УСТАНОВКА ДЛЯ ФЕРМЕНТАЦИИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Установка предназначена для комплексной реализации процессов биосинтеза целевых ферментов и ферментативного гидролиза растительного сырья для получения раствора сахаров и может найти широкое применение в биотехнологии, исследовательской практике, в процессах выращивания биомассы продуцентов и производстве биологически активных веществ.
Известен способ переработки отходов растительного сырья и технологическая установка для его осуществления (RU 2354135, публ. 18.05.2007) включающий жидкофазную ферментацию с получением раствора ферментов деградирующих крахмал, целлюлозу и лигнин, ферментативный гидролиз растительного сырья с использованием раствора ферментов полученных в жидкофазной ферментации и твердофазную ферментацию на смеси продуктов жидкофазной ферментации и ферментативного гидролиза растительного сырья.
Этот способ был реализован на установке, включающей емкость с питательной средой, колбу с посевной культурой, жидкофазный ферментер с теплообменной рубашкой и аэратором, емкость для растительного сырья, сито с отверстиями 1 мм (разделитель фракций), гидролизный аппарат с теплообменной рубашкой и твердофазный аппарат.
В указанном изобретении совместили стадию жидкофазной ферментации со стадией ферментативного гидролиза растительного сырья и с получением раствора сахаров. В рассматриваемом аналоге конечным продуктом микробиологического синтеза растительного сырья является кормовая добавка, которую получают методом твердофазной ферментации продуктов жидкофазной ферментации и ферментативного гидролиза растительного сырья.
Эффективность процесса биодеградации растительного сырья известным способом может быть достигнута только при условии интенсификации процесса твердофазной ферментации и оборудования, позволяющего оптимизировать каждую стадию производства. В данном случае, для проведения твердофазной ферментации используют биомассу продуцента, полученную в жидкофазном ферментере, и смесь растительного сырья с раствором сахаров, полученных в аппарате ферментативного гидролиза растительного сырья. Указанная питательная среда не оптимальна для проведения твердофазной ферментации растительного сырья, так как в ее состав входит сахар, являющийся легко доступным субстратом для роста грибов. Наличие доступного субстрата приведет к тому, что гриб, вместо того чтобы синтезировать ферменты необходимые для биодеградации растительного сырья в условиях твердофазной ферментации, в качестве углеводного компонента питания будет потреблять сахар. Растительное сырье при этом, не будет подвергаться биодеградации ферментами, а будет использовано в качестве подложки для закрепления грибного мицелия, что существенно снизит качество производимой кормовой добавки и производительность установки.
Известен «Аппарат для культивирования клеток и микроорганизмов» (RU 69518 U1, публ. 27.12.2007) включающий две одинаковые ферментационные емкости с крышками и матриксами, свободно размещенными в полости каждой емкости, сообщенные между собой трубопроводом нижнего слива и соединенные трубопроводами с управляемыми клапанами с патрубком для подачи аэрирующих газов и буферной емкостью, сообщенной с патрубком для отвода газовой среды и прибор управления.
Корпус каждой емкости выполнен в виде отрезка трубы с теплообменной рубашкой и имеет горизонтальное рабочее положение.
Матриксы выполнены из сетчатого гофрированного полотна свернутого в спираль и в собранном виде повторяют геометрию внутренней полости емкости.
В зависимости от целевого использования аппарата, гофрированное полотно матриксов может иметь пленочное напыление из питательных веществ или сорбентов, а также включать нерастворимые компоненты питательной среды, размещенные в межвитковом пространстве спирали.
Известный аппарат позволяет реализовать ферментационные процессы культивирования микроорганизмов с использованием жидких питательных сред включающих твердые, слабо растворимые компоненты, которые размещают в специальных матриксах, имеющих развернутую поверхность контакта с рабочей жидкостью и аэрирующим газом, что позволяет создать щадящие условия культивирования микроорганизмов и клеточной ткани, морфологическая структура которых не выдерживает механических воздействий.
К недостаткам Аппарата можно отнести наличие трубопровода нижнего слива, соединяющего ферментационные емкости и наделенного функцией перемешивающего устройства рабочей жидкости. При такой конструкции, форме и рабочем положении емкостей образуются зоны удаленные от указанного трубопровода, в которых рабочая жидкость недостаточно перемешивается, что приводит к расслоению в ней питательных веществ и существенному замедлению ферментативной активности клеток - продуцентов целевых продуктов и, как следствие к снижению производительности аппарата.
Аппарат рассчитан на применение жидких питательных сред с твердыми включениями, которые загружают в матриксы, свободно размещенные в ферментационных емкостях. При проведении ферментационных процессов, матриксы поочередно подвергаются погружению в рабочую жидкость и в аэрирующие газы. В этих условиях, твердый субстрат, являющийся подложкой для закрепления растущей биомассы, будет способствовать уменьшению проницаемости твердого субстрата для рабочей жидкости, что приведет к автолизу биомассы и выбросу в рабочую жидкость токсичных продуктов распада клеток и, как следствие к снижению качества целевых продуктов и производительности аппарата.
Между тем, конструкция Аппарата оптимальна для проведения процессов ферментативного гидролиза растительного сырья и содержит прогрессивные решения для создания ферментационных аппаратов, обеспечивающих реализацию современных биотехнологий.
Технический результат заключается в интенсификации ферментационного процесса биосинтеза целевых ферментов и как следствие оптимизации ферментативного гидролиза растительного сырья и обеспечение непрерывного выхода раствора сахаров.
Технический результат достигается тем, что установка для ферментации растительного сырья, включающая две одинаковые ферментационные емкости с крышками и матриксами, свободно размещенными в полости каждой емкости, сообщенные между собой трубопроводом нижнего слива и соединенные трубопроводами с управляемыми клапанами со штуцером для подачи аэрирующих газов и буферную емкостью для сбора продукта, сообщенную со штуцером для отвода газовой среды и прибор управления, снабжена ферментационной емкостью для биосинтеза целевых ферментов с боковыми крышками и штуцерами для подачи аэрирующих газов в вышеупомянутую емкость и в матрикс, свободно размещенный в ее полости и снабженный сетчатым контейнером для твердых субстратов и содержит емкости для предотвращения выброса капельной жидкости, соединенные трубопроводами соответственно с емкостью для биосинтеза целевых ферментов и с матриксом, расположенным в ней, при этом выходы емкостей сообщены трубопроводами с управляемыми клапанами со штуцером для отвода отработанных газов и со штуцером подачи сжатого аэрирующего воздуха, а также содержит шлюзовую камеру, вход которой через управляемые клапаны соединен со штуцерами для подачи водяного пара, сжатого аэрирующего воздуха и с нижней частью емкости для биосинтеза целевых ферментов, а выход сообщен через управляемые клапаны с верхней частью одной из ферментационных емкостей и подключен к канализационному коллектору слива конденсата, а также тем, что матрикс емкости для биосинтеза целевых ферментов выполнен в виде трубы, торцевые отверстия которой снабжены съемными крышками, а в стенке трубы по всей длине выполнены отверстия для равномерного протока рабочей жидкости и закреплен в нижней части полости емкости, отверстиями вниз, а также тем, что сетчатый контейнер для твердых субстратов выполнен в виде трубы и свободно размещен в полости матрикса, а также тем, что матрикс для ферментационной емкости выполнен в виде сетчатого контейнера.
Интенсификации ферментационного процесса биосинтеза целевых ферментов, и как следствие, оптимизация ферментативного гидролиза растительного сырья достигается за счет:
- совмещения процесса биосинтеза целевых ферментов с процессом ферментативного гидролиза растительного сырья, что позволяет использовать ферменты, обладающие наивысшей активностью;
- особенностью конструкции ферментационной емкости для биосинтеза целевых ферментов, позволяющей реализовать жидкофазные процессы с использованием твердых компонентов питательной среды (индуктора) в условиях эффективного перемешивания и газообмена;
- применением шлюзовой камеры, размещенной между емкостью для биосинтеза целевых ферментов и емкостью для ферментативного гидролиза растительного сырья, что позволяет сохранить асептические условия процесса биосинтеза ферментов при периодическом перемещении порций раствора ферментов со стадии получения ферментов на стадию ферментативного гидролиза растительного сырья;
- интенсификацией процесса биодеградации растительного сырья за счет периодического ввода свежих порций раствора ферментов на стадию ферментативного гидролиза растительного сырья;
- за счет периодического слива продуктов гидролиза из емкостей ферментативного гидролиза растительного сырья, что позволяет снизить концентрационную нагрузку сахаров при работе ферментов;
- условиями работы емкостей для ферментативного гидролиза растительного сырья, обеспечивающие попеременное погружение контейнеров с растительным сырьем то в раствор ферментов, то в атмосферу аэрирующих газов, что позволяет активизировать работу ферментов за счет выравнивания концентрационных контактов ферментов с растительным сырьем.
Полезная модель поясняется чертежом, который поясняет, но не ограничивает ее.
На фиг.1 схематично изображена установка для ферментации растительного сырья.
Установка содержит ферментационную емкость 1 для биосинтеза целевых ферментов, герметизированную заглушками 2. Во внутренней полости емкости 1, с зазорами к ее стенкам, установлен матрикс 3, имеющий отверстия в нижней части для аэрации и перемешивания рабочей жидкости. Внутри матрикса 3 установлен сетчатый контейнер 4 для размещения индуктора целевых ферментов. Установка содержит емкости 5, 6 для предотвращения выброса капельной жидкости, соединенные трубопроводами соответственно с матриксом 3 и с емкостью 1, перепускной разъем 7 с заглушкой 8, теплообменник 9, установленный на емкости 1, шлюзовую камеру 10, емкости 11 и 12 для ферментативного гидролиза растительного субстрата, снабженные соответственно теплообменниками 13 и 14, и контейнерами 15 и 16, установленными внутри емкостей, для размещения в них растительного субстрата, емкость 17 для сбора раствора сахаров, бактериальный фильтр 18 воздуха, управляемые клапаны 19-33, вентили 34-36, штуцера 37-42 для подключения внешних сетей и прибор 43 управления клапанами.
Матрикс 3 ферментационной емкости 1 выполнен в виде трубы, торцевые отверстия которой снабжены съемными заглушками, а в стенке трубы по всей длине выполнены отверстия для равномерного протока рабочей жидкости. Матрикс закреплен в нижней части полости ферментационной емкости 1 отверстиями вниз.
Сетчатый контейнер 4, для размещения индуктора, выполнен в виде трубы и свободно размещен в полости матрикса.
Емкости 5 и 6 соединены соответственно трубопроводами с встроенными управляемыми клапаны 19 и 20 со штуцером 37 подачи сжатого аэрирующего воздуха и через управляемые клапаны 21 и 22 со штуцером 38 для отвода отработанных газов через бактериальный фильтр (на фиг.1 не показан).
Вход шлюзовой камеры 10 соединен через клапан 23 со штуцером 37, через клапан 25 с нижней частью емкости 1, через клапан 24 со штуцером 39 для подачи водяного пара, а выход камеры 10 через клапан 27 сообщен с емкостью 11 и через клапан 28 подключен к канализационному коллектору слива конденсата.
Разъем 7 через клапан 26 соединен с нижней частью емкости 1, а через вентили 34 и 35 подключен к коллектору слива и к штуцеру 40 для подачи водяного пара.
Нижние части емкостей 11 и 12 сообщены между собой трубопроводом. Верхние части емкостей 11 и 12 соединены соответственно через управляемые клапаны 30 и 31 с емкость 17 для сбора раствора сахаров и через управляемые клапаны 29 и 32 со штуцером 41 для подачи сжатого аэрирующего воздуха. Нижние части емкостей 12 и 17 соединены соответственно через управляемый клапан 33 и вентиль 36 с коллектором слива. Емкость 17 соединена через бактериальный фильтр со штуцером 42 сброса в атмосферу.
Установка работает следующим образом.
Установку подключают к внешним сетям (На фиг.1 не показаны):
- штуцер 37 и штуцер 41 к источнику сжатого аэрирующего воздуха очищенного от посторонней микрофлоры;
- штуцер 38 к бактериальным фильтрам отработанных газов (на фиг.1 фильтры не показаны);
- штуцер 39 и штуцер 40 к источнику водяного пара;
- штуцера клапанов 28, 33 и вентилей 35, 36 к канализационному коллектору слива конденсата.
После подключений установки, с ферментационной емкости 1 снимают заглушку 2, а в полость матрикса 3 вносят сетчатый контейнер 4, заполненный индуктором целевых ферментов (например, древесной стружкой), после чего ферментационную емкость 1 герметизируют заглушкой 2. Далее, производят загрузку растительного сырья, которое сначала вносят в сетчатые контейнеры 15 и 16, после чего указанные контейнеры размещают в емкостях 11 и 12 для ферментативного гидролиза.
Затем установку стерилизуют насыщенным водяным паром известным методом. В процессе стерилизации емкости 1, 11, 12, шлюзовая камера 10, емкость 17 и трубопроводы с клапанами продуваются водяным паром при заданных параметрах температуры и времени обработки. После стерилизации, установка герметизируется магистральными клапанами и охлаждается атмосферным воздухом, что сопровождается снижением давления в емкостях 1, 11, 12 и шлюзовой камере 10 за счет конденсации пара.
Перед началом работы ферментационные емкости 1, 11, 12 нагревают до заданных температур посредством теплообменников 9, 13, 14. Через перепускной разъем 7 в ферментационную емкость 1, сначала вносят посевную культуру, а затем подключают источник питательного раствора. Работы с перепускным разъемом 7 проводят в следующей последовательности:
- с перепускного разъема 7 снимают заглушку 8, а на открывшейся штуцер подсоединяют эластичный шланг от посевной колбы или емкости с питательным раствором, которые ранее готовят известными методами;
- открывают вентили 34 и 35, через которые насыщенный водяной пар очистит разъем 7 от посторонней микрофлоры;
- после выдержки заданного времени, вентили 35 и 34 закрывают и открывают клапан 26, через который в емкость 1 поступит суспензия посевной культуры или питательный раствор в заданном объеме, после чего клапан 26 закрывают.
На приборе 43 управления задают необходимые технологические параметры производственного процесса и производят включение установки. Работа установки осуществляется и контролируется прибором 43 управления.
Процесс ферментации растительного сырья начинается с биосинтеза целевых ферментов, который осуществляется в ферментационной емкости 1 в следующей пооперационной последовательности. Открывают клапаны 19 и 22, в результате чего, через штуцер 37, клапан 19 и емкость 5, в полость матрикса 3 поступят аэрирующие газы, под действием которых, рабочая жидкость (микроорганизмы+питательный раствор) будет вытеснена из матрикса 3 в ферментационную емкость 1. Одновременно, из емкости 1, через емкость 6, клапан 22 и штуцер 38 будут протекать отработанные газы, которые после прохождения через бактериальные фильтры отводятся в атмосферу или на приборы газового контроля. Через заданное время, клапаны 19 и 22 закрывают и открывают клапаны 20 и 21, в результате чего, через штуцер 37, клапан 20 и емкость 6, в ферментационную емкость 1 поступят аэрирующие газы, под действием которых, рабочая жидкость вновь заполнит полость матрикса 3. Одновременно, из полости матрикса 3, через емкость 5, клапан 21 и штуцер 38 будут протекать отработанные газы, которые после прохождения через бактериальные фильтры отводятся в атмосферу или на приборы газового контроля. Емкости 5 и 6 в указанных процессах обеспечивают улавливание капельной жидкости из потока отработанных газов, не допуская их выброса за пределы штуцера 38, что повышает асептическую надежность установки.
В процессе заполнения и опустошения полости матрикса 3 рабочей жидкостью, сетчатый контейнер 4 заполненный индуктором целевых ферментов, периодически, то погружается в рабочую жидкость, то освобождается от жидкости под действием аэрирующих газов с заданной частотой. В созданных условиях и благодаря развернутой поверхности контакта газов с жидкостью в емкости 1 активизируются массообменные процессы между микроорганизмами и компонентами питания, растворенными в рабочей жидкости. По технологии, в качестве индуктора используют древесную стружку, которая является трудно доступным компонентом углеродного питания для микроорганизмов, а используемый питательный раствор не содержит глюкозу. Микроорганизмы - продуценты целевых ферментов, обладающие свойством поверхностного роста, активно закрепляются на стружке с образованием множественных колоний, что позволяет интенсифицировать процесс синтеза ферментов разлагающих целлюлозу древесной стружки до глюкозы.
Питательный раствор подается в емкость 1, через разъем 7 порционно, после чего выдерживается временная пауза, позволяющая повысить в растворе концентрацию целевых ферментов, синтезированных в процессе роста микроорганизмов. По истечении временной паузы, открывают клапан 25, и раствор ферментов из емкости 1 перетечет в шлюзовую камеру 10. После заполнения камеры 10 клапан 25 закроют и открывают клапаны 23 и 27, в результате чего, через штуцер 37 в камеру 10 начнут поступать аэрирующие газы, под воздействием которых, раствор ферментов из камеры 10 будет вытеснен в емкость 11, затем клапаны 23 и 27 закроют. Далее открывают клапаны 24 и 28 и камеру 10 продувают водяным паром, который, протекая через штуцер 39, камеру 10 и через клапан 28 отводится в канализацию. Процедура продувки камеры 10 задается временем, после истечения которого, клапаны 28 и 24 закрываются и камера 10 охлаждается атмосферным воздухом до очередной загрузки раствором ферментов.
Одновременно с продувкой камеры 10 водяным паром, через перепускной разъем 7 и клапан 26 в ферментационную емкость 1 вносят очередную порцию питательного раствора, и процесс биосинтеза целевых ферментов в емкости 1 повторяется.
Ферментативный гидролиз растительного сырья проводят в емкостях 11 и 12, работа которых осуществляется следующим образом. Открывают клапаны 30 и 32, и аэрирующие газы через штуцер 41 поступают в емкость 12, вытесняя из нее раствор ферментов по трубопроводу нижнего слива в емкость 11, а находящиеся в емкости 11 газы через клапан 30 отводятся в емкость 17 и далее через фильтр 18 в атмосферу. После завершения протока раствора ферментов из емкости 12 в емкость 11, клапаны 32 и 30 закрывают и открывают клапаны 29 и 31. При открытых клапанах 29 и 31, аэрирующие газы через штуцер 41 поступают в емкость 11, вытесняя из нее раствор ферментов по трубопроводу нижнего слива в емкость 12, а находящиеся в емкости 12 газы через клапан 31 отводятся в емкость 17 и далее через фильтр 18 в атмосферу.
Ферментативный гидролиз растительного сырья размещенного в сетчатых контейнерах 15 и 16 осуществляется в процессе поочередного погружения указанных контейнеров то в раствор ферментов, то в атмосферу аэрирующих газов.
Из шлюзовой камеры 10, в емкость 11, через заданное время поступают свежие порции раствора ферментов, обладающие высокой активностью превращения целлюлозы растительного сырья в глюкозу. Рабочий объем раствора ферментов, протекающий через емкости 11 и 12, повышается при каждой разгрузке шлюзовой камеры 10 и при достижении уровня полного заполнения одной из указанных емкостей с потоком отработанных газов отводится в емкость 17 для сбора раствора сахаров, а отработанные газы через фильтр 18 сбрасываются в атмосферу.