БИОРЕАКТОР Российский патент 1995 года по МПК C12M1/04 

Изобретение относится к устройствам для осуществления процессов биосинтеза аминокислот, ферментов, витаминов и других биологически активных веществ и может использоваться в микробиологической, химической, пищевой и других отраслях промышленности и исследовательской практике.

Самый ответственный процесс в биотехнологии - ферментация, а биореакторы, в которых проходит этот процесс, являются главным технологическим оборудованием любого микробиологического процесса.

Производительность микробиологического процесса зависит от активности продуцента, концентрации микроорганизмов, соотношения и подбора компонентов питательной среды и массообменной характеристики биореактора, которая определяется условиями аэрации и перемешивания культуральной жидкости.

Большинство микробиологических процессов протекают в условиях постоянно меняющейся реалогии культивационной среды, вызываемой ростом и делением клеток. Чаще всего этот процесс сопровождается увеличением плотности и вязкости культивационных сред, что снижает эффективность массообмена, а значит, и продуктивность процесса. Интенсивность массообмена определяют аэраторы и мешалки, используемые в биореакторах.

Известен аппарат для культивирования микроорганизмов [1], в котором снижение параметров массообмена частично компенсируется изменением режима работы мешалок.

Так с увеличением плотности и вязкости культивационной среды лопасти мешалок отводят от вала, окружная скорость лопастей возрастает, и таким образом, достигается более интенсивная турбулизация культивационной среды с аэрирующим газом, а поярусное распределение мешалок на валу привода должно обеспечить равномерность такого перемешивания.

Однако только эффективного перемешивания культивационной среды с газом недостаточно для повышения массообмена. Это можно объяснить тем, что источник аэрирующего воздуха расположен в нижней части емкости, в связи с чем наиболее интенсивное растворение кислорода в культивационной среде будет происходить в зоне действия нижней мешалки, и по мере продвижения вверх под действие мешалок будет попадать обедненная кислородом смесь воздуха с метаболитным газом, что не может улучшить перенос кислорода к клеткам даже в условиях изменения работы мешалок.

Увеличение расхода аэрирующего воздуха в известной системе перемешивания приведет к образованию вокруг вала мешалок газовой воронки, и основная масса аэрирующего воздуха не будет контактировать с культивационной средой, что лишь ухудшит условия массообмена.

Кроме того, устройство, обеспечивающее регулирование вылета лопастей мешалок, значительно усложняет конструкцию аппарата, требует использования дополнительных герметизирующих вводов, что снижает надежность работы аппарата в асептических условиях.

Для решения задачи интенсификации массообмена уплотненных клеточных суспензий наиболее подходящим представляется комбинированный ферментатор. Характерным признаком известного аппарата является подвод энергии к жидкой фазе одновременно мешалкой и насосом, что обеспечивает равномерное перемешивание и аэрацию культивационной среды по всему объему аппарата. (Виестур У.Э. и др. Системы ферментации. Рига: Знание, 1986, с. 9-15).

Наряду с очевидными преимуществами известный аппарат не лишен недостатков. Так, в процессе ферментации в байпасном контуре аппарата постоянно имеется объем культивационной среды без аэрации, что приводит к ухудшению массообмена. При увеличении концентрации клеток и вязкости культивационной среды отрицательное действие байпасного контура на массообмен системы будет возрастать, ухудшая условия ферментации. Работа мешалок в условиях перемешивания вязких сред с высокой плотностью микроорганизмов также будет малоэффективной, так как в этом случае произойдет естественное расслоение газа в жидкости, зона турбулентности мешалок уменьшится, что приведет к снижению массообмена. Известен биореактор [2] используемый в процессах трансформации стероидов при концентрации исходного субстрата до 100 г/л.

Биореактор относится к аппаратам циркуляционного типа, культивационная среда в которых приводится в движение высокопроизводительным насосом осевого действия, размещенным внутри рабочей емкости биореактора. Перемешивание и насыщение культивационной среды кислородом воздуха осуществляются в зоне раструба, где формируются турбулентные потоки культивационной среды и аэрирующего воздуха. Ввод аэрирующего воздуха в биореактор осуществляют через газлифтный насос, включенный в байпасный трубопровод к биореактору. Биореактор в отличие от известных аналогов содержит насос осевого действия, конструкция которого позволяет прокачивать уплотненные суспензии с высокой производительностью, что является одним из важных условий интенсификации массообмена. Что касается устройств для аэрации культивационных сред, то применительно к процессу биосинтеза веществ такие системы неэффективны по следующим причинам:
газлифтный насос, используемый в качестве аэратора, мало эффективен, так как он размещен в байпасном контуре биореактора, и аэрирующий воздух воздействует на очень малый объем культуральной среды;
при повышении расхода аэрирующего воздуха производительность газлифтного насоса снижается, чем еще больше ухудшит массообмен системы;
перемешивание культивационной среды с воздухом посредством насоса не создает эффективной аэрации, так как используемая в насосе осевая турбина не рассчитана на турбулизацию жидкости;
для предотвращения вспенивания аэрирующий воздух вводят под крышку биореактора, в связи с чем основная масса культивационной среды аэрируется только через свою поверхность, что явно недостаточно для создания эффективного массообмена.

Цель изобретения - повышение производительности за счет интенсификации массообмена уплотненных клеточных суспензий.

На чертеже изображен предлагаемый биореактор.

Биореактор содержит емкость 1, крышку 2, патрубки 3, 4 и 5 для подачи субстрата, слива готового продукта и отвода газа, теплообменную рубашку 6, приводной вал 7, осевой насос 8, циркуляционную трубу 9, раструб 10 с отбойниками 11, направляющие 12 потока, устройство для аэрации, снабженное турбинной мешалкой 13 с отбойными пластинами (отбойниками) 14, барботером 15 с радиальными отверстиями 16 и отбойниками 17, и смеситель 18 с отбойниками 19.

Осевой насос 8 закреплен на валу 7, установлен в раструбе 10 циркуляционной трубы 9 и снабжен направляющими 12 потока, выполненными в виде отрезков пластин, радиально закрепленных в циркуляционной трубе 9 на выходе из насоса.

Турбинная мешалка 13 закреплена на валу 7 насоса 8 у дна емкости 1. Отбойные пластины 14 радиально закреплены по периметру емкости 1 в плоскости действия турбинной мешалки.

Барботер 15 закреплен на дне емкости 1 соосно с валом насоса 8. Смеситель 18 закреплен на турбинной мешалке 13 и установлен коаксиально барботеру 15.

Биореактор работает следующим образом.

Перед началом биотехнологического процесса через патрубок 3 в емкость 1 загружают рабочую среду до уровня, когда вся поверхность раструба 10 оказывается погруженной в рабочую среду, и вносят инокулят микроорганизмов. Термостатируют биореактор обычным образом, через теплообменную рубашку 6. При включении привода (на фиг.1 не показан) биореактора вал 7 вращается с заданной частотой, а закрепленный на нем осевой насос 8 вытесняет рабочую среду, находящуюся в циркуляционной трубе 9 в сторону турбинной мешалки 13. Затраты мощности на организацию движения рабочей среды в емкость 1 небольшие, так как по условию загрузки биореактора циркуляционная трубка 9 вместе с раструбом 10 погружены в рабочую среду и при работе насоса 8 образуют замкнутый контур циркуляции рабочей среды. Отбойники 11, закрепленные в раструбе 10, препятствуют образованию воронки на входе в насос 8 и дополнительно турбулизируют рабочую среду с воздухом. Пластинчатые направляющие 12, закрепленные в циркуляционной трубе 9 на выходе из насоса 8, формируют поток рабочей среды в направлении турбинной мешалки 13.

К аэратору подводят сжатый воздух для аэрации рабочей среды в биореакторе, который через радиальные отверстия 16, расположенные между отбойниками 17, вытесняется в зону действия смесителя 18. Смеситель 18 жестко закреплен на лопастях турбинной мешалки 13 и в результате вращения создает между отбойниками 19 и 17 туpбулентный газожидкостный поток рабочей среды, направленный в сторону турбинной мешалки 13.

Направление указанного потока рабочей среды определяют диспергированный воздух и центробежные потоки газожидкостной среды, образованные при вращении турбинной мешалки 13.

Таким образом, в нижней части емкости 1 при вращении турбинной мешалки 13 создан постоянно циркулирующий через смеситель 18 потока газожидкостной среды, в котором происходит интенсивное растворение кислорода воздуха. Направленные навстречу друг другу поток рабочей среды, образованный насосом 8, и поток газожидкостной среды, образованный смесителем 18, активно перемешиваются в зоне действия турбинной мешалки 13 и отбойников 14, что позволяет интенсифицировать массообменные процессы, протекающие в рабочей среде со сложной реалогией и высокой концентрацией клеток микроорганизмов. Конструкция насоса и его размещение в биореакторе обеспечивают циркуляцию культивационных сред сложной реалогии с высокой производительностью между поверхностной и глубинной зонами насыщения кислородом, что позволяет интенсифицировать процессы массообмена уплотненных клеточных суспензий. Использование в биореакторе смесителя позволяет создать на выходе воздуха из аэратора постоянно циркулирующий вокруг смесителя поток мелкодисперсной газожидкостной среды, что обеспечивает эффективное растворение кислорода в жидкой среде. Размещение турбинной мешалки в зоне образованных в биореакторе верхнего и нижнего потоков культивационной среды и турбулизация этих потоков посредством отбойников, обеспечивают гомогенное перемешивание компонентов рабочей среды и дополнительное диспергирование аэрирующего воздуха, что позволяет активизировать массообменные процессы, протекающие в культивационной среде и, следовательно, способствует повышению выхода и качества синтезируемого продукта. Новая конструкция биореактора ориентирована на реализацию процессов биосинтеза биологически активных веществ, например органических кислот, ферментов, витаминов, антибиотиков и др., протекающих в условиях высокой концентрации клеток - продуцентов.

Использование: биосинтез аминокислот, ферментов и других продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Сущность изобретения: биореактор содержит емкость, в которой размещена циркуляционная труба с раструбом и отбойными пластинами. В раструбе установлен осевой насос, а у днища емкости - устройство для аэрации среды. Осевой насос снабжен направляющими потока, выполненными в виде отрезков пластин, радиально закрепленных в циркуляционной трубе на выходе из насоса, а устройство для аэрации снабжено турбинной мешалкой, отбойными пластинами, барботером и смесителем газа с жидкостью. Барботер представляет собой коллектор газа в виде трубы с отверстиями, на которой укреплены вертикальные пластины-отбойники. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. БИОРЕАКТОР, содержащий емкость с крышкой и патрубками для подвода субстрата, отвода газа и слива целевого продукта, циркуляционную трубу с раструбом и отбойными пластинами, приводной вал с осевым насосом, установленным в раструбе, и устройство для аэрации среды, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности путем интенсификации массообмена плотных клеточных суспензий, осевой насос снабжен направляющими потока, выполненными в виде отрезков пластин, радиально закрепленных в циркуляционной трубе на выходе из насоса, а устройство для аэрации снабжено турбинной мешалкой, отбойными пластинами, барботером и смесителем газа с жидкостью, выполненным в виде отрезка трубы с установленными на ее внутренней поверхности пластинчатыми отбойниками, при этом турбинная мешалка закреплена на валу насоса у дна емкости, отбойные пластины радиально расположены по периметру емкости в одной горизонтальной плоскости с турбинной мешалкой, барботер установлен на дне емкости соосно с валом насоса, а труба смесителя закреплена на турбинной мешалке и установлена коаксиально барботеру. 2. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что барботер представляет собой коллектор газа в виде трубы с отверстиями, на которой укреплены вертикальные пластины-отбойники.