Устройство для регулирования рН и парциального давления растворенного кислорода в культуральной жидкости в ферментере Советский патент 1992 года по МПК C12Q3/00 

Изобретение относится к биотехнологии и, в частности к управляемому культивированию микроорганизмов как в исследовательских целях, так и в промышленных условиях и является дальнейшим усовершенствованием изобретения по авто с во N° 1576569

Управление величиной р02 в культуральной среде в ферментере является важнейшей задачей в обеспечении процесса культивирования аэробных микроорганизмов., Особенно это важно для процессов в колонных ферментерах, которые работают по принципу аппарата полного вытеснения, так как в медленно перемещающейся в них культуральной среде происходит быстрое по высоте колонны выедание растворенного кислорода и культура в верхних зонах таких ферментеров оказывается практически без кислорода„

Традиционно одним из способов управления газообменом является регулирование насыщения культуральной суспензии газом за счет изменения расхода воздуха и степени перемешивания 0 При этом измерение обеспеченности культуры кислородом осуществляют непосредственно в ферментере в культуральной суспензии. Подачу воздуха или кислорода также осуществляют непосредственно в ферментер

Известен способ автоматического управления аэрацией в процессе культивирования микроорганизмов с непрерывным прокачиванием культуральной

VJ

О СО

00 4D

14)

суспензии по замкнутому контуру, при этом суспензия сначала поступает на устройство, которое измеряет скорость потребления 02 в реальных условиях аэрации ферментера„ Затем прокачиваемая среда попадает на сосуд для ее аэрации, где она дополнительно насыщается кислородом0

Насыщенная кислородом культураль- ная суспензия поступает на устройство, которое измеряет скорость потребления 02 при нелимитируемом кислородом росте микроорганизмово Далее автоматически определяется разность измеряемых величин и осуществляется регулирование расхода воздуха на аэрации в зависимости от величины этой разностио

Таким образом, измерение потребления культурой кислорода проводят в выносном контуре, а подачу воздуха на аэрации осуществляют непосредственно в ферментер

Данный способ не может быть использован для управления газообменом при выращивании микроорганизмов в колонных ферментерах полного вытеснения, в том числе и используемых для многофазного культивирования Увеличение расхода воздуха снижает коэффициент заполнения ферментера0 Использовать насыщение культуральной жидкости введением чистого кислорода невозможно из-за токсического дей™ ствия кислорода на микроорганизмьи Кроме того, использование в данном способе контура с циркуляцией культуральной суспензии, особенно при выращивании мицелиальных форм, приводит к обрастанию и закупориванию выносных контуров и измерительных датчиков, в частности р02, что не позволяет точно измерять pOz и, со- ответственно, целенаправленно управлять газообменоМо

Известны устройства промежуточной аэрации по высоте колонных ферментеров, в которых применены различные барботажные, эжектирующие и переливные устройства, а также разделение на секций

Недостаток их заключается в том, что для поддержания необходимого уровня р02 в различных зонах ферментера вводится достаточно большое количество воздуха, процент использования которого непосредственно в биопроцессе очень низкий

К тому же, интенсивный гидродинамический режим смешивания и растворения кислорода воздуха в суспензии травмирует достаточно большой круг

применяемых культур (мицелин, грибы,

некоторые дрожжевые культуры и т.п.К Кроме того, указанные культуры склонны к интенсивному обрастанию

различных поверхностей, в том числе и чувствительных поверхностей датчиков рП2, что приводит к получению недостоверной информации р03 в суспензии и, как следствие, невозможк ности поддерживать этот параметр на необходимом уровне0

Известны также устройства пробоот- бора культуральной жидкости из ферментера через фильтрующие элементы,

л задерживающие клетки микроорганизмов i с измерением в пробе необходимых параметров и возвратом ее в ферментер о

Обрастание датчиков в них исклю5 чено, но отсутствует возможность поддержания р02 в суспензии о

Известно устройство, включающее пробоотборник с фильтрующим элементом, размещенных внутри ферментера

0 идеального смешивания, трубопровод, побудитель расхода и камеры для измерительных электродов, размещенных вне ферментера, измерение параметров процесса производится в отсутстс вие микроорганизмов и культуральная жидкость возвращается в ферментер со скоростью 50 мл/часо

Недостатками указанного устройства являются:

0 - размещение пробоотборного устройства внутри ферментера и в отсутствии интенсивного перемешивания жидкости, обрастание его микроорганизмами и блокирование;

5 низкая скорость протока через измерительную систему, исключающая возможность оказывать управляющие воздействия на основной объем среды; - отсутствие возможности управл ляющих воздействий на состав культуральной жидкости„

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является Устройство для регулирова- ния рН и pOg в культуральной жидкос° ти в ферментере,

Устройство позволяет регулировать величину парциального давления растворенного кислорода в культуральных - жидкостях в биореакторах и защищено : от обрастания электродов микроорганизмами о

Однако при высоких скоростях потребления кислорода микрообъектами, оно оказывается недостаточно эффективным вследствие малой поверхности контакта газовой фазы (или кислорода) с жидкой фазой0 Газопроницаемая мембрана образует лишь одну поверхность вспомогательной камеры и дальнейшая интенсификация процесса абсорбции кислорода жидкой фазой невозможна о

Целью предполагаемого изобретения является повышение производительности насыщения жидкостей кислородом в процессах культивирования микроорганизмов о

В устройстве по авт0 CBO N 15765&9, указанная цель достигается тем, что камера для обработки культуральной жидкости имеет две соосно расположенные газопроницаемые кольцевые мембраны, между которыми образована промежуточная жидкостная полость, имеющая две поверхности контакта газ-жидкость, и разделенная на две части газовая полость„

На фиг01 приведена принципиальная схема устройства; на фиг„2 - сечение А-А; на фиг„3 - выносной элемент 10

Устройство содержит датчики рН 1, парциального давления растворенного кислорода 2, подсоединенные к соответствующим регуляторам (не показаны) , дозатор 3 рН титранта, управяющий вход которого соединен с регулятором рН9 Датчики 1 и 2 располоены в измерительной камере , которая подключена к ферментеру 5 через микропористый фильтр б, не пропускающий микроорганизмы. К измерительной камере k последовательно подсоединены импульсный насос-дозатор 7 и дополнительная камера 8 для обраотки культуральной жидкости, выходной патрубок 9 которой соединен трубопроводом со штуцером 10 возврата идкости в ферментер 5„

Импульсный насос-дозатор содержит упругую мембрану 11, входной 12 и выходной 13 клапаны„

Входной клапан 12 имеет седло 1, которого поверхность герметизации выполнена выпуклой формы, а упругий епесток 15 имеет плоскую форму Таким образом, в нейтральном положении между лепестком 15 и выпуклым седлом Н имеется небольшой зазор.

Выходной клапан 13 выполнен нор- мальным, тОе0 седло 16 имеет слегка выгнутую поверхность герметизации, а упругий лепесток 17 протянут ее упругим хвостиком к вогнутому сед0 ЛУ 16, за счет чего достигается упругая герметизация клапана 13 На крышке насоса-дозатора 7 имеется входной штуцер 18, к которому подводятся пневмоимпульсы, приводящие

5 насос-дозатор 7 в действие.,

Камера 8 для обработки культуральной жидкости состоит из полости 19 для культуральной жидкости и двух газовых полостей 20 и 21, разделен0 ных между собой обечайками 22 и 23. Меньшая обечайка 22 расположена соосно большей обечайке 230 Обечайки состоят из газопроницаемой мембраны 24, защищенной с обеих сторон от

5 деформации и поврежденной при перепадах давлений сетками 25„ Мембрана 2k и сетки 25 расположены в уплотнениях 26, находящихся в кольце 27, края которого обжаты для герметиза0 ции0 К корпусу 28 устройства крепится крышка 29о

Устройство также содержит источник 30 регулируемого давления кислорода, управляющий вход которого свяс зан с регулятором парциального давления растворенного-кислорода, и пробоотборный штуцер 31, причем выходы дозатора 3 рН титранта и источника 30 регулируемого давления кис0 лорода подсоединены к камере 8 для обработки культуральной жидкости Устройство работает следующим образом.

Управляющие пневмоимпульсы, пос5 тупающие от внешнего пневмогенерато- ра (не показан), поступают на импульсный насос-дозатор 7, который начинает прокачку культуральной жидкости по замкнутому контуру: ферментер 5,

0 микропористый фильтр 6, измерительную камеру А, насос-дозатор 7, по- лость 19, патрубок 9, штуцер 10, ферментер 5„ При снятии импульса давления мембрана 11 за счет своей уп5 ругости принимает форму, показанную на фиги1, при этом происходит заса- сывание дозы культуральной жидкости из ферментера 5 через микропористый фильтр 6 в измерительную камеру 4„

Микроорганизмы, находящиеся в культуральной жидкости, задерживаются фильтром бив камеру k не попадают При поступлении очередного давления в начале хода мембраны 11 клапан 12 за счет своего зазора еще приоткрыт и часть жидкости обратным ходом из измерительной камеры А через фильтр 6 поступает в ферментер 5t очищая фильтр 6 от осевших на нем микроор- ганизмовс При дальнейшем ходе мембраны 11 лепесток 15 клапана 12 деформируется и закрывает седло 1, прекращая тем самым обратный поток жидкости с С этого момента жидкость из насоса-дозатора 7 поступает чере клапан 13 в полость 19, где подвергается рН титрованию за счет подачи в нее доз рН-титранта от дозатора 3 рН титранта, а также насыщению кислородом через мембраны 2k обечаек 22 и 23, за счет создания необходимого давления кислорода в полостях 20 и 21 источником 30 регулируемого давления кислорода,, При последующем такте насоса-дозатора 7 насыщенная кислородом и подтитрованная до необходимых уровней жидкость вытесняется из полости 19 через патрубок 9 и штуцер 10 о ферментер 50

В ходе работы устройства через пробоотборный штуцер 31 можно отобрать пробу культуральной жидкости для анализа ее по другим интересующим исследователя параметрам0 Кроме того, штуцер 31 необходим при заполнении устройства жидкостью перед началом работыо

Процесс насыщения жидкой фазы килородом описывается законом Генри п формуле:

dc- dt

Kl-S ()-r-X,

де К1 - коэффициент абсорбции кислорода средой;

S - площадь поверхности контакта газ-жидкость;

С - концентрация 0 равновесная с воздухом;

С - концентрация 02;

г - удельная скорость потребления 02;

X - концентрация биомассьи

Из данного уравнения следует, что с увеличением S повышается производительность насыщения жидкой фазы с кислородом Предлагаемое устройство позволяет увеличить указанную площадь по сравнению с прототипом, что подтверждается следующими расчетами„

Например, размеры газопроницаемой Q мембраны прототипа равны 100-100 мм, соответственно S прототипа Ю4 Мм2« Диаметр большей мембраны предлагаемого устройства равен D 100 мм, диаметр меньшей мембраны d 80 мм, а ширина 30 мм„ Тогда суммарная площадь мембран соответственно 8Ј2,3 10 мм2о Ширина мембраны 30 мм выбирается конструктивно, так как изготовить жидкостную полость меньшего 0 размера, как в прототипе, так и в .предлагаемом устройстве, технологически сложноо

Увеличение ширины мембраны позволяет увеличивать площадь контакта газ-жидкость без значительного увеличения габаритных размеров устройства,, по сравнению с прототипом0

5

Применение предлагаемого устрой- ства в микробиологической практике, в частности при культивировании микроорганизмов, позволит, при лимитировании роста микробов недостатком кислорода, увеличить скорость их Роста не менее, чем в 2 раза, либо во столько же раз повысить концентрацию биомассы микроорганизмов в биореак- торе0

Формула изобретения

Устройство для регулирования рН и парциального давления растворенного кислорода в культуральной жидкости в ферментере по авт„ св„№ 1576569, отличающееся тем, что, с целью повышения производительност и путем увеличения поверхности контакта жидкости с кислородом, камера для

обработки культуральной жидкости имеет две соосно расположенные газопроницаемые мембраны, служащие для разделения ее на жидкостную полость с двумя поверхностями контакта газ-жидкость и две газовые полости

1

(боздуха) рН-тытрйИт

feui.i

3/

16 17 Nf3

. Уг р Я&1ЈНиб &Т

рОг-ргзулятера

/А гл

Использование: в биотехнологии, в частности в области управляемого культивирования микроорганизмов,, Сущность: устройство снабжено камерой для обработки культуральной жидкости с двумя соосно расположенными газопроницаемыми кольцевыми мембранами, между которыми образована промежуточная жидкостная полость, именная две поверхности контакта газ-жидкость, и разделенная на две части газовая полостьо Устройство содержит ферментер 5, микропористый фильтр 6, датчики 1 и 2, расположенные в измерительной камере 4, насос-дозатор 7, ис-„ полнительную камеру 80 Камера 8 состоит из полости 19 для культуральной жидкости и двух газовых полостей, разделенных между собой обечайками 22 и 23, расположенных соосно0 3 ил. сл

W

ФигЛ

оЪъсать

Н