УСТАНОВКА ДЛЯ НАРАЩИВАНИЯ СУСПЕНЗИЙ МИКРООРГАНИЗМОВ
UNIT FOR INCREASING SUSPENSIONS OF MICROORGANISMS

Изобретение относится к области микробиологии и биотехнологии, а именно к мобильным комплексам для наращивания суспензии микроорганизмов в полевых условиях, и может использоваться в методах биологической рекультивации земель, очистке водных поверхностей и/или биологических методах увеличения нефтеотдачи.
Известно очень большое количество устройств для наращивания клеток микроорганизмов, каждое из которых разработано в зависимости от области применения, используемых микроорганизмов, состава питательной среды, целевого назначения получаемых продуктов, вида получаемого продукта, конструктивных особенностей емкостей, датчиков, перемешивающих устройств, систем управления и контроля технологическим процессом.
В качестве аналога данного изобретения принят патент RU №2144952, МПК: С12М 1/00, опубл. 27.01.2000 «Аппарат для выращивания микроорганизмов», включает две горизонтальные одинаковые по объему герметичные емкости, сообщенные переливными трубами. Они снабжены патрубками подачи питательной среды и засевного материала и отвода культуральной жидкости средствами подвода стерильного воздуха и устройством для поочередного отвода воздуха из них. Оно содержит выпускные патрубки, укрепленные на верхних частях емкостей, установленные на них электромагнитные клапаны и реле времени. Емкости разделены по длине вертикальными перегородками на отдельные зоны. Средства подвода стерильного воздуха в них состоят из расположенных в зонах барботеров. Переливные трубы укреплены в них попарно, и их выходные участки расположены выше барботеров. Емкость, из которой отводится культуральная жидкость, снабжена циркуляционным трубопроводом для непрерывного перетока последней из ее средней зоны в зону подачи питательной среды другой емкости и вертикально установленной переливной перегородкой высотой 0,6-0,7 высоты емкости для отделения зоны отвода культуральной жидкости от зон выращивания. Недостатком известной установки считаются:
- эксплуатация только в стационарных условиях, что препятствует наращиванию суспензии микроорганизмов в полевых условиях;
- существенный расход электрической сетевой энергии;
- необходимость подключения к магистральному водопроводу, сложность, необходимость в квалифицированном персонале для обслуживания установки.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому техническому решению (прототипом) рассмотрен патент RU №2408720, МПК: С12М 1/02; С12М 1/04, опубл. 10.01.2011 «Установка для выращивания микроорганизмов», включающая колонну со съемной крышкой, патрубком отвода воздуха, штуцером для слива культуральной жидкости и промывных вод, патрубками подачи питательной среды, титрующего агента и засевной культуры, размещенную в колонне многоярусную дисковую мешалку с приводом, аэратор. Колонна состоит из двух цилиндрических емкостей, размещенных одна над другой. Верхняя емкость выполнена большего диаметра для размещения в ней в транспортном положении установки нижней емкости для выращивания маточной культуры и имеет укрепленный в нижней части фланец с болтами крепления для герметизации емкостей. Вал дисковой мешалки выполнен составным. Нижняя часть вала выполнена трубчатой и размещена в емкости для выращивания маточной культуры. Верхняя часть вала выполнена в виде сплошного цилиндра, укрепленного в съемной крышке установки и вставленного в нижнюю трубчатую часть составного вала мешалки с возможностью перемещения относительно друг друга. На верхней цилиндрической части вала дисковой мешалки установлен диск с возможностью перемещения вдоль вала и фиксации его посредством штифтов на заданной высоте. На нижней трубчатой части вала дисковой мешалки диски размещены по концам трубчатой нижней части. Установка снабжена размещенными под фланцем верхней емкости подъемными механизмами для совмещения емкостей друг с другом в рабочем положении установки.
Недостатками данного изобретения считаются:
- невозможность запуска технологического цикла в пути, т.к. установка в рабочем состоянии имеет большие вертикальные размеры и требует разборки при транспортировке, что сокращает время использования установки при переезде с одного объекта на другой;
- не может использоваться для наращивания суспензии микроорганизмов в полевых условиях, т.к. требует стерилизацию водяным паром при избыточном давлении 0,1 МПа в течение 2 часов до технологического цикла и пропарку после;
- из-за конструкции мешалки существует вероятность появления загрязнений на вращающемся двухстороннем механическом уплотнении;
- существенный расход электрической сетевой энергии;
- необходимость в дополнительном оборудовании при обслуживании;
- необходимость подключения к магистральному водопроводу.
Задачей создания изобретения является разработка конструкции установки для наращивания микроорганизмов, пригодной к эксплуатации в различных полевых условиях, свободной от недостатков прототипа.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, таких как установка для наращивания суспензий микроорганизмов, которая содержит последовательно установленные на транспортной платформе и связанные между собой трубопроводами с запорно-регулирующей аппаратурой по крайней мере одну емкость для питательной среды, по крайней мере одну емкость для наращивания суспензий и по крайней мере одну емкость для наращивания маточной культуры микроорганизмов, причем емкость для наращивания маточной культуры микроорганизмов и емкость для наращивания суспензий выполнены с эрлифторной системой перемешивания и имеют термостатированные рубашки, выполненные на инфракрасных нагревательных элементах, снабжены системой датчиков: температуры, регулирования кислотности и уровня, а также дополнительными емкостями для отвода газов и регулирующей кислотность жидкости с дозирующими насосами, при этом емкость для наращивания суспензий и микроорганизмов имеет трубопровод для перекачки готового продукта посредством насоса и снабжена подключенным к ней через клапан подвода воздуха компрессором для перекачки жидкости из емкости с помощью газовой «шапки», при этом установка снабжена блоком электронного управления и блоком электропитания.
Согласно п.2 формулы изобретения установка снабжена установленными на платформу несколькими емкостями для наращивания микроорганизмов, подключенными параллельно или последовательно для увеличения производительности установки при получении суспензии с высокой концентрацией микробных клеток.
Согласно п.3 формулы изобретения на платформе установлена одна емкость для наращивания суспензий с возможностью залива в нее питательной среды и внесения микроорганизмов для получении суспензии микроорганизмов большого объема с низкой концентрацией микробных клеток.
Согласно п.4 формулы изобретения система датчиков, насосов и клапанов подключены к блоку питания, через контроллер к персональному компьютеру, входы которого связаны с блоком звуковой и световой индикации, дисплеем, блоком дистанционного мониторинга и GPS антенной.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат: повышение удобства эксплуатации, расширение технологических возможностей, повышение производительности по наращиванию суспензий микроорганизмов в полевых условиях в процессе рекультивации земель, очистке водных поверхностей. Установка мобильна, позволяет наращивать суспензию микроорганизмов на месте, где необходимо использовать суспензию и в пути к месту использования; в связи с этим должна отвечать ряду необходимых требований.
Во-первых, она должна обеспечивать оптимальные условия наращивания микроорганизмов с минимальным потреблением энергии.
Во-вторых, установка в процессе технологического цикла должна контролировать: уровень жидкости, температуру, кислотность среды. В варианте с оптическим датчиком дополнительно определять плотность суспензии, по значению которой проводится стандартизация готового продукта.
В-третьих, установка должна быть оснащена устройствами с малым энергопотреблением.
В-четвертых, установка должна быть простой в обслуживании в процессе наращивания и сервисном обслуживании.
В-пятых, установка не должна иметь потребность в подключении к магистральному водопроводу.
Этим требованиям удовлетворяет изобретение, которое иллюстрируется следующими графическими материалами:
- блок-схемой установки - фиг.1;
- структурной схемой блока электронного управления - фиг.2
- блок-схемой установки, варианты - фиг.3, 4, 5.
На фиг.1 приведена блок-схема одного из вариантов реализации заявляемого технического решения, где:
1 - транспортная платформа;
2 - трубопроводы;
3 - емкость для питательной среды;
4 - емкость для наращивания суспензии;
5 - емкость для наращивания маточной культуры микроорганизмов;
6 - термостатическая рубашка емкости для наращивания маточной культуры из инфракрасных термоэлементов;
7 - термостатическая «рубашка» емкости для наращивания суспензии;
8, 9 - датчики температуры;
10, 11 - датчики кислотности;
12, 13 - датчики уровня;
14, 15 - емкости для отвода газов;
16, 17 - емкости для регулирующей кислотность жидкости;
18, 19 - насосы дозирующие;
20 - компрессор;
21, 32 - клапаны подвода воздуха;
22 - трубопровод откачки готового продукта;
23 - насос для откачки готовой суспензии микроорганизмов;
24 - блок электронного управления;
25 - блок питания;
26, 27 - клапаны патрубка отвода газов;
28 - клапан патрубка подвода воздуха;
29 - клапан трубопровода перекачки маточной культуры;
30, 31 - клапаны перекачки питательной среды;
39 - крышка емкости;
40 - крышка емкости;
41 - крышка емкости.
Транспортной платформой 1 мобильного комплекса выступает, например, автомобильный прицеп-фургон или автомобильный полуприцеп.
На фиг.2 дополнительно изображены:
33 - контроллер;
34 - ПК;
35 - блок звуковой и световой индикации;
36 - дисплей;
37 - блок дистанционного мониторинга;
38 - GPS антенна.
На фиг.3, 4, 5 нумерация тождественна фиг.1.
Установка для наращивания суспензий микроорганизмов содержит последовательно установленные на транспортной платформе 1 и связанные между собой трубопроводами 2 с запорно-регулирующей аппаратурой по крайней мере одну емкость для питательной среды 3, по крайней мере одну емкость для наращивания суспензий 4 и по крайней мере одну емкость для наращивания маточной культуры микроорганизмов 5. Емкость для наращивания маточной культуры микроорганизмов 5 и емкость для наращивания суспензий 4 имеют термостатированные рубашки 6, 7, выполненные на инфракрасных нагревательных элементах, снабжены системой датчиков: температуры 8, 9, регулирования кислотности 10, 11 и уровня 12, 13, а также дополнительными емкостями для отвода газов 14, 15 и регулирующей кислотность жидкости 16, 17 с дозирующими насосами 18, 19, при этом для перекачки жидкостей используют способ вытеснения газовой «шапкой», образуемой в результате нагнетания воздуха компрессором 20, подключенным через клапан подвода воздуха 21 к емкости для наращивания суспензий 4, имеющей трубопровод 22 для откачки с помощью насоса 23 готового продукта.
В установке в качестве термостатирующего элемента системы поддержания заданной температуры суспензии микроорганизмов используются инфракрасные термоэлементы, например, «Heat Plus» производства «Сэги Сенчури». Известно, что инфракрасное излучение избирательно поглощается молекулами воды и хорошо отражается от металлизированных поверхностей.
В соответствии с изобретением, дополнительным решением по упрощению установки является система перемешивания и барботирования. В устройстве используется эрлифторное перемешивание и одновременно аэрация суспензии микроорганизмов. В упрощенном варианте для перекачки из емкости для наращивания маточной культуры в емкость наращивания суспензии и из емкости для питательной среды в емкости для наращивания маточной культуры и в емкости для наращивания суспензии микроорганизмов используется способ вытеснения газовой «шапкой», которая возникает в результате перекрытия клапана отвода воздуха из емкости и подачи воздуха компрессором в емкость с суспензией микроорганизмов и емкость для приготовления и/или хранения питательной среды. Данное решение позволяет избавиться в конструкции от дорогостоящих с высоким энергопотреблением насосов для перекачки жидкостей.
Из емкости для наращивания маточной культуры концентрированная суспензия микроорганизмов перекачивается в емкость для наращивания, которая больше по объему в 2-10 раз. Перекаченная маточная культура разбавляется новой питательной средой и снова наращивается в емкости для наращивания. После чего готовая суспензия микроорганизмов используется по назначению.
В соответствии с данным изобретением емкости для наращивания маточной культуры и емкости для наращивания суспензии микроорганизмов могут быть оснащены жидкостными робоотборниками (на чертеже не показаны), которые соединяют с устройствами для определения плотности и счета клеток суспензии, включая размещенные на крышке и/или дне патрубки для подачи аэрирующего газа и для отвода газообразной среды соответственно.
Установка снабжена блоком электронного управления 24 и блоком электропитания 25.
Система датчиков, насосов и клапанов подключены к блоку питания 25, через контроллер 33 к персональному компьютеру 34, входы которого связаны с блоком звуковой и световой индикации 35, дисплеем 36, блоком дистанционного мониторинга 37 и GPS антенной 38 (Фиг.2).
В соответствии с изобретением для автономности в установку может быть установлен источник электропитания, например, аккумуляторные батареи и/или генераторы внутреннего сгорания и/или автономные солнечные энергосистемы.
В дополнительном варианте установка может состоять из одной емкости для наращивания и одной емкости для питательной среды (фиг.3). В данном случае наращивание суспензии микроорганизмов в малом объеме с последующим разбавлением питательной среды требует раздельного монтажа нагревательных элементов для снижения энергопотребления при термостатировании.
Другой вариант предполагает использование только одной емкости для наращивания (фиг.4), в которой в начале наращивания приготавливается жидкая питательная среда или заливается готовая. В данном варианте изобретение позволяет наращивать суспензию без использования дополнительных емкостей. Использование такого варианта предпочтительно для наращивания сразу больших объемов суспензии микроорганизмов, используемых в методиках с большими расходами. Например, для наращивания суспензии «Деворойл» с последующим использованием для рекультивации земель на транспортной платформе могут быть расположены несколько емкостей, соединенных последовательно (фиг.1, 3, 4) или параллельно (фиг.5) по обозначенным выше вариантам и имеющих возможность перемещаться с использованием автомобильного, железнодорожного, речного и морского транспортов в любой район страны но требованию заказчиков.
Ниже приведены варианты работы установки.
Вариант 1.
В начальном состоянии все клапаны установки закрыты. При необходимости запуска технологического цикла открывается крышка 41 емкости для питательной среды 3 (фиг.1), через которую вносится питательная среда и открывается крышка 39 емкости для наращивания маточной культуры 5, через которую вносится биопрепарат или штаммы микроорганизмов. Включается блок питания 25 и блок электронного управления 24. Задаются параметры наращивания суспензии микроорганизмов и запускается цикл. Открываются клапаны 30, 31 и 32, включается компрессор 20, и из емкости для питательной среды 3 перекачивается питательная среда в емкость для наращивания маточной культуры 5 и емкость для наращивания суспензии 4 путем нагнетания воздуха в емкости и вытеснения питательной среды. Включается термостатическая «рубашка» 6. После заполнения до необходимого уровня питательной средой срабатывает датчик уровня 12, который в свою очередь подает сигнал на контроллер 33 (фиг.2), после чего управляющий сигнал перекрывает клапан 31, далее заполняется емкость 4, после чего клапаны 30 и 32 закрываются и открываются клапаны 26 и 28, начинается процесс аэрации и перемешивания в емкости 5. В случае отклонения значения рН от заданного датчик кислотности 10 подает сигнал на контроллер 33, который в свою очередь подает управляющий сигнал на насос дозирующий 18 и корректирует кислотность среды до заданного значения путем перекачки корректирующей жидкости из емкости 16 в емкость 5. После наращивания маточной культуры в емкости 5 закрывается клапан 26 и открываются клапаны 27 и 29, маточная культура перегружается в емкость 4 путем вытеснения газовой «шапкой». Выключается термостатическая «рубашка» 6, и включается термостатическая «рубашка» 7. После перегрузки маточной культуры закрываются клапаны 28, 29 и открывается клапан 21, начинается процесс аэрации и перемешивания в емкости 4. В случае отклонения значения рН от заданного датчик кислотности 11 подает сигнал на контроллер 33, который в свою очередь подает управляющий сигнал на насос дозирующий 19 и корректирует кислотность среды до заданного значения путем перекачки корректирующей жидкости из емкости 17 в емкость 4. После окончания наращивания суспензии микроорганизмов в емкости 4 закрывается клапан 27, выключается термостатическая «рубашка» 7 и включается насос 23 для последующего целевого использования суспензии.
Вариант 2
В начальном состоянии все клапаны установки закрыты. При необходимости запуска технологического цикла открывается крышка 41 емкости для питательной среды 3 (фиг.1), через которую вносится питательная среда и открывается крышка 39 емкости для наращивания маточной культуры 5, через которую вносится биопрепарат или штаммы микроорганизмов. Включается блок питания 25 и блок электронного управления 24. Задаются параметры наращивания суспензии микроорганизмов и запускается цикл. Открываются клапаны 30, 31 и 32, включается компрессор 20, и из емкости для питательной среды 3 перекачивается питательная среда в емкость для наращивания маточной культуры 5 и емкость для наращивания суспензии 4 путем нагнетания воздуха в емкости и вытеснения питательной среды. Включается термостатическая «рубашка» 6. После заполнения до необходимого уровня питательной средой срабатывает датчик уровня 12, который в свою очередь подаст сигнал на контроллер 33, после чего управляющий сигнал перекрывает клапан 31, далее заполняется емкость 4, после чего клапаны 30 и 32 закрываются и открывается клапаны 26 и 28, начинается процесс аэрации и перемешивания в емкости 5. В случае отклонения значения рН от заданного датчик кислотности 10 подает сигнал на контроллер 33, который в свою очередь подает управляющий сигнал па насос дозирующий 18 и корректирует кислотность среды до заданного значения путем перекачки корректирующей жидкости из емкости 16 в емкость 5. После наращивания маточной культуры в емкости 5 закрывается клапан 26 и открывается клапаны 27 и 29 маточная культура перегружается в емкость 4 путем вытеснения газовой «шапкой». Часть маточной культуры остается в емкости 5 для нового цикла. Цикл повторяется по приведенной выше последовательности. Включается термостатическая «рубашка» 7. После перегрузки маточной культуры закрываются клапаны 28, 29 и открывается клапан 21, начинается процесс аэрации и перемешивания в емкости 4. В случае отклонения значения рН от заданного датчик кислотности 11 подает сигнал на контроллер 33, который в свою очередь подает управляющий сигнал на насос дозирующий 19 и корректирует кислотность среды до заданного значения путем перекачки корректирующей жидкости из емкости 17 в емкость 4. После окончания наращивания суспензии микроорганизмов в емкости 4 закрывается клапан 27, и включается насос 23 для последующего целевого использования суспензии, и цикл повторяется по описанной выше последовательности. Таким образом мобильный комплекс позволяет наращивать суспензию микроорганизмов только однократно, внося биопрепарат или штаммы микроорганизмов, позволяя снижать стоимость наращенной суспензии.
Изобретение позволяет расширить возможности по рекультивации земель, повысить нефтеотдачу за счет:
1. Использования емкостей с инфракрасными нагревательными элементами, образующими термостатическую «рубашку», элементов сбора информации и модулей, установленных на транспортную платформу, что позволяет производить наращивание микроорганизмов в пути и на месте загрязнения и, как следствие, повысить нефтеотдачу.
2. Наличие емкости для наращивания маточной культуры дает возможность получать суспензию с большим числом микробных тел.
3. Применение эрлифторной системы перемешивания и аэрации исключает монтаж сложных перемешивающих устройств.
4. Внедрение блока звуковой и световой индикации, блока дистанционного мониторинга позволяет выбрать любой режим наращивания и обеспечить более эффективный и надежный режим управления установкой.
Таким образом, применение данной установки позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели по наращиванию суспензии микроорганизмов.
Экономический эффект от внедрения данной установки может быть получен благодаря следующим имеющим место факторам:
1. Существенная экономия расхода приобретаемого биопрепарата и/или штаммовых культур, поскольку однократно внеся в установку биопрепарат и/или штаммовые культуры, можно проводить неоднократное количество технологических циклов.
2. Экономия расходов на наращивание суспензии благодаря использованию энергосберегающих и дешевых в исполнении устройств.
3. Обеспечение, благодаря модулю сбора информации, передачи данных и выработки управляющих воздействий и блока дистанционного мониторинга (вне зависимости от человеческого фактора), объективности получаемой информации и автоматизации поддержания заданных параметров наращивания суспензии, что гарантирует уменьшение убытков от ее недостоверности, которая, в этом случае, может достигать значительных сумм.
Совместное использование вышеперечисленных факторов способствует организации прибыльного, безотходного и экологически чистого способа рекультивации почв и повышения нефтеотдачи.
Хотя настоящее изобретение описано посредством примеров его выполнения и чертежами, объем данного изобретения не ограничивается этими примерами, но определяется лишь формулой изобретения с учетом возможных эквивалентов.