АППАРАТ ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ АВТОТРОФНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
APPARATUS FOR CULTURING AUTOTROPHIC MICROORGANISMS

Изобретение относится к пленочным аппаратам для культивирования автотрофных микроскопических организмов и может бать использовано в микробиологической и других отраслях промышленности, предусматривающих применение продукции культивирования, например, в комбикормовой, в фармацевтической и косметической промышленности.
Известен аппарат для выращивания микроорганизмов [Пат. РФ 2221038 / Н.А. Войнов, О.Н. Войнова, П.Б. Козленко. - 4918978/26. Заявлено 10.01.2001. Опубл. 19.01.2004 г.], содержащий корпус со штуцерами для ввода и вывода жидкости, ввода и вывода газа-теплоносителя, разделенный горизонтальными перегородками на секции для ввода и вывода жидкости, теплообменную и дополнительную секции, через которые пропущены цилиндрические трубы, снабженные распределителем жидкости и винтовой спиралью.
Однако данный аппарат не может быть использован для культивирования автотрофных микроорганизмов, таких как микроскопические водоросли, цианобактерии, для роста и размножения которых необходима световая энергия в силу следующих причин:
-  не позволяет снабжать автотрофный микроорганизм световой энергией, так как в конструкции не предусмотрена установка источника световой энергии для освещения суспензии в дополнительной секции, а цилиндрические трубы в зоне освещения выполнены непрозрачными;
- не позволяет осуществлять интенсивный теплоотвод для компенсации нагрева при освещении, так как в дополнительную секцию подается воздух с низким коэффициентом теплопроводности;
- не создает равных условий культивирования в каждой из цилиндрических труб, поскольку не обеспечивается равномерная подача углекислого газа;
- не предусматривает в секции вывода жидкости непрерывного барботажа, повышающего суммарный коэффициент массообмена в аппарате.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является аппарат для культивирования автотрофных микроорганизмов [Пат. № 2458980 С1 РФ, МПК С12М 1/00, C12М 1/06, В01D 3/32. Аппарат для культивирования автотрофных микроорганизмов / А.А. Шевцов, А.В. Дранников, Н.Ю. Ситников, А.В. Пономарев, И.В. Мажулина, заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. технол. акад. - № 2011126828/10. Заявлено 29.06.20111. Опубл. 20.08.2012. Бюл. № 23], включающий цилиндрический корпус, разделенный горизонтальными перегородками на секции для ввода и вывода культуральной жидкости и дополнительную секцию с внутренней зеркальной поверхностью и патрубками для ввода и вывода охлаждающего воздуха, предназначенную для освещения, через которые пропущены вертикально установленные прозрачные цилиндрические трубки, каждая из которых имеет винтовую спираль из проволоки, закрепленной на ее внутренней поверхности, пленкообразующее устройство; лампу накаливания и барботажное устройство.
Однако данное устройство имеет следующие недостатки:
- невысокий выход биомассы, поскольку отсутствует рециркуляционная труба, обеспечивающая интенсивное перемещение культуральной жидкости;
- низкое качество получаемой биомассы в связи с тем, что не созданы условия для более равномерного освещения культуральной жидкости при ее рециркуляции посредством коаксиального размещения лампы;
- компоновочное решение аппарата нельзя признать оптимальным, т.к. в центральной зоне рабочего объема аппарата расположены лампы для освещения культуральной жидкости, а не рециркуляционная труба, обеспечивающая многократный возврат жидкости с последующим культивированием до достижения заданной концентрации биомассы культуральной жидкости с требуемым выходом;
- сложность конструкции аппарата из-за чередующихся секций при культивировании суспензии с учетом чередования участков освещения и охлаждения делает её части труднодоступными при профилактическом обслуживании, а также непосредственно связана с увеличением габаритных размеров аппарата;
- высокие удельные энергозатраты на получение биомассы, поскольку не используется кинетическая энергия газового субстрата на входе в биореактор;
- не созданы условия для более равномерного освещения культуральной жидкости при ее рециркуляции посредством коаксиального размещения лампы;
- не позволяет обеспечить рациональное распределение потока газа, так как в конструкции не используется кольцевой коллектор по всему сечению аппарата.
Техническая задача изобретения заключается в создании аппарата для культивирования автотрофных микроорганизмов, позволяющего снизить удельные энергозатраты на рециркуляцию культуральной жидкости и газового субстрата и повысить эффективность тепло- и массообмена с высоким выходом готовой биомассы за счет увеличения поверхности контакта газа с жидкостью путем интенсивного барботирования газовой фазы.
Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в аппарате для культивирования автотрофных микроорганизмов, содержащем цилиндрический корпус, разделенный горизонтальными перегородками на секции для ввода и вывода культуральной жидкости и дополнительную секцию с внутренней зеркальной поверхностью, предназначенную для освещения, и патрубками для ввода и вывода охлаждающего воздуха; через горизонтальные прегородки пропущены вертикально установленные прозрачные цилиндрические трубки, каждая из которых имеет винтовую спираль из проволоки, закрепленной на ее внутренней поверхности; пленкообразующее устройство; лампу накаливания и барботажное устройство, новым является то, что аппарат снабжен системой рециркуляции культуральной жидкости, состоящей из прозрачной рециркуляционной трубы, расположенной вертикально по оси симметрии аппарата, причем лампа накаливания установлена коаксиально в секции дополнительного освещения с возможностью освещения вертикальных трубок и центральной рециркуляционной трубы; а барботажное устройство с патрубком подачи смеси углекислого газа с воздухом выполнено в виде кольцевого коллектора по всему сечению аппарата в секции вывода культуральной жидкости, при этом внутри центральной рециркуляционной трубы установлен вал в подшипниках, корпус одного из которых расположен в верхней части аппарата, корпус другого подшипника расположен в патрубке подачи газа барботажного устройства, причем на валу в зоне дополнительной секции, предназначенной для освещения, закреплен роторный нагнетатель, направляющий культуральную жидкость из секции вывода питательной среды через рециркуляционную трубу в секцию ее ввода, а нижняя часть вала снабжена крыльчаткой, которая расположена в патрубке барботажного устройства с возможностью вращения вокруг своей оси за счет кинетической энергии потока газа, подаваемого в секцию вывода культуральной жидкости.
На фиг.1 представлен общий вид аппарата для культивирования автотрофных микроорганизмов.
Аппарат состоит из корпуса 1, который разделен горизонтальными перегородками 2 на секции ввода культуральной жидкости 3, вывода культуральной жидкости 4, и дополнительную секцию 5 с внутренней зеркальной поверхностью, предназначенную для освещения суспензии автотрофных микроорганизмов. В горизонтальных перегородках 2 вертикально установлены прозрачные цилиндрические трубки 6 с пленкообразующим устройством 7 и прозрачная рециркуляционная труба 8, расположенная вертикально по оси симметрии аппарата. По длине прозрачных цилиндрических трубок на их внутренней поверхности нанесена винтовая спираль из проволоки 9.
В дополнительной секции 5 коаксиально установлена лампа накаливания 10 с возможностью освещения прозрачных цилиндрических трубок 6 и прозрачной рециркуляционной трубы 8. В секции вывода культуральной жидкости 4 размещено барботажное устройство 11, выполненное в виде кольцевого коллектора по всему сечению аппарата, с патрубком подачи смеси углекислого газа и воздуха 12. Внутри рециркуляционной трубы 8 установлен вал 13 в подшипниках 14 и 15. Корпус 16 подшипника 14 с крышкой 17 и сальником 18 закреплен в верхней части аппарата. Корпус подшипника 15 с крышкой 20 и сальником 21 расположен в патрубке барботажного устройства 11.
На валу 13 внутри рециркуляционной трубы 8 в зоне вывода жидкости 4 закреплен роторный нагнетатель 22, направляющий культуральную жидкость из секции вывода культуральной жидкости 4 через рециркуляционную трубу 8 в секцию её ввода 3. Нижняя часть вала 13 снабжена крыльчаткой 23, которая расположена в патрубке 12 барботажного устройства 11 с возможностью вращения вокруг своей оси за счет кинетической энергии потока смеси углекислого газа с воздухом, подаваемой в секцию вывода культуральной жидкости 4.
На корпусе аппарата 1 размещены штуцера для ввода культуральной жидкости (суспензии автотрофного организма) 24 и вывода культуральной жидкости (готовой биомассы) 25, штуцера для ввода и вывода охлаждающего воздуха 26 и 27, штуцера для вывода отработанной смеси углекислого газа с воздухом 28.
Аппарат для культивирования автотрофных микроорганизмов работает следующим образом.
Суспензия автотрофного микроорганизма поступает через штуцер 24 в камеру для ввода культуральной жидкости 3, проходит через кольцевой зазор пленкообразующих устройств 7 и в виде жидкостной пленки стекает по внутренней поверхности прозрачных цилиндрических трубок 6. Обтекая витки винтовых спиралей 9, выполненных в виде канавки полукруглого сечения на внутренней стороне прозрачных цилиндрических трубок 6, жидкостная пленка в противотоке со смесью углекислого газа и воздуха интенсивно взаимодействует. Винтовая спираль 9 обеспечивает вращательно-поступательное движение жидкости и позволяет удержать большое количество культуральной жидкости на внутренней поверхности трубок 6. Наличие центробежной силы, вызванной вращательным движением пленки жидкости, предотвращает ее срыв и обеспечивает равномерное распределение по высоте прозрачных цилиндрических трубок 6.
При этом подача смеси углекислого газа с воздухом в аппарат осуществляется через патрубок 12 барботажного устройства 11, которое обеспечивает дополнительное насыщение жидкости углекислым газом в секции 4 и равномерное распределение потока газовоздушной смеси в прозрачных цилиндрических трубках 6.
За счет кинетической энергии потока смеси углекислого газа с воздухом, подаваемого в секцию вывода культуральной жидкости 4 через патрубок барботажного устройства 12, крыльчатка 23 приводится во вращательное движение и заставляет вращаться вал 13, установленный в подшипниках 14 и 15, а вместе с ним и роторный нагнетатель 22, направляющий культуральную жидкость из секции вывода культуральной жидкости 4 через рециркуляционную трубу 8 в секцию её ввода 3. Рециркуляция культуральной жидкости позволяет обеспечить необходимое время культивирования автоавтотрофных микроорганизмов для достижения необходимой концентрации биомассы при заданном расходе смеси углекислого газа с воздухом (газового субстрата) с минимальными энергозатратами на процесс массообмена.
В дополнительной секции 5 суспензия автотрофного микроорганизма подвергается воздействию световой энергии посредством коаксиально установленной лампы накаливания дневного света 10. В процессе освещения лампой накаливания 10 выделяется теплота, которая компенсируется подачей охлаждающего воздуха в секцию 5 через штуцер 26. Отвод охлаждающего воздуха из секции 5 осуществляется через штуцер 27.
На выходе из цилиндрических трубок 6 насыщенная углекислым газом суспензия автотрофного микроорганизма поступает в секцию для вывода культуральной жидкости 4, где дополнительно насыщается газовоздушной смесью с помощью барботажного устройства 11, при этом повышается суммарный коэффициент массообмена и тем самым интенсифицируется процесс культивирования. Из секции для вывода культуральной жидкости 4 суспензия автотрофного организма выводится в качестве готовой биомассы через  штуцер 25.
Предложенный аппарат для культивирования автотрофных микроорганизмов позволяет:
- повысить выход готовой биомассы, поскольку предусмотрено использование рециркуляционной трубы, обеспечивающей интенсивное перемещение культуральной жидкости;
- повысить качество получаемой биомассы в связи с тем, что созданы условия для более равномерного освещения культуральной жидкости при ее рециркуляции посредством коаксиального размещения лампы;
- уменьшить габаритные размеры аппарата и упростить его конструкцию за счет перехода от многоступенчатого аппарата к одноступенчатому;
- снизить удельные энергозатраты на получение биомассы, поскольку используется кинетическая энергия газового субстрата на входе в биореактор;
- обеспечить рациональное распределение потока газа в конструкции за счет использования кольцевого коллектора по всему сечению аппарата;
- повысить коэффициент массообмена благодаря равномерному освещению культуральной жидкости при ее рециркуляции посредством коаксиального размещения лампы и  рационального распределения потока газа с помощью кольцевого коллектора, установленного по всему сечению аппарата.