Реактор для культивирования водородных бактерий Советский патент 1982 года по МПК C12M1/00 

1

Изобретение относится к реакторамэлектролизерам, рредназначенным для выращивания водородных бактерий, которые могут быть использованы в качестве одного из звеньев биологотехнических систем жизнеобеспечения (для регенерации атмосферы в замкнутых объемах), а также для производства биомассы, используемой в качестве белковой добавки в кормовой или пищевой рацион.

Водородркисляющие бактерии Alcaligenes eutropha относятся к хемолитотрофным микроорганизмам, использующих в качестве энергетического субстрата молекулярный водород, а качестве источника углерода - углекислоту, а в качестве источников азота, фосфора и других элементов простые неорганические соединения, водный раствор которых является питательной средой.

При насыщении такой питательной среды (с внесенной культурой, бактерий) водородом и кислородом происходит окисление водорода клетками и за счет образующейся энергии АТФ синтез клеточного вещества при условии подачи в раствор углекислоты. Культивирование бактерий может осуществляться в периодическом и непрерывном режимах..

Известен реактор для культивирова,0 ния водородных бактерий, содержащий емкость и патрубки для подвода и отвода питательной среды и размещенные в емкости анод и катод 1.

Однако производительность этого

,5 реактора невысока, из-за ингибирования роста клеток высоким парциальным давлением кислорода.

Кроме того, скорость роста бактерий замедляется из-за неравномерного распределения газовых компонентов в культуральном объеме. В этом реакторе невозможно также обеспечить отделение чистого кислорода, непотребляемого бактериями. 3 Цель изобретения - повышение производительности реактора. Цель достигается тем, что. в реакторе для культивирования водородных бактерий, содержащем емкость с патрубками для подвода и отвода питательной среды и размещенные в емкости анод , и катод, анод и катод вы полнены в виде решеток, установленны поочередно одна за другой перпендику лярно потоку питательной среды, при этом емкость снабжена расположенными снаружи камерами, отделенными от внутреннего пространства емкости анионообменными мембранами, причем IB каждой камере установлен дополнительный анод. На фиг. 1 изображена принципиальная схема реактора; на фиг. 2 - реак тор в аксонометрии; на фиг. 3 - график скорости роста клеток. Реактор для культивирования водородных бактерий, содержит емкость 1 с патрубками 2. и 3 для подвода и отвода питательной среды и размещенные в емкости анод k и катод 5, выполнен ные в виде решеток и установленные п очередно друг за другом перпендикуля но потоку питательной среды. Снаружи емкость снабжена камерами 6 и 7 отделенными от внутреннего пространства емкости 1 катионообменными мембранами 8 и 9. В камерах 6 и 7 установлены дополнительные- аноды 10 и 11 Трубопровод 12 служит для перемещения питательной среды насосом 13. Теплообменник преу назначен для ох лаждения питательной среды. Фотоэлектрокалориметр 15 с проточной кювето используется для контроля концентрации клеток. Для подачи углекислого газа используется барботёр (на фиг. не показан). Расстояние между решетками анода и катода 55-7 мм, а между электродами в решетке - 3-7 мм. В качестве электролита в камерах 6 и 7 использован 0,1-0,3 н. раствор . Предлагаемый реактор работает сле дующим образом. Насосом 13 питательная среда прок

чивается через емкость 1. При подаче напряжения на анод и катод 5 установленные перпендикулярно потоку питательной среды, на катоде 5 выделяется водород, а на аноде f - кислород, на-55 сыщающие питательную среду.

На дополнительных анодах 10 и 11 при подаче на них напряжения выделявающий устойчивый биосинтез бактерий. Контроль за скоростью роста бактерий и изменением их концентрации осуществляется с помощью фотоэлектрокалориметра 15.

Выполнение в реакторе анода и катода в виде решеток, установленных поочередно одна за другой перпендику75ется кислород, предназначенный для дыхания.Подачей углекислого газа в реактор создают условия, необходимые для устойчивого биосинтеза бактерий. Условия жизнедеятельности клеток улучшаются при работе дополнительных анодов 10 и 11, так как снижается парциальное давление выделяемого кислорода. Возможность независимого изменения токовых нагрузок на аноды k емкости 1 и аноды 10 и 11 камер 6 и 7 позволяет обеспечить оптимальное соотношение кислорода и водорода в широком интервале концентрации клеток. Выделение кислорода в камерах 6 и 7 и утилизация в емкости 1 эквивалентного количества углекислого газа дает возможность п|рименять предлагаемый реактор для регенерации атмосферы в замкнутых биолого-технологических сисремах жизнеобеспечения. При выделении кислорода на дополнительных анодах 10 и П происходит подкисление электролита в камерах 6 и 7 и эквивалентное подщелачивание среды в емкости 1. Стабилизация рН достигается применением катионообцённых мембран и 0,1-0,3н. раствора HnSO в камерах 6 и 7. При этом перенос электричества через мембрану обеспечивается потоком Н-ионов,направленным от анодов 10 и 11 в емкость 1, где происходит нейтрализация образу|6щихся гидроксильных ионов. Установка решеток анода и катода 5 с зазором мм и выполнение электродов в каждой решетке на расстоянии 3-7 мм друг от друга обеспечивают оптимальные условия совмещеннь1х процессов электролиза и биосинтеза. Чередование анодов 4 и катодов 5 и направление среды перпендикулярно поверхности решеток приводит к уменьшению зон с высоким парциальным давлением газов и улучшает условия развития клеток. При подаче через барботёр углекислого газа достигается oптимaльныj состав газовой атмосферы., обеспечилярно потоку питательной среды, снабжение емкости расположенными, снаружи камерами отделенными от внутреннего пространства емкости анионообменными мембранами, и снабжение камер дополнительными анодами позволяет увеличить скорость роста клеток в реакторе в сравнении с известным устройством. Как видно из графика (фиг. 3) скорость роста клеток в известном устройстве (кривая 1) значительно меньше, чем в предлагаемом (кривая 2) так как в известном для электролиза среды используются только два электрода (анод и катод), в результате чего водород и кислород получаются в соотношении 2:1 2E(jO - 2H(j + О, а в предлагаемом устройстве водород и кислород долучаются в соотношении 3:1.

бН. С0г2. () + где (ШпО) - условное обозначение клеточного вещества.

Удельная скорость роста, опреде.ляемая как

1 dC

Л- С Жв известном устройстве не превышает Д 0,05-0,07 а в предложенном устройстве/i 0,1-0,12 ч1

Таким образом, производительность предложенного реактора примерно в 2 раза выше производительности известного.

Формула изобретения

Реактор для культивирования водородных бактерий, содержащий емкость и патрубки для подвода и отвода питательной среды и размещенные в емкости анод и катод, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, анод и катод выполнены в виде решеток, установленных поочередно одна за другой перпендикулярно потоку питательной среды, при этом емкость снабжена расположенными снаружи камерами, отSH O, деленными от внутреннего пространства емкости анионообменными мембранами, причем в каждой камере установле дополнительный анод.

ч

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР ff 312869, кл. С 12 М 1/00, 1970.