АППАРАТ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ФЕРМЕНТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

Полезная модель относится к области суспензионного культивирования клеток и микроорганизмов с использованием жидких и твердых субстратов с целью получения биологически активных веществ и может быть использовано в пищевой, медицинской и научно - исследовательской практике, а также, при решении экологических проблем.
Известен «Аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей и микроорганизмов» (RU 2 270 245 C1, Бюл. N5), включающий ферментационную емкость с крышкой и патрубками, соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды, и устройство для аэрации и перемешивания культуральной жидкости, при этом последнее содержит контур аэрирующего газа, состоящий из трубопровода и размещенного над его выходным отверстием внутри емкости экрана, расположенного горизонтально для образования под ним газовой подушки и установленного с зазором к стенкам емкости, а также средство создания колебаний газовой подушки для перемешивания культуральной жидкости и регулятор расхода газа, сообщенный с указанным трубопроводом, при этом средство создания колебаний газовой подушки содержит пульсатор с подвижной диафрагмой для создания возвратно-поступательного движения потока газа в газовую подушку под экраном.
Эффективность работы устройства для аэрации и перемешивания рабочей жидкости в известном аппарате, зависит для аэрации, от величины площади поверхности фазового раздела, газ - жидкость, образованной под экраном, а эффективность перемешивания жидкости, от объема и частоты ее перемещений в аппарате, и на практике реализуется при загрузке ферментационного аппарата не более чем на 50% объема, так как в противном случае рабочая жидкость при вытеснении из-под экрана, может быть вытеснена за пределы аппарата, что может привести к нарушению условий проводимого процесса и экономическим потерям. Кроме того, ограниченная загрузка ферментационного аппарата существенно снижает его производительность. Для сохранения эффективности газообмена в условиях повышения рабочего объема аппарата, необходимо пропорционально увеличить площадь контакта жидкости с газом под экраном, что приведет к снижению частоты реверсивного протока жидкости между экраном и стенками аппарата и, как следствие, к снижению качества целевых продуктов. За прототип выбран «Аппарат для культивирования клеток и микроорганизмов» (RU 69518 U1, Бюл. N36).
Аппарат содержит две ферментационные емкости с крышками и патрубками для подачи аэрирующего газа и отвода газовой среды. Емкости снабжены матриксами, свободно размещенными в полости каждой емкости, при этом емкости сообщены между собой трубопроводом нижнего слива и соединены трубопроводами с управляемыми клапанами с патрубком для подачи аэрирующих газов.
Кроме того, аппарат содержит:
- насос для ввода в первую ферментационную емкость питательных растворов и посевной культуры;
- буферную емкость, соединенную трубопроводом с патрубком отвода газовой среды и трубопроводами с встроенными управляемыми клапанами с ферментационными емкостями и шлюзовой камерой, при этом шлюзовая камера соединена трубопроводами с встроенными управляемыми клапанами с патрубками слива и сбора получаемых продуктов;
- корпус каждой емкости выполнен в виде отрезка трубы с теплообменной рубашкой и имеет горизонтальное рабочее положение;
- матрикс выполнен из сетчатого гофрированного полотна, свернутого в спираль;
- гофрированное полотно матрикса может иметь пленочное напыление из питательных веществ или сорбентов;
- матрикс содержит нерастворимые компоненты питательной среды, размещенные в межвитковом пространстве спирали.
Известный аппарат может быть использован для проведения как жидкофазных, так и твердофазных ферментационных процессов.
Высокая эффективность массообменных процессов в известном аппарате достигается при использовании в ферментационных процессах малых объемов рабочей жидкости, однако это противоречит условиям высокой производительности аппарата, важным фактором которой, является объем рабочей жидкости.
При увеличении рабочего объема аппарата возрастают:
- расход аэрирующих газов, необходимый для вытеснения рабочей жидкости из одной емкости в другую, что повышает нагрузку на бактериальные фильтры газов и снижает асептическую надежность аппарата;
- время протока рабочей жидкости из одной ферментационной емкости в другую, что существенно снижает частоту обмена жидкости между емкостями, обеспечивающую эффективность массообменных процессов.
Перемешивание рабочей жидкости осуществляется посредством реверсивного протока жидкости по трубопроводу, соединяющему ферментационные емкости. Такие условия позволяют эффективно перемешать рабочую жидкость в малых объемах. При увеличении рабочего объема, эффективность перемешивания жидкости существенно снижается из-за увеличения времени протока жидкости из емкости в емкость и горизонтального рабочего положения ферментационных емкостей, создающего «карманы» мало подвижной жидкости удаленные от перепускного трубопровода.
Загрузка ферментационного аппарата рабочей жидкостью составляет не более чем 50% объема, так как в противном случае рабочая жидкость при вытеснении из одной емкости в другую, будет вытеснена за пределы аппарата, что может привести к нарушению условий проводимого процесса и экономическим потерям. Кроме того, ограниченная загрузка ферментационного аппарата существенно снижает производительность.
Работа аппарата осуществляется с использованием двух ферментационных емкостей, что существенно повышает установочные размеры, металлоемкость и стоимость аппарата.
Технический результат заключается в интенсификации ферментационных процессов, путем повышения эффективности массообмена в процессе культивирования в условиях высокой производительности аппарата.
Указанный результат достигается тем, что в аппарате для проведения ферментационных процессов, включающем горизонтально расположенную ферментационную емкость с теплообменной рубашкой, заглушками и штуцерами, соответственно, для подачи аэрирующего газа, отвода газовой среды, ввода посевной культуры и питательных растворов, слива готового продукта, насос, для ввода в емкость посевной культуры и питательных растворов, буферную емкость, соединенную трубопроводом со штуцером отвода газовой среды и трубопроводами со встроенными управляемыми клапанами с ферментационной емкостью и шлюзовой камерой, сообщенной трубопроводами с управляемыми клапанами, соответственно, со штуцером слива готового продукта и штуцером канализационного слива, матрикс, для проведения твердофазной ферментации и прибор управления, ферментационная емкость выполнена в виде «тройника» с фланцами, причем два противоположных конца емкости закрыты заглушками, а на третьем конце емкости установлено устройство для перемешивания рабочей жидкости, содержащее камеру для сжатого воздуха, закрепленную через упругую мембрану на фланце и снабженную штуцером подачи сжатого воздуха, толкатель, расположенный по центру герметизируемого отверстия и жестко соединенный с мембраной и платформой, размещенной внутри емкости, с зазорами к ее стенкам, и имеющей перфорацию в виде «колец Рашига»; а также тем что, матрикс закреплен на перфорированной платформе;
а также тем, что прибор управления снабжен генератором импульсов сжатого воздуха.
Применение перемешивающего устройства, выполненного в виде подвижной платформы, площадь которой перфорирована отверстиями по подобию «колец Рашига», позволяет существенно улучшить процесс перемешивания рабочей жидкости и увеличить объем загрузки аппарата при проведении жидкофазных процессов, что способствует повышению качества целевых продуктов и производительности аппарата.
Разделение процессов аэрации и перемешивания рабочей жидкости позволяет повысить управляемость ферментационным процессом и существенно сократить расход аэрирующих газов на его проведение и снизить нагрузку на бактериальные фильтры газов, обеспечивающих асептическую надежность аппарата.
Возможность размещения матрикса с твердым субстратом на подвижной платформе, позволяет проводить жидкофазные и твердофазные процессы в аппарате с одной ферментационной емкостью, что существенно снижает размер, металлоемкость и стоимость аппарата.
Использование описанного привода, позволяет существенно расширить частотную характеристику реверсивного движения платформы и, как следствие повысить эффективность массообменных процессов.
На фиг.1 схематично изображен аппарат для проведения ферментационных процессов.
Аппарат содержит ферментационную емкость 1 с фланцами 2, заглушки 3, установленные с двух противоположных сторон емкости, теплообменную рубашку 4, установленную на емкости 1, штуцер 5 для ввода аэрирующих газов, штуцер 6 для ввода питательных растворов и посевной культуры, штуцер 7 для отвода отработанных газов из ферментационной емкости, штуцер 8 для слива готового продукта, фланец 9, устройство для перемешивания рабочей жидкости, включающее камеру 10 для сжатого воздуха, установленную на фланце 9, упругую мембрану 11, закрепленную между фланцем 9 и камерой 10, толкатель 12, жестко закрепленный на мембране по оси герметизируемого отверстия емкости 1, платформу 13, жестко соединенную со свободным концом толкателя 12, расположенную внутри ферментационной емкости с зазором к стенкам емкости и снабженную отверстиями 14, выполненными в виде «колец Рашига», щтуцер 15 для подачи сжатого воздуха в устройство для перемешивания рабочей жидкости, матрикс 16, насос 17, буферную емкость 18, штуцер 19 для отвода отработанных газов из буферной емкости, шлюзовую камеру 20, управляемые клапаны 21; 22; 23; 24, 25, прибор 26 управления, штуцеры 27; 28; 29; 30; 31; 32; 33 для подключения внешних обслуживающих систем.
Корпус ферментационной емкости 1 выполнен в виде «тройника», торцевые отверстия которого снабжены фланцами 2 и 9 и имеет горизонтальное рабочее положение.
Матрикс 16 выполнен, например, в виде перфорированного контейнера или сетчатого гофрированного полотна и может иметь пленочное напыление из питательных веществ или сорбентов. Он устанавливается на платформе 14 в режиме проведения процесса твердофазной ферментации.
Насос 17 соединен с штуцерами 6 и 28 и обеспечивает подачу питательных растворов и посевной культуры в емкость 1.
Буферная емкость 18 соединена со штуцером 7 для отвода отработанных газов из ферментационной емкости, со штуцером 29 для подключения к анализатору отработанных газов (на фиг.1 не показан) или сброса газов в атмосферу и через управляемый клапаном 21 со шлюзовой камерой 20.
Шлюзовая камера 20 через управляемые клапаны 22, 23, 24 и 25 соединена, соответственно, с ферментационной емкостью 1, со штуцером 30 для подачи водяного пара, со штуцером 31 для подключения к сборнику продуктов ферментации, и со штуцером 32 для подключения к канализационному сливу.
Прибор 26 управления снабжен генератором импульсов сжатого воздуха, обеспечивающего работу устройства перемешивания рабочей жидкости, и соединен со штуцером 15.
Управляющие шины прибора 26 управления соединены с управляемыми клапанами 22-25 и с насосом 17.
Аппарат позволяет реализовать жидкофазные и твердофазные процессы ферментации. Жидкофазные процессы проводят без применения матрикса 16.
Перед реализацией ферментационных процессов, к аппарату подключают (на фиг.1 не показаны):
- источник аэрирующих газов через штуцер 27;
- источники питательных растворов и посевной культуры через штуцер 28;
- анализатор отработанных газов или сброс газов в атмосферу через штуцер 29;
- источник водяного пара через штуцер 30;
- сборник продуктов ферментации через штуцер 31;
- канализационный слив через штуцер 32;
- источник сжатого воздуха через штуцер 33.
При реализации жидкофазных процессов, после выполнения указанных подключений, в емкость 1 через патрубок 6 посредством насоса 17 вносят питательный раствор и посевную культуру в заданных объемах. Через патрубок 5, емкость 1, патрубок 7, буферную емкость 18 и штуцер 19 устанавливают проток газов с заданным расходом, а в теплообменной рубашке 4 поддерживают заданную температуру носителя. На приборе 26 управления, задают программы работ перемешивающего устройства, насоса 17 и шлюзовой камеры 20.
После запуска указанных программ, через штуцер 15 в камеру 10 непрерывно поступают импульсы сжатого воздуха, воздействие которых приводит в движение упругую мембрану 11, жестко закрепленные на ней толкатель 12 и платформу 13.
Мембрана 11, толкатель 12 и платформа 13 совершают возвратно-поступательное движение с заданной частотой, при этом перемещение платформы сопровождается реверсивным протоком рабочей жидкости через отверстия 14, выполненные в виде «колец Рашига», обеспечивающих оптимальные условия перемешивания жидкости в емкости 1.
Интенсификация газообмена рабочей жидкости в указанных условиях происходит за счет активной турбулентности жидкости, созданной струями жидкости, сформированными в отверстиях 14 при движении платформы 13 и вентиляции поверхности раздела фаз газ-жидкость, которая осуществляется протоком газов через емкость 1.
Геометрическая форма и горизонтальное положение аппарата позволяют существенно увеличить площадь контакта газов с жидкостью и обеспечить эффективное перемешивание рабочей жидкости без образования застойных зон, что способствует повышению качества получаемых целевых продуктов.
Процесс ферментации сопровождается исполнением программ, реализуемых прибором 26 управления:
- ввода в емкость 1 титрующих или питательных растворов посредством насоса 17;
- слива продуктов ферментации посредством работы шлюзовой камеры 20.
В процессе ферментации в емкость 1 через насос 17 поступают титрующие и питательные растворы, что увеличивает исходный рабочий объем аппарата, который компенсируется объемом слива продуктов ферментации из емкости 1 посредством работы шлюзовой камеры 20.
Программа работы шлюзовой камеры 20 реализуется выполнением следующих процедур.
Процедура 1.
Открываются управляемые клапаны 23 и 24, при этом через штуцер 30, шлюзовую камеру 20 и клапан 24 продувается насыщенный водяной пар, который через штуцер 32 отводится в канализационный слив. Такое состояние выдерживается заданное время, по истечении которого клапаны 32 и 23 закрываются и шлюзовая камера 20 охлаждается окружающим воздухом до создания в камере 20 пониженного атмосферного давления.
Процедура 2.
Открывается управляемый клапан 22 и камера 20 полностью заполняется жидкими продуктами ферментации, поступающими из емкости 1 через сливной патрубок 8 и открытый клапан 22.
Процедура 3.
Клапан 22 закрывается, и открываются управляемые клапаны 21 и 25. Продукт ферментации из камеры 20 вытесняется отработанными газами, поступающими из емкости 18 через клапан 21, и через клапан 25 и штуцер 31 поступает в сборник продуктов ферментации. После полного слива продуктов ферментации из камеры 20, клапаны 25 и 21 закрываются.
После выполнения процедуры 3, выполняется процедура 1, после завершения которой, выдерживается заданная временная пауза и процесс повторяется с процедуры 2 до ручной остановки программы работы шлюзовой камеры 20.
При проведении ферментационных процессов буферная емкость 18 выполняет функции сборника капельной жидкости, которая в потоке отработанных газов может попасть через штуцер 7 в буферную емкость 18 и фракционного разделителя газов от жидкости, что способствует повышению асептической защиты проводимых процессов от загрязнений посторонней микрофлорой. Жидкость, накопленная в емкости 18, разгружается в сборник продуктов ферментации в процедуре разгрузки камеры 20.
Твердофазные процессы проводятся по технологии жидкофазных процессов. Основным отличием является использование в твердофазных процессах матриксов 16.
Перед ферментацией матрикс 16 заполняют твердым субстратом, закрепляют на платформе 13 и стерилизуют вместе с аппаратом в автоклаве или проточным паром.
В емкость 1, насосом 17 вносят питательный раствор в объеме необходимом для погружения платформы 13 в жидкость и посевную культуру. Через патрубок 5, емкость 1, патрубок 2 и буферную емкость 18 продувают аэрирующий газ с заданным расходом. После выполнения указанных процедур, на приборе 26 управления задают частоту колебаний платформы 13 и запускают программу ферментации твердого субстрата.
При выполнении указанной программы, платформа 13 выполняет возвратно-поступательное движение, активно перемешивая рабочую жидкость в емкости 1.
Твердый субстрат, при перемещении платформы 13 смачивается брызгами рабочей жидкости по поверхности матрикса 16, что способствует образованию множественных точек роста клеток - продуцентов целевых продуктов. В процессе твердофазной ферментации, протекающей в матриксе 16, поддерживается необходимая влажность и газообмен за счет постоянной вентиляции емкости 1 и движения платформы 13.
Эффективность твердофазного процесса достигается за счет применения матрикса 16, выполненного в виде перфорированного контейнера и управления частотой перемещения платформы 13 с матриксом 16 в емкости 1 при активной вентиляции внешней поверхности матрикса 16 аэрирующим газом, продуваемым через газовую полость емкости 1.