фиг.2 показан вид ферментационной емкости по сечению А-А.
Аппарат для культивирования микроорганизмов включает горизонтально расположенную ферментационную емкость 1 с боковыми крышками 2 и 3. На крышке 2 расположен штуцер 4, ввода аэрирующего газа в верхнюю полость ферментационной емкости, соединенный с управляемый клапан 5, для подачи газа через входной фильтр 6, обеспечивающий стерильность газового потока. Вход фильтра 6 через управляемый клапан 7, подачи воздуха в режиме аэробного культивирования, соединен со штуцером 8 подачи сжатого воздуха, а через управляемый клапан 9, подачи азота в режиме анаэробного культивирования, соединен с воздухоразделительным устройством 10, вход которого сообщен со штуцером 8. Емкость 1 снабжена штуцером 11 для вывода метаболитных газов из верхней полости емкости через управляемый клапан 12, каплеотделитель 13 и фильтр 14, обеспечивающий стерильность отводящихся газов. Выход фильтра 6 через управляемый клапан 15 подключен к штуцеру 16, подачи и отвода газа, во внутреннюю полость аэратора 17. Аэратор 17, выполнен в виде съемной цилиндрической емкости, с отверстиями 18, расположенными в нижней части аэратора, закреплен внутри емкости 1 и снабжен крышкой для загрузки в него насадки, например, в форме колец Рашига. Отверстия 18 в аэраторе обеспечивают возможность перетекания культуральной жидкости из емкости 1 в аэратор 17 и обратно под действием давления аэрирующего газа, что обеспечивается ее перемешивание и аэрация. Канал отвода метаболитных газов из внутреннего объема аэратора включает последовательно соединенные штуцер 16, клапан отсечки 19, пропускающий газовую и не пропускающий жидкую фазу, нормально закрытый управляемый клапан 20 и каплеотделитель 13. Ферментационная емкость 1 снабжена термостатирующей рубашкой 21 со штуцерами 22 и 23 и управляемым клапаном 24 для протока теплоносителя заданной температуры.
Подача стерильных питательных сред и инокулюма осуществляется через штуцер 25 и управляемый клапан 26, слив жидких продуктов культивирования осуществляется через штуцер 27 и клапан 28.
Для слива накопленной в нем жидкости каплеотделитель 13 соединен через управляемый клапан 29 со штуцером возврата 30 жидкости в ферментационную емкость.
Управление работой аппарата для культивирования микроорганизмов осуществляется устройством управления 31, которое реализует алгоритмы работы аппарата в аэробных и анаэробных условиях.
Аэратор 17 равномерно заполняется насадкой 32, количество которой определяется из условия получения требуемой площади контакта стекающей по насадке пленки культуральной жидкости и аэрирующего и перемешивающего газа по условиям газообмена.
Работа аппарата для культивирования микроорганизмов в аэробных условиях осуществляется следующим образом.
Аэратор 17 заполняют насадкой 32, например, в виде колец Рашига, и выполняют известные процедуры герметизации и стерилизации ферментационного оборудования и питательных сред, а также по подготовке инокулюма клеток. Подают теплоноситель требуемой температуры и включают клапана 24, устанавливая заданный температурный режим.
В ферментационную емкость 1 в асептических условиях через нормально закрытый (НЗ) клапан 26 и штуцер 25 вносят стерильную питательную среду и иноклюм посевных клеток, клапан 26 закрывают. Объем вносимой жидкой фазы должен быть приблизительно равен объему аэратора. Затем на устройстве управления 31 запускается режим аэрации, перемешивания и отвода метаболитных газов, при этом включается клапан 7 подачи воздуха и отключается клапан 9 подачи азота. Аэрирующий газ перед попаданием в ферментационную емкость очищается фильтром 6. Процесс аэрации, перемешивания и отвода метаболитных газов происходит путем попеременного включения - выключения устройством управления 31 НЗ двух пар клапанов 5 и 20; 15 и 12, при этом при включении первой пары клапанов культуральная жидкость из ферментационной емкости 1 перетекает в аэратор 17, а при включении второй пары жидкость из аэратора 17 возвращается в ферментационную емкость 1. Таким образом, алгоритм аэрации, перемешивания и отвода метаболитных газов включает два такта.
1. В рассматриваемый момент ферментационная емкость заполнена культуральной жидкостью, а аэратор опорожнен и предыдущий такт закончен, далее, согласно алгоритму, устройство управления открывает клапаны 5, 20, а клапаны 15, 12 закрывает. Аэрирующий газ, попадая в ферментационную емкость 1 через штуцер 4, вытесняет культуральную жидкость внутрь аэратора 17 через отверстия 18. Культуральная жидкость в аэраторе перемешивается, ее уровень повышается, и она вытесняет метаболитный газ, скопившийся в аэраторе 17, через штуцер 16, клапан отсечки 19, открытый клапан 20, каплеотделитель 13 и фильтр 14 в атмосферу.
Вытесняемая культуральная жидкость оставляет на стенках и других элементах конструкции ферментационной емкости 1 и аэратора 17 стекающие пленки, большая площадь которых обеспечивает интенсивный массообмен в пограничном слое «газ-жидкость». Повышенная интенсивность массообмена - насыщение пленки кислородом и отвод метаболитных газов - обеспечивается тем, что в пограничном слое за счет стекания пленки и подвижности газовой фазы разность концентраций растворенных газов в жидкости и в аэрирующем газе поддерживается предельно высокой, далекой от равновесной, на всем отрезке времени стекания культуральной жидкости. Клапан отсечки 19 не допускает выброса культуральной жидкости в каплеотделитель 13 в случае, если уровень культуральной жидкости в аэраторе 17 повышается выше уровня расположения штуцера 16.
2. В следующем такте по сигналам устройства управления 31 клапаны 5, 20 закрываются, а клапаны 15, 12 открываются. Аэрирующий газ поступает в аэратор 17 через штуцер 16, вытесняет культуральную жидкость из аэратора в ферментационную емкость 1 через отверстия 18. При этом культуральная жидкость перемешивается, и ее уровень в ферментационной емкости 1 поднимается, вытесняя тем самым отработанные метаболитные газы, скопившиеся над поверхностью жидкости, через штуцер 11, открытый клапан 12, каплеотделитель 13 и фильтр 14. Культуральная жидкость, заполняя ферментационную емкость 1, растворяет оставшиеся там обогащенные кислородом пленки. В то же время на элементах конструкции аэратора 17 и помещенных в него насадках также образуются стекающие пленки при вытекании из него культуральной жидкости, причем площадь стекающих пленок увеличивается за счет пленок, стекающих по поверхности всех насадок, что обеспечивает повышенный массообмен между жидкой и газовой фазами в процессе культивирования. Появляется возможность выбирать требуемый уровень массообмена изменением объема насадки, размещаемой в аэраторе 17. Кроме того, насадку можно размещать также в ферментационной емкости 1, соблюдая условие, при котором объем полости внутри аэратора 17 примерно равнялся объему ферментационной емкости 1 за вычетом объема, занимаемого аэратором 17.
Конденсат и капли жидкости, скопившийся в каплеотделителе 13 при протекании метаболитных газов, периодически сливаются обратно в ферментационную емкость при открытии НЗ клапана 29.
Период повторения тактов задается алгоритмом работы устройства управления 31 и зависит от времени стекания пленок, связанного с вязкостью культуральной жидкости, давления аэрирующего газа и допустимых воздействий на культуру микроорганизмов, требуемого массообмена. Такты 1 и 2 повторяются до тех пор, пока не закончится процесс культивирования. После завершения культивирования полученный продукт сливается через штуцер 27 и клапан 28.
Переход аппарата для культивирования микроорганизмов от работы с продуцентами в аэробных условиях к культивированию в анаэробных условиях осуществляется следующим образом. Аэрирующий газ, используемый для обеспечения кислородом и перемешивания культуральной среды, а также для отвода метаболитных газов при проведении аэробных процессов, для создания анаэробных условий заменяется на азот, который получают путем разделения воздуха в воздухоразделительной установке 10. Устройство управления 31 отключает клапан 7 подачи аэрирующего газа и включает клапан 9, через который азот поступает на вход фильтра 6. Алгоритм последующей работы аппарата в анаэробном режиме при использовании азота аналогичен описанному выше при аэробном режиме. Механизм стекающих пленок позволяет в этом случае интенсифицировать отвод из культуральной жидкости метаболитных газов, ингибирующих анаэробные ферментационные процессы, и тем самым повысить производительность.