БИОРЕАКТОР ВЫТЕСНЕНИЯ С МЕМБРАННЫМ УСТРОЙСТВОМ ПОДВОДА ГАЗОВОГО ПИТАНИЯ
DISPLACEMENT BIOREACTOR WITH MEMBRANE GAS SUPPLY DEVICE

Изобретение относится к микробиологической, пищевой, медицинской промышленности, в частности к биореакторам асептического выращивания микроорганизмов, и может быть использовано для комплектации установок учебного, научно-исследовательского и промышленного назначения.
Известен аппарат для культивирования клеток и тканей, содержащий закрытую емкость, мешалку и устройство для подвода газа в питательную среду, представляющее собой змеевик, выполненный из проницаемого для газа полимерного материала. Змеевик расположен внутри дополнительной циркуляционной обечайки (А.с. СССР 786326. Аппарат для культивирования клеток и тканей / Байбаков В.И., Власкин Б.А. // Бюл. №8, 1986).
Недостатками такого аппарата являются использование механического перемешивающего устройства, герметизация вала которого сложна, а само наличие мешалки и разделение емкости аппарата на две части ограничивает объем, занимаемый трубчатым устройством газового питания. Все вышеперечисленное ведет к ограничению рабочей поверхности ввода газа и снижает предельные массообменные характеристики и производительность аппарата.
Известен биореактор для выращивания микроорганизмов, содержащий цилиндрический корпус, мешалку и несущие элементы, на которые крепится полимерная газопроницаемая трубчатая мембрана для подвода газа (см. http://www.fermenter.ru/content/page_25_0.html, Компактный настольный ферментер BIOSTAT В с устройством для беспузырьковой аэрации).
Недостатками такого аппарата являются использование сложного механического перемешивающего устройства и неполное использование пространства для развития рабочей поверхности полимерной газопроницаемой трубчатой мембраны.
2
3
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является биореактор колонного типа с осевым расположением газопроницаемых полимерных трубчатых мембран, закрепленных между днищем, имеющим газораспределительную полость, и подвижным газосборным устройством. Биореактор не имеет механических перемешивающих устройств, за счет чего весь объем равномерно заполнен газопроницаемыми полимерными трубчатыми мембранами, отстоящими друг от друга на расстояния 3-4 мм. Общая удельная поверхность мембран при этом достигает 155 м/м (Научно-технический отчет ООО «Биотехпродукция» по теме «Аппаратурное оснащение и совершенствование аэробных технологий получения посевных материалов». Емельянов В.М., Мухачев С.Г., Ситнов В.В. и др. УДК 663.131, № гос. регистрации 01200610996, Казань, 2007).
3
К недостаткам такого биореактора относится крепление газопроницаемых полимерных трубчатых мембран на днище, а газосборного устройства на крышке, что усложняет конструкцию и затрудняет сборку биореактора. Кроме того, отсутствуют дополнительные промежуточные крепления трубчатых мембран, что не позволяет поднять рабочее давление газа выше 0,25 МПа из-за их деформации и ограничивает предельную скорость массообмена кислорода на уровне 1,1-1,3 кг/м·ч (деформация трубчатых мембран влечет частичное их соприкосновение и взаимное экранирование поверхностей массообмена), что снижает производительность биореактора.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении производительности биореактора за счет интенсификации массообмена, в создании более простого в эксплуатации биореактора. Предлагаемая конструкция биореактора позволяет интенсифицировать массообменные процессы за счет повышения рабочего давления газа в газопроницаемых полимерных трубчатых мембранах, за счет более интенсивного контакта культуральной жидкости, движущейся по винтовой поверхности перпендикулярно трубчатым мембранам, за счет увеличения пути движения потока культуральной жидкости в биореакторе, а также равномерного поддержания температуры культуральной жидкости во всем объеме биореактора.
Технический результат в биореакторе вытеснения с мембранным устройством подвода газового питания, включающем цилиндрический корпус, крышку, днище, газораспределительное устройство, газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны, установленные вдоль оси корпуса, достигается тем, что внутри корпуса вдоль центральной его оси установлена несущая труба теплообменника, внутри которой расположена труба подвода газа, соединенная с газораспределительным устройством, снаружи несущей трубы теплообменника установлена винтовая перфорированная поверхность, через отверстия которой проходят газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны, закрепленные между крышкой и газораспределительным устройством.
Предлагаемое изобретение позволяет увеличить продуктивность биореактора по биомассе микроорганизмов в 2,0-2,5 раза, упростить эксплуатацию биореактора.
На фиг.1 схематично показан предложенный биореактор в продольном сечении и его вид сверху; на фиг.2 показано поперечное сечение биореактора.
Биореактор содержит цилиндрический корпус 1 с днищем 2, съемную крышку 3, на которой смонтированы газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны 4, установленные вдоль оси корпуса 1, газораспределительное устройство 5. Корпус 1, днище 2, крышка 3 биореактора могут быть выполнены, например, из нержавеющей стали.
Съемная крышка 3 имеет полость 6 для приема непотребленного газа и штуцер 7, служащий для его отвода, а также для отвода воздуха при первоначальной продувке газовой полости внутри газопроницаемых полимерных трубчатых мембран 4 газом заданного рабочего состава, например техническим кислородом. На съемной крышке 3 имеется засевной штуцер 8, штуцер для подачи газового питания 9, штуцер для отвода углекислого газа 10. На днище 2 расположен штуцер 11, через который отбирается культуральная жидкость и внешним рециркуляционным насосом подается в биореактор через штуцер 8. Вдоль центральной оси корпуса 1 установлена несущая труба теплообменника 12, внутри которой расположена труба подвода газа 13, соединенная с газораспределительным устройством 5. Для подачи и отвода теплоносителя используются штуцеры 14 и 15 соответственно. Снаружи несущей трубы теплообменника 12 установлена винтовая перфорированная поверхность 16, выполненная, например, из нержавеющей стали, через отверстия которой проходят газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны 4, например выполненные из силикона, закрепленные между крышкой 3 и газораспределительным устройством 5. Толщина винтовой перфорированной поверхности 16, например равная 1,5-2,5 мм, и обработка кромок отверстий, через которые пропущены трубчатые мембраны 4, выбираются из условия недопущения перерезания трубок на кромках при подаче в них газа под давлением. Отверстия в винтовой перфорированной поверхности 16 для облегчения монтажа биореактора могут, например, на 0,1-0,2 мм превышать диаметр трубчатых мембран. Кромка винтовой поверхности 16 герметизируется уплотнительным шнуром 17. Отбор проб осуществляется через штуцер 11. Для подачи титранта используется штуцер 18. Датчики (рН, рO2, eH и др.) могут устанавливаться при необходимости в ячейку внешнего рециркуляционного контура.
Рассмотрим предлагаемый биореактор в работе. В цилиндрический корпус 1 биореактора заливается питательная среда, и через засевной штуцер 8 вводится культура микроорганизмов. В культуральную жидкость через газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны 4 из трубы подвода газа 13, соединенной с входным штуцером 9, подается газовое питание. Через отводной штуцер 7 осуществляется сброс воздуха из полости трубчатых мембран 4 при кратковременной продувке их рабочим газом.
В зависимости от потребности культуры микроорганизмов, по мере роста концентрации клеток, давление подаваемого газа увеличивают. Интенсивность процесса определяют по скорости продуцирования углекислого газа, отбираемого из отводящего углекислый газ штуцера 10. Точка отбора углекислого газа находится выше штуцера 8. С целью создания потока внутри биореактора, культуральная жидкость, отбираемая через штуцер 11, возвращается в корпус биореактора через штуцер 8. Интенсификация массообменных характеристик биореактора достигается тем, что время пребывания потока культуральной жидкости в биореакторе увеличивается, при той же самой объемной скорости ее движения, линейная скорость возрастает, поток культуральной жидкости направлен перпендикулярно газопроницаемым полимерным трубчатым мембранам, за счет чего интенсивнее идет обновление пограничного слоя жидкости, растет движущая сила процесса. Движущийся по винтовой поверхности перпендикулярно трубчатым мембранам поток культуральной жидкости более интенсивно омывает трубчатые мембраны, что существенно увеличивает коэффициент массоотдачи, а следовательно, поток кислорода в культуральную жидкость. Это способствует увеличению концентрации микроорганизмов, повышает производительность биореактора по выпускаемому продукту.
Кроме того, использование винтовой перфорированной поверхности, через перфорации которой проходят трубчатые мембраны, выполняющей функцию дополнительных креплений газопроницаемых полимерных трубчатых мембран, позволяет увеличить давление внутри мембраны примерно в 2 раза при снижении удельной поверхности мембран не более чем на 20% (часть поверхности трубчатых мембран 4 проходит через ограничивающие деформацию перфорации винтовой поверхности 16), обеспечивает рост массообмена в 2-2,5 раза.
Предлагаемое изобретение позволяет поднять рабочее давление внутри полимерных трубчатых мембран 4. При повышении давления поверхность трубчатых мембран 4 деформируется, но, встречая сопротивление со стороны перфорированной винтовой поверхности 16, эта деформация носит ограниченный характер вследствие того, что шаг винтовой поверхности составляет, например, 8-10 мм.
Если в прототипе поддержание температуры внутри биореактора обеспечивается внешней теплообменной рубашкой, что накладывает определенные ограничения на диаметр колонного биореактора, то в предлагаемом изобретении несущая труба теплообменника находится внутри биореактора, расположена вдоль центральной его оси, кроме того, винтовая перфорированная поверхность является элементом теплообменника, что обеспечивает более равномерное поддержание температуры во всем объеме биореактора и дает возможность увеличения диаметра колонного биореактора до размеров промышленного инокулятора, например до 200 литров.
Использование изобретения позволяет повысить производительность биореактора, упростить его эксплуатацию, уменьшить стоимость расходных материалов (например, отказаться от применения армированных мембран), снизить себестоимость выпускаемого продукта.
Изобретение может быть использовано для комплектации надежных и недорогих установок учебного, исследовательского и промышленного назначения.