Биореактор для промышленного глубинного культивирования мезофильных микроорганизмов

Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ БИОРЕАКТОР ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ГЛУБИННОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МЕЗОФИЛЬНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ(71) Заявители Мурашко Алексей Сергеевич Мурашко Сергей Петрович Табала Виталий Константинович Табала Константин Брониславович(72) Авторы Мурашко Алексей Сергеевич Мурашко Сергей Петрович Табала Виталий Константинович Табала Константин Брониславович(73) Патентообладатели Мурашко Алексей Сергеевич Мурашко Сергей Петрович Табала Виталий Константинович Табала Константин Брониславович(57) 1. Биореактор для промышленного глубинного культивирования мезофильных микроорганизмов, содержащий герметичную емкость в виде осесимметричного тела с штуцерами для газовых и жидких потоков для установки датчиков систем контроля и управления и устройство для перемешивания, выполненное с возможностью создания над поверхностью суспензии микроорганизмов закрученного потока газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости, осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря, отличающийся тем, что устройство для перемешивания выполнено в виде вентилятора с корпусом, соединенного конфузором с отверстием в верхней части емкости, и теплообменника, входное отверстие которого соединено с вентилятором, а выходное - патрубком с боковой наружной поверхностью емкости. 96602013.10.30 2. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что теплообменник, соединенный патрубком с боковой наружной поверхностью емкости, выполнен в виде жидкостно-газового спирального теплообменника с движением в противотоке по отдельным каналам жидкого теплоносителя от периферии к центру и газа от центра к периферии. 3. Биореактор по п. 2, отличающийся тем, что каналы в теплообменнике для газа и патрубке выполнены с одинаковым поперечным сечением и равномерным изгибом. 4. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что емкость, конфузор, корпус вентилятора и патрубок выполнены из материала с низким коэффициентом теплопроводности. 5. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что емкость, конфузор, корпус вентилятора и патрубок выполнены из трехслойного материала, наружный и внутренний слои которого термопластичные, а средний с низким коэффициентом теплопроводности. 6. Биореактор по п. 5, отличающийся тем, что наружный слой трехслойного материала выполнен из полиэтилена, внутренний слой - из графт-сополимера полипропилена и средний слой - из поропласта. 7. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что емкость, конфузор, корпус вентилятора и патрубок выполнены методом ротационного формования. Полезная модель относится к биотехнологии, преимущественно к разделу производства биологического сырья для синтеза искусственного топлива, а также может быть использована в сельском хозяйстве для производства кормов, в микробиологической промышленности для культивирования микроорганизмов. Биореактор для промышленного культивирования мезофильных микроорганизмов представляет собой аппарат, в котором протекают ферментативные биохимические реакции при участии живых клеток, граница роста которых 20-40 С. Глубинное культивирование микроорганизмов происходит во всем объеме жидкой питательной среды,содержащей растворенный субстрат. Основными элементами биореактора для промышленного глубинного культивирования мезофильных микроорганизмов являются емкость в виде герметичного резервуара с штуцерами для газовых и жидких потоков для установки датчиков систем контроля и управления и перемешивающее устройство. Температура внутри реактора регулируется с помощью теплообменников в зависимости от вида рабочих сред жидкостно-жидкостного или паро-жидкостного типа 1. Известны аппараты для культивирования биологических объектов, содержащие емкость, технологические патрубки, термостатирующую рубашку снаружи 2 или теплообменники внутри емкости 3. Недостатками термостатирующей рубашки снаружи емкости и теплообменников внутри при их применении в промышленных биореакторах объемом до 30 м 3 и более являются их высокая инерционность и удельные энергозатраты на термостатирование суспензии микроорганизмов. Например, при изменении уровня заполнения емкости при периодическом отборе суспензии или когда начальный период культивирования осу 2 96602013.10.30 ществляют при малых объемах суспензии, а конечная стадия культивирования при максимальном заполнении емкости. Известен аппарат для выращивания микроорганизмов, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с технологическими патрубками, размещенные в нем у днища аэратор и вертикальный вал с мешалками и их привод 4. Корпус выполнен целиком из трубы, расположенной в виде змеевика, витки которого сварены друг с другом и образуют стенку корпуса, днище и верхнюю его часть или только стенку. Корпус может быть выполнен в виде отдельных змеевиковых секций из труб, скрепленных перемычками, при этом труба или трубы секций снабжены патрубками для подвода и отвода пара. Недостатком этого аппарата является то, что емкость, выполненная целиком из трубы в виде змеевика, при перемешивании суспензии микроорганизмов способствует появлению зон высокого уровня турбулентности и локального перегрева. Эти зоны легко травмируют клетки микроорганизмов, приводят к их значительной гибели, в результате снижается производительность аппарата. Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов, содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и устройство для перемешивания среды 5. Устройство для 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 отвода газа, прикрепленную по периферии к стенке емкости с образованием кольцевой полости вокруг колеса. В кольцевой перегородке для прохода газа выполнены щелевые отверстия, расположенные равномерно по окружности под наклоном к горизонтальной плоскости. Перемешивание в аппарате осуществляется с помощью создания на поверхности суспензии закрученного потока газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости, осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря. За счет трения газового вихря на границе раздела фаз газ-жидкость и разницы давления между периферией и центром обеспечивается движение суспензии в виде вихревого кольца, вращающегося относительно оси емкости с одновременным нисходящим движением на периферии емкости и восходящим в приосевой. Недостатком этого аппарата является то, что для промышленных биореакторов объемом до 30 м 3 и более механизм перемешивания суспензии в виде размещенного под крышкой горизонтального лопастного колеса, кольцевой пластины под ним с центральным отверстием и расположенных равномерно по окружности под наклоном к горизонтальной плоскости щелевых отверстий неэффективен, т.к. требует повышенных удельных энергозатрат на процесс перемешивания. Техническая задача, решаемая в настоящей полезной модели, состоит в снижении инерционности теплообменных процессов и удельных энергозатрат при культивировании мезофильных микроорганизмов, создании стабильного без турбулентных зон закрученного потока газа над поверхностью суспензии. Технический результат, получаемый при реализации настоящей полезной модели, состоит в повышении его эффективности за счет уменьшения энергозатрат на процесс культивирования, повышения производительности процесса культивирования, в обеспечении возможности создания биореакторов различного объема, в том числе до 30 м 3 и более. Решение задачи достигается тем, что в предлагаемом биореакторе для промышленного глубинного культивирования мезофильных микроорганизмов, содержащем герметичную емкость в виде осесимметричного тела с штуцерами для газовых и жидких потоков для установки датчиков систем контроля и управления, устройство для перемешивания выполнено с возможностью создания над поверхностью суспензии микроорганизмов закрученного потока газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости,3 96602013.10.30 осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря в виде вентилятора с корпусом, соединенного конфузором с отверстием в верхней части емкости, и теплообменника, входное отверстие которого соединено с вентилятором, а выходное патрубком с боковой наружной поверхностью емкости. Теплообменник выполнен в виде жидкостно-газового спирального теплообменника с движением в противотоке по отдельным каналам жидкого теплоносителя от периферии к центру и газа от центра к периферии. Каналы в теплообменнике для газа и патрубке имеют одинаковое поперечное сечение и равномерный изгиб. Емкость, конфузор, корпус вентилятора и патрубок выполнены из материала с низким коэффициентом теплопроводности. Как вариант, емкость, конфузор, корпус вентилятора и патрубок могут быть выполнены из трехслойного материала, наружный и внутренний слои которого термопластичные,а средний с низким коэффициентом теплопроводности. Как вариант, наружный слой трехслойного материала может быть выполнен из полиэтилена, внутренний слой - из графт-сополимера полипропилена и средний слой - из поропласта. Емкость, конфузор, корпус вентилятора и патрубок выполнены методом ротационного формования. Полезная модель поясняется фигурами. На фиг. 1 приведен вид биореактора для промышленного глубинного культивирования микроорганизмов в разрезе. На фиг. 2 - вид биореактора сверху. На фиг. 3 - жидкостно-газовый спиральный теплообменник. Предлагаемый биореактор для промышленного глубинного культивирования мезофильных микроорганизмов состоит из герметичной емкости 1 в виде осесимметричного тела. В верхней части емкости 1 имеется отверстие 2. Конфузор 3 соединяет отверстие 2 с входным отверстием вентилятора 4. Выходное отверстие вентилятора 4 соединено с входным отверстием теплообменника 5. Патрубок 6 соединяет выходное отверстие вентилятора 4 с боковой наружной поверхностью емкости 1. Биореактор работает следующим образом. Жидкую питательную среду, содержащую необходимые компоненты, заливают в емкость 1 через штуцер для жидких потоков. Поток газа из верхней части емкости 1 через отверстия 2 и конфузор 3 направляется вентилятором 4 в теплообменник 5, в котором нагревается до требуемой температуры культивирования мезофильных микроорганизмов. Затем газ по патрубку 6 через боковую поверхность емкости 1 направляется на ее внутреннюю периферию. Над поверхностью жидкости образует закрученный поток с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости 1, осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря. Закрученный поток газа за счет трения на границе раздела фаз газ-жидкость и разницы давления между периферией и центром газового вихря обеспечивает движение жидкости в виде вихревого кольца, вращающегося относительно оси емкости 1 с одновременным нисходящим движением на периферии емкости и восходящим в приосевой зоне. Необходимая для нагрева энергия с помощью газового вихря подводится по всей поверхности жидкости, что обеспечивает высокий теплообмен на границе газ-жидкость без зон локального перегрева. Питательная среда нагревается до требуемой температуры культивирования мезофильных микроорганизмов. Затем вводят в нее суспензию микроорганизмов до достижения необходимой исходной плотности клеток. При этом происходит эффективное перемешивание без образования пены, гидроударов, кавитации, высокотурбулентных и застойных зон. 96602013.10.30 Как вариант, теплообменник 5 может быть выполнен в виде жидкостно-газового спирального теплообменника, который обеспечивает высокую эффективность процесса теплообмена и компактность оборудования (фиг. 3). Теплоноситель 7 в противотоке с газом 8 проходят через теплообменник 5 по отдельным каналам. Газ 8 поступает в центральную часть теплообменника 5 и движется к периферии. Теплоноситель 7 движется в обратном направлении, от периферии к центру. Каналы в теплообменнике 5 и патрубке 6 выполнены с одинаковым поперечным сечением и равномерным изгибом. Благодаря этому создается эффект самоочищения теплообменника 5 и патрубка 6, а также равномерный поток газа на выходе патрубка 6. Равномерный поток газа на выходе патрубка 6 позволяет получить стабильный, без турбулентных зон, закрученный потока газа над поверхностью суспензии. Благодаря эффекту самоочищения при прохождении газа через спиральный теплообменник увеличивается срок между его техническим обслуживанием, тем самым повышается производительность биореактора. Как вариант, емкость 1, конфузор 3, корпус вентилятора 5 и патрубок 6 могут быть выполнены из трехслойного материала - наружный и внутренний слои из термопластичных материалов, средний из материала с низким коэффициентом теплопроводности. Как вариант, наружный слой трехслойного материала может быть выполнен из полиэтилена, внутренний слой - из графт-сополимера полипропилена и средний - из поропласта. Графт-сополимер полипропилена имеет высокие деформационно-прочностные характеристики, низкий коэффициент теплопроводности, менее подвержен старению. Как вариант, емкость 1 объемом до 30 м 3 и более, конфузор 3, корпус вентилятора 5 и патрубок 6 могут быть выполнены без технологических швов и скрытых напряжений методом ротационного формования. Это обеспечивает их высокую прочность. Таким образом, предлагаемый по полезной модели биореактор для промышленного глубинного культивирования мезофильных микроорганизмов позволяет повысить производительность процесса культивирования мезофильных микроорганизмов, уменьшить энергозатраты на процесс культивирования, обеспечить возможность создания биореакторов различного объема, в том числе до 30 м 3 и более. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6

МПК / Метки

МПК: C12M 1/00

Метки: мезофильных, культивирования, микроорганизмов, биореактор, глубинного, промышленного

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/6-u9660-bioreaktor-dlya-promyshlennogo-glubinnogo-kultivirovaniya-mezofilnyh-mikroorganizmov.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Биореактор для промышленного глубинного культивирования мезофильных микроорганизмов</a>

Похожие патенты