Аппарат для культивирования микроорганизмов на газообразных субстратах

 

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 CO<SB POS="POST">2</SB> 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) (И) А1 (51)5 С 12 3 00 ° с. рр

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОЬГФ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

0GVAAPCTBEHHblA Н0МНТЕТ

r10 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ .СССР

1 ((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 ¹ 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, Алпарат

2 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 в качестве компенсатора ее деформации по объему снабжена повторителем 3 давления, полость задатчика 26 повторителя 3 давления для обеспечения некоторого запаздывания в,выравивании давлений внутри емкости 2 пе-, еменного объема и ее кожухе 25 связана с выходом газовой смеси из емкости 2 переменного объема через реI

N z

1541260

4 нейтрального положения, анализаторы

12-14 газов подключены параллельно основному контуру рециркуляции газов, 5 вход в них осуществлен через регулиpyemiA пневмодроссель 11 непосредственно из газовой полости ферментера

1, а выход подключен к входу в побудитель 10 расхода. l э.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к микробиологической промышленности.

Целью изобретения является повышение производительности.

На чертеже изображена принципиальная схема аппарата для культивирова- 20 ния микроорганизмов на газообразных субстратах.

Аппарат содержит ферментер 1 и контур рециркуляции газовой смеси, включающий соединенные соответствую- 25 шими трубопроводами емкость 2 переменного объема с повторителем 3 давления и пневмодросселями 4 и 5, осушигель 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 íà СН„, на О и СО (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 45 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 кото" рого установлен биофильтр 23.

Емкость 2 переменного объема выполнена из эластичного или упругого

55 материала (резина, резиноткань, полимерные пленки и т.п.) и шаблона распорно-стягивающей пружины 24 внут40 гулируемый пневмодроссель 5, а исполнительная полость 27 этого повторителя 3 соединена с герметичным кожухом 25, емкость переменного объема

2 может быть оборудована распорностягивающей пружиной 24 для увеличе" ния упругости этой емкости 2 при нарастании отклонения ее объема от

l 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 СН, О и

СО, 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 ll позволяет обеспечить сохранение величины протока смеси газов через анализаторы 12-14 в необходимых по их технологическим требованиям пределах.

41260

5 15

Подключение входа в анализаторы газов к газовой полости ферментера

1 обеспечивает кратчайший путь доставки пробы газовой смеси непосредственно из ферментера в эти анализа— торы, что значительно ускоряет поступ ление соответствующей информации от анализаторов 12-14 к регуляторам 2931 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, нейтраль ное 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 передатьсю в полость 26 повторителя 3 из-за сопротивления пневмодросселя 5. В результате давление воздуха в 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 возду— ха в жестком герметичном кожухе 25 по причине таких компенсирующих дес формаций 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.

l !

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

3S

55 повторитель 3 в кожух 25, что уравновешивает положение емкости.

По мере прохождения биохимического процесса в ферментере 1 часть метана и кислорода постепенно усваивается клетками культуры, а в газовую смесь выделяется СО>. Анализатор 14 СО> подает сигнал о повышении содержания

СО в смеси на регулятор 31, по команде которого открывается управляющий клапан 7 и часть из основного потока рециркуляции, определяемая пневмодросселем, проходит через поглотитель 8 углекислоты, в результате чего содержание СО> в смеси уменьшается. Как только величина СО.> в газовой смеси достигает нижнего заданного уровня, регулятор 31 закрывает клапан 7 и поглощение СО прекращается до достижения вновь верхнего заданного в регуляторе 31 уровня концентрации СО .

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 <1>ерл1ептере 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 правило> 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, могуших вызвать не>келательное 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 эластич1541260

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 воэможность подстройки "на ходу всей системы совместного регулирования концентрации газов и давления при изменениях объема заполнения ферментера жидкостью или скоростей истечения газов через клапаны 16-.18 при их от крытии, В этом случае, если повышение или понижение давления в системе ферментации связаны с изменением устав, ки регулятора 21 давления и носят длительный характер, пневмодроссель не препятствует срабатыванию повто рителя 3 и соответствующему выравни. ванию 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 измене- ний давления.

Такой режим работы может быть вызван изменением уставки величины заданного избыточного давления в регуляторе 21 или изменением уставок величины заданных концентрацией СН,» или О . (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 »икровзрывами (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 это»у растянутая пружина 24 и немного 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 СН и О в нем, поэтому вслед за подачей азота по командам регуляторов 29 и 30 открывают клапаны 17 и 18 подачи СН+ и О . 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 кохсухе 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 указанному.

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 и з о б р е т е н и я

1. Аппарат для культивирования микроорганизмов на газообразных субстратах, содержащий ферментер, регуляторы давления и концентрации газов, контур рециркуляции газовой смеси с емкостью переменного объема, побудителем рас" хода смеси газов, осушителем, анализаторами газов, поглотителем СО и устройством подпитки, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения производительности, он снабжен повторителем давления, тремя регулиСоставитель Г.Богачева

Техред M.Õîäàíè÷ Корректор О.Кравцова

Редактор И.Горная

Тираж 477

Подписное

Заказ 264

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

11 3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101

10 руемыми пневмодросселями и герметич- причем вход анализаторов через треным кожухом, при этом емкость пере-, тий регулируемый пневмодроссель подменного объема заключена в герметич- соединен непосредственно к выходной ный кожух и выполнена из эластичного газовой полости ферментера, а выход или упругого материала, а полость

5 анализаторов — к всасывающему патрубзадатчика повторителя через один из ку побудителя расхода смеси газов, а регулируемых пневмодросселей связана анализаторы газов установлены паралс магистралью выхода газовой смеси лельно контуру рециркуляции газовой из емкости переменного объема, испол- 10 смеси. нительная полость этого повторителя 2. Аппарат по п.1, о т л и ч а юсоединена с герметичным кожухом и вто- шийся тем, что емкость переменрым регулируемым пневмодросселем, ного объема снабжена пружиной.