Биореактор для промышленного глубинного культивирования микроорганизмов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ БИОРЕАКТОР ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ГЛУБИННОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ(71) Заявители Гракович Виталий Иванович Мурашко Алексей Сергеевич Мурашко Сергей Петрович(72) Авторы Гракович Виталий Иванович Мурашко Алексей Сергеевич Мурашко Сергей Петрович(73) Патентообладатели Гракович Виталий Иванович Мурашко Алексей Сергеевич Мурашко Сергей Петрович(57) 1. Биореактор для промышленного глубинного культивирования 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 вентиляторов, патрубков, соединяющих входные отверстия вентиляторов с осесимметрично расположенными отверстиями в верхней части емкости, и патрубков с равномерными изгибами и одинаковыми поперечными сечениями, соединяющих выходные отверстия вентиляторов с отверстиями на боковой поверхности емкости выше уровня суспензии микроорганизмов таким образом, что плоскости этих отверстий перпендикулярны плоскости уровня суспензии микроорганизмов и касательным плоскостям емкости в местах их соединения. 98502013.12.30 2. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что в отверстиях на боковой поверхности емкости установлены горизонтальные направляющие, меняющие угол атаки газового потока к плоскости уровня суспензии микроорганизмов в пределах 0-45. 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 с целью получения целевых продуктов. Известно три способа культивирования микроорганизмов в закрытых биореакторах периодический, полунепрерывный и непрерывный. При периодическом культивировании посевной материал вносится в жидкую питательную среду однократно в начале процесса. При достижении заданной фазы развития микроорганизмов биомасса выводится из емкости. Полунепрерывный способ культивировании отличается от периодического тем, что в процессе культивирования часть биомассы выводится из емкости, а в освободившийся объем добавляется свежая питательная среда. При непрерывном процессе культивирования питательная среда подается в емкость непрерывно. Забор биомассы микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности также осуществляется непрерывно. При любом способе глубинного культивирования микроорганизмов в закрытых биореакторах важную роль играет возможность управления интенсивностью массообмена на разных стадиях из развития. Известны способы перемешивания с помощью продувки суспензии микроорганизмов газом и с помощью помещенной в нее механической мешалки 1. Способ перемешивания с помощью продувки суспензии микроорганизмов газом имеет низкую интенсивность перемешивания особенно в вязких средах, слабый подвод питания и отвод метаболитов. Он не позволяет культивировать чувствительные клетки, так как пузырьки газа при резком перепаде давления схлопываются и при контакте губят их. Способ перемешивания с помощью механической мешалки при культивировании многих культур микроорганизмов не обеспечивает достаточный массообмен с увеличением плотности суспензии. При увеличении скорости вращения механической мешалки образуются высокотурбулентные зоны, создающие неравномерный подвод питания клеткам и отвод метаболитов. Из-за механического воздействия лопастей мешалки и возникающих срезающих напряжений возле них культивируемые микроорганизмы с нежными клеточными стенками гибнут. Кроме этого, при перемешивании суспензии микроорганизмов газом и с помощью помещенной в нее механической мешалки происходит обильное пенообразование. Для гашения пены применяются различные химические пеногасители, что ухудшает качество целевого продукта, усложняет технологический процесс культивирования. Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является аппарат для суспензионного культивирования микроорганизмов, содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и устройство для перемешивания среды, содержащее горизонтальное лопастное колесо, размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, и расположенную под ним кольцевую пластину с центральным отверстием для отвода газа, прикре 2 98502013.12.30 пленную по периферии к стенке емкости с образованием кольцевой полости вокруг колеса 2. 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 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. 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 аппарата является то, что масштабирование конструкции устройства для перемешивания среды в виде горизонтального лопастного колеса, размещенного в верхней части емкости непосредственно под крышкой, и расположенной под ним кольцевой пластины с центральным отверстием для отвода газа, прикрепленной по периферии к стенке емкости с образованием кольцевой полости вокруг колеса и щелевыми отверстиями для прохода газа, расположенными равномерно по окружности под наклоном к горизонтальной плоскости, неэффективно для применения в биореакторах с объемом емкости до 30 м 3 и более из-за более высоких удельных энергозатрат на процесс культиврования. Кроме этого, с увеличением плотности суспензии при культивировании микроорганизмов достаточный массообмен в данном аппарате можно обеспечить только увеличением скорости закрученного потока газа над ее поверхностью, что для биореакторов с объемом емкости до 30 м 3 и более также приводит к увеличению удельных энергозатрат на процесс культивирования. Техническая задача, решаемая в настоящей полезной модели, состоит в создании условий для параметрического управления интенсивностью массобмена в суспензии микроорганизмов в процессе их развития для биореакторов с объемом емкости до 30 м 3 и более. Технический результат, получаемый при реализации настоящей полезной модели, состоит в повышении производительности процесса культивирования микроорганизмов, в снижении удельных энергозатрат на процесс культивирования, в обеспечении возможности создания биореакторов для промышленного глубинного культивирования микроорганизмов с емкостями различного объема, в том числе до 30 м 3 и более. Решение задачи достигается тем, в предлагаемом биореакторе для промышленного глубинного культивирования микроорганизмов, содержащем герметичную емкость в виде осесимметричного тела вращения, 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, осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря, в виде вентиляторов, патрубков, соединяющих входные отверстия вентиляторов с осесимметрично расположенными отверстиями в верхней части емкости, и патрубков с равномерными изгибами и одинаковыми поперечными сечениями, соединяющих выходные отверстия вентиляторов с отверстиями на боковой поверхности емкости выше уровня суспензии микроорганизмов таким образом, что плоскости этих отверстий перпендикулярны плоскости уровня суспензии микроорганизмов и касательным плоскостям емкости в местах их соединения. Плоскости отверстий на боковой поверхности емкости перпендикулярны плоскости уровня суспензии микроорганизмов и касательным плоскостям емкости в местах их соединения. В отверстиях на боковой поверхности емкости установлены горизонтальные направляющие, меняющие угол атаки газового потока к плоскости уровня суспензии микроорганизмов в пределах 0-45. 3 98502013.12.30 На фиг. 1 приведен вид биореактора для промышленного глубинного культивирования микроорганизмов в разрезе, на фиг. 2 - вид биореактора сверху, на фиг. 3 - вид горизонтальных направляющих в отверстиях на боковой поверхности емкости биореактора. Предлагаемый биореактор для промышленного глубинного культивирования микроорганизмов состоит из герметичной емкости 1 в виде осесимметричного тела вращения. Внутри емкости 1 находится соосное тело 2, соединяющее дно емкости 1 с ее верхом. На поверхности емкости 1 имеются отверстия 3 и 4. Отверстия 3 расположены осесимметрично в верхней части емкости 1. Отверстия 4 расположены на боковой поверхности емкости 1 выше максимального уровня суспензиимикроорганизмов 5. Перемешивающее устройство биореактора содержит вентиляторы 6, патрубки 7 и 8. Вентиляторы 6 расположены на боковой наружной поверхности емкости 1. Патрубки 7 соединяют отверстия 3 с входными отверстиями вентиляторов 6. Патрубки 8 соединяют выходные отверстия вентиляторов 6 с отверстиями 4 и выполнены с равномерными изгибами и одинаковыми поперечными сечениями. Плоскости отверстий 4 выполнены перпендикулярно плоскости уровня 5 и касательным плоскостям емкости 1 в местах соединения. В отверстиях 4 установлены горизонтальные направляющие 9, меняющие угол атаки газового потокак плоскости уровня суспензии микроорганизмов 5 в пределах 0-45. Биореактор работает следующим образом. Через штуцер для жидких потоков в емкость 1 заливают жидкую питательную среду. Поток газа над поверхностью жидкости из верхней части емкости 1 через отверстия 3 и патрубки 7 направляется вентиляторами 6 через патрубки 8 и отверстия 4 в ее внутреннюю периферию. Над поверхностью жидкости образуется закрученный поток газа 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 ее периферии и восходящим в приосевой зоне. Затем в жидкую питательную среду вводят суспензию микроорганизмов, при этом происходит эффективное ее перемешивание без образования пены, гидроударов, кавитации, турбулентных и застойных зон. При необходимости с увеличением плотности суспензии микроорганизмов в процессе культивирования горизонтальные направляющие 9 позволяют изменять угол атаки газового потока а к плоскости уровня 5 в пределах от 0 до 45. Предлагаемый по полезной модели биореактор может применяется при периодическом, полунепрерывном и непрерывном способах глубинного культивирования микроорганизмов. При объемах емкости до 30 м 3 и более размещение вентиляторов 6 на ее боковой поверхности рядом с отверстиями 4 позволяет уменьшить суммарную их энергоемкость. Применение патрубков 8 с одинаковыми поперечными сечениями и равномерными изгибами позволяет получить стабильный поток газа на их выходе. Расположение плоскостей отверстий 4 перпендикулярно плоскости уровня 5 и касательным плоскостям емкости в местах их соединения позволяет получить над поверхностью суспензии стабильный закрученный поток газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости 1, осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря при объемах емкости до 30 м 3 и более. Размещение в отверстиях 4 горизонтальных направляющих 9, меняющих угол атаки газового потокаот 0 до 45 при увеличении плотности суспензии в процессе культиви 4 98502013.12.30 рования 6, позволяет повысить эффективность контакта потока газа на разделе сред газжидкость, увеличить скорость движения вихревого кольца суспензии и, следовательно,интенсивность массообменных процессов, не увеличивая энергозатраты на процесс культивирования. Применение в устройстве для перемешивания нескольких вентиляторов позволяет повысить его надежность, проводить регламентные и ремонтные работы без остановки процесса культивирования, повысить производительность процесса культивирования. Таким образом, предлагаемый по полезной модели биореактор для промышленного глубинного культивирования микроорганизмов повышает производительность процесса культивирования, уменьшает удельные энергозатраты на процесс культивирования, обеспечивает возможность создания биореакторов различного объема, в том числе до 30 м 3 и более. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5