ВИХРЕВОЙ БИОРЕАКТОР
VORTEX BIOREACTOR

Изобретение относится к аппаратам для проведения биохимических процессов с использованием жидких сред различной вязкости, в частности при культивировании клеток тканей и микроорганизмов в питательных средах повышенной вязкости или жидкостей, вязкость которых изменяется (увеличивается) в процессе перемешивания, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в частности биотехнологии и пищевой промышленности.
Известен биореактор, содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками для подвода и отвода газа и устройство для аэрации и перемешивания среды. Устройство для аэрации и перемешивания содержит горизонтальное лопастное колесо, укрепленное на вертикальном приводном валу, размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, и расположенную под ним кольцевую пластину с центральным отверстием для пропуска газа, прикрепленную по периферии к стенке емкости с образованием кольцевой полости вокруг колеса для подвода и отвода газа. В кольцевой перегородке выполнены щелевые отверстия для прохода газа, расположенные равномерно по окружности под наклоном к горизонтальной плоскости (WO 92105245, C12N 5/00, 02.04.1992).
Конструкция этого биореактора не обеспечивает эффективное перемешивание вязкой культуральной среды при проведении биохимических процессов. При высоких скоростях движения газа над поверхностью последней происходит захват капель с культивируемыми клетками и выброс их на стенку емкости, что приводит к травмированию и гибели клеток.
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 при креплении неподвижно кольцевой перегородки на стойках создается большое сопротивление движению вязкой культуральной среды, что ухудшает процесс ее перемешивания. 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 (прототипом) предложенного изобретения является биореактор (RU, 2299903, С12М 1/04, опубл. 27.05.2007 г.), 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 поверхности перемешиваемой среды. Этот 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. Механизм регулирования положения кольцевой перегородки может быть снабжен фиксатором ее положения относительно штанги, содержащим дополнительную втулку, расположенную между штангой и втулкой кольцевой перегородки, ограничителями хода последней и по меньшей мере одним зажимным элементом. Штанга установлена с возможностью ее осевого перемещения.
Однако данный реактор работает в жидких средах, вязкость которых не превышает вязкость воды более чем в 2 раза. При использовании более вязких сред приходится значительно увеличивать скорость вращения колеса активатора для создания более значительного перепада давления над поверхностью перемешиваемой жидкости. При этом происходит захват капель с культивируемыми клетками и выброс их на стенку емкости, что приводит к травмированию и гибели клеток. Помимо этого в данном случае в вязкой жидкости центральный восходящий поток (осевой противоток) формируется не у самого дна емкости реактора, а несколько выше, вследствие чего образуется застойная зона.
Кроме того, при культивировании растительных и животных клеток, склонных к агломерации, особенно в вязкой среде или среде с изменяющейся вязкостью, существует проблема оседания клеток или кластеров клеток на верхнюю поверхность кольцевой перегородки. При развитии, закрепившихся на поверхности шайбы агломератов клеток происходит гибель нижних слоев клеток и отравление продуктами лизиса окружающей среды, что негативно сказывается на результатах культивирования.
Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности перемешивания и ускорении биохимических процессов при их проведении в жидких средах различной вязкости.
Этот результат достигается тем, что в предложенном биореакторе, включающем 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 горизонтальной кольцевой перегородки, установленной в емкости с зазором относительно ее цилиндрических стенок, вертикально установленную по оси емкости штангу, на которой размещена с возможностью вращения горизонтальная кольцевая перегородка и механизм фиксации горизонтальной кольцевой перегородки на штанге, согласно изобретению, биореактор снабжен трубой или телескопической трубой, состыкованной с осевым отверстием горизонтальной кольцевой перегородки, прикрепленной снизу к последней и расположенной вокруг штанги, а в горизонтальной кольцевой перегородке выполнены радиальные каналы, расположенные от осевого отверстия до края кольцевой перегородки с наклоном к низу в сторону днища емкости. Горизонтальная кольцевая перегородка выполнена плавучей, например, из полипропилена. Внутренний диаметр трубы или телескопической трубы соответствует диаметру осевого отверстия горизонтальной кольцевой перегородки.
Площадь осевого отверстия горизонтальной кольцевой перегородки равна суммарной площади сечений на входе в радиальные каналы и суммарной площади сечений на выходе из этих радиальных каналов.
Механизм регулирования положения горизонтальной кольцевой перегородки на штанге включает втулку, установленную на штанге над горизонтальной кольцевой перегородкой с возможностью вращения и прикрепленную к последней посредством стоек, и элементы для ограничения осевого перемещения втулки вдоль штанги.
Стенки, крышка емкости и горизонтальная кольцевая перегородка биореактора могут быть выполнены из оптически прозрачного материала, например поликарбоната.
Изобретение поясняется следующими чертежами. На фиг.1 приведена основная схема биореактора с трубой на кольцевой перегородке для перемешивания среды с обычной и повышенной вязкостью. На фиг.2 изображена схема биореактора с телескопической трубой на кольцевой перегородке для перемешивания вязкотекучих жидкостей. На фиг.3 изображен общий вид горизонтальной кольцевой перегородки с трубой. На фиг.4 приведена схема горизонтальной кольцевой перегородки, разрез А-А. На фиг.5 приведена схема горизонтальной кольцевой перегородки, вид сверху.
Биореактор включает (фиг.1) цилиндрическую емкость 1, снабженную крышкой 2 с патрубком 3 подачи и патрубком 4 отвода аэрирующего газа, патрубком 5 подачи исходных компонентов культивирования и отвода готового продукта, а также патрубком 6 дополнительной подачи аэрирующего газа. При культивировании фотобактерий стенки емкости 1 и крышка 2 выполнены из оптически прозрачного материала. Внутри емкости 1 размещено устройство для перемешивания жидкой среды, состоящее из лопастного колеса 7 активатора, горизонтально укрепленного на вертикальном валу с приводом 8 его вращения и расположенного в верхней части емкости 1, горизонтальной кольцевой перегородки 9, установленной соосно в емкости 1 с возможностью вращения, образующая с внутренней стенкой емкости 1 зазор и вертикально установленную по оси емкости штангу 10, на которой размещена с возможностью вращения горизонтальная кольцевая перегородка 9. Нижний конец штанги 10 закреплен в днище емкости 1.
На верхней поверхности 11 горизонтальной кольцевой перегородки 9 (фиг.3-5) выполнены радиальные каналы 12, расположенные от осевого отверстия 13 до края кольцевой перегородки 9 с наклоном к низу в сторону днища емкости 1. Площадь осевого отверстия 13 горизонтальной кольцевой перегородки 9 равна суммарной площади сечений на входе 14 радиальных каналов 12 и суммарной площади на выходе 15 этих радиальных каналов 9.
Причем, горизонтальная кольцевая перегородка 9 может быть выполнена плавучей, например, из материала полипропилена.
Кольцевая перегородка 9 снабжена механизмом регулирования ее положения на штанге 10, который включает втулку 16, установленную на штанге 10 над горизонтальной кольцевой перегородкой 9 с возможностью вращения и прикрепленную к последней посредством стоек 17 и элементы 18 для ограничения осевого перемещения втулки 16 вдоль штанги 10. Для перемешивания и аэрации жидкостей с нормальной (близкой к вязкости воды) или повышенной вязкостью (фиг.1) биореактор снабжен трубой 19, состыкованной с осевым отверстием 13 горизонтальной кольцевой перегородки 9, прикрепленной снизу к последней и расположенной вокруг штанги 10.
Для перемешивания и аэрации жидкостей с высокой вязкостью (фиг.2) биореактор снабжен телескопической трубой 20, состоящей из верхней подвижной трубы 21 и нижней неподвижной трубы 22, имеющей раструб 23. Верхняя подвижная труба 21 состыкована с осевым отверстием 13 горизонтальной кольцевой перегородки 9, прикреплена снизу к последней и расположена вокруг штанги 10. Нижняя неподвижная труба 22 установлена внутри верхней подвижной трубы 21 с возможностью вращения и возвратно-поступательного перемещения последней, расположена вокруг штанги 10 и закреплена вместе с перфорированной кольцевой трубой 24 в приосевой зоне к днищу емкости 1. Патрубок 6 дополнительной подачи аэрирующего газа соединен с перфорированной кольцевой трубой 24.
Описание работы вихревого биореактора
Культивирование бактерий, клеток животных или растений. При культивировании микроорганизмов, например бактерий, клеток животных или растений цилиндрическую емкость 1 с установленной на штанге 10 горизонтальной кольцевой перегородкой 9 с трубой 19 (фиг.1) в стерильных условиях заполняют питательной средой через патрубок 5 так, чтобы над поверхностью среды в верхней части емкости 1 оставалась полость для движения аэрирующего газа, а кольцевая перегородка 9 располагалась в питательной среде с выступающей поверхностью 11 над жидкой средой так, как показано на фиг.1. Далее устанавливают, например, для культивирования клеток растений или животных, требуемый температурный режим, вводят также через патрубок 5 посевную дозу клеток и включают привод 8 вращения лопастного колеса 7. В зависимости от требований технологии культивирования устанавливают необходимое число оборотов вращения колеса 7, при вращении которого над поверхностью суспензии клеток создается разряжение 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. Кольцевая перегородка 9 с трубой 19 вращается в ту же сторону и с той же угловой скоростью, что и культуральная жидкость и удерживается на штанге 10 за счет собственной плавучести или удерживается элементами 18. В процессе культивирования кольцевая перегородка 9 с трубой 19 повышает интенсивность циркуляции жидкости (в виде тангенциального вихревого движения с осевым противотоком). Жидкая среда с микроорганизмами или клетками животных или растений в виде восходящего потока поднимается по трубе 19, осевому отверстию 13 перегородки 9 и перетекает через наклонные радиальные каналы 12 этой перегородки 9 вниз вдоль цилиндрических боковых стенок емкости 1. Наклонная форма радиальных каналов 12 указанной кольцевой перегородки 9 не позволяет закрепляться на ее поверхности агломератам клеток, которые сбрасываются с указанной перегородки 9 потоком жидкости. Причем, в процессе культивирования газ аэрирует клетки животных, растений или микроорганизмы на поверхности жидкости. В результате такой аэрации в культуральной жидкости не образуются пузырьки газа и пена и не происходит травмирование клеток и микроорганизмов. Скорость движения газового вихря (3-6 м/с) не вызывает отрыв капель культуральной жидкости с ее поверхности, что также уменьшает травмирование клеток. Увеличение интенсивности движения восходящего и нисходящего потоков суспензии клеток позволяет осуществлять их культивирование без образования застойных зон при высоте заполнения емкости 1 средой, равной или в несколько раз (2-3 раза) большей диаметра этой емкости. При этом обеспечиваются нормальные условия культивирования микроорганизмов. Полученная биомасса отводится через патрубок 5.
Проведение биотехнологических процессов при перемешивании вязкотекучих жидкостей в вихревом биореакторе. При перемешивании вязкотекучих жидкостей, например, при гидролизе крахмала для получения патоки, перед началом процесса устанавливают кольцевую перегородку 9 с телескопической трубой 20 на штанге 10 (фиг.2). Нижний конец телескопической трубы 22 с раструбом 23 установлен вблизи поверхности днища емкости 1 у перфорированной кольцевой трубы 24 для дополнительной подачи аэрирующего газа. Далее заполняют емкость 1 крахмальным молоком через патрубок 5 так, чтобы над поверхностью жидкости в верхней части емкости 1 оставалась полость для движения газа, а кольцевая перегородка 9 располагалась в питательной среде с выступающей поверхностью 11 над жидкой средой так, как показано на фиг.2. Затем устанавливают для процесса гидролиза крахмала требуемый температурный режим, вводят фермент альфа-амилазу через патрубок 5 и включают привод 8 вращения лопастного колеса 7. В зависимости от требований технологии устанавливают необходимое число оборотов лопастного колеса 7. При вращении последнего над поверхностью крахмального молока создается разряжение 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 1. Кольцевая перегородка 9 с верхней подвижной трубой 21 телескопической трубы 20 под воздействием потока жидкости вращаются вместе с ним в ту же сторону и с той же угловой скоростью и удерживаются на штанге 10, обеспечивая повышение интенсивности движения восходящего и нисходящего потоков жидкости. Создается перепад давления между периферией емкости 1 (у ее стенок более высокое давление) и осевой зоной (пониженное давление). Осевой восходящий поток вязкой жидкости поступает в телескопическую трубу 20 через зазор между днищем емкости 1 и торцом раструба 23 трубы 20 и устраняет застойные зоны у днища емкости 1. Восходящий центробежный поток жидкости перемещается по телескопической трубе 20 вверх и выталкивается через осевое отверстие 13 перегородки 9 и перетекает через наклонные радиальные каналы 12 этой перегородки 9 вниз вдоль цилиндрических боковых стенок емкости 1. Наклонная форма радиальных каналов 12 указанной кольцевой перегородки 9 не позволяет закрепляться на ее поверхности вязкой суспензии крахмала, которая сбрасывается с указанной перегородки 9 потоком жидкости. Далее суспензия движется вниз по периферии емкости 1, формируя нисходящий поток жидкости вдоль стенок указанной емкости 1. Полученный гидролизат крахмала отводится через патрубок 5.
Культивирование микроводорослей или других фотосинтезирующих микроорганизмов. Для культивирования фотосинтезирующих микроводорослей используют биореактор (фиг.1), стенки цилиндрической емкости 1, крышка 2 и горизонтальная кольцевая перегородка 9 которого выполнены из оптически прозрачного материала, например поликарбоната. Снаружи на прозрачной крышке 2 устанавливают источники света (на чертежах не показаны). В стерильных условиях цилиндрическую емкость 1 с установленной в ней на штанге 10 горизонтальной кольцевой перегородкой 9 и трубой 19 заполняют питательной средой через патрубок 5 так, чтобы над поверхностью среды в верхней части емкости 1 оставалась полость для движения аэрирующего газа, а кольцевая перегородка 9 располагалась в питательной среде с выступающей поверхностью 11 над жидкой средой так, как показано на фиг.1. Далее устанавливают, например, для культивирования микроводорослей, требуемый температурный режим, вводят через патрубок 5 посевную дозу микроводорослей (например, клетки хлореллы в количестве 0,1 г на 1 л питательной среды и включают привод 8 вращения лопастного колеса 7. В зависимости от требований технологии культивирования устанавливают необходимое число оборотов вращения колеса 7, при вращении которого над поверхностью суспензии микроводорослей создается разряжение 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 микроводорослей создается закрученный поток газа, который образует в культуральной жидкости турбулентное вращательное движение с интенсивным перемешиванием вдоль оси емкости.
Кольцевая перегородка 9 с трубой 19 (фиг.1) вращается в ту же сторону и с той же угловой скоростью, что и культуральная жидкость и удерживается на штанге 10 за счет собственной плавучести или удерживается элементами 18. В процессе культивирования кольцевая перегородка 9 с трубой 19 повышает интенсивность циркуляции жидкости (в виде тангенциального вихревого движения с осевым противотоком). Жидкая среда с микроводорослями в виде восходящего потока поднимается по трубе 19, осевому отверстию 13 перегородки 9 и перетекает через наклонные радиальные каналы 12 этой перегородки 9 вниз вдоль цилиндрических боковых стенок емкости 1. Наклонная форма радиальных каналов 12 указанной кольцевой перегородки 9 не позволяет закрепляться на ее поверхности микроводорослям, которые сбрасываются с указанной перегородки 9 потоком жидкости. Причем в процессе культивирования при подаче смеси воздуха с углекислым газом через патрубок 6 подачи аэрирующего газа и соединенную с ней перфорированную кольцевую трубу 24 происходит захват углекислого газа микроводорослями, проходящими через трубу 19 с восходящим потоком жидкости. В результате такой аэрации интенсифицируются процессы потребления микроводорослями углекислого газа, выделения кислорода и размножения культуры. Отсутствие травмирующего перемешивающего устройства внутри жидкости обеспечивает возможность культивирования безоболочных типов микроводорослей, чувствительных к механическим воздействиям. Скорость движения газового вихря (3-6 м/с) не вызывает отрыв капель культуральной жидкости с ее поверхности, что также уменьшает травмирование микроводорослей. Регулирование интенсивности движения восходящего и нисходящего потоков суспензии микроводорослей при помощи лопастного колеса 7 активатора позволяет осуществлять возможность прохождения под источником света всех слоев жидкости с микроводорослями и обеспечить необходимый режим потребления ими фотонов света. Культивирование происходит без образования застойных зон при высоте заполнения емкости 1 средой, равной или в несколько раз (2-3 раза) большей диаметра этой емкости. При этом обеспечиваются оптимальные условия культивирования всех типов микроводорослей. Процесс ведут до нарастания биомассы фотосинтезирующих микроорганизмов, например, водоросли хлореллы до 15-20 г на 1 л суспензии. Полученная биомасса отводится через патрубок 5.
Таким образом, предлагаемая конструкция биореактора позволяет эффективно перемешивать жидкости с различной вязкостью, в том числе и вязкотекучие, с одновременной аэрацией без застойных зон и ускорять проводимые в нем биохимические процессы.