Аппарат для культивирования микроорганизмов на газообразных субстратах Советский патент 1990 года по МПК C12Q3/00 

i

,(21) 4372026/31-13 (22) 27.01.88 (46) 07.02.90. Бюл. № 5

(71)Специальное конструкторское бюро биологического приборостроения

АН СССР

(72)Б.Ф.Нестеров

(53)663.1(088.8)

(56).Патент Франции № 1526746, кл. С 12 В, 1968.

(54)АППАРАТ ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ НА ГАЗООБРАЗНЫХ СУБСТРАТАХ

(57)Изобретение относится к микробиологической промышленности и исследовательской практике в этой области и применяется при культивировании метанокисляющих бактерий по замкнутой по газу схеме. Цель изобретения - повышение производительности. Аппарат

содержит ферментер 1, регулятор 21 давления, регуляторы 20, 31 концентрации газов, контур рециркуляции газовой смеси с емкостью 2 переменного объема, побудителем 10 расхода смеси газов, осушителем 6, анализаторами 12-14 газов, поглотителем 8 СО и устройством 16, 18 подпитки газами. Емкость 2 переменного объема выполнена из эластичного или упругого материала, заключена-к герметичный кожух 25 и з качестве компенсатора ее деформации по объему снабжена повторителем 3 давления, полость задатчика 26 повторителя 3 давления для обеспечения некоторого запаздывания в .выравнивании давлений внутри емкости 2 пе-, /ременного объема и ее кожухе 25 связана с выходом газовой смеси из емкости 2 переменного объема через ре

Изобретение относится к микробиологической промышленности и исследовательской практике в этой области и применяется при культивировании метанокисляющих бактерий по замкнутой по газу схеме. Цель изобретения - повышение производительности. Аппарат содержит ферментер 1, регулятор 21 давления, регуляторы 29, 31 концентрации газов, контур 9 рециркуляции газовой смеси с емкостью 2 переменного объема, побудителем 10 расхода смеси газов, осушителем 6, анализаторами 12 - 14 газов, поглотителем 8 CO₂ и устройством 16, 18 подпитки газами. Емкость 2 переменного объема выполнена из эластичного или упругого материала, заключена в герметичный кожух 25 и в качестве компенсатора ее деформации по объему снабжена повторителем 3 давления, полость задатчика 26 повторителя 3 давления для обеспечения некоторого запаздывания в выравнивании давлений внутри емкости 2 переменного объема и ее кожухе 25 связана с выходом газовой смеси из емкости 2 переменного объема через регулируемый пневмодроссель 5, а исполнительная полость 27 этого повторителя 3 соединена с герметичным кожухом 25, емкость переменного объема 2 может быть оборудована распорно-стягивающей пружиной 24 для увеличения упругости этой емкости 2 при нарастании отклонения ее объема от нейтрального положения, анализаторы 12 - 14 газов подключены параллельно основному контуру 9 рециркуляции газов, вход в них осуществлен через регулируемый пневмодроссель 11 непосредственно из газовой полости ферментера 1, а выход подключен к входу в побудитель 10 расхода

N I

Am

гулируемый пневмодроссель 5, а исполнительная полость 27 этого повторителя 3 соединена с герметичным кожухом 25, емкость переменного объема 2 может быть оборудована распорно- стягивающей пружиной 24 для увеличения упругости этой емкости 2 при нарастании отклонения ее объема от

Изобретение относится к микробиологической промышленности.

Целью изобретения является повышение производительности.

На чертеже изображена принципиальная схема аппарата для культивирования микроорганизмов на газообразных субстратах.

Аппарат содержит ферментер 1 и контур рециркуляции газовой смеси, включающий соединенные соответствующими трубопроводами емкость 2 переменного объема с повторителем 3 давления и пневмодросселями 4 и 5, осушитель 6, управляемый клапан 7 и поглотитель 8 углекислоты, параллельно им пневмодроссель 9, побудитель 10 расхода. Параллельно основному контуру рециркуляции подключена линия с регулируемым пневмодросселем 11 и последовательно соединенными анализаторами 12-14 на CIL, на 0 и СО-г (в принципе анализаторы 12-14 могут быть соединены и параллельно), Замыкает контур рециркуляции барботер 15, установленный в ферментере 1.

К входу контура рециркуляции в барботер 15 подключено устройство подпитки газовой смеси газами, состоящее из управляемых клапанов 16-18 подачи соответственно азота, метана и кислорода и биофильтра 19.

В газовой полости ферментера 1 установлен датчик 20 давления, подключенный к регулятору 21 избыточного давления, управляющие цепи от которого подключены к клапану 16 подачи азота и к клапану 22 сброса газа из ферментера в атмосферу, в линии которого установлен биофильтр 23.

Емкость 2 переменного объема выполнена из эластичного или упругого материала (резина, резиноткань, полимерные пленки и т.п.) и шаблона распорно-стягивающей пружины 24 внутнейтрального положения, анализаторы 12-14 газов подключены параллельно основному контуру рециркуляции газов, вход в них осуществлен через регулируемый пневмодроссель 11 непосредственно из газовой полости ферментера 1, а выход подключен к входу в побудитель 10 расхода. 1 э.п. ф-лы, 1 ил.

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ри нее, причем емкость расположена в жестком герметичном кожухе 25.

Пружина 24 закреплена обоими концами на торцах емкости 2 и имеет свойство при расширении емкости 2 больше некоторого ее среднего положения стягивания этой емкости, а при сжатии ее меньше среднего положения - расширения этой емкости. При этом пружина 24 имеет малую жесткость.

Повторитель 3 давления имеет полость 26 задатчика и исполнительную полость 27, разделенные эластичной мембраной 28. К анализаторам 12-14 газов подключены соответствующие регуляторы 29-31 концентраций СН4, 0 и COj, связанные управляющими цепями с клапанами соответственно 16-18 и 7.

Аппарат работает следующим образом.

Ферментер 1 заполняется суспензией культуры в питательной среде, концентрация метана и кислорода в газовой фазе и избыточное давление в ферментере доводятся до заданных величин с помощью регуляторов 29-31. Включается побудитель 10 и газовая смесь начинает рециркулировать по основному замкнутому контуру и параллельно через линию анализаторов 12-14 газов. Оба этих потока обеспечивает работа одного побудителя 10, при этом долю потока газовой смеси через анализаторы 12-14 газов (эта доля значительно меньше потока через основной контур рециркуляции) задают регулируемым пневмодросселем 11.

В случае, если технологические причины требуют изменить величину рециркуляции по основному ее контуру, подрегулировка пневмодросселем 11 позволяет обеспечить сохранение величины протока смеси газов через анализаторы 12-14 в необходимых по их технологическим требованиям пределах.

Подключение входа в анализаторы газов к газовой полости ферментера 1 обеспечивает кратчайший путь доставки пробы газовой смеси непосредственно из ферментера в эти анализаторы, что значительно ускоряет поступление соответствующей информации от анализаторов 12-14 к регуляторам 29- 31 и тем самым повышает точность их регулирования.

На начальной стадии работы ферментера 1 и его контура рециркуляции управляемые клапаны 7, 16-18 и 22 закрыты, газовая смесь постоянно проходит через осушитель 6, где освобождается от излишней влаги, что в свою очередь облегчает работу поглотителя СО, побудителя 10 и барботера 15, емкость 2 переменного объема и ее пружина 24 занимают среднее, нейтральное положение, давления в ней и в кожухе 25 уравновешены.

Принцип работы емкости 2 переменного объема в комплексе с повторителем 3 давления заключается в следующем. При малейшем повышении или понижении давления в ферментере 1 и, следовательно, в емкости 2 переменного объема оно не успевает передаться в полость 26 повторителя 3 из-за сопротивления пневмодросселя 5. В результате давление воздуха полости 27 повторителя 3 и в кожухе 25 сохраняется какое-то время прежним. В то же время емкость реагирует на это изменение давления в ней, расширяется или сжимается и таким образом компенсирует попытку изменения давления в ферментере 1. Возможные при этом повышение или понижение давления воздуха в жестком герметичном кожухе 25 по причине таких компенсирующих деформаций емкости сразу ликвидируются за счет открытия мембраной 28 атмосферного сброса воздуха в полости 27 или закрытия его той же мембраной и подпитки полости 27 воздухом через пневмодроссель 4.

Пружина 24 придает емкости 2 некоторую слабую упругость. При расширении или сжатии емкости от среднего, нейтрального положения пружина 24 стремится сжать ее (емкость) или расширить и таким образом создает внутри нее небольшое либо избыточное давление, либо разрежение, которое передается в полость 26 и далее через

10

20

25

5412606

повторитель 3 в кожух 25, что уравновешивает положение емкости.

По мере прохождения биохимического е процесса в ферментере 1 часть метана и кислорода постепенно усваивается клетками культуры, а в газовую смесь выделяется С02. Анализатор 14 С02 подает сигнал о повышении содержания С0.2 в смеси на регулятор 31, по команде которого открывается управляющий клапан 7 и часть из основного потока рециркуляции, определяемая пневмодросселем, проходит через погло- 5 титель 8 углекислоты, в результате чего содержание COi в смеси уменьшается. Как только величина СО в газовой смеси достигает нижнего заданного уровня, регулятор 31 закрывает клапан 7 и поглощение С0а прекращается до достижения вновь верхнего заданного в регуляторе 31 уровня концентрации СО з.

Одновременно по информации анализаторов 12 и 13 метана и кислорода о падении концентрации этих газов ниже заданного уровня регуляторы 29 и 30 (вместе или порознь) открывают клапаны 17 и 18 и подпитывают через биофильтр 19 смесь газов в ферментере 1 до необходимой концентрации метана и кислорода, после чего по соответствующим командам регуляторов 29 и 30 закрывают клапаны 17 и 18.

Однако такая подпитка метаном и кислородом до заданного уровня их концентрации не всегда соответствует одновременному поддержанию заданного давления в ферментере. Как правилоs она ведет к превышению заданного уровня давления в ферментере, в том числе и из-за инерционности систем регулирования (емкости трубопроводов, время ответа анализаторов и т.п.). Емкость 2 устраняет этот недостаток. При введении в ферментационную систему объемов газов, могущих вызвать нежелательное повышение давления в ней, емкость расширяется, при этом повторитель 3 давления компенсирует уменьшение воздушного пространства в кожухе 25 сбросом части воздуха из него через полость в атмосферу.

Регулируемый дроссель 5 обеспечивает небольшую временную задержку выравнивания давления в полости 26 повторителя 3 вслед за первоначальным изменением его в емкости 2, давая тем самым возможность этой эластич30

35

40

45

50

55

ной емкости расшириться или сжаться, сняв этим колебания или небольшие дрейфы давления в системе ферментации. Регулируемость пневмодросселя 5 необходима для того, чтобы иметь возможность подстройки на ходу всей системы совместного регулирования концентрации газов и давления при изменениях объема заполнения ферменте- ра жидкостью или скоростей истечения газов через клапаны 16-18 при их открытии. В этом случае, если повышени или понижение давления в системе ферментации связаны с изменением устав- ки регулятора 21 давления и носят длительный характер, пневмодроссель не препятствует срабатыванию повторителя 3 и соответствующему выравниванию давления воздуха в кожухе 25.

Регулятор 21 давления и клапаны 22 и 16 сброса и подпитки вступают в работу, когда емкость 2 исчерпывает свои возможности, т.е. сжимается или расширяется до своего предела и перестает быть компенсатором изменений давления.

Такой режим работы может быть вызван изменением уставки величины заданного избыточного давления в ре- гуляторе 21 или изменением уставок величины заданных концентрацией СН4 или Oi (или обеих вместе) в регуляторах 29 и 30, или сливом из ферментера достаточно большого количества суспензии или доливом в него так же большого количества питательной среды, или аварийными микровзрывами (хлопками) газовой смеси внутри системы ферментации.

В таких случаях датчик 20 давления подает информацию в регулятор 21 давления и при расхождении величины фактического давления в ферментере 1 с величиной уставки в регуляторе 21, последний подает команды на свои исполнительные органы: при превышении давления в ферментере над заданным уровнем открывается управляемый клапан 22 и избыток газовой смеси сбрасывается из ферментера 1 через биофильтр 23 в атмосферу до заданной величины давления. При этом возможное перерегулирование (небольшое запаздывание закрытия клапана 22) компенсируется сжатием емкости, которая находится перед этим в растянутом положении. Побуждает ее к этому растянутая пружина 24 и немного

0

5

0 г Q

5

0

запаздывающий по выравниванию избыток давления воздуха в кожухе 25. При падении давления ниже заданного уровня открывается управляемый клапан 16 подачи азота в ферментер.

Поднимая давление в ферментере 1, азот одновременно начинает снижать концентрацию СН4 и 02 в нем, поэтому вслед за подачей азота по командам регуляторов 29 и 30 открывают клапаны 17 и 18 подачи СН. и 02. Этот процесс продолжается до тех пор, пока давление не достигает заданной величины, и при этом концентрации газов оказываются в заданных пределах.

Возможное перерегулирование давления, связанное с тем, что регуляторы 29 и 30 продолжают некоторое время подпитывать-смесь метаном или кислородом, доводя их концентрацию до нужного уровня, компенсируется расширением емкости 2, которая находится перед этим в сжатом положении. Побуждает ее к этому сжатая пружина 24 и немного запаздывающее по выравниванию небольшое разрежение (по сравнению с емкостью) воздуха в кожухе 25.

В случае превышения концентраций СН и Oz над заданными уровнями регуляторы 29 и 30 включают (вместе или порознь) управляемый клапан 16 и подачей азота снижают эти концентрации. При этом сосуд 2 переменного объема компенсирует давление аналогично ука- з энному.

Предлагаемый аппарат позволяет, ведя процесс культивирования по экономичной, замкнутой схеме обеспечения питания культуры газами, добиться прецизионности совместного регулирования избыточного давления и концентрации газов в ферментере и тем самым повысить производительность аппарата.

Формула изобретения

причем вход анализаторов через третий регулируемый пневмодроссель подсоединен непосредственно к выходной газовой полости ферментера, а выход анализаторов - к всасывающему патрубку побудителя расхода смеси газов, а анализаторы газов установлены параллельно контуру рециркуляции газовой смеси.

2. Аппарат поп.1,отличаю- щ и и с я тем, что емкость переменного объема снабжена пружиной.