Биореактор для проведения биохимических процессов
BIOREACTOR FOR BIOCHEMICAL PROCESSES

Известен биореактор, включающий цилиндрическую емкость с крышкой, расположенное в ней устройство для перемешивания среды, состоящее из лопастного колеса, горизонтально укрепленного на вертикальном валу в верхней части емкости, и кольцевой перегородки, установленной в емкости с возможностью вращения, образующей со стенкой емкости зазор и снабженной поплавками, и механизм регулирования положения кольцевой перегородки по высоте относительно перемешиваемой среды. Этот механизм может содержать стойки, прикрепленные к крышке емкости и кольцевой перегородке при помощи фиксаторов и позволяющие изменять положение перегородки по высоте емкости (RU 2099413 C1, С12М 1/04, 20.12.1997).
Недостаток биореактора заключается в том, что использование плавающей кольцевой перегородки приводит к тому, что она выбрасывается на поверхность жидкости и периодически колеблется со смещением ее к стенке емкости, что ухудшает процесс перемешивания.
Ближайшим аналогом предложенного изобретения является Биореактор, включающий цилиндрическую емкость с крышкой, расположенное в ней устройство для перемешивания среды, состоящее из лопастного колеса, горизонтально укрепленного на вертикальном валу, в верхней части емкости, и кольцевой перегородки, установленной в емкости с возможностью вращения, образующей со стенкой емкости зазор, и снабженной поплавками, и механизма регулирования положения кольцевой перегородки по высоте относительно поверхности перемешиваемой среды, причем указанный механизм содержит вертикально установленную по оси емкости штангу и размещенную на ней втулку, связанную при помощи стоек с кольцевой перегородкой для ее вращения на штанге (RU 2299903 С2, С12М 1/04, 27.05.2007).
Недостаток биореактора заключается в сложном исполнении и значительном потреблении электроэнергии.
Технический результат изобретения заключается в упрощении конструкции и исключении потребления электроэнергии.
Этот результат достигается тем, что в предложенном биореакторе для проведения биохимических процессов, включающем цилиндрическую емкость с крышкой, патрубки отвода газа, подачи исходного сырья и отвода продукта, теплообменную рубашку с патрубками подачи и отвода теплоносителя, расположенное в емкости устройство для перемешивания среды, состоящее из лопастного колеса, горизонтально укрепленного на вертикальной штанге, в верхней части емкости, и круглой перегородки, установленной в емкости с возможностью вращения, образующей со стенкой емкости зазор и снабженной отверстиями, и механизма регулирования положения лопастного колеса по высоте относительно поверхности перемешиваемой среды, указанный механизм содержит вертикально установленную по оси емкости штангу, с размещенной на ней втулкой, и связанную при помощи фиксатора с круглой перегородкой для ее вращения, согласно изобретению круглая перегородка снабжена штуцером на шариковых подшипниках, при этом выполнена с боковыми диффузорными отверстиями под углом 30-45° к окружности и с верхними отверстиями под углом 45-60° к горизонтали, а над круглой перегородкой на штанге закреплено дополнительное лопастное колесо.
Механизм регулирования положения лопастного колеса содержит втулку, расположенную на штанге с ограничителем хода последней и по меньшей мере одним зажимным элементом.
Изобретение поясняется чертежами, на которых на фиг. 1 схематично изображен продольный разрез биореактора; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1.
Биореактор включает цилиндрическую емкость 1, снабженную крышкой 2 с патрубком 3 отвода газа, патрубками 4 и 5 подачи исходного сырья и отвода готового продукта и теплообменной рубашкой 6 с патрубками 7 и 8 подачи и отвода теплоносителя. Внутри емкости размещено устройство для перемешивания среды, состоящее из лопастных колес 9 и 10, горизонтально укрепленных на вертикальном валу 11 и расположенных в верхней и нижней частях емкости, и круглой перегородки 12, установленной в емкости с возможностью вращения, образующей со стенкой емкости зазор и снабженной штуцером 13 на шариковых подшипниках. Верхнее лопастное колесо снабжено механизмом регулирования его положения по высоте относительно поверхности перемешиваемой среды, содержащим вертикально установленную по оси емкости штангу 11 и размещенную на ней втулку 14 с зажимным элементом 15, штанга зафиксирована на круглой перегородке 12 для ее вращения. В соответствии с конструкцией биореактора, изображенной на фиг. 1, используемой при проведении процесса культивирования микроорганизмов, нижний конец штанги прикреплен к круглой перегородке вертикально расположенного по оси емкости патрубка 13 подачи воздуха.
В соответствии с конструкцией круглой перегородки 12 на фиг. 1 она снабжена штангой 11, содержащей дополнительное лопастное колесо 10, расположенное на штанге 11 над круглой перегородкой 12, с зажимным элементом 15, а также на поверхности кольцевой перегородки выполнены отверстия под углом 45-60° к горизонтали.
В соответствии с конструкцией круглой перегородки 12 на фиг. 2 она выполнена с боковыми диффузорными отверстиями под углом 35-45° к окружности.
Биореактор работает следующим образом.
Цилиндрическую емкость 1 с установленной круглой перегородкой 12 в стерильных условиях при культивировании микроорганизмов заполняют питательной средой через патрубок 4 так, чтобы над поверхностью среды в верхней части емкости оставалась полость для движения аэрирующего газа, а круглая перегородка 12 располагалась в питательной среде у ее поверхности. Далее устанавливают для культивирования клеток требуемый температурный режим, вводят посевную дозу клеток и включают привод вращения лопастных колес 9 и 10 подачей воздуха через штуцер 13 в круглую перегородку 12. За счет реактивной силы истечения воздуха через диффузоры 16 круглая перегородка вращается. Барботирование воздуха через верхние отверстия круглой перегородки 12 под углом 45-60° к горизонтали создает перемешивание среды и ее насыщение кислородом. В зависимости от требований технологии устанавливают необходимое число оборотов лопастного колеса, при вращении которого над поверхностью суспензии клеток создается разрежение в приосевой зоне емкости 1 и повышенное давление на периферии этой емкости. Под действием перепада давления между периферией и приосевой зоной газовой полости над поверхностью суспензии клеток создается закрученный поток газа, который образует в культуральной жидкости турбулентное вращательное движение с интенсивным перемешиванием вдоль оси емкости.
В процессе культивирования газ аэрирует клетки на поверхности жидкости. В результате такой аэрации в культуральной жидкости мало образуется пены, которую гасит лопастное колесо 9.
Увеличение интенсивности движения восходящего и нисходящего потоков суспензии клеток и активное перемешивание лопастными колесами 9 и 10 позволяет осуществлять их культивирование без образования застойных зон. Полученная биомасса отводится через патрубок 5.
При гидролизе крахмала для получения патоки перед началом процесса устанавливают лопастное колесо 9 на штанге 11 с фиксацией его зажимным элементом 15.
Регулируют положение лопастного колеса 9 путем осевого перемещения на штанге 11 посредством движения втулки 14. Заполняют емкость 1 крахмальным молоком через патрубок 4 так, чтобы над поверхностью жидкости в верхней части емкости оставалась полость для движения газа, а лопастное колесо 9 располагалось в жидкости на ее поверхности. Затем устанавливают для процесса гидролиза крахмала требуемый температурный режим при подаче теплоносителя через патрубок 7, вводят фермент альфа-амилазу через патрубок 4 и включают привод вращения круглой перегородки 12 (подачей воздуха через штуцер 13). В зависимости от требований технологии устанавливают необходимое число оборотов лопастного колеса 9. При вращении последнего над поверхностью крахмального молока создается разрежение в приосевой зоне емкости 1 и повышенное давление на периферии этой емкости. Под действием перепада давления между периферией и приосевой зоной газовой полости над поверхностью жидкости формируется закрученный поток газа, который создает в жидкости турбулентное вращательное движение с интенсивным перемешиванием вдоль оси емкости. При вращении круглой перегородки 12, которая раскручивается потоком воздуха, гидролизат отводится через патрубок 5.
Конструкция биореактора позволяет эффективно перемешивать жидкости и ускорять проводимые в нем биохимические процессы без использования электроэнергии.