БИОРЕАКТОР Российский патент 2007 года по МПК C12M1/04 C12M3/00 C13K1/06 

Изобретение относится к аппаратам для проведения биохимических процессов с использованием жидких сред различной вязкости и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Известен биореактор, содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками для подвода и отвода газа и устройство для аэрации и перемешивания среды. Устройство для аэрации и 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 пропуска газа, прикрепленную по периферии к стенке емкости с образованием кольцевой полости вокруг колеса для подвода и отвода газа. В кольцевой перегородке выполнены щелевые отверстия для прохода газа, расположенные равномерно по окружности под наклоном к горизонтальной плоскости (WO 92105245, C12N 5/00, 02.04.1992).

Конструкция этого биореактора не обеспечивает эффективное перемешивание вязкой культуральной среды при проведении биохимических процессов.

При высоких скоростях движения газа над поверхностью последней происходит захват капель с культивируемыми клетками и выброс их на стенку емкости, что приводит к травмированию и гибели клеток.

Ближайшим аналогом предложенного изобретения является биореактор, включающий цилиндрическую емкость с крышкой, расположенное в ней устройство для перемешивания среды, состоящее из лопастного колеса, горизонтально укрепленного на вертикальном валу в верхней части емкости, и кольцевой перегородки, установленной в емкости с возможностью вращения, образующей со стенкой емкости зазор и снабженной поплавками, и механизм регулирования положения кольцевой перегородки по высоте относительно перемешиваемой среды. Этот механизм может содержать стойки, прикрепленные к крышке емкости и кольцевой перегородке при помощи фиксаторов и позволяющие изменять положение перегородки по высоте емкости (RU 2099413 С1, С12М 1/04, 20.12.1997).

Недостаток биореактора заключается в том, что при креплении неподвижно кольцевой перегородки на стойках создается большое сопротивление движению вязкой культуральной среды, что ухудшает процесс ее перемешивания.

Использование плавающей кольцевой перегородки приводит к тому, что она выбрасывается на поверхность жидкости и периодически колеблется со смещением ее к стенке емкости, что ухудшает процесс перемешивания.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности перемешивания и ускорении биохимических процессов при проведении их с использованием жидких и вязких сред.

Этот результат достигается тем, что в предложенном биореакторе, включающем цилиндрическую емкость с крышкой, расположенное в ней устройство для перемешивания среды, состоящее из лопастного колеса, горизонтально укрепленного на вертикальном валу в верхней части емкости, и кольцевой перегородки, установленной в емкости с возможностью вращения, образующей со стенкой емкости зазор и снабженной поплавками, и механизм регулирования положения кольцевой перегородки по высоте относительно поверхности перемешиваемой среды, этот механизм содержит вертикально установленную по оси емкости штангу и размещенную на ней втулку, связанную при помощи стоек с кольцевой перегородкой для ее вращения на штанге.

Механизм регулирования положения кольцевой перегородки может быть снабжен фиксатором ее положения относительно штанги, содержащим дополнительную втулку, расположенную между штангой и втулкой кольцевой перегородки, ограничителями хода последней и по меньшей мере одним зажимным элементами, при этом штанга установлена с возможностью ее осевого перемещения.

Изобретение поясняется чертежом, на котором на фиг.1 схематично изображен продольный разрез биореактора; на фиг.2 - механизм регулирования положения кольцевой перегородкой с фиксатором ее положения; на фиг.3 - то же, что и на фиг.2 - вариант.

Биореактор включает цилиндрическую емкость 1, снабженную крышкой 2 с патрубком 3 подачи и отвода газа, патрубками 4 и 5 подачи исходного сырья и отвода готового продукта и теплообменной рубашкой 6 с патрубками 7 и 8 подачи и отвода теплоносителя. Внутри емкости размещено устройство для перемешивания среды, состоящее из лопастного колеса 9, горизонтально укрепленного на вертикальном валу 10 и расположенного в верхней части емкости, и кольцевой перегородки 11, установленной в емкости с возможностью вращения, образующей со стенкой емкости зазор и снабженной поплавками 12. Кольцевая перегородка снабжена механизмом регулирования ее положения по высоте относительно поверхности перемешиваемой среды, содержащим вертикально установленную по оси емкости штангу 13 и размещенную на ней втулку 14, связанную при помощи стоек 15 с кольцевой перегородкой для ее вращения на штанге. В соответствии с конструкцией биореактора, изображенной на фиг.1, используемой при проведении процесса культивирования микроорганизмов, нижний конец штанги прикреплен к торцевой стенке вертикально расположенного по оси емкости патрубка 4 подачи исходного сырья.

В соответствии с вариантом конструкции механизма регулирования положения кольцевой перегородки на фиг.2 он снабжен фиксатором ее положения относительно штанги, содержащим дополнительную втулку 16, расположенную между штангой 13 и втулкой 14 кольцевой перегородки, ограничителями 17 хода последней и по меньшей мере одним зажимным элементом 18 в кольцевом пазе 19 на штанге.

Согласно конструкции, преображенной на фиг.3, при проведении процесса с использованием вязкой среды штанга установлена с возможностью ее осевого перемещения.

Штанга снабжена штурвалом 20, расположенным снаружи емкости под патрубком 4 подачи сырья, выполненной на ее боковой поверхности резьбой 21 и гайкой 22, размещенной на участке с резьбой и неподвижно закрепленной в торце патрубка 4.

Поплавки 12 кольцевой перегородки представляют собой емкости, герметично закрытые (А) или открытые (Б) в нижней части (см. фиг.1).

Биореактор работает следующим образом.

Цилиндрическую емкость 1 с установленной кольцевой перегородкой 10 в стерильных условиях при культивировании микроорганизмов заполняют питательной средой через патрубок 4 так, чтобы над поверхностью среды в верхней части емкости оставалась полость для движения аэрирующего газа, а кольцевая перегородка 11 с поплавками 12 располагалась в питательной среде у ее поверхности, например так, как показано на фиг.1. Далее устанавливают для культивирования клеток требуемый температурный режим, вводят посевную дозу клеток и включают привод вращения лопастного колеса 9. В зависимости от требований технологии устанавливают необходимое число его оборотов, при вращении которого над поверхностью суспензии клеток создается разряжение в приосевой зоне емкости 1 и повышенное давление на периферии этой емкости. Под действием перепада давления между периферией и приосевой зоной газовой полости над поверхностью суспензии клеток создается закрученный поток газа, который образует в культуральной жидкости турбулентное вращательное движение с интенсивным перемешиванием вдоль оси емкости.

Кольцевая перегородка 11 вращается в ту же сторону и с той же угловой скоростью, что и культуральная жидкость и удерживается на штанге 13.

В процессе культивирования газ аэрирует клетки на поверхности жидкости. В результате такой аэрации в культурапьной жидкости не образуются пузырьки газа и пена и не происходит травмирование клеток.

Скорость движения газового вихря (3-6 м/с) не вызывает отрыв капель культуральной жидкости с ее поверхности, что также уменьшает травмирование клеток. Увеличение интенсивности движения восходящего и нисходящего потоков суспензии клеток позволяет осуществлять их культивирование без образования застойных зон при высоте заполнения емкости 1 средой, равной или в несколько раз (2-3 раза) большей диаметра этой емкости. При этом обеспечиваются нормальные условия культивирования микроорганизмов. Полученная биомасса отводится через патрубок 5.

При гидролизе крахмала для получения патоки перед началом процесса устанавливают перегородку 11 на штанге 13 с фиксацией ее зажимным элементом 18 в кольцевом пазу 19 (см. фиг.2).

Регулируют положение перегородки 11 путем осевого перемещения штанги 13 посредством вращения штурвала 20 (см. фиг.3). Заполняют емкость 1 крахмальным молоком через патрубок 4 так, чтобы над поверхностью жидкости в верхней части емкости оставалась полость для движения газа, а кольцевая перегородка 11 располагалась в жидкости на ее поверхности. Затем устанавливают для процесса гидролиза крахмала требуемый температурный режим при подаче теплоносителя через патрубок 7, вводят фермент альфа-амилазу через патрубок 4 и включают привод вращения колеса 9. В зависимости от требований технологии устанавливают необходимое число оборотов лопастного колеса. При вращении последнего над поверхностью крахмального молока создается разряжение в приосевой зоне емкости 1 и повышенное давление на периферии этой емкости. Под действием перепада давления между периферией и приосевой зоной газовой полости над поверхностью жидкости формируется закрученный поток газа, который создает в жидкости турбулентное вращательное движение с интенсивным перемешиванием вдоль оси емкости. При вращении кольцевой перегородки 11, которая раскручивается потоком жидкости и вращается вместе с ним в ту же сторону и с той же угловой скоростью и стабильно удерживается на штанге 13, снижается сопротивление движению потока вязкотекучей жидкости и повышается интенсивность движения восходящего и нисходящего потоков жидкости.

Гидролизат отводится через патрубок 5.

Конструкция биореактора позволяет эффективно перемешивать вязкие жидкости и ускорять проводимые в нем биохимические процессы.

Изобретение относится к аппаратам для проведения биохимических процессов и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Биореактор включает цилиндрическую емкость с крышкой, расположенное в ней устройство для перемешивания среды, состоящее из лопастного колеса, горизонтально укрепленного на вертикальном валу, в верхней части емкости, и кольцевой перегородки, установленной в емкости с возможностью вращения, образующей со стенкой емкости зазор и снабженной поплавками. Емкость снабжена механизмом регулирования положения кольцевой перегородки по высоте относительно поверхности перемешиваемой среды, содержащим вертикально установленную по оси емкости штангу и размещенную на ней втулку, связанную при помощи стоек с кольцевой перегородкой для ее вращения на штанге. Этот механизм может быть снабжен фиксатором положения кольцевой перегородки относительно штанги, содержащим дополнительную втулку, расположенную между штангой и втулкой кольцевой перегородки, ограничителями хода последней и по меньшей мере одним зажимным элементом, при этом штанга установлена с возможностью ее осевого перемещения. Изобретение обеспечивает эффективное перемешивание как жидких, так и вязких культуральных сред и ускоряет проведение биохимических процессов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Биореактор, включающий цилиндрическую емкость с крышкой, расположенное в ней устройство для перемешивания среды, состоящее из лопастного колеса, горизонтально укрепленного на вертикальном валу, в верхней части емкости, и кольцевой перегородки, установленной в емкости с возможностью вращения, образующей со стенкой емкости зазор, и снабженной поплавками, и механизм регулирования положения кольцевой перегородки по высоте относительно поверхности перемешиваемой среды, отличающийся тем, что указанный механизм содержит вертикально установленную по оси емкости штангу и размещенную на ней втулку, связанную при помощи стоек с кольцевой перегородкой для ее вращения на штанге.2. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что механизм регулирования положения кольцевой перегородки снабжен фиксатором ее положения относительно штанги, содержащим дополнительную втулку, расположенную между штангой и втулкой кольцевой перегородки, ограничителями хода последней и по меньшей мере одним зажимным элементом, при этом штанга установлена с возможностью ее осевого перемещения.