RU2803177C1 - Аппарат для выращивания микроорганизмов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области биотехнологий, в частности к аппаратам для выращивания микроорганизмов. Аппарат для выращивания микроорганизмов содержит оснащенный барботером корпус, струйный аэратор, включающий камеру смешения с конической втулкой, подключенный к системе рециркуляции жидкой фазы, включающей теплообменник, подключенный к струйному аэратору трубопроводом нагнетающей линии и к побудителю расхода жидкости, соединенному с нижней частью корпуса трубопроводом всасывающей линии. Боковая часть корпуса выше допустимого уровня жидкой фазы соединена трубопроводом через струйный аэратор с верхней частью корпуса. В нижней части корпуса установлен соединенный трубопроводом с камерой смешения отбойник, образованный из двух - внешнего и внутреннего - усеченных конусов. Диаметр внешнего усеченного конуса, направленного меньшим основанием вниз, больше диаметра внутреннего усеченного конуса, направленного меньшим основанием вверх. На трубопроводе нагнетающей линии установлен оснащенный электромагнитным клапаном мембранный модуль с величиной пор не более 2 мкм. Изобретение обеспечивает повышение производительности аппарата за счет снижения количества сопутствующей микрофлоры путем отвода метаболитов целевой культуры, позволяя повысить концентрацию биомассы в аппарате до 33-35 г/л при поддержке протока (скоростях разбавления) 0,24-0,26 ч^-1 (264-286 л/ч), и обеспечить производительность процесса до 9,1 г/(л⋅ч). 1 ил.

Description

Изобретение относится к области биотехнологий, в частности, к аппаратам для выращивания микроорганизмов.

Известен аппарат для выращивания микроорганизмов (патент SU №2738849 A1, С12М 1/12, опубл. 07.02.1992), содержащий емкость с технологическими патрубками, размещенную внутри нее камеру для отделения и отвода культуральной жидкости, включающую полупроницаемые мембраны, и аэратор, расположенный у днища емкости под камерой. С целью повышения производительности за счет более полного и быстрого отвода жидких метаболитов камера укреплена на вертикальных шторках и установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения в вертикальной плоскости, при этом над камерой и под ней размещены горизонтальные перфорированные пластины, также прикрепленные к указанным штокам, служащие для интенсификации массообмена через мембраны. Известный аппарат позволяет провести высокоплотностное культивирование, однако имеет низкие массообменные характеристики, так как отсутствует даже классический вариант мешалки. Все перемешивание в процессе культивирования осуществляется за счет движений вверх и вниз камеры для отделения культуральной жидкости, которая занимает всего 1-2% от общего объема аппарата. Кроме того, из-за того, что мембранная камера для отделения культуральной жидкости находится внутри аппарата, будет происходить постоянное обрастание мембран биомассой продуцента, которое будет снижать поток, проходящий через мембраны, а для восстановления их пропускной способности придется открывать крышку и осуществлять очистку мембран, что практически полностью исключит возможность работы мембран в стерильных условиях, а в случае использования ультрафильтрационных мембран потребуется дополнительная обработка химическими реактивами для восстановления их производительности. Также в известном решении требуется создавать разряжение со стороны мембран для их штатной эксплуатации, что повышает энергозатраты процесса культивирования. К тому же данное техническое решение не позволит проводить процесс микробиологического синтеза при скоростях разбавления на уровне 0,05-0,1 л/ч.

Известен аппарат для выращивания микроорганизмов (патент РФ №2738849 C1, С12М 1/00, опубл. 17.12.2020), содержащий корпус, технологические патрубки подачи растворов минеральных солей и титрующих агентов, технологические патрубки подачи метана и воздуха, струйный аэратор. Аэратор расположен вертикально в верхней части корпуса и подключен к системе рециркуляции жидкой фазы. Система включает теплообменник, побудитель расхода жидкости и трубопроводы. Трубопроводы выполнены с возможностью отвода жидкой фазы из нижней части корпуса и подачи ее через струйный аэратор в верхнюю часть корпуса. Система также имеет трубопровод, соединяющий боковую сторону корпуса, расположенную выше допустимого уровня жидкой фазы в корпусе, с верхней частью корпуса для обеспечения рециркуляции газовой фазы. Причем система газообеспечения аппарата выполнена таким образом, что газовые компоненты питательной среды (природный газ и воздух) подаются равными количествами в контур рециркуляции газовой и жидкой фаз. При этом в контур рециркуляции жидкой фазы природный газ и воздух подаются сразу после теплообменника. Внутри трубопровода рециркуляции жидкой фазы по его высоте соосно установлены смесительные элементы. Каждый смесительный элемент образован из двух камер - внешней и внутренней. Каждая камера имеет одинаковую площадь поперечного сечения. Внутри каждой камеры установлены профилированные пластины для создания закрученного потока и таким образом, что обеспечивают противоположное вращение потоков во внешней и во внутренней камерах. Известное решение обеспечивает повышение продуктивности аппарата за счет обеспечения возможности улучшения его массообменных характеристик. Однако повышение продуктивности обеспечивается за счет реализации сложного устройства путем внедрения смесительных элементов, которые создают дополнительную гидравлическую нагрузку на нагнетающей линии, и увеличивают затраты на побудитель расхода жидкости.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому изобретению является аппарат для выращивания микроорганизмов (патент РФ №2679356 C1, С12М 1/00, опубл. 28.12.2017), содержащий корпус с технологическими патрубками в его боковой части для подачи метана, растворов минеральных солей и титрующих агентов, струйный аэратор, расположенный вертикально в верхней части корпуса и подключенный к системе рециркуляции жидкой фазы. Система включает теплообменник, побудитель расхода жидкости и трубопроводы, выполненные с возможностью отвода жидкой фазы из нижней части корпуса и подачи ее через струйный аэратор в верхнюю часть корпуса, и трубопровод, соединяющий боковую сторону корпуса выше допустимого уровня жидкой фазы в корпусе с верхней частью корпуса для обеспечения рециркуляции газовой фазы. Внутри корпуса в нижней его части соосно установлен отбойник, образованный из двух - внешнего и внутреннего -усеченных конусов, где диаметр внешнего усеченного конуса больше, чем диаметр внутреннего усеченного конуса. Внешний усеченный конус направлен меньшим основанием вниз, а внутренний усеченный конус направлен меньшим своим основанием вверх, при этом отбойник соединен трубопроводом с камерой разрежения струйного аэратора. Изобретение обеспечивает повышение продуктивности аппарата за счет обеспечения возможности улучшения его массообменных характеристик.

Недостатком указанного решения является отсутствие значимого роста продуктивности процесса, так как при использовании данного изобретения возможно лишь снижение нагрузки (в пределах 8-10%) на побудитель расхода жидкости, что в целом скажется только на энергоэффективности аппарата в указанных выше пределах.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание аппарата для выращивания микроорганизмов, обеспечивающего оптимальные условия для роста и развития целевой культуры.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение производительности аппарата за счет снижения количества сопутствующей микрофлоры путем отвода метаболитов целевой культуры в процессе культивирования.

Указанный технический результат достигается за счет того, что аппарат для выращивания микроорганизмов содержит оснащенный барботером корпус с технологическими патрубками в его боковой части для подачи метана, растворов минеральных солей и титрующих агентов, струйный аэратор, включающий камеру смешения, снабженную конической втулкой, установленный вертикально в верхней части корпуса и подключенный к системе рециркуляции жидкой фазы, включающей теплообменник, подключенный к струйному аэратору трубопроводом нагнетающей линии и к побудителю расхода жидкости, соединенному с нижней частью корпуса трубопроводом всасывающей линии. Упомянутые трубопроводы выполнены с возможностью отвода жидкой фазы из нижней части корпуса и подачи ее через струйный аэратор в верхнюю часть корпуса, боковая часть корпуса выше допустимого уровня жидкой фазы в корпусе соединена трубопроводом через струйный аэратор с верхней частью корпуса для обеспечения рециркуляции газовой фазы. Внутри корпуса в нижней его части соосно установлен соединенный трубопроводом с камерой смешения отбойник, образованный из двух - внешнего и внутреннего - усеченных конусов, где диаметр внешнего усеченного конуса, направленного меньшим основанием вниз, больше диаметра внутреннего усеченного конуса, направленного меньшим основанием вверх. На трубопроводе нагнетающей линии между теплообменником и струйным аэратором установлен оснащенный электромагнитным клапаном мембранный модуль с величиной пор не более 2 мкм.

Для увеличения производительности процесса ферментации метанокисляющих микроорганизмов, нормализации содержания целевой культуры предлагается использовать мембранный модуль выносного типа, снабженный пропорциональным электромагнитным клапаном. Установка указанного модуля на нагнетающей линии позволяет создать избыточное давление с внешней стороны мембраны, чтобы осуществлять фильтрацию через модуль и обеспечить отвод метаболитов целевой культуры через мембрану во внутреннюю часть модуля. Так как источником субстрата сопутствующей микрофлоры являются метаболиты целевой культуры, то уменьшение их массы приведет к снижению количества сопутствующей микрофлоры и стабилизации процесса культивирования в целом.

На чертеже изображена принципиальная схема аппарата для выращивания микроорганизмов.

Аппарат для выращивания микроорганизмов содержит корпус 1 с крышкой (на чертеже не показана), струйный аэратор 2, включающий камеру смешения 3, снабженную конической втулкой 4, подключенный к системе рециркуляции жидкой фазы. Система рециркуляции жидкой фазы включает теплообменник 5, побудитель 6 расхода жидкости, трубопровод 7 -всасывающая линия, трубопровод 8 - нагнетающая линия и мембранный модуль 9 выносного типа, снабженный пропорциональным (регулирующим) электромагнитным клапаном 10, установленный на трубопроводе 8 между теплообменником 5 и струйным аэратором 2. В качестве мембранного модуля 9 предлагается, в частности, использовать мембранный модуль ЭПНС.П - PSF (производитель - ООО «Научно-производственное предприятие «Технофильтр») с размером пор мембраны 1 мкм, позволяющий отводить метаболиты, так как они меньше размера клеток, которые проходят через поры, и задерживать клетки продуцента, размер которых от 2 мкм. В качестве электромагнитного клапана 10 используют, например, двухходовой Burkert тип 2875 с диапазоном регулирования 1:200. Использование выносного мембранного модуля 9 исключает обрастание мембран биомассой продуцента, что обеспечивает повышение производительности процесса культивирования. Внутри корпуса 1 в нижней его части соосно установлен отбойник 11, образованный двумя усеченными конусами, каждый из которых направлен меньшим основанием в противоположные стороны, причем внутренний усеченный конус направлен меньшим своим основанием вверх и соединен трубопроводом 12 с камерой смешения 3. Струйный аэратор 2 подключен к корпусу 1 трубопроводом 13, образуя систему рециркуляции газовой фазы. В нижней части корпуса 1 установлен барботер 14 для подачи кислорода воздуха и газообразного субстрата, а на всасывающей линии 7-штуцер 15 подачи питательных солей и титрующего раствора. В верхней части корпуса 1 предусмотрен штуцер 16 отвода отработанной газовой смеси.

Аппарат для выращивания микроорганизмов работает следующим образом.

Побудитель 6 расхода жидкости забирает культуральную жидкость из-под отбойника 11 и нагнетает ее через теплообменник 5 и мембранный модуль 9 в струйный аэратор 2. В теплообменнике 5 происходит термостатирование культуральной жидкости до требуемой температуры. В мембранном модуле 9 происходит отбор части отработанной культуральной жидкости, содержащей продукты метаболизма микроорганизмов, обеспечивающий развитое турбулентное движение вдоль мембран, что позволяет сохранять их производительность в течение длительного времени, а так же создавать избыточное давление для штатной работы мембранного модуля 9. Затем отфильтрованная от клеток штамма культуральная жидкость через пропорциональный электромагнитный клапан 10 удаляется, а клетки целевой культуры остаются в аппарате. Таким образом обеспечиваются оптимальные условия для роста и развития целевой культуры. Проточный режим культивирования организован следующим образом: в начале ферментации первые 24 часа 90% от общего объема протока проходят через мембранный модуль 9, а 10% проходят через штуцер 16 отбора культуральной жидкости. Затем в течении 18 часов происходит выравнивание до объема 50% через мембранный модуль на 50% через электромагнитный клапан 10. Далее в процессе культивирования это соотношение контролируется и поддерживается с помощью пропорционального электромагнитного клапана 10. В аэраторе 2 за счет падения жидкости вниз с большой скоростью по камере смешения 3 происходит подсос газовой фазы из верхней части корпуса 1 по трубопроводу 13 и перемешивание газовой и жидкой фаз. При обтекании жидкостью конической части трубопровода 13 из трубопровода 8 через коническую втулку 4 образуется разреженная область. Газожидкостная смесь, выходя из камеры смешения 3 с большой скоростью, падает в слой жидкости в корпусе 1, создавая нисходящий турбулентный поток, который отразившись от отбойника 11, направляется вверх вдоль стенки корпуса 1, создавая интенсивное перемешивание, а часть потока побудителем 6 расхода жидкости подсасывается под отбойник 11. Под отбойником 11 создается область для дегазации газожидкостной смеси. Дегазация достигается за счет естественного всплытия газовых пузырьков, с одной стороны, и создания разрежения под отбойником 11, которое создается в камере смешения 3 через трубопровод 12, что и усиливает скорость всплытия пузырьков, с другой стороны. Конусообразная форма отбойника 11, направленная большим основанием вниз, способствует уплотнению газовой фазы под отбойником 11 и подсасыванию образовавшейся за счет дегазации растворенной газовой фазы камерой смешения 3.

На основе данных, полученных экспериментальным путем, установлено, что предлагаемое изобретение обеспечивает повышение концентрации биомассы микроорганизмов и позволяет повысить концентрацию биомассы в аппарате до 33-35 г/л при поддержке протока (скоростях разбавления) 0,24-0,26 ч^-1 (264-286 л/ч), т.е. повысить производительность процесса до 9,1 г/(л*ч), что обуславливает повышение производительности аппарата за счет проведения высокоплотностного культивирования.

Claims (1)

1. Аппарат для выращивания микроорганизмов, содержащий оснащенный барботером корпус с технологическими патрубками в его боковой части для подачи метана, растворов минеральных солей и титрующих агентов, струйный аэратор, включающий камеру смешения, снабженную конической втулкой, установленный вертикально в верхней части корпуса и подключенный к системе рециркуляции жидкой фазы, включающей теплообменник, подключенный к струйному аэратору трубопроводом нагнетающей линии и к побудителю расхода жидкости, соединенному с нижней частью корпуса трубопроводом всасывающей линии, причем упомянутые трубопроводы выполнены с возможностью отвода жидкой фазы из нижней части корпуса и подачи ее через струйный аэратор в верхнюю часть корпуса, боковая часть корпуса выше допустимого уровня жидкой фазы в корпусе соединена трубопроводом через струйный аэратор с верхней частью корпуса для обеспечения рециркуляции газовой фазы, внутри корпуса в нижней его части соосно установлен соединенный трубопроводом с камерой смешения отбойник, образованный из двух - внешнего и внутреннего - усеченных конусов, где диаметр внешнего усеченного конуса, направленного меньшим основанием вниз, больше диаметра внутреннего усеченного конуса, направленного меньшим основанием вверх, отличающийся тем, что содержит оснащенный электромагнитным клапаном мембранный модуль с величиной пор не более 2 мкм, установленный на трубопроводе нагнетающей линии между теплообменником и струйным аэратором.

Images