Биореактор для промышленного глубинного культивирования микроорганизмов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ БИОРЕАКТОР ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ГЛУБИННОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ 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 микроорганизмов,содержащий емкость, штуцеры 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 емкость выполнена в виде осесимметричного тела вращения плоской выпуклой замкнутой кривой вокруг оси вне ее контура таким образом, что образованное внутри осесимметричное тело соединяет дно с ее верхом и имеет в верхней части одно или несколько равномерно расположенных отверстий. 96492013.10.30 2. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что устройство для перемешивания выполнено в виде вентилятора с конфузором, соединяющим одно или несколько отверстий в верхней части осесимметричного тела внутри емкости с входным отверстием вентилятора,и патрубком, соединяющим выходное отверстие вентилятора с боковой наружной поверхностью емкости таким образом, что плоскость выходного отверстия патрубка перпендикулярна касательным плоскостям емкости в местах соединения, расположена выше максимального уровня суспензии микроорганизмов с углом атаки газового потока к плоскости уровня в пределах 0-45 и имеет высоту меньше или равную минимальной высоте пространства над уровнем суспензии. 3. Биореактор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что емкость, конфузор и патрубок выполнены из термопластичного материала, например графт-сополимера полипропилена. Полезная модель относится к биотехнологии, преимущественно к разделу производства биологического сырья для синтеза искусственного топлива, может быть использована в сельском хозяйстве для производства кормов, в микробиологической промышленности для культивирования микроорганизмов. Биореактор для промышленного культивирования микроорганизмов представляет собой аппарат, в котором протекают ферментативные биохимические реакции при участии живых клеток. При глубинном культивировани биореактор должен обеспечивать рост и развитие популяций микроорганизмов в объеме жидкой суспензии. Это достигается за счет хорошего массообмена по газовой фазе (дыхание) и жидкой фазе (подвод питания и отвод метаболитов). При этом клетки не должны подвергаться механическим, тепловым и другим стрессовым воздействиям. Основными элементами биореактора для промышленного культивирования микроорганизмов являются емкость в виде закрытого резервуара, в котором перемешивается среда и микроорганизмы, штуцеры для газовых и жидких потоков, для установки датчиков систем контроля и управления. Известны два способа перемешивания находящимся в жидкой фазе механическим устройством и за счет продувки газовой фазы через жидкую (аэрлифтное и барботажное) 1. Недостатком биореакторов с механической мешалкой является то, что поверхностный массообмен из-за хаотичного перемешивания недостаточен для многих культур микроорганизмов. В процессе перемешивания образуются высоко турбулентные зоны, вследствие чего подвод питания клеткам и отвод метаболитов осуществляется неравномерно. Культивируемые клетки гибнут из-за механического воздействия на них лопастей мешалки и возникающих срезающих напряжений возле них. Недостатком биореакторов с аэрлифтным и барботажным способами перемешивания является то, что они не всегда пригодны для культур микроорганизмов с активной жизнедеятельностью из-за неинтенсивного перемешивания и как следствие слабого подвода питания и отвода метаболитов. Всплывающие пузырьки газа вследствие резкого перепада давления при контакте с чувствительными клетками губят их. В биореакторах с аэрлифтным и барботажным способами перемешивания происходит обильное пенообразова 2 96492013.10.30 ние. Для гашения пены требуется введение в суспензию нетоксичных химических пеногасителей. Это усложняет технологический процесс культивирования, ухудшает качество биологического сырья. В аэрлифтных биореакторах невозможно использовать вязкие культуральные жидкости. Известен аппарат для аэробной жидкофазной ферментации на растворимых и дисперсных средах с использованием микроорганизмов, содержащий корпус с крышкой и днищем, патрубки для подвода и отвода компонентов процесса, устройства для поддержания , концентрации растворенного газа, уровня пенообразования, уровня жидкости,устройства для подачи компонентов углеродного и минерального питания, аэрирующего газа, отбора суспензии клеток и пеногашения 2. В центральной части цилиндрического корпуса тангенциально расположены трубы, входы которых сообщены с объемом корпуса, а выходы соединены с побудителями перекачки суспензии клеток микроорганизмов. Выходы побудителей жидкости соединены патрубками с входами эжектирующих устройств. Каждое эжектирующее устройство имеет в своем входном сечении конфузор и снабжено патрубком для подачи аэрирующего газа. Выходы эжектирующих устройств в виде диффузора расположены в нижней части корпуса и направлены тангенциально относительно вертикальной оси корпуса. Недостатком аппарата является то, что при перемешивании суспензии клеток микроорганизмов с помощью ее перекачки появляются зоны высокого уровня турбулентности. Применение диффузоров также способствует появлению зон повышенной турбулентности. Эти зоны легко травмируют клетки микроорганизмов, приводят к их значительной гибели, в результате снижается производительность аппарата. Сложный вихревой характер течения суспензии приводит к тому, что согласно законам гидродинамики часть клеток концентрируется в центральном вихревом шнуре. В результате неравномерного их распределения по объему суспензии снижается эффективность процесса культивирования. Такой способ перемешивания также вызывает сильное пенообразование. Кроме этого, в предлагаемом аппарате имеются застойные и труднодоступные места, которые ухудшают условия его промывки и стерилизации. Известен аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов, содержащий устройство для перемешивания 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 3. За счет трения газового вихря на границе раздела фаз газжидкость 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. Газовый вихрь разрушающе действует на пену и стабилизирует пенообразование. Неравномерное распределение микроорганизмов по объему суспензии в этом аппарате уменьшается с помощью размещения соосно на дне емкости осесимметричного тела вращения в виде конуса или в виде цилиндра с аэродинамическим обтекателем. Высота тела вращения равна или больше уровня максимального заполнения емкости, а его боковая поверхность плавно сопряжена с поверхностью дна емкости. Недостатком этого аппарата является то, что при изменении уровня заполнения емкости появляется нестабильность закрученного потока газа над поверхностью суспензии,например при периодическом отборе суспензии или когда начальный период культивирования осуществляют при малых объемах суспензии, а конечная стадия культивирования при максимальном заполнении емкости. Нестабильный закрученный поток газа над поверхностью суспензии приводит к неустойчивому течению самой суспензии. 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 4. Устройство 3 96492013.10.30 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. Недостатком этого аппарата является то, что для биореакторов больших объемов 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 малоэффективен, т.к. требует повышенных удельных энергозатрат на процесс культивирования. Техническая задача, решаемая в настоящей полезной модели, состоит в создании стабильного без турбулентных зон закрученного потока газа над поверхностью суспензии и осесимметричного вихревого движения самой суспензии без застойных и турбулентных зон, исключении травмируемости клеток. Технический результат, получаемый при реализации настоящей полезной модели, состоит в повышении производительности процесса культивирования микроорганизмов,уменьшении энергозатрат на процесс культивирования, обеспечении возможности создания биореакторов различного объема, в том числе до 30 м 3 и более. Решение задачи в настоящей полезной модели достигается тем, что в биореакторе для промышленного глубинного культивирования микроорганизмов, содержащем емкость,штуцеры 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, емкость выполнена в виде осесимметричного тела вращения плоской выпуклой замкнутой кривой вокруг оси вне ее контура. Образованное внутри емкости осесимметричное тело соединяет дно с ее верхом и имеет в верхней части одно или несколько равномерно расположенных отверстий. Устройство для перемешивания выполнено в виде вентилятора с конфузором, соединяющим одно или несколько отверстий в верхней части осесимметричного тела внутри емкости с входным отверстием вентилятора, и патрубком, соединяющим выходное отверстие вентилятора с боковой наружной поверхностью емкости. Плоскость выходного отверстия патрубка в местах соединения с емкостью перпендикулярна касательным плоскостям емкости и расположена выше максимального уровня суспензии микроорганизмов с углом атаки газового потока к плоскости уровня в пределах 0-45. Высота выходного отверстия патрубка меньше или равна минимальной высоте пространства над уровнем суспензии. Полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1 приведен общий вид биореактора для промышленного глубинного культивирования микроорганизмов в разрезе. На фиг. 2 - перемешивающее устройство в виде вентилятора с конфузором, соединяющим несколько отверстий в верхней части осесимметричного тела внутри емкости. На фиг. 3 - вид биореактора сбоку. На фиг. 4 - вид биореактора сверху. Предлагаемый биореактор для промышленного глубинного культивирования микроорганизмов состоит из емкости 1 в виде осесимметричного тела, создаваемого вращением плоской выпуклой замкнутой кривой вокруг оси 2 вне ее контура. Это позволяет создать внутри емкости 1 осесимметричное тело 3, соединяющее дно с ее верхом. В верхней части тела 3 имеется одно или несколько равномерно расположенных отверстий 4. 4 96492013.10.30 Конфузор 5 соединяет отверстия 4 с входным отверстием вентилятора 6. Патрубок 7 соединяет выходное отверстие вентилятора 6 с боковой наружной поверхностью емкости 1 выше максимального уровня суспензии микроорганизмов 8. Плоскость выходного отверстия 9 патрубка 7 расположена перпендикулярно касательной плоскости емкости 1,при этом угол атаки а газового потока к плоскости уровня 8 составляет 0-45. Высотавыходного отверстия 9 патрубка 7 меньше или равна минимальной высоте пространства над уровнем суспензии. Биореактор работает следующим образом. Питательную среду, содержащую необходимые компоненты, заливают в емкость 1 через штуцеры для жидких потоков. Затем вводят в нее суспензию микроорганизмов до достижения необходимой исходной плотности клеток. Поток газа из верхней части емкости 1 через отверстия 4 и конфузор 5 направляется вентилятором 6 по патрубку 7 через боковую поверхность емкости 1 перпендикулярно ее касательной плоскости под углом к плоскости уровня суспензии 8. Расположение плоскости выходного отверстия 9 с высотой, равной минимальной высоте пространства над уровнем суспензии, перпендикулярно касательным плоскостям емкости 1 в местах соединения обеспечивает для емкостей больших объемов стабильный закрученный поток газа над поверхностью суспензии микроорганизмов с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости, осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря. Форма внутренней поверхности емкости 1 с телом 3 выше уровня суспензии, образованная вращением плоской выпуклой замкнутой кривой вокруг оси 2 вне ее контура, не допускает появления застойных и турбулентных зон газа. Стабильный закрученный поток газа в свою очередь за счет трения на границе раздела фаз и разницы давления между периферией и центром газового вихря обеспечивает движение суспензии в виде вихревого кольца, вращающегося относительно оси 2 емкости 1 с одновременным нисходящим движением на периферии емкости и восходящим в приосевой зоне. Форма внутренней поверхности емкости 1 с телом 3 ниже уровня суспензии, выполненные вращением плоской выпуклой замкнутой кривой вокруг оси 2 вне ее контура, не допускает появления застойных и турбулентных зон в суспензии, обеспечивает равномерное распределение клеток микроорганизмов по всему ее объему. Это позволяет проводить промышленное глубинное культивирование любых типов микроорганизмов, в том числе наиболее чувствительных к механическому воздействию. Необходимая для перемешивания энергия с помощью газового вихря подводится по всей поверхности жидкости, что позволяет реализовать глубинное культивирование микроорганизмов в вязких суспензиях. При этом угол атаки газового потока к плоскости уровня суспензии микроорганизмов а в пределах 0-45 позволяет повысить эффективность контакта на разделе сред газ-жидкость в зависимости от вязкости суспензии. Отсутствие застойных и труднодоступных мест в емкости 1 улучшает условия ее промывки и стерилизации. Движение суспензии в виде вихревого кольца предотвращают обрастание поверхности пленкой микроорганизмов, тем самым способствуя увеличению сроков между промывками биореактора. Кроме этого, осесимметричное тело 3, соединяющее дно с верхом емкости 1, повышает механическую прочность емкости. Емкость 1, конфузор 6 и патрубок 7 могут быть выполнены из термопластичного химически стойкого материала, например графт-сополимера полипропилена. Графтсополимер полипропилена отличается от базового полимера тем, что обладает более высокими деформационно-прочностными свойствами, теплостойкостью, менее подвержен старению. 96492013.10.30 Таким образом, предлагаемый по полезной модели биореактор для промышленного глубинного культивирования микроорганизмов позволяет повысить производительность процесса культивирования, 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