АППАРАТ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МИЦЕЛИАЛЬНЫХ ФОРМ МИКРООРГАНИЗМОВ
APPARATUS FOR GROWING MYCELIAL FORMS OF MICROORGANISMS

Изобретение относится к устройствам для перемешивания и приготовления однородных суспензий и культивирования клеток микроорганизмов и может быть использовано в химической, целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности, биотехнологии и фармацевтике.
Известен аппарат для культивирования, в котором устройство для перемешивания среды выполнено в виде упругих цилиндрических сильфонов, соответствующих высоте циркуляционной обечайки, а их гофрированная поверхность выполнена по винтовой линии (SU №17422316, С12М 1/02, опубл. 30.06.1992).
Данный аппарат, несмотря на сравнительно сложную конструкцию все же не позволяет получить достаточную гомогенность твердой и газообразной фаз в основной жидкой среде в процессе эксплуатации аппарата, так как отсутствует полное перемешивание при наличии застойных зон, хотя и динамического характера образования. Кроме этого, представленная конструкция аппарата в процессе работы приводит к созданию условий, способствующих ввиду наличия много контактных областей суспензии и элементов конструкции разрушению с умерщвлением мицелия, что является закономерным результатом отсутствия «щадящего» технологического режима культивирования микроорганизмов.
Известен аппарат для культивирования клеток животного или растительного происхождения, содержащий цилиндрический корпус с крышкой, устройство для перемешивания культуральной жидкости и патрубки для подвода питательной среды и отбора биомассы, причем устройство для перемешивания культуральной жидкости выполнено в виде неподвижно установленного днищем вверх стакана с вертикальными прорезями в боковой стенке и конусообразными отверстиям в днище (SU №1025726, С13М 3/00, опубл. 30.06.1983).
Конструкция данного аппарата для культивирования клеток животного или растительного происхождения призвана обеспечить эффективность течения процесса фильтрации посредством предотвращения забивания клетками фильтрующих стенок камеры для отвода отработанной культуральной жидкости.
Что же касается непосредственно течения самого биологического процесса культивирования клеток животного или растительного происхождения, то представленная конструкция аппарата не может быть эффективно использована для выращивания микроорганизмов мицелиальных форм. В этом аппарате многократное воздействие перемешивающего устройства, выполненного в виде неподвижно установленного днищем вверх стакана с вертикальными прорезями в боковой стенке и конусообразными отверстиями в днище, является причиной, с одной стороны, порождения прогрессирующего процесса разрушения мицелия, а с другой, резкого падения эффективности процесса перемешивания культуральной жидкости, что не заставляет себя долго ждать, воздействуя на производительность в сторону ее уменьшения.
2
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является емкостной аппарат для выращивания мицелиальных форм микроорганизмов (RU №2005136536 А, МПК C12N 1/00, опубл. 27.09.2007), имеющий корпус, выполненный из двух частей, верхняя часть которого представляет тело вращения с образующей дугой радиуса, равного диаметру ротора, а сопрягаемая с ней симметрично нижняя часть с образующей в виде нижнего участка параболы вида: х=2Ру, загрузочное устройство, перемешивающее устройство в виде ротора шнекового типа с приводом. В верхней части рабочей емкости аппарата установлена направляющая воронка, представляющая собой пространственную геометрию гиперболоида вращения.
Недостатком данной конструкции является невозможность оказывать влияние на интенсивность перемешивания в верхней части аппарата, что приводит к не достаточной гомогенности приготовляемой суспензии в полости аппарата.
Изобретение решает следующие задачи: повышение степени перемешивания многофазных систем - тонкое мультиперемешивание при минимальной частоте вращения ротора, что в целом обеспечивает улучшение качества готового продукта и снижает затраты электроэнергии на его получение.
Технический результат заключается в повышении качества готового продукта при минимальной частоте вращения ротора и в повышении кпд за счет снижения затрат электроэнергии на единицу выпускаемой продукции. Это связано с тем, что происходит безотрывное перемешивание суспензии в верхней рабочей части корпуса аппарата при минимальном затрате времени на циркуляцию потока жидкости.
В верхней части корпуса аппарата устанавливается направляющий аппарат, состоящий из диаметрально противоположно расположенных направляющих лопаток. Лопатки установлены под углом от 15 до 20° к горизонтальной и вертикальной плоскостям. Это соответствует углам атаки потока жидкости, при которых поток обладает безотрывным движением, что позволяет снизить появление вихреобразования в верхней рабочей части корпуса аппарата и интенсифицировать процесс приготовления гомогенной массы.
2
Указанный технический результат достигается тем, что в аппарате для выращивания мицелиальных форм микроорганизмов, включающем перемешивающее устройство в виде ротора шнекового типа с приводом, корпус, выполненный из двух частей, в верхней части рабочей емкости установлен направляющий аппарат, нижняя часть представляет параболоид вращения вида х=2Ру, сопрягаемый с дугообразной верхней частью корпуса, крышку для загрузки исходных компонентов, на которой установлены технологические патрубки, а также патрубок отвода готового продукта, согласно изобретению направляющий аппарат состоит из диаметрально противоположно расположенных направляющих лопаток, установленных под углом от 15 до 20° к вертикальной плоскости и под углом от 70 до 75° к горизонтальной плоскости, а внутри к рабочей поверхности направляющего аппарата прикреплены направляющие планки, выполненные с возможностью изменения своей профилирующей формы путем их изгиба по длине в вертикальной плоскости.
Экспериментально установлено, что расположение лопаток направляющего аппарата под углом от 15 до 20° к вертикальной плоскости и под углом от 70 до 75° к горизонтальной плоскости является оптимальным для работы аппарата, т.к. течение потока при таких углах является безотрывным и на работу аппарата затрачивается минимальное количество электроэнергии. При установке лопаток в вертикальной плоскости под углом больше 20°, а в горизонтальной плоскости меньше 70° приводит к отрывности потока от стенок лопаток, в результате чего возникают «мертвые» застойные зоны в верхней части корпуса аппарата, что отрицательно сказывается на качестве перемешивания в целом. Установка лопаток в вертикальной плоскости под углом менее 15°, а в горизонтальной плоскости больше 75° оказывает влияние на увеличение сопротивления движения потока жидкости. Увеличение сопротивления потока жидкости приводит к увеличению потребления электроэнергии на работу аппарата.
На фиг.1 изображен аппарат для выращивания мицелиальных форм микроорганизмов; на фиг.2 - разрез А-А фиг.1; на фиг.3 - фронтальный вид направляющего аппарата; на фиг.4 - вид сверху направляющего аппарата; на фиг.5 - триметрия направляющего аппарата.
Аппарат для выращивания мицелиальных форм микроорганизмов имеет корпус 1, в котором в нижней его части по оси установлен ротор шнекового типа 2. Ротор 2 крепится на вертикальном валу 3, который с помощью ременной передачи, через шкив 4 приводится в движение от электродвигателя постоянного тока (на чертеже не указано). Крепление вертикального вала 3 выполнено в подшипниковом узле 5.
Для отвода полученной в аппарате суспензии имеется патрубок 6. Сверху корпус снабжен крышкой 7 для загрузки исходных компонентов, на которой установлены технологические патрубки 8 (подача жидкости, кислорода, питательной среды).
2
Корпус аппарата 1 в нижней части представляет параболоид вращения вида х=2Ру, сопрягаемый с дугообразной верхней частью корпуса. Внутри к рабочей поверхности аппарата прикреплены направляющие планки 9, имеющие возможность изменять свою профилирующую форму путем их изгиба по длине в вертикальной плоскости. В верхней части корпуса находится направляющий аппарат 10, состоящий из диаметрально противоположно расположенных направляющих лопаток, установленных под углом от 15 до 20° к горизонтальной и вертикальной плоскости (фиг.3, 4).
Аппарат для выращивания мицелиальных микроорганизмов работает следующим образом.
В корпус аппарата 1 через предварительно открытую крышку или технологические патрубки 8 подают исходные компоненты. Затем производят включение электродвигателя постоянного тока и посредством ременной передачи приводится во вращение вертикальный вал 3 с ротором 2.
В зависимости от качества получаемого продукта экспериментально подбирают количество оборотов ротора. Готовый продукт отводят через патрубок 6.
Потоки суспензии, выходящие с ротора 2, формируются в нижней части корпуса, выполненной по параболической кривой. Дальнейшее движение суспензии определяется воздействием дугообразной верхней части корпуса.
Организованные таким образом потоки динамически корректируют с помощью изменения профилирующей формы планок в рабочей части и направляющим аппаратом расположенного в верхней части корпуса.
Откорректированные по направлению и скорости потоки суспензии по кратчайшему пути направляются в затягивающую воронку, образующуюся при вращении ротора шнекового типа 2.
В предлагаемом аппарате имеет место интенсификация технологического процесса приготовления гомогенной суспензии или питательной среды за счет увеличения степени циркуляции суспензии в проточной рабочей полости емкостного аппарата периодического действия.
Кроме этого, в предлагаемом аппарате значительно снижаются непроизводительные энергетические потери благодаря снижению сил трения за счет исключения или существенного снижения вихреобразования и эффекта отрывности потока от корпуса аппарата в верхней его части за счет применения направляющего аппарата с направляющими лопатками.
В таблице 1 приведены данные результатов культивирования штамма 19/97М Streptomyces lateritius (ВКПМ Ас 1637) в емкостных аппаратах стандартной конструкции и предлагаемой.
Таблица 1.
Результаты культивирования штамма 19/97М Streptomyces lateritius (ВКПМ Ас 1637) в емкостных аппаратах различной конструкции.
Вид аппарата
Биомасса актиномицета S.lateritius 19/97М,г/л
Количество мертвой биомассы, %
16 часов
32 часов
48 часов
Базовый аппарат
0,883
1,290
1,501
65
Предлагаемый аппарат
1,717
1,963
2,025
12
Предлагаемая конструкция емкостного аппарата позволяет увеличить гомогенность питательной среды в рабочей проточной полости на горизонтальных подуровнях посредством регулируемого гидродинамического замыкания в меридиональной плоскости цепи ротор -дугообразный корпус - стационарные и регулируемые направляющие планки - направляющий аппарат - ротор. Вследствие этого значительно увеличивается производительность аппарата.