АНАЭРОБНЫЙ БИОРЕАКТОР С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ АКТИВАТОРОМ

Полезная модель относится к современным электрофизическим методам обработки культуральной жидкости и водных растворов, содержащих сложные органические соединения и используются в биотехнологических производствах, а так же в биореакторах, в частности на очистных сооружениях.
Известны электрофизические методы обработки пищевых продуктов с применением высоковольтной ионизации, использующейся в рыбной промышленности, например, при производстве вяленой и копченой рыбы. В основу процесса производства рыбы холодного копчения с использованием электростатического поля (ЭСП) высокого напряжения положен метод, сущность которого состоит в том, что ионизированный газ (воздух), перемещаясь в электрическом поле, сообщает заряд тонкодисперсным частицам вещества (коптильный дым). При этом частицы также совершают упорядоченное направленное движение от одного электрода к другому (Рогов И.А., 1988 г., Курко В.И., 1962.) При производстве рыбы холодного копчения, ЭСП используется на стадии подсушивания рыбы перед обработкой и в частности перед процессом собственного копчения. Подсушивание в электростатическом поле необходимо для частичного удаления влаги с поверхности рыбы и подавления роста и развития бактерий, обсеменяющих рыбу до копчения.
Недостатком аналога является ограниченность использования устройства и невозможность использования применительно к процессам ферментации в биореакторах, биотехнологических производствах и очистных сооружениях.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является установка для культивирования галофильных микроорганизмов включающая расположенные в один ряд вертикальные ферментеры, имеющие прозрачные стенки и снабженные патрубками отвода культуральной жидкости, трубопроводы подачи посевного материала и питательной среды, лампы освещения, установленные снаружи ферментеров, и блок контроля и управления процессом культивирования микроорганизмов, смеситель подаваемого в установку посевного материала и питательной среды, циркуляционный насос и теплообменник, связанные между собой трубопроводами с образованием циркуляционного контура культуральной жидкости, при этом нижние части ферментеров подключены к трубопроводу, соединяющему теплообменник и смеситель, а их верхние части при помощи трубопроводов сообщены со смесителем. На трубопроводе, соединяющем циркуляционный насос с теплообменником, установлены датчики контроля pH и температуры. [Патент РФ №2105058]
Недостатком прототипа является длительность протекания процесса ферментации, что делает производство более затратным. Кроме того процессы деструкции сложных органических соединений протекают менее глубоко чем под воздействием электростатического поля.
Задачей полезной модели является разработка устройства анаэробного биореактора с электростатическим активатором применительно к процессам ферментации в биореакторах, биотехнологических производствах и очистных сооружениях позволяющего увеличить скорость биохимических процессов за счет воздействия электростатического поля.
Поставленная задача решается в предлагаемом устройстве анаэробного биореактора с электростатическим активатором включающем ферментер, трубопровод подачи исходного сырья, отводящий трубопровод, подсоединенный к циркуляционному насосу, который, согласно полезной модели дополнительно содержит электростатический активатор, выполненный в виде труба в трубе с зазором, которые подсоединены через выпрямитель к источнику питания и выполняют роль электродов, при этом на внутренней трубе намотана полимерная труба, один конец которой подсоединен к циркуляционному насосу, а другой к ферментеру; положительный заряд подается на внешнюю трубу, а отрицательный на внутреннюю или наоборот.
Техническим результатом является ускорение биохимических процессов в культуральной жидкости или сложной по химическому составу водной среды.
Электростатический активатор предназначен для воздействия энергии электростатического поля на структуру воды, в результате чего появляются активные кислородсодержащие частицы, разрывающие химические связи сложных органических соединений, что позволяет микроорганизмам затрачивать меньше внутренней энергии для получения необходимых клеткам питательных субстратов. Низкомолекулярные органические соединения, находящиеся в культуральной жидкости или водных растворах, быстрее подвергаются биохимическому расщеплению, что и является главной причиной ускорения биохимических процессов в ферментерах. Микроорганизмы, использующие низкомолекулярные субстраты, всегда обладают высоким приростом биомассы, что и увеличивает выход конечного продукта из единицы поступившего сырья.
Первые исследования о воздействии физических полей на микроорганизмы относятся к середине 20 века. За этот период опубликовано много научных работ, которые в основном посвящены изучению ингибирующего действия электрического тока при обеззараживании пищевых продуктов, питьевой воды от патогенной микрофлоры. Причиной отмирания бактерий являются продукты химических реакций, протекающих в сложных водных системах, например, сточных водах. Как правило, используется для этих целей непосредственный контакт электродов и водной среды. Сложный химический состав водной среды позволяет проводить электролиз и получать, как правило, активный хлор, который и вызывает гибель микроорганизмов.
Влиянию электростатического поля на микроорганизмы посвящено мало исследований, так как при малых напряженностях поля и отсутствию непосредственного контакта электродов с химическими соединениями водной среды невозможно получать химически активные соединения, например, соединения хлора.
Проведенные авторами исследования показали, что под действием электростатического поля повышается ферментативная и дыхательная активность микрофлоры, что приводит к ускорению процесса брожения и увеличению выхода готовой продукции из единицы используемого сырья.
При малых напряженностях электростатического поля в интервале 6,5-11,0 кВт/м удается повышать численность микроорганизмов по всем основным физиологическим группам, принимающим участие в процессах брожения и очистки воды в биореакторах. Процесс не является энергоемким, так как электроэнергия расходуется только на оборудовании, например, циркуляционном насосе и в течение одного часа обрабатываются не более 17% водной среды или культуральной жидкости.
Электростимулирование биохимических процессов в ферментерах может найти практическое применение при проведении процессов брожения в пивоваренной промышленности, спиртовом производстве, в фармакологии (при выпуске определенных лекарственных компонентов и при выпуске, например, антибиотиков). Также использование электростатического активатора позволит интенсифицировать процессы биологической очистки сточных вод на очистных сооружениях.
Электростатический активатор выполненен в виде трубы в трубе с зазором, имеет небольшие размеры и может быть размещен на любом участке трубопровода, что не потребует дополнительных площадей и глубоких конструктивных изменений в устройстве.
При этом на внутренней трубе 7 намотана полимерная труба 8, по которой будет протекать культуральная жидкость или водный раствор. Труба 8 должна быть выполнена из ток непроводящего полимера для избежания короткого замыкания и контакта между внутренней и внешней трубами.
Положительный заряд подается на внешнюю трубу, а отрицательный на внутреннюю или наоборот, при этом особого значения для процессов внутри активатора это не имеет.
Полезная модель поясняется чертежом.
На рис.1 - представлена схема анаэробного биореактора с электростатическим активатором; на рис.2 - схема электростатического активатора.
Устройство включает ферментер 1, трубопровод 2 подачи исходного сырья, отводящий трубопровод 3, подсоединенный к циркуляционному насосу 4, электростатический активатор 5, выполненный в виде трубы 6 в трубе 7 с зазором, которые подсоединены через выпрямитель к источнику питания (на рис. не показан) и выполняют роль электродов, при этом на внутренней трубе 7 намотана полимерная труба 8, один конец которой подсоединен к циркуляционному насосу 4, а другой к ферментеру 1.
Устройство работает следующим образом.
Исходное сырье по трубопроводу 2 поступает в ферментер 1. Одновременно включают циркуляционный насос 4 и электростатический активатор 5, в котором между трубой 6 и трубой 7 создается электростатическое поле. По отводящему трубопроводу 3 культуральная жидкость поступает в циркуляционный насос 4, который подает ее в полимерную трубу 8 электростатического активатора 5. Культуральная жидкость подвергается воздействию электростатического поля и подается в ферментер 1.