БИОРЕАКТОР ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ АВТОТРОФНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ Российский патент 2025 года по МПК C12M1/00 C12M1/04 C12M1/06 

Изобретение относится к пленочным аппаратам для культивирования автотрофных микроскопических организмов и может бать использовано в микробиологической, комбикормовой, фармацевтической, химической и других отраслях промышленности.

Известен аппарат для культивирования автотрофных микроорганизмов [Пат. №2586534 РФ, МПК С12М 1/00, C12N 1/00, С12М 1/36 / Шевцов А.А., Дранников А.В., Шабунина Е.А.; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. универ. инженерных технол. -№2014153346/13; заявл. 29.12.2014; опубл. 10.06.2016, Бюл. №16], содержащий цилиндрический корпус, разделенный горизонтальными перегородками на секции ввода, освещения с внутренней зеркальной поверхностью и вывода культуральной жидкости; прозрачные цилиндрические трубки, пропущенные вертикально через секции аппарата, каждая из которых снабжена винтовой спиралью из проволоки, закрепленной на ее внутренней поверхности; патрубки для ввода и вывода охлаждающего воздуха, пленкообразующее устройство; прозрачную рециркуляционную трубу, расположенную вертикально по оси симметрии аппарата в секции освещения; коаксиально установленную лампу накаливания для освещения вертикальных трубок и центральной рециркуляционной трубы; барботажное устройство с патрубком подачи смеси углекислого газа с воздухом; вал, расположенный внутри рециркуляционной трубы с закрепленным на нем роторным нагнетателем.

Однако данный аппарат имеет следующие недостатки:

- большой расход газовоздушной смеси, так как в конструкции не предусмотрен механический привод для роторного нагнетателя, и вращение осуществляется напором газовоздушной смеси;

- образование «застойных» зон в нижней части аппарата;

- большой расход электроэнергии, за счет того, что вращение роторного нагнетателя создается напором газовоздушной смеси с помощью вентилятора;

- неравномерное перемешивание суспензии в секции вывода, так как отсутствуют рамные мешалки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является биореактор (Пат. 2650804 РФ, С12М 1/02, С12М 1/06, С12М 1/14, С12М 1/38. Аппарат для культивирования автотрофных микроорганизмов / Дранников А.В., Шевцов А.А., Коптев Д.В., Тертычная Т.Н., Мажулина И.В., Мишинев К.В.; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос.универ. инженерных технол. - № 2017108749, 16.03.2017; заявл. 16.03.2017; опубл. 17.04.2018, Бюл. №11), содержащий цилиндрический корпус, разделенный горизонтальными перегородками на секции ввода, освещения с внутренней зеркальной поверхностью и вывода культуральной жидкости; патрубки для ввода и вывода охлаждающего воздуха в секции освещения; прозрачные цилиндрические трубки, установленные в горизонтальных перегородках и содержащие пленкообразующие устройства и винтовые спирали из проволоки на внутренней поверхности; прозрачную рециркуляционную трубу, расположенную вертикально по оси симметрии аппарата; коаксиально установленную лампу накаливания в секции освещения; вал с закрепленным на нем нагнетателем, расположенным в рециркуляционной трубе; рамные мешалки, совершающие планетарное вращение на лопастях, жестко связанных с валом в зоне секции вывода культуральной жидкости; импеллерную мешалку, закрепленную к валу в нижней части корпуса; барботажное устройство, выполненное в виде кольцевого коллектора по всему сечению аппарата.

Очевиден положительный эффект от применения известного изобретения, который заключается в том, что винтовая спираль обеспечивает вращательно-поступательное движение жидкости и за счет наличия центробежной силы, вызванной вращательным движением пленки жидкости по спирали, позволяет удержать большое количество жидкости на внутренней поверхности трубок.

Известно, что механизм возникновения пузырьков газа в пленке обусловлен отрывом пограничного слоя при сбегании жидкости с выступов спирали, ведущим к образованию циркуляционных вихрей во впадине и понижению статического давления внутри потока в сравнении с давлением на его поверхности [Современные тенденции совершенствования конструкций пленочных аппаратов для фотоавтотрофного биосинтеза светозависимых микроорганизмов / А.А. Шевцов, А.В. Дранников, А.В. Пономарев, Е.А. Шабунина // Вестник ВГУИТ. - 2016. - №3. - С. 68 - 76.].

Однако нельзя исключать и то, что давление над поверхностью пленки, создаваемой центробежной силой от вращательного движения пленки по спирали может быть меньше статического давления внутри потока, что может привести к срыву пленки с внутренней поверхности трубок. Образование пузырьков газа и их схлопывание при взаимодействии с пленкой культуральной жидкостью внутри выступов винтовой спирали приведет к увеличению статического давления в пленке и ее срыву с поверхности трубок. Этот негативный эффект может сопровождаться изменением концентрации биомассы в жидкости по высоте прозрачных трубок. При этом нарушается равномерное обогащение пленки жидкости смесью воздуха с углекислым газом, что приводит к снижению интенсивности массообмена и уменьшению прироста биомассы при автотрофном биосинтезе.

Возникает необходимость в увеличении давления пленки жидкости к стенкам прозрачных трубок от воздействия центробежной силы.

Техническая задача заключается в повышении выхода готовой биомассы.

Технический результат в решении поставленной задачи заключается в увеличении давления пленки жидкости к стенкам прозрачных трубок от воздействия центробежной силы, что позволит обеспечить надежный контакт газа с жидкостью и предотвратить срыв пленки жидкости в условиях изменяющейся концентрации биомассы по высоте прозрачных трубок.

Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в биореакторе для культивирования автотрофных микроорганизмов, содержащем цилиндрический корпус, разделенный горизонтальными перегородками на секции ввода, освещения с внутренней зеркальной поверхностью и вывода культуральной жидкости; прозрачные трубки, установленные между горизонтальными перегородками; пленкообразующие устройства; винтовые спирали из проволоки на внутренней поверхности прозрачных трубок; прозрачную рециркуляционную трубу, расположенную в секции освещения по оси симметрии биореактора; патрубки для ввода и вывода охлаждающего воздуха; коаксиально установленную лампу накаливания; барботажное устройство с патрубком подачи смеси углекислого газа с воздухом; вал, расположенный внутри рециркуляционной трубы с закрепленным на нем роторным нагнетателем; рамные мешалки, совершающие планетарное вращение относительно вала; импеллерную мешалку, закрепленную к валу в нижней части корпуса, новым является то, что прозрачная рециркуляционная труба установлена с возможностью вращения; в горизонтальных перегородках выполнены углубления цилиндрической формы, в которых установлены прозрачные трубки с возможностью вращения относительно оси симметрии; в секции освещения коаксиально установлены две лампы накаливания; а на прозрачные трубки и на прозрачную рециркуляционную трубу между лампами накаливания установлены пластиковые зубчатые шестеренки, кинематические пары которых при зацеплении образуют цилиндрические зубчатые передачи крутящего момента от прозрачной рециркуляционной трубы к прозрачным трубкам; при этом в прозрачной рециркуляционной трубе вырезаны окна для перетока культуральной жидкости из прозрачной рециркуляционной трубы в секцию ввода.

На фигуре представлено конструктивное оформление биореактора для культивирования автотрофных микроорганизмов.

Биореактор для культивирования автотрофных микроорганизмов состоит из корпуса 1 с крышкой 2, разделен горизонтальными перегородками 3 и 4 на секции ввода культуральной жидкости 5, секцию 6 с внутренней зеркальной поверхностью для освещения суспензии автотрофных микроорганизмов, и вывода культуральной жидкости 7.

В горизонтальных перегородках выполнены углубления цилиндрической формы 8, в которых установлены прозрачные цилиндрические трубки 9 с пленкообразующими устройствами 10 и возможностью вращения относительно оси симметрии. По длине прозрачных цилиндрических трубок на их внутренней поверхности нанесена винтовая спираль из проволоки 11. Прозрачная рециркуляционная труба 12 выведена из биореактора и установлена в подшипнике 13, расположенном в крышке 2, с возможностью вращения во втулках скольжения 14, установленных в горизонтальных перегородках 3, 4.

В секции 6 с внутренней зеркальной поверхностью установлены две лампы накаливания 15 и 16 для освещения прозрачных цилиндрических трубок 9 и прозрачной рециркуляционной трубы 12.

На прозрачные трубки и на прозрачную рециркуляционную трубу установлены пластиковые зубчатые шестеренки 17, размещенные между лампами накаливания, кинематические пары которых при зацеплении зубчатых шестеренок образуют цилиндрические зубчатые передачи крутящего момента от прозрачной рециркуляционной трубы 12 к прозрачным цилиндрическим трубкам 9.

В секции вывода культуральной жидкости 7 размещено барботажное устройство 18, выполненное в виде кольцевого коллектора по всему сечению аппарата, с патрубком 19 подачи смеси углекислого газа и воздуха. Внутри рециркуляционной трубы 12 по всей высоте аппарата установлен вал 20 в опорном подшипнике 22, воспринимающем осевую нагрузку, и подшипнике 23, расположенном вверху рециркуляционной трубы 12.

На валу 20 в зоне вывода культуральной жидкости 7 закреплен роторный нагнетатель 24, направляющий культуральную жидкость из секции вывода культуральной жидкости через окна 25 рециркуляционной трубы 12 в секцию ее ввода 5; а также рамные мешалки 26, совершающие планетарное вращение относительно вала 20 за счет внутреннего зацепления 27, с импеллерной мешалкой 28.

На корпусе аппарата 1 размещены штуцера для ввода культуральной жидкости (суспензии автотрофного организма) 29 и вывода культуральной жидкости (готовой биомассы) 30 штуцера для ввода и вывода охлаждающего воздуха 31 и 32, штуцер для вывода отработанной смеси углекислого газа с воздухом 33.

Прозрачная рециркуляционная труба 12 и вал 20, расположенный внутри рециркуляционной трубы, вращаются от одного привода с помощью цилиндрических зубчатых передач 34 и 35.

Биореактор для культивирования автотрофных микроорганизмов работает следующим образом.

Суспензия автотрофного микроорганизма поступает через штуцер 29 в камеру для ввода культуральной жидкости 5, проходит через кольцевой зазор пленкообразующих устройств 10 и в виде жидкостной пленки стекает по внутренней поверхности прозрачных цилиндрических трубок 9. Обтекая витки винтовых спиралей 11, выполненных в виде канавки полукруглого сечения на внутренней стороне прозрачных цилиндрических трубок 9, жидкостная пленка в противотоке со смесью углекислого газа и воздуха, интенсивно взаимодействуют.

От вращения прозрачной рециркуляционной трубы 12 крутящий момент передается прозрачным трубкам посредством зубчатых цилиндрических передач 17, что создает условия для увеличения центробежной силы. Увеличение давления пленки культуральной жидкости к стенкам прозрачных трубок от воздействия центробежной силы позволит обеспечить надежный контакт газа с жидкостью и предотвратить срыв пленки жидкости в условиях изменяющейся концентрации биомассы по высоте прозрачных трубок.

На валу 20 в зоне вывода жидкости 7 на валу закреплен роторный нагнетатель 24, направляющий культуральную жидкость из секции вывода культуральной жидкости 7 через окна 25 рециркуляционной трубы 12 в секцию ее ввода 5.

При этом подача смеси углекислого газа с воздухом в биореактор осуществляется через патрубок 19 барботажного устройства 18, которое обеспечивает дополнительное насыщение жидкости углекислым газом в секции 7 и равномерное распределение потока газовоздушной смеси в прозрачных цилиндрических трубках 9.

В процессе освещения лампами накаливания 15 и 16 в секции 6 выделяется теплота, которая компенсируется подачей охлаждающего воздуха через штуцер 31 и его отводом через штуцер 32.

На выходе из цилиндрических трубок 9 насыщенная углекислым газом суспензия автотрофного микроорганизма поступает в секцию для вывода культуральной жидкости 7, где дополнительно насыщается газовоздушной смесью с помощью барботажного устройства 18 и в качестве готовой биомассы выводится через штуцер 30.

Синхронизированное вращение прозрачной рециркуляционной трубы, вала с роторным нагнетателем и прозрачных трубок позволит обеспечить интенсификацию массообмена между культуральной жидкостью и газовоздушной смесью за счет увеличения давления пленки культуральной жидкости к стенкам прозрачных трубок от воздействия центробежной силы при их вращении.

Таким образом, предлагаемый биореактор для культивирования автотрофных микроорганизмов позволяет увеличить выход готовой биомассы за счет увеличения давления пленки жидкости к стенкам прозрачных трубок от воздействия центробежной силы, что обеспечивает надежный контакт газа с жидкостью и предотвращает срыв пленки жидкости в условиях изменяющейся концентрации биомассы по высоте прозрачных трубок.

Изобретение относится к пленочным аппаратам для культивирования автотрофных микроскопических организмов и может бать использовано в микробиологической, комбикормовой, фармацевтической, химической и других отраслях промышленности. Биореактор содержит цилиндрический корпус, разделенный горизонтальными перегородками на секции ввода, освещения с внутренней зеркальной поверхностью и вывода культуральной жидкости; пленкообразующие устройства; прозрачную рециркуляционную трубу, расположенную в секции освещения; патрубки для ввода и вывода охлаждающего воздуха; барботажное устройство; вал, расположенный внутри рециркуляционной трубы с закрепленным на нем роторным нагнетателем; рамные мешалки и импеллерную мешалку. Прозрачная рециркуляционная труба установлена с возможностью вращения. В горизонтальных перегородках выполнены углубления цилиндрической формы, в которых установлены прозрачные трубки с возможностью вращения относительно оси симметрии. В секции освещения коаксиально установлены две лампы накаливания. На прозрачные трубки и на прозрачную рециркуляционную трубу между лампами накаливания установлены пластиковые зубчатые шестеренки, кинематические пары которых при зацеплении образуют цилиндрические зубчатые передачи крутящего момента от прозрачной рециркуляционной трубы к прозрачным трубкам. В прозрачной рециркуляционной трубе вырезаны окна для перетока культуральной жидкости из прозрачной рециркуляционной трубы в секцию ввода. Биореактор позволяет повысить выход готовой биомассы за счет увеличения давления пленки жидкости к стенкам прозрачных трубок от воздействия центробежной силы, что обеспечивает надежный контакт газа с жидкостью и предотвращает срыв пленки жидкости в условиях изменяющейся концентрации биомассы по высоте прозрачных трубок. 1 ил.

Биореактор для культивирования автотрофных микроорганизмов, содержащий цилиндрический корпус, разделенный горизонтальными перегородками на секции ввода, освещения с внутренней зеркальной поверхностью и вывода культуральной жидкости; прозрачные трубки, установленные между горизонтальными перегородками; пленкообразующие устройства; винтовые спирали из проволоки на внутренней поверхности прозрачных трубок; прозрачную рециркуляционную трубу, расположенную в секции освещения по оси симметрии биореактора; патрубки для ввода и вывода охлаждающего воздуха; коаксиально установленную лампу накаливания; барботажное устройство с патрубком подачи смеси углекислого газа с воздухом; вал, расположенный внутри рециркуляционной трубы с закрепленным на нем роторным нагнетателем; рамные мешалки, совершающие планетарное вращение относительно вала, и импеллерную мешалку, закрепленную к валу в нижней части корпуса, отличающийся тем, что прозрачная рециркуляционная труба установлена с возможностью вращения; в горизонтальных перегородках выполнены углубления цилиндрической формы, в которых установлены прозрачные трубки с возможностью вращения относительно оси симметрии; в секции освещения коаксиально установлены две лампы накаливания; а на прозрачные трубки и на прозрачную рециркуляционную трубу между лампами накаливания установлены пластиковые зубчатые шестеренки, кинематические пары которых при зацеплении образуют цилиндрические зубчатые передачи крутящего момента от прозрачной рециркуляционной трубы к прозрачным трубкам; при этом в прозрачной рециркуляционной трубе вырезаны окна для перетока культуральной жидкости из прозрачной рециркуляционной трубы в секцию ввода.