РЕЦИРКУЛЯТОР ОПУСКНОГО КАНАЛА В СОСТАВНОМ БИОЛОГИЧЕСКОМ РЕАКТОРЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БИОМАССЫ АЭРОБНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ

Полезная модель относится к области микробиологии и может быть использована в ферментерах с раздельным насыщением культуральной жидкости аэрирующим кислородсодержащим агентом и газообразными углеводородами, в частности, природным газом.
Из уровня техники известен рециркулятор опускного канала в составном биологическом реакторе установки для производства биомассы аэробных микроорганизмов (Изобретение РФ №2352626, МПК: С12М 1/02, опуб. 20.04.2009 г., Бюл. №11). Он образован ориентированной в вертикальной плоскости обечайкой, предназначенной для размещения в ферментере-саттелите составного биологического реактора. Упомянутая обечайка снабженной на верхнем торце отбортовкой в виде первой воронки, по центру которой установлена дыхательная трубка, а также наличием второй воронки, позиционированной под упомянутой первой воронкой соосно отбортовке. На нижнем торце обечайки также выполнена отбортовка, соединенная горловиной с трубопроводом жидкостепровода.
Недостаток известного устройства-аналога заключается в отсутствии в его составе средств контроля выхода процесса ферментации из экспоненциальной фазы роста.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является рециркулятор опускного канала в составном биологическом реакторе установки для производства биомассы аэробных микроорганизмов (Изобретение РФ №2322488, МПК; С12М 1/00, опуб. 20.04.2008 г., Бюл. №11). Этот наиболее близкий к заявленному устройству принят в качестве устройства-прототипа. Устройство-прототип состоит из ориентированной в вертикальной плоскости обечайки, предназначенной для размещения в ферментере-саттелите составного биологического реактора. Эта обечайка снабженной на своем верхнем торце отбортовкой в виде первой воронки, по центру которой установлена дыхательная трубка. Вторая воронка позиционирована под упомянутой первой воронкой соосно ей. Нижний торец рассматриваемой обечайки также оснащен отбортовкой, которая своей горловиной соединена с трубопроводом жидкостепровода,
Недостаток известного устройства-аналога заключается в отсутствии в его составе средств контроля выхода процесса ферментации из экспоненциальной фазы роста.
Задача, на решение которой направлено создание настоящего устройства, заключается в снижении издержек, в частности по природному газу, при производстве биомассы аэробных микроорганизмов.
Технический результат, ожидаемый от использования заявленного устройство, состоит в снижении расхода газообразного углеводорода на единицу производимой биомассы.
Заявленный технический результат достигается тем, что рециркулятор опускного канала в составном биологическом реакторе установки для производства биомассы аэробных микроорганизмов образован ориентированной в вертикальной плоскости обечайкой, предназначенной для размещения в ферментере-саттелите составного биологического реактора, снабженной на верхнем торце отбортовкой в виде первой воронки, по центру которой установлена дыхательная трубка, и второй воронки, позиционированной под упомянутой первой воронкой соосно ей, а также отбортовки, выполненной на нижнем торце обечайки и соединенной горловиной с трубопроводом жидкостепровода, при этом во внутреннем объеме обечайки в зоне отбортовоки на верхнем торце установлен датчик углекислого газа, а в зоне отбортовки на нижнем торце установлен датчик температуры, информационно-коммутационно связанные через интерфейс с IBM совместимым персональным компьютером, снабженным средство визуализации, на котором инсталлирована программа для ЭВМ «ГАПРИН».
Желательно, чтобы средство визуализации было выполнено в виде дисплея.
Заявленное устройство поясняется рисунком. На Фиг. 1 условно изображено вертикальное сечение предложенного рециркулятора опускного канала в составном биологическом реакторе установки для производства биомассы аэробных микроорганизмов.
Перечень позиций.
1. Ферментер-саттелит составного биологического реактора.
1.1. Трубопровод первого жидкостепровода.
1.2. Трубопровод второго жидкостепровода.
1.3. Патрубок сброса продуктов метаболизма.
1.4. Наджидкостное пространство в ферментере саттелите.
1.5. Уровень культуральной жидкости в ферментере-саттелите.
1.6. Подъемный канал в ферментере-саттелите.
1.7. Барботер.
2. Обечайка.
2.1. Первая воронка.
2.1.1. Дыхательная трубка.
2.2. Вторая воронка
2.3. Уровень культуральной жидкости в обечайке.
2.4. Культуральная жидкость в обечайке.
2.5. Наджидкостное пространство в обечайке.
2.6. Отбортовка.
2.6.1 Горловина.
3. Датчик углекислого газа.
4. Датчик температуры.
5. Информационно-коммутационный канал.
6. Интерфейс.
7. IBM совместимый персональный компьютер.
7.1. Дисплей.
Обечайка 2 (Фиг. 1) предназначена для организации опускного канала в составе ферментера-саттелита биологического реактора и рециркуляции в нем метаносодержащего газа. В качестве материала обечайки может быть использован металл, не подверженный коррозии, например пищевая нержавеющая сталь или композиционный материал на основе углепластика. Предпочтительно изготовление обечайки 2 (Фиг. 1) круглой по форме, ориентированной продольной осью по вертикали. Соответственно, на верхнем и нижнем торцах обечайки 2 (Фиг. 1) установлены и закреплены (крепление не показано) отбортовки. Отбортовка на верхнем торце обечайки 2 (Фиг. 1) имеет вид воронки. По-существу, эта первая воронка 2.1 (Фиг. 1) функционально представляет собой гравитационный эжектор. На первой воронке 2.1 (Фиг. 1) коаксиально продольной оси обечайки закреплен патрубок, являющийся дыхательной трубкой 2.2.1 (Фиг. 1), поскольку он соединяет между собой зоны наджидкостных пространств 1.4 и 2.5 (Фиг. 1), образующихся как в ферментере-саттелите 1 (Фиг. 1) и, соответственно, в обечайке 2 (Фиг. 1). Ниже упомянутой дыхательной трубки 2.1.1. (Фиг. 1) и коаксиально ей закреплена (крепление не показано) вторая воронка 2.2. (Фиг. 1), являющаяся также по своему предназначению гравитационным эжектором. Вторая воронка 2.2. (Фиг. 1) позиционирована в зоне наджидкостного пространства в обечайке 2.5 (Фиг. 1).
Отбортовка, установленная на нижнем торце обечайки 2 (Фиг. 1), соединяет своей горловиной 2.6. 1. (Фиг. 1) обечайку 2 (Фиг. 1) с трубопроводом второго жидкостепровода 1.2(Фиг. 1), выводящего культуральную жидкость после интенсивной рециркуляции в основной ферментер (не показан 0). Конструкция этой отбортовки 2.6. (Фиг. 1) является типичной для профилированных конструкций, используемых в качестве гравитационных эжекторов, и в силу указанной причины отбортовка 2.6 (Фиг. 1) также обладает свойством гравитационного эжектора.
2
Датчик углекислого газа 3 (Фиг. 1) служит для определения концентрации СО. Конструкция такого рода датчика известна (см., например, www.electronics.ru «датчики фирмы Figoro (Япония)). Также широко известны и датчики температуры, в частности, полупроводниковые (см. www.sensorica.ru «Полупроводниковые датчики температуры»). Их выбор под конкретный диапазон измеряемых температур полагаем, не вызовет никаких затруднений.
Информационно-коммутационный канал 5 (Фиг. 1) в заявленном устройстве может быть воплощен в виде проводных каналов связи, например, изолированных витых медных пар.
В качестве внешнего интерфейса 6 (Фиг. 1) к IBM совместимому персональному компьютеру 7 (Фиг. 1) могут быть использованы (в зависимости от типа датчика) следующие внешние интерфейсы USB 2.0, USB 3.0, PS/2, IEEE1394, S/PDIF, Jack 3.5, eSATA, RJ-45, HDMI, D-SUB (VGA), DVI-D, DVI-I, LPT, COM, Thunderbolt.
На используемом в предложенном устройстве IBM совместимом персональном компьютере 7 (Фиг. 1) помимо программ операционной системы и программ приема информации и вывода информации на дисплей 7.1 (Фиг. 1) инсталлируют и оригинальную авторскую программу для ЭВМ «ГАПРИН» (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №201561884, зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ 19.08.2015 г.).
Работа заявленного устройства поясняется представленным ниже примером.
Пример.
3
Для производства биомассы аэробных микроорганизмов из природного газа (гаприн) использовали штамм бактерии Methylococcus capsulatus ВСБ-874 в количестве 0,5% вес на 1 литр жидкой питательной среды, помещаемый в установку с составным биологическим реактором, снабженным рециркулятором природного газа (в соответствии с Фиг. 3 источника информации об устройстве-прототипе). Объем формообразующей рециркулятор обечайки 2 (Фиг. 1) составлял 1.8 м, исходную температуру культуральной жидкости задавали на уровне в 49°C. Через барботер 1.7 (Фиг. 1) культуральную жидкость, поступающую по трубопроводу первого жидкостепровода 1.1 (Фиг. 1) в подъемный канал в ферментере-саттелите 1.6 (Фиг. 1) насыщали природным газом с расходом 930 л/мин. При этом уровень культуральной жидкости в ферментере-саттелите 1 (Фиг. 1) располагался над поверхностью рецир-кулятора природного газа, однако дыхательная трубка 2.1.1. (Фиг. 1) была позиционирована над этим уровнем, будучи позиционированной верхним торцом в зоне наджидкостного пространства 1.4 (Фиг. 1) в ферментере-саттелите.
Благодаря насыщению культуральной жидкости природным газом из барботера (являющимся источником углеводородного питания аэробных микроорганизмов Methylococcus capsulatus ВСБ-874, т.е метанотрофных бактерий) происходит экспоненциальный рост числа упомянутой бактерии, сопровождающийся выделением продуктов метобализма (в частности, углекислого газа) и повышением ее (культуральной жидкости) температуры. В отличие от однократного контакта культуральной жидкости с воздухом (являющимся для производимой биомассы источником кислорода) в основном ферементере (не показано), в обечайке происходит интенсивная рециркуляция природного газа и его многократный захват культуральной жидкостью. Это происходит из-за того, что часть природного газа, покинув барботер 1.7 (Фиг. 1) и будучи не захваченной культуральной жидкостью в подъемном канале в ферментере-саттелите 1.6 (Фиг. 1) скапливается в наджидкостном пространстве в ферментере-саттелите 1.4 (Фиг. 1). При перемещении культуральной жидкости в рециркулятор /фактически внутреннее пространство обечайки 2 (Фиг. 1)/, культуральная жидкость проходит первую 2.1 (Фиг. 1) и вторую 2.2 (Фиг. 1) воронки, представляющие собой, как ранее указывалось, ни что иное, как гравитационные эжекторы. Вследствие прохождения указанных гравитационных эжекторов наблюдается очень интенсивное /характеризуемое автором изобретения РФ №2322488, см. прототип, как «водопад КЖ (культуральной жидкости)/ перемешивание культуральной жидкости и метаносодержащего (природного) газа, в том числе и из-за рециркуляции последнего, поскольку уровень культуральной жидкости 2.3 (Фиг. 1) в обечайке 2 (Фиг. 1) ниже уровня культуральной жидкости в ферментере-саттелите 1 (Фиг. 1). Наличие в обечайке 2 (Фиг. 1) наджидкостного пространства 2.5 (Фиг. 1) способствует интенсификации обращения (и соответственно, поглощения) газообразного субстрата (т.е. природного газа) культуральной жидкостью, в том числе и возвращенного по дыхательной трубке 2.1.1 (Фиг. 1) в наджидкостное пространства ферментера-саттелита 1.4 (Фиг. 1) и частично захватываемого оттуда культуральной жидкостью при устремлении ее в первую (а затем и вторую) воронки 2.1 и 2.2 (Фиг. 1).
Отбортовка на нижнем торце обечайки 2.6 (Фиг. 1), снабженная горловиной 2.6.1 (Фиг. 1), также представляет собой гравитационный эжектор, ускоряющий вывод культуральной жидкости из рециркулятора в трубопровод второго жидкостепровода 1.2 (Фиг. 1).
2
Продукты метаболизма ферментации газообразного субстрата (в основном, это СО) выводят через патрубок сброса продуктов метаболизма 1.3 (Фиг. 1) на утилизацию.
2
Контроль за концентрацией СО производят посредством датчика углекислого газа 3 (Фиг. 1), текущая информация от которого по информационно-коммутационному каналу 5 (Фиг. 1) через интерфейс 6 (Фиг. 1) поступает на IBM совместимый персональный компьютер 7 (Фиг. 1), где после обработки программой для ЭВМ «ГАПРИН» отображается для обозрения оператором на дисплее 7.1 (Фиг. 1).
Аналогично, датчик температуры 4 (Фиг. 1) снимает информацию о текущей температуре культуральной жидкости, которая поступает, как и в случае с датчиком углекислого газа 3 (Фиг. 1) по информационно-коммутационному каналу 5 (Фиг. 1) и через интерфейс 6 (Фиг. 1) на обработку программой для ЭВМ «ГАПРИН» в IBM совместимый персональный компьютер 7 (Фиг. 1), где после обработкой указанной программой отображается на дисплее 7.1 (Фиг. 1) для обозрения оператором.
При производстве биомассы аэробных микроорганизмов эффективность работы рециркулятора в части насыщения культуральной жидкости газообразным субстратом (природным газом) существенно зависит от постоянно (и, фактически, ничем не контролируемо) изменяющегося реологического показателя последней как жидкости ввиду экспоненциального роста в ней микроорганизмов.
Процесс же завершения экспоненциального этапа наращивания биомассы аэробных микроорганизмов характеризуется снижением концентрации углекислого газа до уровня 3-4% об. и, соответственно, снижения температуры культуральной жидкости до близких к исходному значению 49…50°C, что служит для оператора основание прекратить подачу на барботер 1.7 (Фиг. 1) природного газа. Это процедура остановки работы барботера 1.7 (Фиг. 1) природного газа приводит к существенной экономии последнего.
Сопоставительные с устройством- прототипом данные, касающиеся расхода углеродсодержащего (природного) газа на единицу произведенной из штамма бактерии Methylococcus capsulatus ВСБ-874 биомассы приведены в Таблице.
Как следует из Таблицы, заявленное устройство обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Для изготовления заявленного устройства могут быть использованы известные из уровня техники материал, технологии, узлы и комплектующие. Последнее дает основание считать предложенную полезную модель соответствующей критерию патентоспособности полезных моделей «промышленная применимость».