УСТАНОВКА ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Полезная модель относится к суспензионному культивированию микроорганизмов и может быть использована в биотехнологии, пищевой промышленности и медицине.
Известна установка для непрерывного культивирования микроорганизмов, включающая узел приготовления жидкого субстрата, входы которого сообщены через дозаторы с источником культуры микроорганизмов и источником питательной среды, а выход сообщен с первым ферментатором цепочки трубчатых ферментаторов, выход последнего из которых сообщен с узлом отвода готового продукта, при этом установка выполнена с возможностью подвода воздуха и с возможностью регулирования скорости движения субстрата, так, чтобы за время его перемещения к выходному патрубку концентрация микроорганизмов достигла заданного значения (см. SU №1105500, C12M 1/02.1982).
Недостаток этой установки - невозможность получения достаточно чистой культуры в связи с тем, что не обеспечивается полное (безостаточное) перемещение смеси по ферментатору (часть любой порции остается в рабочем пространстве ферментатора, на его стенках в зонах локализации постоянных по местоположению воздушно-газовых карманов, например на изгибах технологических трубопроводов и т.п.). Кроме того, к остаткам порций микроорганизмов, естественно, присоединяется часть биоматериала поступающего со следующими порциями субстрата. В результате, в зонах воздушно-газовых карманов, исключающих возможность полного заполнения внутреннего пространства ферментатора образуются зоны накопления посторонних и мутировавших микроорганизмов. Это требует периодически останавливать процесс производства, для очистки и стерилизации оборудования, после чего вновь начинать производство. Таким образом, непрерывный процесс, фактически превращается в цикличный. Кроме того, реализуемый в установке процесс культивирования требует использования ферментаторов очень больших размеров, для того, чтобы за время перемещения субстрата к выходному патрубку концентрация микроорганизмов могла достичь заданного значения.
Известна также установка для непрерывного культивирования микроорганизмов включающая узел приготовления жидкого субстрата, входы которого сообщены через дозаторы с источником культуры микроорганизмов и источником питательной среды, а выход сообщен с ферментатором, снабженным средством подвода воздуха, средством перемешивания субстрата, средством поддержания эффективных температурных режимов и узлом отвода готового продукта (см. заявку РСТ 92/05245, C12M 1/04, 1992).
Недостаток этого технического решения - цикличность процесса культивирования, что снижает его эффективность, кроме того, имеет место неравномерность распределения воздуха по объему ферментатора, что приводит к снижению эффективности процесса культивирования аэробных микроорганизмов. Кроме того, принятая схема доведения биомассы до рабочей концентрации, предполагает использование ферментаторов очень больших размеров, для того, чтобы за время перемещения субстрата к выходному патрубку ферментатора, концентрация микроорганизмов могла достичь заданного значения также снижает производительность процесса культивирования за счет «удлинения» производственного цикла, реализуемого в ферментаторе. Кроме того, конструкция ферментатора, реализующего такой способ, предусматривает использование специальных перемешивающих устройств, что повышает энергоемкость процесса культивирования и усложняет конструкцию ферментатора.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель выражается в обеспечении возможности высокопроизводительного получения чистой культуры, при снижении массо-габаритных параметров установки и упрощении ее конструкции.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи минимизация массо-габаритных параметров установки для реализации способа. Кроме того, обеспечивается возможность получения высокочистой культуры микроорганизмов в заданной их концентрации, в получаемом биопрепарате. Кроме того, увеличивается выход продукции с единицы объема рабочего пространства ферментатора.
Для решения поставленной задачи установка для непрерывного культивирования микроорганизмов включающая узел приготовления жидкого субстрата, входы которого сообщены через дозаторы с источником культуры микроорганизмов и источником питательной среды, а выход сообщен с ферментатором, снабженным средством подвода воздуха, средством перемешивания субстрата, средством поддержания эффективных температурных режимов, контрольно-измерительными средствами и узлом отвода готового продукта, отличается тем, что ферментатор выполнен в виде удлиненной герметичной емкости, продольная ось которой ориентирована вдоль горизонтали, снабжена приемным и выходным патрубками расположенными у ее противоположных торцов, и выполненными с возможностью регулирования расхода через них, при этом, средство подвода воздуха выполнено с возможностью ввода воздуха, как минимум, в двух точках по длине и двух точках по ширине ферментатора, при этом выпускные отверстия средства подвода воздуха, выполнены с возможностью его барботирования и размещены у донной части ферментатора, причем выходной патрубок ферментатора размещен в полости кожуха, выполненного с возможностью поддержания стерильности заполняющего его объема воздуха, снабженного средствами дозированного розлива готового продукта в стерильные емкости и их дозированного заполнения стерилизованной питательной средой, а также средствами герметичной упаковки стерильных емкостей. Кроме того, объем стерильных емкостей, как минимум вдвое меньше объема ферментатора. Кроме того, используют стерильные емкости, объем которых отличается друг от друга. Кроме того, в самой нижней точке донной части ферментатора размещен зачистной патрубок. Кроме того, один торец ферментатора, выполнен в виде съемной крышки, герметично фиксируемой на корпусе ферментатора.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Совокупность признаков формулы полезной модели обеспечивает возможность высокопроизводительного получения чистой культуры, при снижении массо-габаритных параметров установки и упрощения ее конструкции.
На фиг.1 схематически показана установка для культивирования микроорганизмов; на фиг.2 схематически показан вид стерильного бокса, оборудованного на выходе установки; на фиг.3 схематически показан поперечный разрез ферментатора.
На чертежах показаны ферментатор 1, источник культуры микроорганизмов 2, источник питательной среды 3, предварительный смеситель 4, приемный патрубок 5, снабженный герметичной крышкой 6, выходной патрубок 7, снабженный герметичной крышкой 8, источник воздуха 9, воздухоподводящий трубопровод 10, барботирующие сопла 11, теплоподводящий узел 12, стерильный бокс 13, стерильные емкости 14, их герметичные крышки 15, готовый продукт 16, питательная среда 17, конвейер 18, средства стерилизации 19, зачистной патрубок 20. Кроме того, показаны горизонталь 21, опорная площадка 22 и опоры 23, зоны 24 интенсивного барботирования субстрата, восходящий 25, нисходящий 26 ток субстрата, а также дозаторы 27.
В качестве ферментатора используют известное устройство, выполненное в виде герметичной цистерны, снабженной приемным 5 и выходным 7 патрубками, снабженными герметичными крышками, соответственно, 6 и 8. Кроме того, для целей слива некондиционного продукта (субстрата) и зачистки полости ферментатора используют зачистной патрубок 20 (снабженный соответствующей герметичной крышкой), размещенный в самой нижней точке корпуса ферментатора.
Целесообразно, чтобы торец ферментатора 1, был известным образом выполнен с возможностью разъемного скрепления с его корпусом, что упрощает процедуру очистки ферментатора (на чертеже это левый торец фермента-тора, оснащенный приемным патрубком 5).
Ферментатор снабжен известным набором контрольно-измерительных средств (на чертежах не показан), обеспечивающим контроль режимных параметров процесса культивирования (температуры субстрата, его рН, возможность отбора биоматериала.
Источник культуры микроорганизмов 2 и источник питательной среды 3 - это герметичные емкости, снабженные герметичными крышками загрузочных люков и патрубками, обеспечивающими герметичную передачу материала из них в предварительный смеситель 4, через дозаторы 27.
Источник культуры микроорганизмов 2 целесообразно снабдить герметичным кожухом в полости которого размещены средства стерилизации (на чертежах не показаны), например, известные источники ультрафиолетового света.
Источник питательной среды 3 снабжен нагревательным элементом, например, ТЭНом известной конструкции, обеспечивающим прогрев среды до ее стерилизации и последующее охлаждение до температуры комфортной для культивируемых микроорганимзмов (на чертежах названные элементы не показаны).
В качестве источника воздуха 9 используют, воздуходувку с номинальным рабочим давлением несколько большим, давления у дна полости фермента-тора, формируемого объемом субстрата), выход которой через воздухоподводящий трубопровод 10, снабженный поперечными отводами сообщен с барботирующими соплами 11 известной конструкции (см. фиг.3).
Теплоподводящий узел 12 может быть выполнен любым известным образом, обеспечивающим стабильный подвод тепла в пределах 30-45°C. На чертеже показан вариант с водяной «рубашкой» (каналы подвода и отвода теплоносителя не показаны на чертежах.
Стерильный бокс 13 выполнен известным образом в виде герметичного кожуха в полости которого размещены средства стерилизации 19, например, известные источники ультрафиолетового света, размещенные так, чтобы они не могли воздействовать на культивируемые микроорганизмы. Для минимизации работ по стерилизации целесообразно поддерживать давление в полости стерильного бокса 13 несколько выше атмосферного, что позволит стерилизовать воздух в подводящих к кожуху каналах (не показаны на чертежах).
Кроме того, в полости стерильного бокса 13, размещено известное технологическое оборудование, обеспечивающее последовательную загрузку стерильных емкостей 14, питательной средой 17 и готовым продуктом 16, с последующей закупоркой емкостей герметичными крышками 15. Названное оборудование монтируется вдоль конвейера 18 известной конструкции, обеспечивающего перемещение стерильных емкостей 14 от одной технологической операции к другой.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Питательную среду готовят известным образом, так, чтобы она была оптимальна для культивируемых микроорганизмов по составу (этого добиваются соответствующей работой дозаторов 27), pH и т.п. (эти параметры выявляется известным образом, в ходе соответствующих предварительных лабораторных исследований) после чего питательной средой заполняют источник питательной среды 3. Исходную концентрацию микроорганизмов в субстрате (смеси питательной среды и культуры микроорганизмов), оптимальную степень его насыщения воздухом, оптимальные температурные режимы процесса культивирования и его продолжительность также определяются предварительно (ее обеспечивают соответствующей работой дозаторов 27, обеспечивающих подачу микроорганизмов).
Далее, дозированные порции питательной среды и микроорганизмов перемешивают друг с другом, при использовании приемов и методов, минимизирующих травмирование биомассы, например, без перемещения в объеме материала конструктивными элементами с механическим приводом.
Готовый субстрат подают в полость ферментатора 1 (целесообразно через распылитель, обеспечивающий ввод субстрата большим количеством струй), что повышает его насыщение воздухом уже на этапе ввода в ферментатор.
Объему субстрата находящемуся в ферментаторе придают движение вдоль горизонтали, при этом объем ввода субстрата, предпочтительно, соответствует объему выводимого готового продукта (если выводить, в качестве готового продукта больший объем материала это быстро приведет к падению концентрации культивируемых микроорганизмов в готовом продукте, что в конечном счете, приведет к увеличению продолжительности второй стадии культивирования (стадии «доводки» в стерильных емкостях); вывод, в качестве готового продукта меньшего объема материала нерационален по экономическим соображениям (при возрастании концентрации культивируемых микроорганизмов в ферментаторе растет расход воздуха на аэрирование биомассы, упадет концентрация питательных веществ, в результате снизится производительность процесса, кроме того, ускорится процесс «доводки» биомассы в стерильных емкостях, что приведет к кислородному голоданию и быстрому исчерпанию питательных веществ, которые могут привести к гибели части микроорганизмов и замедлению процесса культивирования.
Перемешивание субстрата совмещают с его аэрированием, для чего воздух, подводят, с барботированием, в нижнюю часть объема субстрата, по меньшей мере в двух точках по длине ферментатора и по его ширине (см. фиг..1 и фиг.3), При выпуске воздуха над барботирующими соплами 11 образуются струи. На некотором расстоянии струи разрушаются, порождая поток пузырей. В результате жидкость заполняется пузырьками неодинаковых размера и формы. При достаточно высокой концентрации пузырьков они непрерывно сталкиваются друг с другом, сливаются и дробятся; возрастает дисперсия их размеров. Пузырьки в барботажном слое движутся неустойчиво по различным траекториям, заметно отклоняющимся от вертикали. Для жидкости характерна весьма интенсивная циркуляция в объеме всего барботажного слоя, при этом, восходящий ток 25 субстрата находится в сечениях проходящих через барботирующие сопла 11, а нисходящий 26 - между ними (см. фиг.1). Из-за циркуляции средняя скорость движения воздуха в барботажном слое может во много раз превышать скорость свободного всплываниия одиночных пузырьков в покоящейся жидкости.
Это обеспечивает интенсивное перемешивание субстрата и его равномерное насыщение воздухом. Оптимальный температурный режим в ферментаторе 1 обеспечивается теплоподводящим узлом 12 за счет прокачивания через него воды нагретой до оптимальной температуры.
3
9
7
Таким образом, материал отбираемый из выходного патрубка 7 ферментатора 1 имеет концентрацию бактерий существенно большую, например, при культивировании штамма Azotobacter Choococcum концентрация микроорганизмов на 1 см, готового продукта должна составлять не менее чем 5×10, при исходной его концентрации во вводимой суспензии порядка 5×10.
Готовый продукт с сохранением стерильности известным образом фасуют в стерильные емкости 14, уже заполненные стерилизованной питательной средой 17, которые затем герметично упаковывают. При этом, доля готового продукта в стерильной емкости составляет не менее 10% от объема заполняющего их субстрата. Эти операции реализуются в стерильном боксе 13. В боксе 13 на конвейере 18 размещают в ряд стерильные емкости 14, и перемещают их последовательно от источника питательной среды 17 к источнику готового продукта 16 - к дозатору 27 выходного патрубка 7 ферментатора 1. Далее известным образом, заполненные стерильные емкости закупориваются герметичными крышками 15 и либо складируются в помещениях (на чертежах не показаны), где поддерживаются температурные параметры режимов хранения, обеспечивающие получение эффективной концентрации культуры микроорганизмов в стерильных емкостях к моменту их отгрузки потребителю, либо отгружаются потребителю с таким расчетом, чтобы содержимое стерильных емкостей вышло на концентрации, обеспечивающие эффективность их содержимого при использовании потребителем.
Таким образом, заявленная установка позволяет многократно повысить производительность процесса культивирования микроорганизмов даже при наличии ферментатора ограниченных размеров и массы (т.е. сравнительно маломощного).
В процессе культивирования контролируют микробиологический состав готового продукта, отбирая пробы из готового продукта на предмет выявления в них микроорганизмов, отличающихся от культивируемых. Как только выявляются такие факты процесс останавливают, ферментатор очищают от биомассы (сбрасывая ее через патрубок 20) и стерилизуют его полость, при этом возобновление процесса культивирования и последующее воздействие на биоматериал не отличается от вышеописанного.
Использование стерильных емкостей, объема как минимум вдвое меньшего объема ферментатора, и их варьирование по величине обеспечивает возможность варьирования в широких пределах объемами получаемого продукта с одинаковыми «рабочими» параметрами, для случаев, когда объем требуемой партии продукции отличается от объема ферментатора.