БИОРЕАКТОР ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Биореактор для культивирования микроорганизмов
Полезная модель относится к микробиологической промышленности и может использоваться для культивирования ацидофильных микроорганизмов (Lactobacterium acidophilum), при производстве пищевых и кормовых добавок, предназначенных для профилактики и лечения желудочно-кишечных заболеваний у человека, животных и птиц.
Известен биореактор, предназначенный для культивирования микроорганизмов, содержащий культивационную ванну с плоскими стенками и циркуляционный насос, соединенный с культивационной ванной всасывающим и нагнетательным патрубками, при этом в культивационной ванне с зазором относительно ее дна и стенок шарнирно закреплены поперечные жесткие пластины (А.с. СССР N 1347911, кл. A01G 31/02, 1985).
Недостаток названного решения невысокий уровень турбулизации суспензии, необходимой для тепломассообмена. Это ухудшает качество культивируемых микроорганизмов.
Известен также биореактор для культивирования микроорганизмов, содержащий культивационную ванну с цилиндрическими стенками, снабженную крышкой и технологическими патрубками для подключения источника суспензии, источника посевного материала, и слива готовой продукции, лопастную мешалку снабженную приводом и средство регулирования температуры в полости культивационной ванны (А.с. СССР 1570678, кл. A01G 31/02, 1988).
Недостаток этого решения невозможность его использования для производства пищевых и кормовых добавок предназначенных для профилактики и лечения желудочно-кишечных заболеваний у человека, животных и птиц.
Задача на решение которой направлена заявленная полезная модель выражается в обеспечении возможности культивирования биомассы, по своим характеристикам пригодной для использования при приготовлении пищевых и кормовых добавок.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в, обеспечении возможности расширения сырьевой базы для производства добавки за счет использования соевого жмыха (отходов соевого производства, имеющегося в достаточных количествах в Дальневосточном регионе). При этом расширение сырьевой базы, за счет сырья менее требовательного к режимам хранения, позволяет уменьшить использование холодильных мощностей для хранения сырья и снизить стоимость продукции. Кроме того, обеспечивается эффективная утилизация значительных объемов соевого жмыха. Кроме того, исключается использование ценных продуктов (используются только отходы их переработки). Кроме того, достаточно крупное измельчение сырья способствует снижению затрат труда и энергии на процесс его измельчения.
Поставленная задача решается тем, что биореактор для культивирования микроорганизмов, содержащий культивационную ванну с цилиндрическими стенками, снабженную крышкой и технологическими патрубками для подключения источника суспензии, источника посевного материала, и слива готовой продукции, лопастную мешалку снабженную приводом и средство регулирования температуры в полости культивационной ванны, отличается тем, что в составе биореактора использованы по меньшей мере две культивационных ванны, при этом источник суспензии содержит бункер рыбных отходов и бункер соевого жмыха, выходы которых через дозаторы сырья сообщены с измельчителем выполненным с возможностью измельчения материала до крупности менее 5 мм, выход которого через дозатор питательной среды сообщен с полостью каждой из культивационных ванн, которые также сообщены через дозатор с источником жидкой фракции и через дозатор посевного материала сообщены с источником посевного материала выполненным с возможностью подачи бактерий Lactobacterium acidophilum, причем средство регулирования температуры в полости культивационной ванны выполнено в виде водяной рубашки, размещенной на боковых стенках культивационной ванны, с возможностью поддержания в ее полости температуры от 45 до 80-95°С, кроме того, патрубки для слива готовой продукции снабжены дозаторами и выполнены с возможностью розлива готовой продукции в емкости, при этом бункеры рыбных отходов и соевого жмыха, размещены выше измельчителя, причем измельчитель, источник жидкой фракции и источник посевного материала размещены выше культивационных ванн. Кроме того, узлы биореактора выполнены из нержавеющей стали. Кроме того, в полости водяной рубашки размещены теплоотдающие поверхности нагревательного элемента. Кроме того, в зоне розлива готовой продукции размещены средства стерилизации воздушной среды.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков полезной модели обеспечивают решение заявленной технической задачи, а именно, обеспечивает возможность ускоренного культивирования биомассы, по своим характеристикам пригодной для использования в качестве пищевых и кормовых добавок.
Заявленное устройство иллюстрируется чертежом, на котором показан его вертикальный разрез.
На чертеже показаны культивационные ванны 1 их крышки 2, источник суспензии 3, содержащий бункер рыбных отходов 4 и бункер соевого жмыха 5, дозаторы сырья 6, измельчитель 7, дозатор питательной среды 8, источник жидкой фракции 9 (например, пресной воды или бульона), ее дозатор 10 источник посевного материала 11 с дозатором посевного материала 12, водяная рубашка 13 с нагревательным элементом 14, патрубки 15 с дозаторами продукции 16, лопастная мешалка 17 с приводом 18. Кроме того, показаны емкости 19 готовой продукции, трубопроводы 20 и средства стерилизации воздушной среды 21.
Названные узлы биореактора выполнены из нержавеющей стали. При этом, бункеры 4 и 5 (соответственно, рыбных отходов и соевого жмыха), размещены выше измельчителя 7 и подключены к нему через дозаторы сырья 6. В свою очередь, измельчитель 7, источник жидкой фракции 9 и источник посевного материала 11 размещены выше культивационных ванн 1 и сообщены с ними трубопроводами 18, соответственно, через дозатор питательной среды 8, дозатор жидкой фракции 10 и дозатор посевного материала 12.
Культивационная ванна 1 имеет цилиндрические стенки и снабжена крышкой 2 (предпочтительно, откидной на шарнире), выполненной с возможностью герметичного перекрытия верхнего (приемного) торца и технологическими патрубками, размещенными вблизи верхнего торца в цилиндрической стенке. Дно культивационных ванн 1, выполнено с наклоном к центральной его части, где размещены патрубки 15 с дозаторами продукции 16.
Водяная рубашка 13 охватывает дно и цилиндрические стенки культивационной ванны 1 и выполнена с возможностью подвода и отвода к ней холодной (или горячей воды). При этом водяные рубашки соседних культивационных ванн 1 сообщены друг с другом водопроводами 22, снабженными запорными кранами. В полости каждой водяной рубашки 13 размещены теплоотдающие поверхности нагревательных элементов 14, предпочтительно, электрических. По меньшей мере, одна из водяных рубашек подключена к водопроводу холодной воды 23.
Целесообразно, чтобы биореактор был снабжен комплектом контрольно-измерительной аппаратуры обеспечивающим автоматическое поддержание стабильной температуры, дозирования компонентов суспензии и посевного материала (на чертежах не показаны) и т.п.. Для этого могут использоваться известные приборы сходного назначения, обеспечивающие возможность измерений в рабочей среде биореактора- подогретой суспензии в смеси с продуктами жизнедеятельности культивируемых микроорганизмов.
Средства стерилизации воздушной среды 21 в зоне розлива готовой продукции выполнены в виде ультрафиолетовых ламп известной конструкции.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Измельчают до частиц крупностью до 5 мм белковые продукты животного происхождения (отходы переработки рыбы и (или) морепродуктов) в смеси с соевым жмыхом, для чего их в заданной пропорции (с использованием дозаторов сырья 6) самотеком подают из бункера рыбных отходов 4 и бункера соевого жмыха 5 в измельчитель 7 (фактически представляющий из себя мясорубку, снабженную выпускной решеткой с отверстиями не более 5 мм). Далее полученную массу через дозатор питательной среды 8 по трубопроводу 20 самотеком подают в культивационную ванну, куда также подают через дозатор жидкой фракции 10 жидкий компонент из источника жидкой фракции 9. Отвар и "твердые" компоненты используют при весовом соотношении 1:2-1:3.
Далее герметично закрывают крышку 2 и вводят в работу нагреватель 14 водяной рубашки 13, поднимая температуру в полости культивационной ванны до 80-95°С. При этом активно работает привод 18 лопастной мешалки 17, обеспечивая равномерность прогрева питательной среды по объему культивационной ванны. Рыбную суспензию пастеризуют при 90-92°С в течение часа при постоянном перемешивании. Готовая питательная среда должна иметь рН 6,0-7,0.
Пастеризованную питательную среду охлаждают до 38-40°С, для чего выключают из работы нагреватель 14 водяной рубашки 13, горячую воду из водяной рубашки по водопроводу 22 сбрасывают в водяную рубашку соседней культивационной ванны, а освободившееся пространство заполняют холодной водой с помощью водопровода холодной воды 23. Кроме того, включают привод 18 лопастной мешалки 17, обеспечивая равномерность остывания питательной среды по объему культивационной ванны 1. Пастеризованную питательную среду охлажденную до 38-40°С и засеивают материнской закваской, культуры Lactobacterium acidophilum, приготовленной по известному способу в соотношении 1:13 (при необходимости повышения скорости процесса культивирования содержание закваски в суспензии повышают до 1:10). В процессе культивирования температуру субстрата повышают на 4-5°С/час доводя ее до температуры не менее, чем до 50-52°С Процесс культивирования осуществляется в течение 3-7 ч до достижения рН 4,0-5,0.
Таким образом получается биомасса, которую затем используют для получения закваска, для производства кисло-молочных продуктов.
При этом, если конечный препарат предполагается производить в виде сухого порошка, то отношение доли "твердого" компонента к отвару в составе суспензии должно быть увеличено до 6:1 или 7:1, что позволит получить на выходе процесса культивирования продукт с низким содержанием влаги, полное обезвоживание которого может быть произведено известными методами, при этом увеличение доли "твердого" компонента выше названного соотношения нецелесообразно, поскольку при этом снижается интенсивность аэрирования суспензии, что приводит к снижению скорости процесса культивирования даже при интенсификации перемешивания.
Готовую биомассу разливают известным образом в стерилизованные емкости 19 с использованием дозаторов продукции 16. При этом перед началом розлива в зоне розлива готовой продукции включают в работу на 15 20 минут средства стерилизации воздушной среды 21.
Пример 1. Для выращивания бактерий культуры Lactobacterium acidophilum представленных 14,2 кг закваски, полученной путем культивирования материнского штамма микроорганизмов, используют 700 кг смолотых в пасту (с крупностью частиц порядка 5 мм) рыбных отходов, которые смешивают с 350 кг отвара осьминога (с содержанием сухих веществ 1%). Содержание сухих веществ в такой рыбной суспензии составляет 18%. Суспензию пастеризуют при температуре 90-92°С в течение часа при постоянном перемешивании. Затем 1050 кг суспензии, охлажденной до 39°С, имеющей рН в пределах 6,5-7,0, засевают 14,2 кг указанной закваски и культивируют при 50°С при перемешивании, до достижения рН 5,5 (продолжительность культивирования составит порядка 6,5 ч). После окончания процесса выращивания будет получено 1064,2 кг кормовой добавки, содержащей ацидофильную палочку.
Пример 2. Для выращивания бактерий культуры Lactobacterium acidophilum, представленных 13,6 кг закваски, полученной путем культивирования материнского штамма микроорганизмов, используют композицию, содержащую 210 кг смолотых в пасту (с крупностью частиц порядка 5 мм) рыбных отходов, 200 кг некондиционных продуктов переработки рыбы (рыбную кулинарию с просроченным сроком реализации) и 150 кг отходов переработки кальмара, которые смешивают со 100 кг отвара мидии и 90 кг отвара кукумарии (с содержанием сухих веществ 1%). Содержание сухих веществ в такой суспензии составляет 18%. Суспензию пастеризуют при температуре 90-92°С в течение часа при перемешивании. Затем 750 кг суспензии, охлажденной до 40°С, имеющей рН в пределах 6,5-7,0, засевают 13,6 кг указанной закваски и культивируют при 51°С при постоянном перемешивании до достижения рН 5,5 (продолжительность культивирования составит около 4 ч). После окончания процесса выращивания будет получено 763,6 кг кормовой добавки, содержащей ацидофильную палочку.
Предлагаемое устройство обеспечивает ускоренное культивирование ацидофильных кисломолочных микроорганизмов, при этом конечный продукт, получаемый при использовании заявленного способа, характеризуется следующими параметрами:
- питательная ценность 1 кг кормовой добавки, поставляемой в жидком виде, при натуральной влажности составляет 0,25-0,3 корм.ед., 0,15 МДж обменной энергии, 140 г сухого вещества, 49 г перевариваемого протеина, 32 г жира, 3 г кальция и 2 г фосфора;
- питательная ценность 1 кг пищевой добавки, поставляемой в порошкообразном виде, при натуральной влажности составляет 0,87 - 1,05 корм.ед., 0,53 МДж обменной энергии, 490 г сухого вещества, 171 г перевариваемого протеина, 112 г жира, 11 г кальция и 7 г фосфора.
Положительный эффект от использования пищевой и кормовой добавки достигается за счет наличия в ней ацидофильной палочки, высокого содержания протеинов, микро- и макроэлементов, витаминов.
Профилактически-лечебная ценность продуктов - производных процесса культивирования микроорганизмов обусловлена наличием ацидофильной палочки, проявляющей антибиотическую активность по отношению к условно-патогенным бактериям.