БИОРЕАКТОР ДЛЯ КУЛЬТИВАЦИИ АЭРОБНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
BIOREACTOR FOR CULTIVATING AEROBIC MICROORGANISMS

Изобретение относится к области биотехнологии, точнее к аппаратам (биореакторам) для выращивания (культивации) аэробных микроорганизмов.
Известны разнообразные конструкции биореакторов для культивирования аэробных микроорганизмов.
Известны биореакторы для выращивания аэробных микроорганизмов барботажного типа
Известен биореактор для интенсивного процесса выращивания аэробных микроорганизмов с применением барботера (патент РФ 2664860). Биореактор включает корпус с рубашкой теплообмена, четыре диска диспергации газов, поворотные отражательные перегородки, диск пеногашения с подачей культуральной жидкости на диск пеногашения, насос рециркуляции культуральной жидкости и барботер. Изобретение обеспечивает эффективную работу пеногасителя при переменных параметрах культуральной жидкости в периодическом процессе выращивания аэробных микроорганизмов и оптимальную для растущей популяции микроорганизмов скорости массообмена кислорода.
Известен биореактор для культивирования штамма растительных клеток барботажного типа, в котором перемешивание проводят путем барботажа при возрастающем расходе воздуха с 0,1 л/л мин по 1,5 л/л мин в течение цикла культивирования, (патент РФ 2377296)
Известен (GB, патент 1353008, опубл. 08.05.1974) аппарат для получения биомассы микроорганизмов, который выполнен из двух вертикально расположенных емкостей, между которыми организована циркуляция всей ферментационной среды за счет разности плотностей аэрированной и дегазированной жидкости. При этом аэрацию осуществляют с использованием барботера, расположенного в нижней части одной из емкостей.
В барботажных колоннах воздух перемешивает жидкость, его подают под давлением в нижнюю часть биореактора; по мере подъема пузырьки воздуха объединяются, что влечет неравномерное его распределение. Кроме того, подача воздуха под высоким давлением приводит к сильному пенообразованию и энергозатратам при невысокой продуктивности.
Известен эрлифтный петлевой биореактор, содержащий главный реактор, линию циркуляции газов, газовый насос, рубашку, впуск газа, выпуск газа, направляющую потока, расходомер газов, устройство загрузки и отверстие выгрузки, (патент РФ 2411288). Внутренний газ используется в качестве движущей силы циркуляции, т.е. газы направляются по линии циркуляции газов обратно в нижнюю часть биореактора после прохождения из верхней части биореактора, повторно вводятся в биореактор газовым насосом и снова используются в качестве движущей силы циркуляции. Эрлифтный петлевой биореактор является биореактором, который использует газы в качестве движущей силы для перемешивания и циркуляции жидкостей со скоростью не позволяющей использовать его в качестве аппарата для получения биомассы микороорганизмов.
Известен биореактор для проведения процесса выращивания метанутилизирующих микроорганизмов (патент РФ 2607782) с возможностью использования метансодержащего газа и кислородсодержащего газа в качестве субстратов для роста клеток, который наиболее близок к заявляемому.
Биореактор представляет собой вертикальный цилиндрический корпус, ограничивающий внутренний реакционный объем биореактора, с крышкой, днищем и центральной циркуляционной трубой. В верхней части корпуса биореактора, на противоположных сторонах, расположены два закрытых сектора, образующие внешний реакционный объем, в которые сверху поступают газы, а снизу, посредством насосов, культуральная жидкость с днища реактора. Секторы снабжены мешалками, размещенными на уровне жидкости, с перемешивающими лопастями в виде чередующихся перфорированных пластин и сетчатых элементов обеспечивающими интенсивное диспергирование газовой фазы в ферментационной жидкости. В корпус сверху вводят необходимые для выращивания метанутилизирующих микроорганизмов компоненты, газожидкостную дисперсную среду секторов через центральную циркуляционную трубу, и снизу отбирают целевой продукт.
Известные биореакторы имеют недостаточную диспергированность газовой фазы, турбулизацию среды и низкую поверхность контакта фаз газ-жидкость, не создают эффективного распределения дискретной фазы мало растворимого газа или смесей газов в сплошной водной фазе - водяном растворе культуральной жидкости, в связи с чем транспорт газообразных источников роста клеток не обеспечивает их эффективного развития и наращивания биомассы клеток микроорганизмов вследствие чего биореакторы малопродуктивны.
В основу изобретения положена задача создать биореактор для культивации аэробных микроорганизмов позволяющий продуктивно выращивать микробную белковую массу.
Технический результат заключается в повышении насыщения культуральной среды микроорганизмами за счет повышения диспергированности газовой фазы, ламинарного перемещения среды, увеличении поверхности контакта фаз газ-жидкость и продолжительности межфазного усвоения микроорганизмами газообразных питательных веществ
Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что биореактор для культивации аэробных микроорганизмов содержит конфузорный корпус с днищем и цилиндрической емкостью - крышкой, и отбором насыщенной культуральной среды внизу, по периметру днища, центральную конфузорную воронку, соосную корпусу, лопастную мешалку, расположенную в основании воронки, с поступлением под нее жидкостной культуральной среды, генератор микропузырьков газа, содержащий диск с распределительными фильерами и обводом по профилю воронки, соединенный с мешалкой, и с подачей газо-воздушной среды под диск генератора и ламинарным газлифтингом культуральной среды микропузырьками и фазным усвоением микроорганизмами газообразных питательных веществ, причем профиль воронки сужается кверху где сопряжен с цилиндрической емкостью - крышкой, а основание приподнято над днищем корпуса, что сообщает полости воронки и корпуса и обеспечивает циркуляцию газо-жидкостной культуральной среды внутри реактора и фазное насыщение культуральной среды микроорганизмами
Целесообразно, чтобы конфузорная воронка имела профиль, рассчитанный с учетом скорости растворения газов и поглощения их микроорганизмами, и обеспечивающий постоянную скорость газлифтного подъема среды.
Целесообразно также, чтобы генератор микропузырьков генерировал пузырьки, размер которых составлял от 0.2 до 0.6 мм.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием и чертежом (Фиг. 1), на котором представлен биореактор для культивации аэробных микроорганизмов, согласно изобретению.
Биореактор содержит вертикально ориентированный конфузорный корпус 1 с днищем 2, цилиндрической емкостью - крышкой 3, портом ввода исходной культуральной среды внутрь реактора, портами отбора насыщенной микрооорганизмами культуральной среды снизу, по периметру днища корпуса реактора, и ограничивающий в целом реакционный объем биореактора. Цилиндрическая крышка 3 имеет отверстие, позволяющее отводить газообразные метаболиты
Соосно, по центру, внутри корпуса 1 биореактора, расположена конфузорная воронка 4 в основании которой расположена лопастная мешалка 5, генератор микропузырьков газа, содержащий диск 6 с распределительными фильерами и обводом согласно профилю воронки в месте расположения, соединенный клипсой 7 с мешалкой 5, и порт ввода газо-воздушной среды, например, воздушно-метановой, содержащей метан и кислород, а противоположный основанию конец 8 воронки сопряжен с цилиндрической емкостью - крышкой 3. Основание воронки 4 приподнято над днищем 2, например, на ножках 8, и создавая поступление жидкой культуральной среды внутрь в реакционную полость воронки.
Подача газо-воздушной среды под диск 6 генератора создает ламинарный газлифтинг культуральной среды микропузырьками и фазное усвоение микроорганизмами газообразных питательных веществ.
Причем профиль воронки 4 сужается кверху где сопряжен с цилиндрической емкостью - крышкой 3, а основание приподнято над днищем корпуса, что сообщает полости воронки и корпуса и обеспечивает циркуляцию газо-жидкостной культуральной среды внутри реактора и фазное насыщение культуральной среды микроорганизмами
Конфузорная воронка 4 служит для газлифтного поднятия среды и усвоения газов микроорганизмами.
Конфузорная воронка 4 сужается кверху и при этом имеет профиль, рассчитанный с учетом скорости растворения газов и поглощения их микроорганизмами, обеспечивающий постоянную скорость поднятия потока по сужающемуся проходу с достаточно низкой скоростью, чтобы обеспечить ламинарный поток в среде-носителе микропузырьков газа, (например, метансодержащего газа и кислородсодержащего газа), в качестве субстратов для роста клеток и движущей силы и фазного насыщения культуральной среды микроорганизмами
Профиль корпуса 1 идентичен профилю воронки 4.
Основание воронки 4 приподнято над днищем 2, например, на ножках 8, что создает поступление жидкой культуральной среды в реакционную полость воронки.
Генератор микропузырьков газов генерирует пузырьки размер которых не позволяет им коагулировать.
В зависимости от реологических свойств культуральной среды и поверхностной активности микроорганизмов, такие размеры составляют от 0.2 до 0.6 мм.
Малые размеры пузырьков, в среднем 0.4 мм, обеспечивают малую скорость их всплытия и газлифтного поднятия жидкой культуральной среды в реакционной полости воронки, составляющую 0.05-0.2 м/с. Эта скорость, по сравнению с применяющимися сейчас в биореакторах пузырьках размером 2-3 мм и скоростью всплытия 0.5-0.7 м/с, значительно снижена,
Кроме обеспечения малой скорости всплытия (и продолжительного контакта пузырьков со средой) малые размеры пузырьков обеспечивают значительно большую площадь контакта (пропорционально третьей степени отношения диаметров), что в целом увеличивает усвоение микроорганизмами газообразных питательных веществ и повышение насыщения культуральной среды микроорганизмами, что в свою очередь повысит продуктивность культивирования биологической белковой массы.
Биореактор работает следующим образом. Жидкая питательная среда, содержащая в начальной стадии засевную культуру микроорганизмов, подается в порт в верхней части корпуса 1 реактора, вплоть до заполнения реактора до установленного уровня. Мешалка при этом работает на пониженных оборотах (10-30% от номинала).
Генератор микропузырьков во время заполнения реактора поддерживает минимальное противодавление для недопущения попадания жидкости в распределительные фильеры генератора.
По достижении установленного уровня включается подача газа с минимальным давлением, обеспечивающим образование микропузырьков.
Образованные микропузырьки средним размером 0, 4 мм захватывают культуры микроорганизмов, содержащей питательные вещества, и с постоянной скоростью 0.05-0.2 м/с поднимаются по сужающемуся проходу воронки 4. Происходит газлифтное поднятие среды, растворение газов в среде и усвоения газов клетками микроорганизмов.
Микропузырьки служат для в качестве субстратов для роста клеток и движущей силы для перемешивания и циркуляции жидкостей со скоростью, не позволяющей им склеиваться.
При их сонаправленным с культуральной средой перемещением культивируется микробная белковая масса.
Всплывшие пузырьки и поднятая среда достигают цилиндрической емкости 3 корпуса 1 откуда, охлаждаясь, стекают ниспадающим потоком к днищу 2 корпуса 1, смешиваются с культуральной жидкостью внизу в корпусе биореактора и совершают следующий цикл-петлю газлифтного подъема и культивирования биомассы. По достижении номинальной плотности микроорганизмов в культуральной жидкости, ее отбирают через порты, расположенные снизу, по периметру днища 2 корпуса 1 реактора, далее она подвергается центрифугированию и отбором сухой биомассы.
Изобретение может быть в частности использовано для получения микробной белковой массы путем захвата культуры штамма микроорганизмов в питательной среде пузырьками воздушно-метановой атмосферы, содержащей метан и кислород.