УСТРОЙСТВО ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ АВТОТРОФНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ Российский патент 2000 года по МПК C12M1/02 A01G31/02 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и микробиологической промышленности и может использоваться в устройствах для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов, например зеленых водорослей и фотосинтезирующих бактерий.

Известно устройство для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов, состоящее из культивационной ванны с цилиндрическими стенками, снабженной крышкой и технологическими штуцерами, механизмом перемешивания, источником искусственного освещения суспензии, приводом механизма перемешивания и термостатом (Авт. свид. СССР N 1570678, кл. А 01 G 31/02, 1988).

В этом устройстве турбулизация суспензии осуществляется за счет взаимодействия суспензии с отбойными перегородками при ее перемешивании подвижными элементами (лопастями).

Однако при этом не обеспечивается эффективный тепломассообмен и не исключается возможность травмирования клеток культивируемых микроорганизмов, а конструкция биореактора не позволяет использовать естественное освещение.

Из известных устройств наиболее близким к заявленному является устройство для культивирования автотрофных микроорганизмов, содержащее культивационную ванну, торцевые поверхности которой выполнены в форме выпуклых полуцилиндров с образующей, параллельно установленной на основании при помощи шарнирной опоры, снабженную светопропускающей крышкой и технологическими штуцерами, механизмом для перемешивания с приводом, источник освещения и термостат (Патент РФ N 2057433, кл А 01 G 31/02, 1996).

В этом биореакторе устройство перемешивания выполнено в виде кривошипно-шатунного механизма, кинематически связанного с опорой, на которой закреплена культивационная ванна с возможностью регулирования качанием относительно горизонтальной поверхности.

Однако жесткая связь ванны с кривошипно-шатунным механизмом, закрепленным на основании, обуславливает значительные ударные нагрузки на этот механизм, появление высших гармоник в профиле генерируемой волны, что ухудшает условия для образования прибойной волны и соответственно перемешивания суспензии. В результате затрудняется поступление углекислого газа к клеткам микроорганизмов и ухудшается выделение растворенного кислорода из суспензии, образующегося в процессе фотосинтеза. Возникающие при культивировании концентрации растворенного в суспензии кислорода могут достигать 40%, что приводит к ингибированию процесса фотосинтеза и снижению продуктивности.

Необходимость в процессе культивирования изменения характеристик перемешивающего устройства для различных объемов и плотностей суспензии требует использования сложных редукторов, например, вариаторного типа или использования специального, управляемого в широких пределах, привода. Все это, наряду с необходимостью использования отдельного источника сжатого воздуха для продувки культивационного объема газовоздушной смесью, обуславливает дополнительные энергетические потери. Указанные свойства ограничивают производительность биореактора и снижают его технико-экономические показатели в целом, а одноярусная схема исполнения биореактора не обеспечивает эффективного использования объема закрытых помещений.

Задача настоящего изобретения - создание высокоэффективного, простого и надежного биореактора для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов при искусственном и естественном освещении в научных и производственных целях без вышеуказанных недостатков.

Технический результат заключается в интенсификации тепломассообмена суспензии независимо от ее объема и плотности путем устойчивого генерирования прибойной волны в области резонансных частот.

Это достигается тем, что в предложенном устройстве для культивирования автотрофных микроорганизмов, включающем по меньшей мере одну культивационную ванну с дном, снабженную светопропускающей крышкой, технологическими штуцерами, устройством перемешивания суспензии, источником освещения и термостатом и установленную на основании при помощи шарнирной опоры, устройство перемешивания суспензии выполнено в виде пневмокамеры, подключенной к компрессору и снабженной клапанами для подачи и отбора воздуха из нее, при этом пневмокамера размещена под дном ванны по одну сторону с ее центром тяжести относительно шарнирной опоры.

На фиг. 1 представлена схема устройства для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов. На фиг.2 представлена схема устройства в многоярусном исполнении.

Устройство для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов содержит культивационную ванну 1, закрытую светопропускающей крышкой 2 с помощью уплотнения 3. Источник освещения 4, например искусственного света, размещен над крышкой 2. Термостат 5 выполнен в виде изолированных от внутреннего объема ванны полостей, оборудованных штуцерами 6 для подвода охлаждающей жидкости. В стенках и дне культивационной ванны установлены штуцеры 7 для залива и слива жидкостей (питательных сред, суспензии и т.п.), подачи и отбора газовоздушной смеси 8, для ввода датчиков 9 контроля параметров культивирования. Культивационная ванна установлена на основании при помощи шарнирной опоры 10. Устройство перемешивания выполнено в виде пневмокамеры 11 из эластичного, газонепроницаемого материала. На основании установлены датчики положения 12 ванны, например, бесконтактного типа, для управления электромагнитными клапанами 13 и 14. Пневмокамера 11 соединена трубопроводами с компрессором 15 и ресивером 16 для сбора воздуха и удаления его из пневмокамеры, на которых установлены вентили 17.

На чертеже (фиг. 2) также представлена схема многоярусного устройства для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов с описанным выше перемешивающим устройством, в котором кинематитическая связь между вегетационными ваннами осуществляется с помощью штанг 18 с шарнирами 19 на концах. Освещение суспензии в вегетационных ваннах осуществляется от искусственных источников света 4.

Устройство для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов работает следующим образом. В культивационную ванну 1 через штуцер 7 заливают питательную среду и инокулят, например, микроводорослей (хлореллы, спирулины и т. п.). К штуцерам 6 подводят охлаждающую жидкость, которая, протекая через термостат 5, поддерживает необходимую температуру суспензии путем теплообмена с дном культивационной ванны 1. Подвод газовоздушной смеси и отвод выделяемого в процессе фотосинтеза кислорода осуществляют через штуцеры 8. Работу перемешивающего предложенного устройства осуществляют от компрессора 15. При нагнетании воздуха в пневмокамеру 11 (электромагнитный клапан 13 открыт, а электромагнитный клапан 14 закрыт) край ванны 1, противоположный шарнирной опоре 10, поднимается на заданную величину выше горизонтального положения ванны. При стравливании воздуха из пневмокамеры 11 (электромагнитный клапан 13 закрыт, а электромагнитный клапан 14 открыт) за счет веса культивационной ванны с суспензией этот же край ванны опускается до заданного уровня ниже горизонтального положения ванны. В дальнейшем цикл работы перемешивающего устройства повторяется. При этом стравливаемый из пневмокамеры 11 воздух смешивают в ресивере 16 с газом, например CO₂, и подают в культивационную ванну. Величину амплитуды колебания ванны относительно ее горизонтального положения контролируют датчиками конечного положения 12, которые осуществляют управление электромагнитными клапанами наддува 13 и сброса 14 воздуха из пневмокамеры 11. Частоту колебания ванны 1 задают с помощью двух вентилей 17, регулирующих соответственно скорость наддува и стравливания воздуха из пневмокамеры 11.

Работа перемешивающего многоярусного устройства для культивирования фототрофных микроорганизмов аналогична заявляемому, а синхронное колебание всех культивационных ванн обеспечивают кинематическим параллелограммом, образованным штангами 18 и шарнирными опорами 19 ванн.

Возможность простого и гибкого управления характеристиками перемешивающего устройства с помощью двух вентилей позволяет обеспечить эффективный тепломассообмен в зависимости от объема и плотности суспензии в устройстве для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов. В то же время, пневмокамера, помимо функции перемешивающего механизма, является и эффективным амортизатором, парируя ударные нагрузки от прибойной волны на механические узлы, соединяющие ванну с основанием. Это обуславливает практическое отсутствие высших гармоник в профиле генерируемой волны, что позволяет устойчиво работать в резонансной области, т.е. оптимизировать тепломассообмен и минимизировать энергозатраты на перемешивание суспензии. Кроме этого, использование сбрасываемого из пневмокамеры воздуха для продувки внутреннего объема реактора газовоздушной смесью исключает необходимость использования дополнительных источников сжатого воздуха. В предлагаемом решении за счет хорошей организации прибойной волны и исключения высших гармоник в ее профиле улучшается поступление углекислого газа к клеткам и выделение кислорода из суспензии. Концентрация растворенного в суспензии кислорода при культивировании не превышает 28%. За счет этого происходит повышение продуктивности культур в 1.4 раза. Многоярусная схема исполнения устройства для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов, с общим для всех культивационных ванн перемешивающим механизмом, позволяет эффективно использовать производственные площади. Устройство для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов просто по конструкции, энергоэкономично, позволяет масштабировать его без потери преимуществ.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и микробиологической промышленности. Устройство для культивирования автотрофных микроорганизмов включает по меньшей мере одну культивационную ванну. Последняя снабжена светопропускающей крышкой, технологическими штуцерами, устройством перемешивания суспензий, источником освещения и термостатом. Ванна установлена на основании при помощи шарнирной опоры. Устройство перемешивания суспензии выполнено в виде пневмокамеры, размещенной под дном ванны по одну сторону с ее центром тяжести относительно шарнирной опоры. Пневмокамера подключена к компрессору и снабжена клапанами для подачи и отвода воздуха из нее. Конструкция устройства обеспечивает повышение производительности путем улучшения перемешивания суспензии. 2 ил.

Устройство для культивирования автотрофных микроорганизмов включающее по меньшей мере одну культивационную ванну с дном, снабженную светопропускающей крышкой, технологическими штуцерами, устройством перемешивания суспензии, источником освещения и термостатом и установленную на основании при помощи шарнирной опоры, отличающееся тем, что устройство перемешивания суспензии выполнено в виде пневмокамеры, подключенной к компрессору и снабженной клапанами для подачи и отвода воздуха из нее, при этом пневмокамера размещена под дном ванны по одну сторону с ее центром тяжести относительно шарнирной опоры.