Установка для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов Советский патент 1993 года по МПК A01G33/02 C12M3/00 

Изобретение относится к биотехнологии и к биотехнике, а именно к устройствам для культивирования фотосинтезирующих клеток. Оно может быть использовано в химической, микробиологической, медицинской и других отраслях промышленности, в исследованиях по генетике, биохимии и физиологии микроорганизмов. Предпочтительной областью применения является микробиологическая промышленность.

Целью изобретения является повышение производительности за счет более полного насыщения среды газообразным субстратом и удаления газообразных продуктов метаболизма.

На фиг.1 приведена схема предлагаемой установки; на фиг.2 - пример конкретного выполнения секций трубчатого

светопрозрачного реактора; на фиг.З - графики, иллюстрирующие эффективность гаэогидродинамических режимов культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов в новой установке.

Установка для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов (фиг.1) имеет трубчатый светопрозрачный реактор, который состоит по меньшей мере из пяти отдельных секций 13, снабженных подводящим 9 и отводящим 17 коллекторами для распределения среды по этим секциям. Секции 13 подключены к коллекторам 9 и 17 параллельно друг другу посредством соответствующих технологических патрубков. В установке есть система рециркуляции куль- туральной среды, которая образована подводящим 7, отводящим 19 трубопроводами,

00 4D

ы ел

со

реактором и трубопроводом 4, в который включен побудитель расхода суспензии микроорганизмов 1. Секции 13 реактора соединены с подводящим 7 и отводящим 19 трубопроводами системы рециркуляции че- рез кдллекторы 9 и 17. Каждая из секций 13 имеет на своих конечных участках запорные регулируемые клапаны 12 и 14, объединенные общими трубопроводами для подвода 16 и отвода 10 газов. Причем, на одной из секций, перед коллекторами 9 и 17 установлены дополнительные клапаны 8 и 18, служащие для периодического отключения этой секции. Технологические патрубки 20, 2 и 5 с запорными регулируемыми клапа- нами 21, 3 и 6 связаны с системой рециркуляции культуральной среды, что облегчает .выполнение предписаний технологического регламента процесса культивирования. Трубопроводы для подвода 16 и отвода 10 газов снабжены клапанами 15 и 11, обеспечивающими поддержание требуемого режима газообм.ена.

Установка работает следующим образом.

Через патрубок 20 и клапан 21 установку заполняют суспензией фотосинтезирую- щих микроорганизмов. При этом секция реактора, на которой установлены дополнительные клапаны 8 и 18, отключена от ос- тальных и не заполняется. После того, как степень заполнения активной зоны реактора станет максимальной, включают побудитель расхода 1, создают равномерное турбулентное движение суспензии с некото- рой скоростью Vn, а затем через патрубок 5 и клапан 6 в установку подают углекислый газ. Отбирая для контроля пробы суспензии через патрубок 2 и клапан 3, устанавливают необходимое давление и начальные пара- метры процесса культивирования. При этом теплообмен осуществляют в перекре- стно-противоточном режиме, например, обдувая реактор воздухом снизу вверх. Когда параметры культивирования установлены на требуем уровне, ввод газообразных и жидких питательных субстратов прекращают. Для сохранения максимальной степени наполнения активной зоны реактора одновременно с этим останавливают и ввод сус- пензии микроорганизмов через патрубок 2 и клапан 3. В результате этих операций установка подготовлена к осуществлению собственно культивирования фотосинтези

рующих микроорганизмов.

С течением времени культивирования в суспензии фотосинтезирующих микроорганизмов снижается концентрация питательного субстрата и нарастает концентрация продуктов, в том числе и газообразных про0 0

5

0 5 0 5 0

5

дуктов метаболизма, которые растворяются в жидкой фазе. Торможение ферментативного катализа газообразными продуктами метаболизма наступает значительно раньше, чем возникает уменьшение скорости процесса из-за снижения концентрации питательного субстрата или из-за повышения концентрации жидких продуктов метаболизма. Поэтому через некоторое время продолжение процесса с достаточной эффективностью потребует осуществить десорбцию и вывод газообразных продуктов метаболизма из суспензии и из установки. Для этого те секции реактора (одна секция на фиг. 1), которые имеют перед коллекторами 9 и 17 дополнительные клапаны 8 и 18, подключают параллельно остальным. При этом происходит уменьшение степени наполнения активной зоны реактора от 1,0 до 0,8 для варианта установки, показанной на фиг.1. Режим движения суспензии изменяется от напорного до спокойного. Скорость движения суспензии микроорганизмов увеличивается, а в каждом канале секций (пять секций на фиг.1) реактора возникает газовая полость и образуется свободная поверхность суспензий. Из-за снижения парциального давления газообразных продуктов метаболизма над свободной поверх- ностью суспензии микроорганизмов повышается движущая сила десорбции - газообразные продукты метоболизма выходят из суспензии в газовые полости.

Важно, что в предлагаемой установке вывод газообразных продуктов метаболизма не сопровождается флотацией микроорганизмов, т.к. флотацию подавляют турбулентные пульсации актуальных скоростей суспензии. Более того, в сравнении с известными установками новое техническое решение обеспечивает увеличение общей десорбции газов на несколько порядков, т.к. практически весь реактор при создании газовых полостей работает в режиме десорбера. Последнее обстоятельство обеспечивает возможность достаточно интенсивного вывода газообразных продуктов метаболизма не только тогда, когда расход суспензии микроорганизмов в спокойном движении равен расходу в напорном движении, т.е. при уменьшении степени наполнения от 1,0 до 0,8, но позволяет обойтись и меньшей площадью свободной поверхности и, соответственно, увеличить степень наполнения, например путем увеличения количества секций реактора.

Поскольку в предлагаемой установке десорбера газообразных продуктов метаболизма идет в мягких условиях, то наиболее простой вариант вывода газа из нее заключается в использовании традиционной операции открытия клапана на патрубке 11. Более эффективный вариант продувка инертных газов над свободной поверхностью суспензии микроорганизмов (отгонка в среде инертных газов, противоток). И тот. и другой варианты легко осуществить, т.е. соответствующие технологические патрубки установлены на потолке в верхней и нижней частях канала каждой секции (фиг.2).

Подготовка расширительный емкости, в роли которой выступает одна из секций реактора (фиг.1), имеющая клапаны 8 и 18 перед коллекторами 9 и 17, к следующему циклу работы заключается в выводе из нее суспензии, а подготовка активной зоны реактора состоит в восстановлении максимальной степени наполнения. Для этого секцию реактора, имеющую клапаны 8 и 18, отключают от общего трубопровода вывода газов 10 и от коллектора 9. Остальные секции реактора (четыре секции на фиг.1) отключают от общего трубопровода ввода газов 16. Подавая через клапаны 15, газы, микроорганизмов вытесняют в четыре рабочие секции. В свою очередь, заполняя эти секции,суспензия микроорганизмов вытесняет газы из пространства над свободной поверхностью в общий трубопровод вывода газов 10, откуда их выводят, например, в атмосферу через клапан 11. Когда степень наполнения рабочих секций достигнет максимальной величины, секцию, которая имеет клапаны 8 и 18 отключают и от коллектора 17. и от трубопровода ввода газов J 6. Одновременно с этим четыре других секции отключают от трубопровода вывода газов 10. Теперь установка готова к следующему циклу работы.

Что касается подачи свежих питательных субстратов как жидких, так и газообразных, то эти операции осуществляют как обычно, т.е. с периодичностью, определяемой технологическим регламентом в соответствии с допустимыми изменениями их концентрации. То же самое относится и к выводу готового продукта. Кроме того, попеременный ввод и вывод жидкой и газовой фаз для создания свободной поверхности суспензии микроорганизмов можно осуществлять на фоне постоянной подачи свежих питательных субстратов через патрубки 5 и 20. снабженные клапанами б и 21, т.е. на фоне протока, обычного для современных процессов непрерывного культивирования.

Таким образом, предлагаемая установка за счет подавления ценной флотации микроорганизмов позволяет повысить как

степень насыщения питательной среды газообразным субстратом, так и эффективность удаления газообразных продуктов метаболизма, т.е. обеспечивает достижение цели изобретения - повышение производительности.

Интересно отметить, что подавление пенной флотации микроорганизмов в предлагаемой установке приводит к тому, что в

0 суспензии остаются преимущественно физиологически активные клетки. Этому способствует и то обстоятельство, что возможность работы всего реактора в режиме десорбера позволяет снизить удельную

5 (отнесенную к единице площади свободной поверхности суспензии микроорганизмов) скорость вывода газообразных продуктов метаболизма. Такой эффект обеспечивает дополнительные преимущества нового тех0 нического решения.

Дополнить представление о существенных отличительных признаках предлага- емой установки, которые совокупности и взаимной связи с другими существенными

5 признаками обеспечивает достижение цели изобретения, позволяет фиг.2, где цифрами обозначены те же самые элементы, что и на фиг.1.

Из фиг.2, на которой показан пример

0 конкретного выполнения секций трубчатого светопрозрачного реактора предлагаемой установки, видно, что секции 13 представляют собой витые змеевики. Секции соединены друг с другом параллельно при помощи

5 подводящего 9 и отводящего 17 коллекторов, а через них - с подводящим 7 и отводящим 19 трубопроводами системы рециркуляции культуральной среды. Каждая из секций реактора имеет на своих

0 конечных участках запорные регулируемые клапаны 12 и 14, объединенные соответствующими трубопроводами для подвода 16 и отвода 10 газов. Клапаны 12 и 14 установлены на конечных участках сек5 ций с помощью технологических патрубков, размещенных на потолке как в верхней, так и в нижней частях каждой секции. Картина, показанная на фиг.2, соответствует картине, показанной на фиг.1, за исключе0 нием того, что часть элементов установки повторно не показана. Однако это не мешает составить достаточно полное представление об одном из конкретных вариантов выполнения всей установки.

5

Работу секций можно дополнительно пояснить с помощью фиг.З, на которой представлены графики, иллюстрирующие эффек тивность газогидродинамических режимов культивирования микроорганизмов.

На фиг.З вместе с графиками показана и газогидродинамическая обстановка в секциях реактора при создании газовых полостей в суспензии микроорганизмов. Здесь используются следующие условные обозначения: D - диаметр замкнутого кругового профиля секций реактора; h - глубина наполнения этого профиля; В - ширина потока суспензии микроорганизмов поверху; R - гидравлический радиус потока суспензии при соответствующей глубине наполнения; Rn - гидравлический радиус при максимальной глубине наполнения; v - скорость движения суспензии при соответствующей глубине наполнения; vn - скорость движения суспензии при максимальной глубине наполнения; Q - расход суспензии при соответствующей глубине наполнения; Оп - расход суспензии при максимальной глубине наполнения; Re - значение числа Рей- нольдса при соответствующей глубине наполнения; Ren - значение числа Рейноль- дса при максимальной глубине наполнения. Безразмерная величина g hD известна под названием степень наполнения; безразмерные величины М QQn 1 и N - vvn обычно называют модулем расхода и модулем скорости. Для других относительных величин, показанных на фиг.З, каких-либо специальных названий не применяют. По оси ординат отложены значения степени наполнения g hD , а по оси абсцисс - значения других относительных величин (М, N, . ReRen 1).

Как видно из фиг.З, при уменьшении степени наполнения замкнутого профиля в секции реактора создается газовая полость, контактирующая с суспензией микроорганизмов. При этом, турбулентный поток суспензии имеет свободную поверхность шириной В. Зависимости модуля расхода М, модуля скорости N и относительного гидравлического радиуса RRn от степени наполнения g hD показаны на фиг.З в правой части. Характерно, что, в отличие от открытых, для русел замкнутых профилей как модуль скорости N. так и относительный гидравлический радиус имеют максимум при одной и той же глубине потока суспензии микроорганизмов h «Ю,8 D. Из этого сразу же следует, что и зависимость относительного числа Рейнольдса ReRen-1 от степени наполнения характеризуется максимумом при том же значении глубины потока. Существенно, что максимум числа Рейнольдса при создании газовой полости соответствует равенству расхода суспензии в равномерном напорном движении, т.е. когда гг D, а М 1,0, расходу суспензии в

равномерном спокойном движении, когда h 0.8 D.

Из этого ясно, что предлагаемая уста новка для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов наиболее полно использует особенности газодинамических режимов в руслах замкнутых профилей для подавления пенной флотации микроорганизмов. Действительно, ведь при создании

газовых полостей в секциях реактора режим течения суспензии изменяется, как это показано на фиг.З, от напорного до спокойного. Вместе с этим увеличивается число Рейнольдса, которое характеризует интенсивность турбулентных пульсаций актуальных скоростей суспензии микроорганизмов, а значит, и эффективность подавления пенной флотации микроорганизмов при десорбции газообразных

продуктов метаболизма. Максимуму числа Рейнольдса, как следует из фиг. 1 соответствует степень наполнения g hD 0,8. Иначе говоря, количество одинаковых по объему секций в реакторе новой установки не должно быть меньше пяти, как это и записано в формуле изобретения.

По соображениям технико-экономического порядка (стоимость производственных площадей, коммуникаций и т.п.) может

оказаться целесообразным увеличить степень наполнения активной зоны реактора. Как видно из фиг.З при g 0,9модуль расхода М имеет максимум. Поэтому верхний предел степени наполнения в режиме

десорбции газов должен быть ограничен этой величиной, что полезно учитывать при выборе максимального количества секций в реакторе новой установки.

Из изложенного ясно, что в сравнении с

базовым обьектом предлагаемая установка за счет подавления пенной флотации микроорганизмов имеет следующие основные технические преимущества;

более полное насыщение питательной

среды газообразным субстратом;

более полное удаление газообразных продуктов метаболизма.

Существуют и другие технические преимущества новой установки, например более высокая эксплуатационная надежность за счет согласования особенностей газо- и гидродинамики процесса культивирования микроорганизмов с особенностями конструкции реактора и т.п.

Основное общественно-полезное преимущество предлагаемой установки для культивирования фотосинтезирующих мик- роороганизмов, очевидно, состоит в том, что ее производительность при прочих равных

условиях выше, чем у базовой установки, за счет более полного насыщения среды газообразным субстратом и удаления газообразных продуктов метаболизма.

Техническая готовность к использованию в народном хозяйстве позволяет организовать производство новых установок, например на Эстонском предприятии Кун- гла-Диалог,

Формула изобретения Установка для культивирования фото- синтезирующих микроорганизмов содержащая трубчатый светопрозрачный реактор с технологическими патрубками и систему рециркуляции культуральной среды, включающую подводящий и отводящий трубопроводы, отличающаяся тем, что, с целью повышения производительности за

счет более полного насыщения газообразным субстратом и удаления газообразных продуктов метаболизма, светопрозрачный реактор состоит по меньшей мере из пяти

отдельных секций, снабженных подводящим и отводящим коллекторами для распределения среды по этим секциям, подключенных к ним параллельно и соединенных соответственно с подводящим и

отводящим трубопроводами системы рециркуляции среды, при этом каждая из секций имеет на своих конечных участках запорные регулируемые клапаны, объединенные общими трубопроводами для подвода и отвода газов, причем на одной из секций перед коллекторами установлены дополнительные клапаны, служащие для периодического отключения этой секции.

Использование: биотехнология и микробиологическая промышленность, установки для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. Сущность изобретения: установка включает светопрозрачный трубчатый реактор, состоящий по меньшей мере из пяти отдельных секций, объединенных подводящим и отводящим коллекторами, связанных с системой рециркуляции среды. Каждая секция снабжена на своих конечных участках запорными регулируемыми клапанами с общими трубопроводами для подвода и отвода газов. На одной из секций перед коллекторами установлены дополнительные клапаны для периодического отключения этой секции от реактора. 3 ил.

Ч

1 20

17

Фиг.1

e

. г

12

Фиг.2

-I 1,0

0,8

Q

-С

S

0,6 S

S

о

1

0,4

я Ф к Ф fi

Г.1

0,Г