Биореактор для промышленного глубинного культивирования микроорганизмов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ БИОРЕАКТОР ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ГЛУБИННОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ(71) Заявители Мурашко Алексей Сергеевич Мурашко Сергей Петрович Табала Виталий Константинович Табала Константин Брониславович(72) Авторы Мурашко Алексей Сергеевич Мурашко Сергей Петрович Табала Виталий Константинович Табала Константин Брониславович(73) Патентообладатели Мурашко Алексей Сергеевич Мурашко Сергей Петрович Табала Виталий Константинович Табала Константин Брониславович(57) 1. Биореактор для промышленного глубинного культивирования микроорганизмов,содержащий герметичную емкость в виде осесимметричного тела с штуцерами для газовых и жидких потоков для установки датчиков систем контроля и управления, устройство для перемешивания, выполненное с возможностью создания над поверхностью суспензии микроорганизмов закрученного потока газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости, осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря, отличающийся тем, что внутренняя поверхность емкости выполнена из материала, не смачиваемого суспензией микроорганизмов, с краевым углом смачивания водных субстратов на твердых поверхностях более 90. 2. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность емкости выполнена из материала ультра эвер драй.(56) 1. Аиба Ш., Хемфри А., Миллис Н. Биохимическая технология и аппаратура перевод с английского / Под ред. Г.К.Скрябина, П.И.Николаева. - М. Пищевая промышленность,1975. - 286 с. 2. Заявка РСТ 92/05245, МПК 12 1/04, 1992. Полезная модель относится к биотехнологии, преимущественно к разделу производства биологического сырья для синтеза искусственного топлива, может быть использована в сельском хозяйстве для производства кормов, в микробиологической промышленности для культивирования микроорганизмов. При промышленном глубинном культивировании микроорганизмов в закрытых биореакторах с целью получения целевого продукта важную роль играет возможность снижения энергозатрат на процесс перемешивания. Известно два способа перемешивания жидкости - с помощью помещенного в нее механического устройства и за счет продувки ее газом (аэрлифтное и барботажное) 1. Недостатком способа перемешивания с помощью механического устройства является то, что для многих культур микроорганизмов из-за хаотичного перемешивания не обеспечивается достаточный поверхностный массообмен. Кроме этого, образующиеся в процессе перемешивания высокотурбулентные зоны создают неравномерный подвод питания клеткам и отвод метаболитов. Из-за механического воздействия лопастей мешалки и возникающих срезающих напряжений возле них культивируемые микроорганизмы с нежными клеточными стенками гибнут. Недостатком аэрлифтного и барботажного способов перемешивания является то, что из-за низкой интенсивности перемешивания и, как следствие, слабого подвода питания и отвода метаболитов они не пригодны для культивирования микроорганизмов с активной жизнедеятельностью. Всплывающие вверх пузырьки газа из-за резкого перепада давления схлопываются и при контакте с чувствительными клетками губят их. Кроме этого, при перемешивании аэрлифтным или барботажным способами происходит обильное пенообразование. Для гашения пены требуется введение в суспензию микроорганизмов химических пеногасителей. Это ухудшает качество целевого продукта,усложняет технологический процесс культивирования. Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является аппарат для суспензионного культивирования микроорганизмов, содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и устройство для перемешивания среды, содержащее горизонтальное лопастное колесо, размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, и расположенную под ним кольцевую пластину с центральным отверстием для отвода газа, прикрепленную по периферии к стенке емкости с образованием кольцевой полости вокруг колеса 2. В кольцевой перегородке для прохода газа выполнены щелевые отверстия, расположенные равномерно по окружности под наклоном к горизонтальной плоскости. Перемешивание в аппарате осуществляется с помощью закрученного потока газа над поверхностью суспензии с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости,осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря. За счет трения газового вихря на границе раздела фаз газ-жидкость и разницы давления между периферией и центром обеспечивается движение суспензии в виде вихревого кольца, вращающегося относительно оси емкости с одновременным нисходящим движением на периферии емкости и восходящим в приосевой. Недостатком такой конструкции устройства для перемешивания среды является то,что ее масштабирование для применения в биореакторах с объемом емкости до 30 м 3 и более неэффективно из-за более высоких удельных энергозатрат на процесс культивирования. 2 97972013.12.30 Техническая задача, решаемая в настоящей полезной модели, состоит в снижении сопротивления перемешиванию суспензии микроорганизмов на границе жидкость-твердое тело. Технический результат, получаемый при реализации настоящей полезной модели, состоит в повышении эффективности биореактора глубинного культивирования микроорганизмов с объемом емкости до 30 м 3 и более за счет уменьшения энергозатрат на процесс перемешивания, сокращения количества периодов и времени на его промывку и стерилизацию. Решение задачи достигается тем, что в предлагаемом биореакторе для промышленного глубинного культивирования микроорганизмов, содержащем герметичную емкость в виде осесимметричного тела вращения с штуцерами для газовых и жидких потоков для установки датчиков систем контроля и управления, устройство для перемешивания, выполненное с возможностью создания над поверхностью суспензии микроорганизмов закрученного потока газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости,осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря, внутренняя поверхность емкости выполнена из материала, не смачиваемого суспензией микроорганизмов, с краевым углом смачивания водных субстратов на твердых поверхностях 90. Как вариант внутренняя поверхность емкости выполнена из материала ультра эвер драй . Полезная модель поясняется фигурами. На фиг. 1 приведен вид биореактора для промышленного глубинного культивирования микроорганизмов в разрезе, на фиг. 2 - вид биореактора сверху. Биореактор для промышленного глубинного культивирования микроорганизмов состоит из герметичной емкости 1 в виде осесимметричного тела вращения с соосным телом 2 внутри, соединяющим дно с ее верхом. В верхней части тела 2 имеется отверстие 3. Конфузор 4 соединяет отверстие 3 с входным отверстием вентилятора 5. Выходное отверстие вентилятора 5 соединено патрубком 6 с боковой наружной поверхностью 7 емкости 1 выше максимального уровня суспензии микроорганизмов 8. Биореактор работает следующим образом. В емкость 1 через штуцер для жидких потоков заливают жидкую питательную среду с необходимыми компонентами. Поток газа из верхней части емкости 1 через отверстие 3 и конфузор 4 направляется вентилятором 5 по патрубку 6 через боковую наружную поверхность 7 емкости 1 в ее внутреннюю периферию. Над поверхностью жидкости образуется закрученный поток газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости 1, осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря. Закрученный поток газа за счет трения на границе раздела фаз газ-жидкость и разницы давления между периферией и центром газового вихря обеспечивает движение жидкости в виде квазистационарного вихревого кольца, вращающегося относительно оси емкости 1 с одновременным нисходящим движением на ее периферии и восходящим в приосевой зоне. Затем в жидкую питательную среду вводят посевной материал микроорганизмов до достижения необходимой начальной плотности. Происходит эффективное перемешивание суспензии микроорганизмов без образования пены, гидроударов, кавитации, высокотурбулентных и застойных зон. Предлагаемый биореактор применяется при периодическом, полунепрерывном и непрерывном способах глубинного культивирования микроорганизмов. При периодическом культивировании внесение посевного материала в питательную среду производится однократно в начале процесса. При достижении заданной фазы развития биомасса выводится из емкости 1 через штуцер для жидких потоков. 3 97972013.12.30 При полунепрерывном культивировании полная загрузка и разгрузка емкости 1 осуществляются так же однократно. Однако в процессе культивирования часть биомассы выводится, а в освободившийся объем добавляется свежая питательная среда. При непрерывном процессе культивирования питательная среда подается в емкость 1 непрерывно и забор биомассы и продуктов их жизнедеятельности также осуществляется непрерывно. Применение для внутренней поверхности емкости объемом до 30 м 3 и более материала с краевым углом смачивания водных субстратов на твердых поверхностях 90 позволяет уменьшить сопротивление движению суспензии микроорганизмов на границе фаз жидкость-твердое тело и, следовательно, энергозатраты на процесс перемешивания. Кроме этого, благодаря квазистационарному вихревому движению суспензии на материале с краевым углом смачивания водных субстратов на твердых поверхностях 90 не происходит нарастание биомассы микроорганизмов в процессе культивирования. Газовый вихрь также предотвращает осаждение капель суспензии на внутренней поверхности емкости выше ее уровня. Это улучшает условия промывки и стерилизации емкости, сокращает количество периодов и время на ее промывку и стерилизацию. Как вариант внутренняя поверхность емкости может быть выполнена из материала ультра эвер драй. Этот материал имеет величину краевого угла смачивания 165-175(для стекла 51, нержавеющей стали 69, полиэтилена 92-95, тефлона 115120), температурный диапазон эксплуатации от - 34 С до 149, высокую абразивную стойкость (показатель 110 по Методу абразивной стойкости 4060-10). Материал ультра эвер драй хорошо покрывает металлические материалы и пластик, устойчив к кислотам, щелочам и маслам. Таким образом, предлагаемый по полезной модели биореактор для промышленного культивирования микроорганизмов позволяет повысить производительность процесса культивирования микроорганизмов, уменьшить энергозатраты на процесс культивирования, обеспечить возможность создания биореакторов различного объема, в том числе до 30 м 3 и более. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4