Биореактор для интенсивного процесса выращивания аэробных микроорганизмов
BIOREACTOR FOR THE INTENSIVE PROCESS OF GROWING AEROBIC MICROORGANISMS

Изобретение относится к области биотехнологии и может быть использовано для выращивания аэробных микроорганизмов.
3
Из предшествующего уровня техники известно перемешивающее устройство для многофазных сред, содержащее горизонтальные перфорированные диски, укрепленные на вертикальном валу, и привод, отличающееся тем, что, с целью снижения удельных затрат энергии на межфазный перенос компонентов среды, диски выполнены с радиальными гофрами, установлены на валу с возможностью вращения, а минимальное количество гофров на диске определено соотношением, выражающем частоту пульсаций (RU 2021849 C1, B01F 7/16, C12M 1/02, 30.10.1994). Отличием от данного устройства является то, что ярусы мешалки биореактора небольшой высоты (не более 0,1 от диаметра мешалки), что позволяет более равномерно распределить вводимую энергию за счет установки 4 и более ярусов и обеспечить интенсивность массообмена кислорода на уровне более 10 кг/м⋅час (при указанной выше постоянной скорости вращения, обеспечивающей работу гидромеханического устройства пеногашения).
3
Из предшествующего уровня техники известна установка для выращивания микроорганизмов, включающая колонну со съемной крышкой, патрубком отвода воздуха, штуцером для слива культуральной жидкости и промывных вод, патрубками подачи питательной среды, титрующего агента и засевной культуры, размещенную в колонне многоярусную дисковую мешалку с приводом, аэратор, отличающаяся тем, что колонна состоит из двух цилиндрических емкостей, размещенных одна над другой, причем верхняя емкость выполнена большего диаметра для размещения в ней в транспортном положении установки нижней емкости для выращивания маточной культуры и имеет укрепленный в нижней части фланец с болтами крепления и герметизации емкостей, вал дисковой мешалки выполнен составным, нижняя часть которого выполнена трубчатой и размещена в емкости для выращивания маточной культуры, а верхняя часть - в виде сплошного цилиндра, укрепленного в съемной крышке установки и вставленного в нижнюю трубчатую часть составного вала мешалки с возможностью перемещения относительно друг друга, на верхней цилиндрической части вала дисковой мешалки установлен диск с возможностью перемещения вдоль вала и фиксации его посредством штифтов на заданной высоте, а на нижней трубчатой части вала дисковой мешалки диски размещены по концам трубчатой нижней части, при этом установка снабжена размещенными под фланцем верхней емкости подъемными механизмами для совмещения емкостей друг с другом в рабочем положении установки (RU 2408720 C1, C12M 1/02 (2006.01) C12M 1/04 (2006.01), 10.01.2011). Отличием от данного устройства является то, что ярусы мешалки биореактора небольшой высоты (не более 0,1 от диаметра мешалки), что позволяет более равномерно распределить вводимую энергию за счет установки 4 и более ярусов и обеспечить интенсивность массообмена кислорода на уровне более 10 кг/м⋅час (при указанной выше постоянной скорости вращения, обеспечивающей работу гидромеханического устройства пеногашения).
3
Наиболее близким аналогом является гидромеханический способ гашения пены в ферментерах (статья Шевченко В.Т., Печуркин Н.С. В сб. Управляемый биосинтез и биофизика популяций. Красноярск, 1969, с. 230-231). Отличиями предлагаемого устройства от данного способа является то, что ярусы мешалки небольшой высоты (не более 0,1 от диаметра мешалки), что позволяет более равномерно распределить вводимую энергию за счет установки 3 и более ярусов и обеспечить интенсивность массообмена кислорода на уровне более 10 кг/м⋅час (при указанной выше постоянной скорости вращения, обеспечивающей работу гидромеханического устройства пеногашения), отражательные перегородки установлены на осях с возможностью изменения положения в процессе выращивания микроорганизмов на 90 градусов, что позволяет не менее чем в 20 раз изменять вводимую мощность без изменения скорости вращения вала и диска пеногашения, обеспечивая устойчивое гашение пены в любой момент времени по ходу периодического процесса (при изменяющейся биомассе, интенсивности пенообразования, потребности культуры в кислороде), электропривод подключен к единому ведущему валу поворота перегородок, а вращение передается на ведомые перегородки с помощью штифтов, установленных на расположенном выше кольце.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в обеспечении эффективной работы устройства гидромеханического гашения пены при переменных параметрах культуральной жидкости в периодическом процессе выращивания аэробных микроорганизмов и оптимальной для растущей популяции микроорганизмов скорости массообмена кислорода.
Данная задача решается за счет того, что биореактор для интенсивного процесса выращивания аэробных микроорганизмов состоит из корпуса биореактора с рубашкой теплообмена, вала перемешивающего устройства, диска деспергации газа (ярус мешалки), поворотной отражательной перегородки, вала привода поворотного механизма отражательных перегородок, узла уплотнения вала привода отражательных перегородок, узла уплотнения вала перемешивающего устройства, диска погашения, кольца механизма поворота отражательных перегородок со штифтами, штуцера отвода отработанного воздуха, штуцера подачи культуральной жидкости на диск пеногашения, шестерни «звездочки» поворота отражательных перегородок, опорные подшипниковые узлы отражательных перегородок, насоса рециркуляции культуральной жидкости, барботера, патрубка подвода воздуха, привод вала мешалки обеспечивает скорость движения ободов дисков диспергации газа (ярусов мешалки) не менее чем 5 м/с, привод поворота отражательных перегородок выполнен в виде кольца, расположенного под крышкой аппарата, перегородки приводятся во вращательное движение штифтами, входящими в пазы кольца, кольцо приводится во вращение за счет поворота оси одной из перегородок, остальные оси привода не имеют, отражательные перегородки установлены на осях, расположенных по средней линии перегородок, и могут поворачиваться на угол 90 градусов, гофрированные перфорированные диски для диспергации газа имеют высоту не более 0,1 D, где D - диаметр мешалки.
Техническим результатом является обеспечение интенсивности процесса массопередачи кислорода, соответствующей потребности в кислороде растущей до высокой плотности популяции аэробных микроорганизмов за счет исключения применения химических пеногасителей, создающих дополнительное диффузионное сопротивление массопередаче кислорода от газовой фазы в жидкую; кольцо, обеспечивающее поворот отражательных перегородок, предотвращает налипание микробной массы на вышерасположенные стенки и крышку биореактора.
Изобретение поясняется чертежом, а именно Фиг. 1:
1 - корпус биореактора с рубашкой теплообмена;
2 - вал перемешивающего устройства;
3 - диск диспергации газа (ярус мешалки);
4 - поворотная отражательная перегородка;
5 - вал привода поворотного механизма отражательных перегородок;
6 - узел уплотнения вала привода отражательных перегородок;
7 - узел уплотнения вала перемешивающего устройства;
8 - диск погашения;
9 - кольцо механизма поворота отражательных перегородок со штифтами;
10 - штуцер отвода отработанного воздуха;
11 - штуцер подачи культуральной жидкости на диск пеногашения;
12 - шестерни «звездочки» поворота отражательных перегородок;
13 - опорные подшипниковые узлы отражательных перегородок
14 - насос рециркуляции культуральной жидкости;
15 - барботер;
16 - патрубок подвода воздуха.
Изобретение работает следующим образом:
В биореактор заливается питательная среда, вносится посевная культура микроорганизмов, включается подача воздуха и привод мешалки. При этом гашение возникающей пены производится за счет механического воздействия диска пеногашения на пену, а также за счет быстро летящих капель культуральной жидкости с верхней поверхности диска пеногашения, куда она подается рециркуляционным насосом. Кроме того, происходит образование капель культуральной жидкости из пены, попадающей в зазор между нижней стороной диска пеногашения и плоскостью кольца привода отражательных перегородок. В начале процесса избыток кислорода не только не нужен, но и может снижать эффективность процесса, повышая долю субстрата, окисляемую до углекислого газа. Поэтому предусмотрена возможность поворота отражательных перегородок вокруг оси на 90 градусов, т.е. от радиального положения до положения, параллельного обечайке. При этом гидродинамическое сопротивление перегородок изменяется более чем в 20 раз. Это достаточный диапазон регулирования мощности мешалки, обеспечивающий оптимальное ведение процесса при росте концентрации биомассы от 2-3 до 100 г/л. При этом при любой концентрации биомассы гидромеханическая система гашения пены работает стабильно и постоянно с одной скоростью (максимальной) без перерасхода энергии и без необходимости регулирования скорости вращения двигателя привода мешалки.
Область применения: все периодические процессы, в которых используются аэробные микроорганизмы, например, 1) выращивание посевных культур в производствах спирта, кормовых дрожжей, аминокислот, органических кислот, витаминов и других продуктов микробиологического синтеза, 2) проведение периодических процессов культивирования - большинство процессов биосинтеза аминокислот, ферментов, витаминов являются периодическими.