АППАРАТ ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ АВТОТРОФНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
APPARATUS FOR CULTURING AUTOTROPHIC MICROORGANISMS

Изобретение относится к комбикормовой промышленности и может быть использовано для культивирования автотрофных микроскопических организмов, а также в фармацевтической и косметической промышленности.
7
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является пленочный аппарат [Пат. №2363728 РФ; МПК С12М 1/04, С12М 1/06, В01D 3/28. Пленочный аппарат [текст] / А.А.Шевцов, Е.С.Шенцова, А.В.Дранников, А.В.Пономарев (РФ). - 2008118450/13; Заявлено 13.05.2008; Опубл. 10.08.2009; Бюл. №22 // Изобретения. - 2009. - №22.], содержащий корпус со штуцерами для ввода и вывода жидкости, ввода и вывода газа-теплоносителя, разделен горизонтальными перегородками на секции для ввода и вывода жидкости, теплообменную и дополнительную секции, через которые пропущены цилиндрические трубы, снабженные распределителем жидкости и винтовой спиралью. В дополнительной секции на ее нижней горизонтальной перегородке установлена лампа накаливания дневного света для освещения пленки жидкости, а внутренняя боковая поверхность этой секции выполнена зеркальной, через штуцера ввода и вывода дополнительной секции осуществляют подачу и отвод газа-теплоносителя, в секции для вывода жидкости установлены барботажное устройство и изогнутые патрубки со штуцерами для ввода смеси углекислого газа с воздухом в цилиндрические трубы.
Однако данное устройство имеет следующие недостатки:
- невысокая удельная производительность аппарата вследствие того, что не предусмотрено использование различных видов истечения суспензии автотрофного микроорганизма и отсутствует возможность проведения процесса культивирования в каждой секции аппарата при одновременном воздействие на пленку суспензии освещенности и углекислого газа;
- отсутствуют условия культивирования для более широкого спектра автотрофных микроорганизмов из-за того, что не предусмотрено варьирование режимов проведения процесса по температуре и освещенности;
- не достигаются оптимальные условия для роста автотрофных микроорганизмов уже на первом цикле культивирования, так как в конструкции не предусмотрен подогрев исходной суспензии для достижения необходимого значения ее температуры, а световой энергии ламп недостаточно для нагрева суспензии в трубках;
- высокие энергозатраты на перемещение суспензии в верхнюю секцию для каждого последующего цикла вследствие того, что отсутствуют конструктивные элементы, увеличивающие время нахождения суспензии в аппарате;
- недостаточно рациональное использование углекислого газа как основного компонента газовоздушной смеси вследствие того, что не предусмотрена регулировка давления газовоздушной смеси в объеме аппарата.
Техническая задача изобретения заключается в создании аппарата для культивирования автотрофных микроорганизмов, позволяющего повысить удельную производительность, создать оптимальные условия культивирования широкого спектра автотрофных микроорганизмов, снизить энергозатраты и расход углекислого газа как основного компонента газовоздушной смеси.
Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в аппарате для культивирования автотрофных микроорганизмов, включающем корпус, разделенный горизонтальными перегородками на секции, через которые пропущены прозрачные цилиндрические трубки, снабженные распределителями суспензии и винтовыми спиралями, лампу накаливания, барботажное устройство и изогнутые патрубки со штуцерами для ввода смеси углекислого газа с воздухом, новым является то, что горизонтальные перегородки выполнены прозрачными с образованием секций ввода и вывода суспензии, секций кольцевого и пленочного истечения суспензии и промежуточную секцию корпуса, при этом прозрачная перегородка, отделяющая секцию ввода от секции кольцевого истечения суспензии, выполнена с углублениями; в секции кольцевого истечения суспензии установлены две лампы накаливания типа ДНаТ в верхней и нижней частях секции и прозрачные цилиндрические трубки с закрепленными внутри винтообразными насадками, каждая из которых состоит из полой ПВХ трубки, на поверхности которой зафиксирована лента в виде секторов, размещенных через каждые 30°, причем насадки снабжены лопастями и закреплены в трубках таким образом, что обеспечена возможность их вращения вокруг своей оси под воздействием столба суспензии, размещенного в углублениях горизонтальной прозрачной перегородки секции ввода суспензии, и сил гравитации; для образования стекающего кольцевого слоя суспензии сверху на прозрачные трубки установлены рассекатели суспензии, каждый из которых имеет хвостовую часть для вывода отработанной смеси углекислого газа с воздухом из прозрачных цилиндрических трубок в секцию ввода суспензии, причем хвостовая часть выполнена по высоте таким образом, что обеспечена возможность поддержания необходимого уровня суспензии в углублениях горизонтальной прозрачной перегородки секции ввода суспензии; секция кольцевого истечения суспензии снабжена штуцером для ввода суспензии и штуцерами для подачи и отвода газа-теплоносителя; в центре секции пленочного истечения суспензии по всей ее высоте установлена люминесцентная лампа и прозрачные цилиндрические трубки, каждая из которых имеет винтовую спираль из проволоки, закрепленную на ее внутренней поверхности, и размещенный в верхней части ее распределитель суспензии, представляющий собой пленкообразующее устройство, основание которого выполнено в форме конуса с центральным отверстием для отвода отработанной смеси углекислого газа с воздухом из трубок секции пленочного истечения суспензии в промежуточную секцию, с образованием зазора 0,5…1,5 мм между конусом и внутренней поверхностью прозрачной цилиндрической трубки; причем в каждом центральном отверстии для отвода отработанной смеси углекислого газа с воздухом из трубок секции пленочного истечения суспензии в промежуточную секцию распределителя суспензии установлен стержень для исключения попадания суспензии внутрь трубок и обеспечения возможности беспрепятственного выхода отработанной смеси углекислого газа с воздухом в промежуточную секцию; в секциях кольцевого и пленочного истечения суспензии прозрачные цилиндрические трубки расположены по окружности на одинаковом расстоянии друг от друга и выполнены таким образом, что обеспечена возможность непрерывного равномерного стекания суспензии по всей высоте аппарата при его работе; внутренняя боковая поверхность секций кольцевого и пленочного истечения суспензии покрыта отражающим свет материалом, а секция ввода суспензии снабжена спиральным нагревателем с термореле и регулятором давления; в штуцере для вывода суспензии установлен регулируемый вентиль, обеспечивающий выход готовой суспензии в требуемом количестве.
Технический результат изобретения заключается в повышении удельной производительности, расширении спектра автотрофных микроорганизмов за счет создания оптимальных условий их культивирования, снижении энергозатрат и расхода углекислого газа как основного компонента газовоздушной смеси.
На фиг.1 представлен общий вид аппарата для культивирования автотрофных микроорганизмов, на фиг.2 - участок образования кольцевого истечения суспензии (вид А на фиг.1), на фиг.3 - участок образования пленочного истечения суспензии (вид Б на фиг.1), на фиг.4 - ввод изогнутых патрубков в цилиндрические трубки (вид Д на фиг.1).
Аппарат для культивирования автотрофных микроорганизмов представляет собой корпус, разделенный прозрачными горизонтальными перегородками 1, 2, 3 на пять герметичных секций: ввода суспензии 4, кольцевого истечения суспензии 5, промежуточную 6, пленочного истечения суспензии 7 и вывода суспензии 8. В секции 4 установлен штуцер для ввода суспензии 9, спиральный нагреватель 10 с термореле, регулятор давления 11. Между секциями ввода суспензии 4 и кольцевого истечения суспензии 5 закреплена прозрачная горизонтальная перегородка 1 секции ввода суспензии 4, выполненная с углублениями. В секции кольцевого истечения суспензии 5 расположены штуцеры для ввода и вывода газа-теплоносителя 11 и 12, две лампы накаливания типа ДНаТ 13 в верхней и нижней частях секции и по окружности на одинаковом расстоянии друг от друга прозрачные цилиндрические трубки 14 с закрепленными внутри них винтообразными насадками 15, выполненными из полой ПФХ трубки, на поверхности которой зафиксирована лента в виде секторов через каждые 30°. В трубках 14 насадки 15 установлены с лопастями 16 таким образом, чтобы обеспечивалась возможность их вращения вокруг своей оси. Сверху на каждой трубке 14 закреплены рассекатели суспензии 17, хвостовая часть которых выполнена с высотой, позволяющей обеспечивать необходимый уровень суспензии в углублениях перегородки 1. При этом трубки 14 зафиксированы в прозрачных горизонтальных перегородках 1 и 2 с помощью уплотнителей 18. В центре секции пленочного истечения суспензии 7 по всей ее высоте размещены люминесцентная лампа 19 и прозрачные цилиндрические трубки 20, которые зафиксированы в перегородках 3 с помощью уплотнителей 21 и расположены по окружности на одинаковом расстоянии друг от друга. На внутренней поверхности каждой из трубок 20 закреплены винтовые спирали из проволоки 22, а в их верхней части расположены распределители суспензии 23, выходящие в промежуточную секцию 6. Причем распределители 23 представляют собой пленкообразующие устройства, основание которых выполнено в форме конуса, образующего зазор 0,5…1,5 мм с внутренней поверхностью трубок 20. В центре распределителей 23 выполнено отверстие, внутри которого предусмотрена установка стержня 24. На внешней стороне секции вывода суспензии 8 установлены штуцера 25, соединенные с изогнутыми патрубками 26 для ввода смеси углекислого газа с воздухом в цилиндрические трубки 20 секции пленочного истечения суспензии 7. Секция 8 снабжена барботером 27 и штуцером для вывода суспензии 28, в котором установлен регулируемый вентиль 29, обеспечивающий выход готовой суспензии через штуцер 30. Внутренние боковые поверхности секций 5 и 7 покрыты отражающим материалом. Аппарат для культивирования автотрофных микроорганизмов установлен на раме 31.
Аппарат для культивирования автотрофных микроорганизмов работает следующим образом.
Суспензия автотрофного микроорганизма поступает через штуцер 9 в секцию для ввода суспензии 4, проходит через рассекатели суспензии 17, которые образуют стекающий кольцевой слой суспензии внутри цилиндрических трубок 14, направляемый на лопасти 16. За счет столба суспензии в углублениях перегородки 1 и сил гравитации создается давление на лопасти 16, приводящее их с насадками 15 во вращение. Насадки 15 с лентой в форме винта при вращении способствуют интенсификации процесса массообмена в противотоке, образующегося при стекании вниз по внутренней поверхности трубок 14 кольцевого слоя суспензии со смесью углекислого газа и воздуха, поступающей из промежуточной секции 6. Отработанная смесь углекислого газа и воздуха выводится из трубок 14 в секцию ввода суспензии 4 с помощью хвостовой части рассекателя суспензии 17, высота которой обеспечивает необходимый уровень суспензии в углублениях горизонтальной перегородки 1 секции 4. Из секции ввода суспензии 4 отработанная смесь углекислого газа и воздуха выводится через регулятор давления 11.
Для достижения оптимального температурного режима культивирования суспензия в секции 4 подогревается спиральным нагревателем 10 с термореле и при стекании вниз в прозрачных трубках 14 дополнительно нагревается двумя лампами типа ДНаТ 13. Максимальный световой поток ламп 13 и смесь углекислого газа с воздухом создают необходимые условия проведения процесса культивирования. Уплотнители 18 исключают попадание суспензии или газовоздушной смеси в зону освещения лампами 13. В случае чрезмерного нагрева суспензии в секции 5 через штуцеры 11 и 12 осуществляются подача и отвод охлаждающего газа-теплоносителя.
После секции кольцевого истечения суспензии 2 суспензия стекает в промежуточную секцию 6, в которую световой поток поступает через прозрачные горизонтальные перегородки 2 и 3 соответственно из секций 5 и 7. Для эффективного проведения процесса культивирования, с учетом явления «стресса», возникающего в суспензии микроорганизма при перетекании ее из секции 5 в секцию 6, создаются условия изменения режимов культивирования с возможностью резкого скачка развития клеток на следующей стадии процесса. Кроме того, в промежуточной секции 6 происходит выравнивание общей температуры суспензии путем естественного перемешивания и барботажа газовоздушной смесью, поступающей из секции 7.
Далее суспензия из промежуточной секции 6 через отверстия в распределителе суспензии 23 поступает в прозрачные трубки 20 секции пленочного истечения суспензии 7. Распределители 23 расположены в верхней части трубок 20, на внутренней поверхности которых закреплены винтовые спирали из проволоки 22. Распределители суспензии 23 позволяют сформировать поток суспензии в виде пленки и направить ее непосредственно на спираль 22, по которой она стекает вниз в противотоке со смесью углекислого газа и воздуха, при этом интенсивно перемешиваясь и освещаясь люминесцентной лампой 19. Газовоздушная смесь вводится в каждую цилиндрическую трубку 20 с помощью изогнутых патрубков 26 со штуцерами 25. Ввод изогнутых патрубков в цилиндрические трубки 20 осуществляется таким образом, чтобы одновременно обеспечить распределение потока смеси в них с интенсивным массообменом газовой и жидкой фаз и предотвратить срыв пленки с внутренней поверхности трубок. Отработанная смесь углекислого газа и воздуха из трубок 20 через центральное отверстие распределителя суспензии 23 выводится в промежуточную секцию 6 для барботирования находящейся в ней суспензии. При этом в центральном отверстии распределителя 23 предусмотрена установка стержня 24, исключающего попадание суспензии внутрь трубок 20 и обеспечивающего беспрепятственный выход газовоздушной смеси в секцию 6.
На выходе из цилиндрических трубок 20 насыщенная углекислым газом суспензия автотрофного микроорганизма поступает в секцию для вывода суспензии 8, где дополнительно насыщается углекислым газом с помощью барботажного устройства 27, при этом повышается суммарный коэффициент массообмена и тем самым интенсифицируется процесс культивирования. Из секции 8 суспензия автотрофного организма выводится в качестве готовой биомассы через штуцер 30 с помощью регулируемого вентиля 29, установленного в штуцере для вывода суспензии 28.
Для увеличения кпд ламп 13 и 19 внутренние боковые поверхности секций 5 и 7 покрыты отражающим материалом, что дает возможность равномерного освещения суспензии со всех сторон.
Предлагаемый аппарат для культивирования автотрофных микроорганизмов по сравнению с прототипом позволяет:
- повысить удельную производительность аппарата за счет того, что используется кольцевой и пленочный вид истечения суспензии автотрофного микроорганизма и предусмотрена возможность проведения процесса культивирования в каждой секции аппарата при одновременном воздействие на пленку суспензии освещенности и углекислого газа;
- создать условия культивирования для более широкого спектра автотрофных микроорганизмов вследствие того, что в секциях аппарата предусмотрены различные режимы проведения процесса по температуре и освещенности;
- достичь оптимальных условий для роста автотрофных микроорганизмов уже на первом цикле культивирования, так как в конструкции используются подогрев исходной суспензии спиральным нагревателем с термореле и ее дальнейший нагрев двумя лампами типа ДНаТ;
- снизить энергозатраты на подъем суспензии в секцию ввода суспензии на каждом последующем цикле вследствие того, что в конструкции предусмотрено использование винтообразных насадок и винтовых спиралей из проволоки, увеличивающих время нахождения суспензии в аппарате;
- рационально использовать углекислый газ как основной компонент газовоздушной смеси за счет применения регулятора давления газовоздушной смеси в секции ввода суспензии.