Биореактор для выращивания метанокисляющих микроорганизмов Российский патент 2024 года по МПК C12M1/02 

Изобретение относится к микробиологической промышленности, в частности к биореакторам (аппаратам) для выращивания микроорганизмов.

Известен биореактор с мембранным устройством подвода газового питания (патент РФ №2534886, С12М 1/04, опубл. 10.12.2014), содержащий цилиндрический корпус, съемную крышку, днище, газораспределительное устройство. Газораспределительное устройство имеет расположенную вдоль центральной оси корпуса несущую трубу подвода газа, а между несущей трубой подвода газа и корпусом вдоль радиальных линий - равномерно установленные вертикальные гребенчатые планки с пазами в одинаковом количестве. В пазах гребенчатых планок размещены газопроницаемые трубчатые мембраны с образованием винтообразных намоток с шагом, равным расстоянию между пазами гребенчатых планок. Изобретение позволяет повысить производительность биореактора в 1,5 раза при одновременном упрощении конструкции.

Однако известное устройство имеет низкие массообменные характеристики, так как отсутствует даже классический вариант мешалки. Все перемешивание осуществляется за счет мелкопузырчатой аэрации и данный биореактор относится к аппаратам барботажного типа. Кроме того, газораспределительное устройство выполнено в виде перфорированной винтовой поверхности, в отверстия которого пропущены трубчатые мембраны. Такое техническое решение достаточно металлоемко, сложно в изготовлении и занимает рабочее пространство аппарата.

Известен аэратор и ферментер с аэрирующим и перемешивающим устройством (патент РФ №2081578, С12М 1/04, опубл. 10.12.2014), содержащий заглубленный в жидкостную среду насос с выходным эжектором, вход которого сообщен с воздушной средой, насос установленный в стакане, размещенном перпендикулярно поверхности жидкостной среды, а выход эжектора расположен наклонно к вертикали. Стакан снабжен направляющими и газораспределительными средствами. Аэрирующее и перемешивающее устройство представляет собой размещенный в жидкостной фазе ферментера насос с эжектором, вход которого сообщен с воздушной средой. Вход эжектора сообщен с газовой средой ферментера. Выход эжектора размещен наклонно к вертикали. Насос размещен в стакане и установлен во внешнем контуре циркуляции жидкостной среды. Эжектор снабжен заборником воздушной среды с перфорированным раструбом.

Основным недостатком данного устройства является наличие насоса, способствующее усложнению конструкции, которую сложно и дорого обслуживать, также требуется высококачественное изготовление уплотнений насоса, в противном случае может произойти короткое замыкание. Кроме того, конструкция аэратора занимает большой объем непосредственно рабочей зоны ферментера.

Известен аэратор к ферментеру (а.с. №1558976, С12М 1/04, опубл. 23.04.1990), включающий размещенный в его корпусе центральный подводящий трубопровод и коллектор с газораспределительными трубками, имеющими отверстия для истечения воздуха, расположенные на боковых поверхностях. С целью повышения массообменных характеристик за счет обеспечения круговой циркуляции жидкости путем воздействия на нее направленных воздушных струй он снабжен дополнительными коллекторами, имеющими отверстия, расположенные аналогично отверстиям газораспределительных трубок. Каждый дополнительный коллектор несет, по меньшей мере, одну газораспределительную трубку, установленную радиально в корпусе ферментера. Отверстия в коллекторах и газораспределительных трубках расположены с пропорционально уменьшающимся между ними шагом от центра корпуса ферментера к его периферии.

Недостатком указанного устройства является невысокая степень диспергирования пузырьков воздуха из-за недостаточной перфорации конструкции изделия, что является негативным фактором при интенсификации массообменных характеристик и, как следствие, обусловливает низкую насыщенность растворенным кислородом культуральной жидкости. Следует также отметить равномерное распределение отверстий на трубках, что приводит к слипанию пузырьков и, как следствие, уменьшению площади для переноса кислорода из воздушной фазы в жидкую. Кроме того, в данном аппарате отсутствует перемешивающее устройство, что заведомо не позволяет достичь нормальных показателей массообменных характеристик и повысить коэффициент массопередачи более 800 ч^-1.

Наиболее близким к предлагаемому устройству (прототипом) является аэратор (патент RU №2299180, C02F 3/16, опубл. 20.05.2007), состоящий из привода с валом, механизма рассеивания, в корпусе которого установлены кольцо, снабженное сквозными отверстиями и импеллер, узлы подачи воды и воздуха. Импеллер выполнен в виде закрепленных на основании туннельных направляющих с лопатками на их концах, посредством которых атмосферный воздух контактирует с водой. Реализация известного решения обеспечивает упрощение конструкции аэратора, повышение интенсивности аэрирования рабочей среды.

Недостатком данного аэратора является наличие всего одного импеллера, находящегося в нижней части аппарата, который представляет из себя лопастной импеллер диаметром 0,4 от диаметра аппарата. Пузырьки выходящего воздуха будут достаточно велики, так как они будут соответствовать размерам специальных окон, что отрицательно сказывается на насыщении растворенным кислородом жидкости и не позволяет повысить коэффициент массопередачи более 900 ч^-1.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка эффективного устройства с высокими массобменными характеристиками.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение производительности биореактора, а также возможность реализации технологии культивирования микроорганизмов в промышленных масштабах за счет конструктивного исполнения трубчатых мембран и импеллеров, количество которых может варьироваться в зависимости от рабочего объема биореактора.

Указанный технический результат достигается за счет того, что биореактор для выращивания метанокисляющих микроорганизмов, снабженный штуцером для удаления отходящих газов, штуцерами для подачи минеральной среды, посевного материала, титрантов, пеногасителя, штуцером для отбора культуральной жидкости, снабженным пропорциональным клапаном, содержит цилиндрический корпус, заключенный в терморубашку, оснащенный съемной крышкой, в осевом отверстии которой размещено двойное торцевое уплотнение, в котором во внутренней полости корпуса вдоль центральной его оси установлен вал электропривода с закрепленными на нем от 3 до 6 импеллеров с диаметром 0,6 внутреннего диаметра корпуса. При этом каждый из импеллеров состоит из лопастей, каждая из которых выполнена в виде половины трубы, разрезанной вдоль ее оси, жестко закрепленных на посадочной втулке под углом 30 градусов к ее оси. Содержит установленный в нижней части корпуса аэратор, состоящий из трубчатых металлических мембран с пиком распределения пор 0,1-1 мкм, жестко закрепленных на трубопроводе подвода метановоздушной смеси, подключенном к внутренне полости корпуса.

Использование в предлагаемом биореакторе различного количества импеллеров (в зависимости от объема биореактора), размещенных внутри корпуса на разных уровнях вдоль центральной оси корпуса, исключает наличие застойных зон по всему объему и обеспечивает высокие массообменные характеристики биореактора, в т.ч. биореактора общим объемом свыше 100 л. Применение металлических трубчатых мембран с пиком распределения пор 0,1-1 мкм позволяет исключить обрастание мембран, а также дополнительно проводить обеззараживание метановодушной смеси для исключения контаминации мембран культивируемым сообществом микроорганизмов, что позволяет эффективно насыщать метановоздушной смесью культуральную жидкость.

На фиг. 1 схематично показан биореактор в продольном сечении.

На фиг. 2 - общий вид импеллера.

Биореактор содержит корпус 1 цилиндрической формы, предназначенный для работы под избыточным давлением 0,6-0,9 МПа, заключенный в терморубашку 2, обеспечивающую термостатирование корпуса 1 посредством потока теплоносителя, входящего в рубашку 2 через штуцер 3 и отходящего через штуцер 4. Корпус 1 в верхней части оснащен съемной крышкой 5, снабженной торцевым уплотнением 6, размещенным в осевом отверстии крышки 5, через которое проходит вал электропривода 7 с закрепленными на нем на разных уровнях вдоль центральной оси корпуса 1 импеллерами 8, диаметр которых составляет 0,6 внутреннего диаметра корпуса 1. Каждый из импеллеров 8 состоит из шести лопастей 9, жестко закрепленных (например, приваренных) на посадочной втулке 10 под углом 30 градусов к ее оси, посредством которой импеллер 8 крепится на вал привода 7. Каждая из лопастей 9 выполнена в виде половины трубы, диаметр которой составляет четыре диаметра вала привода 7. Количество импеллеров, размещенных на разных уровнях, варьируется от 3 до 6, что позволяет реализовать конструкцию биореактора объемом более 100 л. Крышка 5 также снабжена штуцером 11 для удаления отходящих газов. В верхней части корпуса 1 установлен штуцер 12 для подачи минеральной среды, проходящий через рубашку 2. Внутри корпуса 1, в нижней его части, установлен аэратор 13, диаметр которого равен диаметру импеллера 8, состоящий из металлических мембран с размером пор 0,1-1 мкм, выполненных в виде трубок, расположенных в плоскости, перпендикулярной центральной оси корпуса 1, жестко закрепленных (например, приваренных) на трубопроводе 14 подвода метановоздушной смеси (например, марки ЭПHС.П - PSF). Также в нижней части корпуса 1 расположен штуцер 15 отбора отработанной культуральной жидкости, снабженный пропорциональным клапаном 16 (например, двухходовой Burkert тип 2875 с диапазоном регулирования 1:200), обеспечивающим контролируемый отбор культуральной жидкости при проведении ферментации в проточном режиме культивирования. Корпус 1 снабжен штуцерами подачи посевного материала, титрантов, пеногасителя (на фигурах не показаны) и оснащен датчиками температуры, рН и растворенного кислорода.

Биореактор работает следующим образом.

После включения осуществляется термостатирование корпуса 1 (рабочей зоны биореактора) через терморубашку 2, за счет подведения теплоносителя в рубашку 2 через штуцер 3 и отвод через штуцер 4. Параллельно процессу термостатирования начинается перемешивание культуральной жидкости, находящейся в корпусе 1 с закрытой крышкой 5. Рабочий объем составляет 0,7-0,8 от общего геометрического объема биореактора. Перемешивание осуществляется посредством импеллеров 8. Конструктивное исполнение импеллеров 8 обеспечивает направление потока перемешивающейся культуральной жидкости к днищу корпуса 1, тем самым увеличивая время пребывания микропузырьков в культуральной жидкости и обусловливая развитое турбулентное движение по всему объему биореактора (что приближает его к аппарату идеального смешения), сокращает время распределения поступающего титранта и минеральной среды и таким образом позволяет избежать лимитирования растворенным кислородом клеток продуцента. По трубопроводу 14 подается метановоздушная смесь в мембранный аэратор 15, через который она попадает в рабочую зону биореактора. Благодаря использованию трубчатых мембран с пиком распределения пор 0,1-1 мк удается создать микропузырьки диаметром от 0,1 до 1 мкм, что позволяет увеличить площадь передачи воздуха из газовой фазы в жидкую и увеличить время пребывания пузырька в жидкой фазе, благодаря тому, что он медленнее всплывает. Оба эти фактора положительно сказываются на концентрации растворенного кислорода, как основном лимитирующем факторе ферментации. Далее отработанная метановоздушная смесь удаляется через штуцер 11. Начинается процесс ферментации путем подачи минеральных солей через штуцер 12 и отбор отработанной культуральной жидкости через трубопровод 15, оснащенный пропорциональным клапаном 16, обеспечивающим контролируемый отбор культуральной жидкости при проведении ферментации в проточном режиме культивирования.

Экспериментально полученные данные при отработке процесса культивирования метанокисляющих микроорганизмов в предлагаемом биореаторе подтверждают, что реализация предлагаемого изобретения обеспечивает хорошую насыщенность всей рабочей зоны биореактора газовым субстратом, что позволяет повысить коэффициент массопередачи (Kla) с 950 ч^-1 до 1500 ч^-1 и обеспечивает повышение производительности процесса ферментации в предлагаемом биореакторе в 1,5-2 раза.

Изобретение относится к микробиологической промышленности, в частности к аппаратам для выращивания метанокисляющих микроорганизмов. Биореактор снабжен штуцером для удаления отходящих газов, штуцерами для подачи минеральной среды, посевного материала, титрантов, пеногасителя, штуцером для отбора культуральной жидкости, снабженным пропорциональным клапаном. Биореактор содержит цилиндрический корпус, заключенный в терморубашку, оснащенный съемной крышкой, в осевом отверстии которой размещено двойное торцевое уплотнение, в котором во внутренней полости корпуса вдоль центральной его оси установлен вал электропривода с закрепленными на нем от 3 до 6 импеллеров с диаметром 0,6 внутреннего диаметра корпуса. Каждый из импеллеров состоит из лопастей, каждая из которых выполнена в виде половины трубы, разрезанной вдоль ее оси, жестко закрепленных на посадочной втулке под углом 30 градусов к ее оси. Установленный в нижней части корпуса аэратор, состоящий из трубчатых металлических мембран с пиком распределения пор 0,1-1 мкм, жестко закрепленных на трубопроводе подвода метановоздушной смеси, подключенном к внутренней полости корпуса. Изобретение обеспечивает повышение производительности биореактора, а также возможность реализации технологии культивирования микроорганизмов в промышленных масштабах за счет конструктивного исполнения трубчатых мембран и импеллеров. 2 ил.

Биореактор для выращивания метанокисляющих микроорганизмов, снабженный штуцером для удаления отходящих газов, штуцерами для подачи минеральной среды, посевного материала, титрантов, пеногасителя, штуцером для отбора культуральной жидкости, снабженным пропорциональным клапаном, содержащий цилиндрический корпус, заключенный в терморубашку, оснащенный съемной крышкой, в осевом отверстии которой размещено двойное торцевое уплотнение, в котором во внутренней полости корпуса вдоль центральной его оси установлен вал электропривода с закрепленными на нем от 3 до 6 импеллеров с диаметром 0,6 внутреннего диаметра корпуса, при этом каждый из импеллеров состоит из лопастей, каждая из которых выполнена в виде половины трубы, разрезанной вдоль ее оси, жестко закрепленных на посадочной втулке под углом 30 градусов к ее оси, установленный в нижней части корпуса аэратор, состоящий из трубчатых металлических мембран с пиком распределения пор 0,1-1 мкм, жестко закрепленных на трубопроводе подвода метановоздушной смеси, подключенном к внутренней полости корпуса.