Установка для твердофазной ферментации Советский патент 1986 года по МПК C12M1/00 

Изобретение относится к устройствам для микробиологической переработки нерастворимого растительного сырья с целью получения таких продуктов, как белок, ферменты, органические кислоты и других продуктов и может быть использовано в микробиологической, медицинской, химической промышленности и сельском хозяйстве.

Известна установка для твердофазной ферментации, содержащая биореактор с крышкой и теплообменной рубашкой, устройство для загрузки растительного сырья и выгрузки продукта, инокулятор, источники сжатого воздуха и пара и логический блок управления l .

Недостатком известной установки является то, что невозможно осуществить полную загрузку биореактора из- за размещения внутри его диффузора- теплообменника и шнека с ворощителя- ми, следствием чего является низкий выход получаемого продукта, а использование в биореакторе механического перемешивающего устройства значительно повьппает металлоемкость биореактора, требует дополнительных энергозатрат.

Цель изобретения.- повышение производительности установки. I

Указанная цель достигается тем, что в установке для твердофазной фер- меитации, содержащей биореактор с крышкой и теплообменной рубашкой, устройство для загрузки растительного сырья и выгрузки готового продукта, инокулятор, источники сжатогого воздуха и пара и логический блок управления, отличительной особенностью является то, что установка снабжена установленными вертикально в биореакторе иа разной высоте питателями для ввода пара, питательной среды, иноку- ля та и воздуха и выполненными в виде труб с заостренными наконечниками, имеющими радиальные отверстия, распределителем газожидкостных потоков, и буферной емкостью для жидкой питательной среды с регулятором уровня, при этом распределитель газожидкост- ных потоков соединен через обратный клапан с регулятором уровня жидкости и через управляющие клапаны - с питателями и с нижней полостью инокуля- тора, верхняя полость которого посредством трубопровода связана с верхней частью буферной емкости, а через

бактериальный фильтр и соответствующие регулирующие клапаны - с источником сжатого воздуха, с атмосферой и источником пара, причем последний подключен посредством насоса и клапана к нижним полостям биореактора и буферной емкости, а устройство для загрузки растительного сырья и ЕЫГ- рузки готового продукта выполнено в виде сетчатого контейнера, размещенного внутри биореактора.

На чертеже схематично показана установка для твердофазной ферментации .

Установка содержит биореактор 1 с крьшкой 2 и теплообменной рубаш- кой 3, сетчатый контейнер 4 для загрузки растительного сырья и выгрузки готового продукта, инокулятор 5 с теплообменной рубашкой 6 и мешалкой 7, штуцером 8 с заглушкой 9 для ввода в инокулятор посевного материала, фильтр 10 воздуха и управляемые клапаны 11 и 12 для ввода и вывода аэрирующего воздуха в инокулятор и из него, источник 13 сжатого воздуха с задатчиком 14 давления, бактериальным фильтром 15 воздуха, клапанами 16 - 18, соединяющими установку с источником 13 сжатого воз- духа, атмосферой и источником 19 пара (парогенератором), имеющим ловушку 20 пара, а также логический блок 21 управления, буферную емкость 22 с крышкой 23, содержащей регулятор 24 уровня питательной среды, обратный клапан 25 и распределитель 26 газожидкостных потоков с управляемым клапаном 27, установленным в трубопроводе, соединяющем инокулятор с распределителем газожидкостных потоков и клапанами 28, соединяющими этот распределитель с питателями 29, закрепленными в крышке биореактора и имеющими заостренные наконечники 30 для облегчения их ввода в растительный субстрат с ра- диально расположенными в них отверстиями 31 для протока пара, конденсата инокулята, воздуха, экстракта или эксудата в биореактор, а также клапан 32, насос 33 и клапан 34, соединяющие биореактор 1 с буферной емкостью 22 и парогенератором 19.

Установка работает следующим образом.

Контейнер 4 полностью загружают растительным сырьем и устанавливают

в биореакторе 1, При закрывании последнего крышкой 2 питатели 29 вводят в субстрат. Затем биореактор 1 герметизируют, в парогенератор 19 заливают дистиллированную воду, а на ло- гическом блоке 21 управления установкой включают режим Стерилизация . При включении этого режима клапаны 18, П и 27 открываются, клапаны 16, 12, 34 и 17 закрываются, кла- паны 28 и 32 начинают работать в противофазе, поочередно открываясь и закрываясь по заданной программе. Включается насос 33 и нагреватель парогенератора 19 (не показан). При нагреве дистиллированная вода, находящаяся в парогенераторе 19, закипает и пар через клапан 18, бактериальный фильтр 15, клапан 11, инокулятор 5, клапан 27, распреде- литель 26 газожидкостных потоков и питатели 29 поступает в биореакто1 1. Одновременно пар поступает в буферную емкость 22, из которой частично через регулятор 24 уровня жидкости, обратный клапан 25, распределитель 26 газожидкостных потоков и питатели 29 поступает в биоректор 1 через клапан 32 и вместе с образующимся в биореакторе 1 конденсатом с помощью на- coca 33 откачивается обратно в парогенератор 19. Воздух из установки выбрасывается в атмосферу через ловушку 20 пара.

По истечении заданного времени стерилизации установки отключается нагрев парогенератора 19, клапаны 18, 28 и 11 закрываются, насос 33 отключается и открывается клапан 34, через который образованный при стерилиза- ции растительного сырья зкстракт вытесняется из парогенератора 19 в биореактор 1 , а через клапан 32 - в буферную емкость 22 и далее через регулятор 24 уровня жидкости, обратный клапан 25, распределитель 26 газожидкостных потоков и клапан 27 поступает в инокулятор 5. После полного или частичного (в зависимости от поставленной задачи) вытеснения экстрак- та из парогенератора 19 в биореактор 1, буферную емкость 22 и инокулятор 5, клапаны 34 и 27 закрываются, а клапаны 11 и 17 открываются и давление в установке вьфавнивают с атмос- ферным.

Охлаждение установки осуществляют подачей хладоносителя в теплообмен- .

ную рубашку 3 биореактора I и тепло- обменную рубатку 6 инокулятора 5. Засев инокулятора 5 микроорганизмами проводят через штуцер 8, для чего, не нарушая асептических условий в биореакторе, с него снимают заглушку 9 и подсоединяют сосуд с посевным материалом. Не исключается при этом в случае необходимости, внесение в инокулятор 5 и дополнительных веществ. Дпя инкубироваиия посевного материала на логическом блоке 21 управления включают программу Иноку- лят. Эта программа обеспечивает в инокуляторе 5 необходимые для роста биологического объекта условия перемешивания, термостатировакия и аэрации.

Перемешивание культуральной суспензии в инокуляторе проводят посредством вращающейся мешалки 7, термо- статирование - прокачкой через тепло обменную рубашку 6 теплоносителя, а аэрацию осуществляют в импульсном режиме по заданной программе, ппя чего на задатчике 14 давления устанавливают выбранное давление воздуха а на логическом блоке 21 управления - время циклов на срабатывание клапанов 16 и 17, При этом сжатый воздух через клапан 16, бактериаль- ньй фильтр 15 и клапан II поступает в инокулятор 5 и нагнетает в нем давление заданной величины. Затем клапан 16 закрывается и открывается клапан 17 и часть воздуха из инокулятора 5 через клапан 11, бактериальный фильтр 15, клапан 17 и эадат- чик 14 давления выбрасывается в атмосферу, сохраняя в инокуляроте 5 достаточное давление воздуха, заданное задатчиком 14 давления. Далее циклы подачи аэрирующего воздуха в инокулятор повторяются. При достижении в инокуляторе 5 выбранной концентрации биомассы полученным иноку- лятом засевают биореактор I, для чего на логическом блоке 2I управления включают программу Биоконверсия,

Дпя реализации этой программы используют клапаны П, 12, 27, 28 и 32, запрограммированное обрабатывание которых обеспечивает дробный засев инокулятом биореактора 1, рас- пределеиие этого инокулята по всему объему растительного субстрата, находящегося в биореакторе 1, вытеснение жидкой среды из биореактора 1 и сбор ее в буферной емкости 22, увлажнение этой средой растительного субстрата и восполнение объема инокулятора 5 жидкой питательной средой из буферной емкости 22, При засеве биореактора 1 ино- кулятором и равномерном распределении его по всему объему растительного субстрата синхронно с каждым из клапанов 28 открываются клапаны 27, 16 и в противофазе с ними клапан 32. Воздух для аэрации от источника 13 сжатого воздуха подается через клапан 16, бактериальный фильтр 15 и клапан 11 в инокулятор 5, выдавливая из него инокулят через клапан 27 распределитель 26 газожидкостных потоков и один из открытых клапанов 28 и через соответствующий ему питатель 29 и радиальные отверстия 31 поступает в биореактор. Одновременно воздух через бактериальный с фильтр 15 поступает в буферную емкость 22 и через регулятор 24 уровня жидкости, обратный клапан 25, распределитель 26 газожидкостных потоков и обратный клапан 28 нагнетается в соответствующий питатель 29, создавая в отверстиях 31 разбрызгивание инокулята и аэрацию биологического объекта.

Поступивший в биореактор 1 инокулят вытесняет из растительного субстрата жидкую среду, которая вместе с обработанным воздухом в виде газожидкостной смеси по трубопроводу через клапан 32 выдавливается в буферную емкость 22, где происходит разделение жидкости и газа, газ по трубопроводу через фильтр 15, клапан 17 и задатчик 14 давления выбрасывается в атмосферу. При этом регулятор 24 уровня питательной среды может быть установлен на любом заданном уровне, что обеспечивает поддержание влаж-- ности и отвод тепла в биореакторе 1. Для восполнения рабочего объема инокулятора жидкой питательной средой регулятор 24 уровня питательной среды погружают в жидкость, находящуюся в буферной емкости 22. Не прекращая циклической аэрации, временно закрываются клапаны 11 и 28 и жидкая питательная среда из буферной емкости 22 вытесняется поступающим на аэ- рацию сжатым воздухом через регулятор 24 уровня питательной среды, обратный клапан 25, распределитель 26

35

45

552523346

газожидкостных потоков и клана 27 в инокулятор 5 до уровня жидкости, заданного регулятором 2А уровня.

Процесс биоконверсии растительно- 5 го сырья в установке можно проводить как с дробным вводом инокулята в био- peaitTop 1 и заполнением питательной средой инокулятора 5, так и при разовом засеве инокулятом растительного

10 субстрата биореактора 1.

По завершении процесса биоконверсии отключают подачу сжатого воздуха в установку, давление в ней выравнивают с атмосферным, снимают крышку 2

15 с биореактора 1 н извлекают из него сетчатый контейнер 4 с готовым продуктом. Стерилизацию установки можно осуществлять без стерилизации инокулятора 5, для чего последний отклю20 чают от установки, закрывают клапан 11 и открывают клапан 12, при этом газовая полость инокулятора 5 посредством трубопровода с установленными в нем фильтром 10 и клапа25 ном 12 сообщается с атмосферой, сохранив асептические условия выращивания инокулята.

В отличии от известных устройств аэрацию и теплообмен в установке

30 осуществляют без применения механических перемешивающих устройств, пагубно действующих на состояние биологического объекта и снижающих выход продукта. Освобождение полости биореактора от механизмов перемешивания субстрата позволяет полностью использовать полезный объем биореактора для увеличения загрузки субстра50

том и получить большой выход продукта при разовой загрузке.

Дробный засев инокулятом и разбрызгивание его в разных точках объема растительного субстрата аэрирующим воздухом, а также использование контура циркуляции жидкости для увлажнения растительного субстрата и его тепломассообмена позволяет получить гомогенный рост мицелия гриба во всем объеме субстрата, что также способствует увеличению выхода получаемого продукта. Предусмотренная возможность использования в установке сменных контейнеров для загрузки растительного сырья и выгрузки готового продукта позволяет сохранить структуру субстрата, сократить время на перегрузку биореактора и транспортировку растительного сырья и продукта.

25

,,,

20П

1н- -

21

Составитель Г. Богачева Редактор И. Дербак Техред Л.Сердюкова KoppeKTOpjМ. Ценчнк

Заказ 4588/27 Тираж 490Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственио-полигра4«ческое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4