Способ культивирования микроорганизмов и установка для его осуществления

 

Использование: медицинская, микробиологическая и пищевая промышленность, способы и установки для культивирования микроорганизмов. Сущность изобретения: способ предусматривает выращивание микроорганизмов в водоминеральной питательной среде, циркулирующей между двумя зонами - для введения газового питания и потребления введенных газов микроорганизмами. Введение газов питания осуществляют через поверхность диффузионной мембраны, при этом регулируют скорость введения газов в зависимости от скорости роста микроорганизмов путем изменения парциального давления каждого из газов питания. Введение газов может осуществляться раздельно через поверхность ряда мембран. Установка для осуществления способа включает блок выращивания и блок переноса газов, последний представляет собой группы параллельных мембранных гидрофобных элементов, с образованием между их рядами полостей, сообщенных с источником газового питания. Блок переноса газов питания может быть выполнен по меньшей мере из двух параллельно расположенных групп трубчатых мембранных элементов, газовые полости которых в каждой группе соединены с отдельным источником газового питания. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к медицинской, микробиологической и пищевой промышленности, а именно к способам и установкам для культивирования микроорганизмов.

Целью изобретения является повышение степени использования вводимых в среду выращивания микроорганизмов источников газового питания микроорганизмов, снижение материалоемкости установки, повышение биологической безопасности процессов культивирования микроорганизмов.

Цель достигается тем, что перенос источников газового питания микроорганизмов осуществляется через одну или несколько поверхностей мембран посредством их диффузии в среду выращивания, при этом скорость переноса источников газового питания регулируется в зависимости от скорости роста выращиваемой культуры микроорганизмов изменением парциального давления каждого из источников газового питания в газовой фазе.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

Культивирование микроорганизмов осуществляют в жидкой водноминеральной среде, циркулирующей между зоной, в которой осуществляют введение газового питания, и зоной, в которой осуществляют потребление введенных газов и рост микроорганизмов. Процесс культивирования микроорганизмов осуществляют как в периодическом, так и в непрерывном режиме при температуре и рН среды выращивания, оптимальных для выращиваемой культуры микроорганизмов.

Газовое питание микроорганизмов подают через поверхности мембран, которые используются для обеспечения массопереноса газообразных веществ из газовой фазы, находящейся с одной стороны поверхности мембран, в среду выращивания микроорганизмов, находящуюся с другой стороны поверхности мембран. В используемых диффузионных мембранах перенос вещества осуществляется посредством молекулярной диффузии. Движущей силой массопереноса является разность массовых концентраций компонентов газового питания с разных сторон мембраны - со стороны газовой фазы и со стороны среды выращивания. Газовое питание поступает в среду выращивания микроорганизмов в растворенном виде и не происходит проникновения в нее газовой фазы в виде пузырьков, т.е. отсутствует газонасыщение среды выращивания микроорганизмов, и не происходит образования пены на поверхности жидкой фазы. Это позволяет рационально использовать объем установки для культивирования микроорганизмов с коэффициентом заполнения 90-95%.

В качестве диффузионных гидрофобных мембран могут быть использованы тонкие пленки, непроницаемые для газовой фазы, таких полимеров, как полиэтилен, фторопласт и других подобных материалов.

Газы питания через регуляторы давления и расхода подают в мембранные элементы, образованные мембранными поверхностями, по мере потребления их микроорганизмами в соответствии со стехиометрическими коэффициентами, характерными для данного вида микроорганизмов и используемого углеродного и энергетического питания. В среде выращивания поддерживают концентрацию растворенных газов на оптимальном уровне путем изменения парциального давления каждого из компонентов газового питания. Достигается практически полное (более 95%) использование всех компонентов газового питания, перенесенных в среду выращивания в результате того, что скорость подачи этих компонентов в среду выращивания через поверхность мембран определяется скоростью их потребления микроорганизмами.

Использование мембранных элементов исключает смешение газовой и жидкой фаз, т.е. микроорганизмы в среде выращивания не контактируют с газовой фазой, потребляя газовое питание в растворенном виде, а выходящая в атмосферу неиспользованная часть газовой фазы свободна от микроорганизмов. Таким образом, с одной стороны повышается экологическая безопасность процесса культивирования микроорганизмов, а с другой стороны микроорганизмы из газовой фазы не поступают в среду выращивания, что уменьшает вероятность ее заражения.

При использовании в качестве источников газового питания горючих газов при их смешении с воздухом может возникнуть взрывоопасная смесь. В предлагаемом способе горючие газы подают через индивидуальные поверхности мембран без их смешения с воздухом или кислородом в газовой фазе, что исключает возможность образования взрывоопасных газовых смесей.

Образующиеся в процессе культивирования микроорганизмов газообразные и летучие продукты метаболизма отводят из среды выращивания в газовую фазу через поверхности мембранных элементов путем направленной диффузии, скорость которой устанавливается регулятором расхода газового потока.

Отвод тепла, выделяемого в процессе культивирования микроорганизмов, частично осуществляют посредством испарения воды, диффундирующей через поверхность мембранных элементов в газовую фазу. Температуру среды выращивания устанавливают регулированием интенсивности испарения воды путем регулирования расхода и давления газового потока. Общие затраты энергии на процесс культивирования микроорганизмов уменьшаются за счет снижения затрат на подачу охлаждающей воды.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить степень использования источников газового питания, снизить материалоемкость оборудования, повысить биологическую безопасность процесса, в связи с тем, что перенос источников газового питания в среду выращивания и отвод газообразных и летучих продуктов метаболизма и выделяемого тепла осуществляют через одну или несколько поверхностей мембран посредством диффузии, при этом скорость переноса источников газового питания регулируют в зависимости от скорости роста микроорганизмов изменением парциального давления каждого из источников газового питания в газовой фазе.

Предлагаемый способ культивирования микроорганизмов дает возможность снизить стоимость эксплуатации благодаря снижению энергозатрат на отвод тепла и повысить взрывобезопасность процессов культивирования микроорганизмов в случае использования горючих газов.

Предлагаемый способ культивирования микроорганизмов реализуют на установке.

Способ поясняется фиг. 1-3.

Установка для выращивания микроорганизмов по предлагаемому способу (фиг. 1) состоит из мембранного блока 1, блока смешения 2, циркуляционного устройства (насоса) 3, соединенных между собой напорным 4 и обратным 5 трубопроводами.

Мембранный блок 1 содержит несколько трубчатых мембранных элементов 6, соединенных с обоих концов одним или несколькими фланцами 7, обеспечивая по крайней мере две зоны, разделенные гидрофобным полимером, образующим поверхность мембранных элементов. Внутренние полости мембранных элементов 6 посредством фланцев 7 соединены в единую гребенку и присоединены с одной стороны посредством трубопровода 4 к циркуляционному устройству (насосу) 3, с другой стороны трубопроводом 5 - к блоку смешения 2. Одна или несколько полостей 8, образуемых наружными поверхностями мембранных элементов 6, фланцев 7, наружных стенок мембранного блока 1 и разделительными стенками 9 и герметичных (непроницаемых для газовой фазы) относительно внутренних полостей мембранных элементов 6 и зон, образованных трубопроводами 4 и 5 и блоком смешения 2, имеет штуцеры 10 для подсоединения трубопроводов для подачи и отвода потоков газовой фазы одного или нескольких газов питания, снабженных регуляторами расхода и давления (на рисунке не показаны).

При использовании двух или более источников газового питания, например, воздух и природный газ при выращивании метанокисляющих микроорганизмов или воздух, водород и углекислый газ при выращивании водородокисляющих микроорганизмов, их подают каждый в отдельные полости, герметично изолированные друг от друга, например, посредством разделительных стенок 9.

Блок смешения 2 представляет собой емкость, в которой размещены датчики, необходимые для контроля и управления процессом выращивания микроорганизмов, а также теплообменное устройство для стабилизации температуры процесса, снабженное штуцерами для подвода и отвода теплоносителя (не показаны).

На блоке смешения 2 и трубопроводах 4 и 5 установлены соединения, необходимые для подвода и отвода жидкостных потоков, содержащих вещества, необходимые для процесса, а также суспензии, содержащей выращенные микроорганизмы.

На фиг. 2 представлен вариант установки, состоящий из мембранного блока 11, блока смешения 12, циркуляционного устройства 13, соединенных между собой напорным 14 и обратным 15 трубопроводами. Отличия варианта фиг. 2 от схемы, представленной на фиг. 1, заключаются в том, что внутренние полости мембранных элементов 16 с каждой стороны соединены с трубопроводами 19 подвода и отвода источников газового питания, а внешняя поверхность мембранных элементов 16 вместе со стенкой мембранного блока 11 образуют каналы 18 для прохождения водно-минеральной среды, содержащей микроорганизмы.

На фиг. 3 представлен вариант установки, содержащей несколько последовательно соединенных мембранных блоков 20 с гидрофобными диффузионными мембранными элементами и блоков смешения 21, соединенных трубопроводом подачи 22 с циркуляционным устройством (насосом) 23. С противоположной стороны установки смонтирован соединительный трубопровод 24. На мембранных блоках, блоках смешения и трубопроводах установлены соответствующие приспособления для подвода и отвода газовой и жидкой фазы, подвода и отвода теплоносителя и штуцеры для измерительных устройств.

В одном или нескольких блоках смешения установлены гидрофильные мембранные элементы 25, мембраны которых с одной стороны контактируют с внутренней полостью блока смешения 21, а с другой стороны образуют полость, соединенную с фланцевыми соединениями 26, к которым присоединены трубопроводы с соответствующими измерительными и регулирующими устройствами для подвода растворов питательных веществ и/или отвода растворенных продуктов метаболизма микроорганизмов.

Трубчатый мембранный элемент в одном из вариантов изготавливают из сетки из нержавеющей стали с размером ячеек 0,1-0,2 мм с внутренней спиральной насадкой для повышения каркасной устойчивости мембранного элемента и увеличения тангенциальной скорости потока внутри мембранной трубки. На поверхность сетки наносится гидрофобная пленка, непроницаемая для газовой фазы, например из полиэтилена или фторопласта. Присоединение мембранного элемента к фланцам мембранного блока и герметизация концов мембранного элемента может быть осуществлена отрезками труб, например, из силиконовой резины.

Установка (фиг. 1) работает следующим образом: среда выращивания, содержащая микроорганизмы, циркулирует посредством насоса 3 по трубопроводу 4 через мембранный блок 1, по обратному трубопроводу 5, через блок смешения 2 и далее в насос 3. В полости 8, образованные внешними поверхностями трубчатых мембранных элементов 6, через штуцеры 10 подводят газы питания. Среду выращивания при проходе через внутренние полости мембранных элементов 6 насыщают газами питания, которые диффундируют через поверхности гидрофобных мембран в указанную выше среду и растворяются в ней. Насыщенная растворенными газами питания среда выращивания по трубопроводу 5 поступает в блок смешения 2, где находится ее основная масса. Находящиеся в среде выращивания микроорганизмы потребляют растворенные газы и их количество и масса увеличиваются. Затем среда выращивания с микроорганизмами вновь поступает в насос 3 и циркулирует в замкнутом пространстве установки. При этом в одном варианте среда выращивания поступает в тот же мембранный блок 1, а в другом варианте - в другой, аналогичный первому и смонтированный в установке, параллельной ему.

Скорость движения среды выращивания в трубчатых мембранных элементах 6 и объем блока смешения выбирают исходя из вида выращиваемых микроорганизмов и их потребности в газах питания.

При выращивании микроорганизмов, использующих несколько различных газов питания, соединение которых по различным причинам нежелательно, мембранный блок 1 разделяют на соответствующее количество изолированных друг от друга полостей 8, в каждую из которых подают один из газов питания без их предварительного смешения.

Из этих полостей 8 газы диффундируют в среду выращивания. Причем перемешивание среды происходит в трубопроводе 5 и блоке смешения 2. Так, например, при выращивании метанокисляющих микроорганизмов в одну из камер подают воздух, из которого в среду выращивания переносится кислород, а в другую камеру подают метан или природный газ, из которого в среду выращивания переносится метан. В процессах выращивания водородокисляющих микроорганизмов, использующих три источника газового питания, предусматривают по крайней мере три камеры для переноса в среду выращивания отдельно соответственно кислорода, водорода и углекислого газа.

Следует отметить, что перенос балластных компонентов, содержащихся в газах питания, таких как, например, азот практически не происходит, поскольку первичный перенос их до равновесной концентрации между газовой и жидкой фазой приводит к тому, что в процессе работы установки движущая сила переноса через поверхность мембраны равна нулю.

Поскольку в процессе выращивания микроорганизмов образуются летучие и газообразные продукты метаболизма, такие как углекислый газ, то их концентрация в среде выращивания приводит к образованию движущей силы переноса из среды выращивания в газовую фазу и, следовательно, к удалению этих компонентов через поверхность мембранных элементов в газовые потоки, содержащие газы питания. Аналогично, в связи с тем, что подаваемые газы питания не насыщены влагой, происходит диффузия воды через поверхность мембранных элементов, ее испарение на внешней поверхности мембранных элементов и, как следствие, отвод части тепла, образующегося в процессе культивирования.

В варианте установки, представленном на фиг. 2, суспензия, содержащая микроорганизмы, циркулирует через полость 18, образованную внешними поверхностями мембpанных элементов, а газы питания через трубопроводы 17 подводят во внутренние полости мембранных элементов 16 и отводят из них. В остальном установка работает аналогично варианту фиг.1.

При использовании двух и более газов питания мембранные элементы 16 соединяют трубопроводами 17 в соответствующее количество групп, в каждую из которых подают один из газов питания по своим трубопроводам, снабженным необходимыми измерительными и регулирующими средствами. Поскольку происходит перемешивание суспензии микроорганизмов в объеме полости 18, растворенные газы, поступающие из всех мембранных элементов распределяются по всему объему полости 18 и окончательно смешиваются в трубопроводе 15 и блоке смешения 12.

Изображенная на фиг. 3 установка работает следующим образом. Блоки смешения 21 чередуют с мембранными блоками 20, причем эти чередующиеся блоки образуют замкнутое кольцо с помощью напорного 22 и соединительного 24 трубопроводов. В напорном трубопроводе 22 смонтировано перекачивающее устройство (насос) 23 для среды выращивания. Эта среда последовательно проходит через все блоки смешения 21 и мембранные блоки 20, в которых она обогащается газами питания. При этом каждый мембранный блок 20 может быть использован для диффундирования одного или нескольких газов питания, для чего его соединяют с источниками газового питания с трубопроводами (на фиг. 3 не показаны). Установку оборудуют штуцерами для подвода и отвода потоков жидкой фазы, а также необходимой измерительной и регулирующей аппаратурой.

При осуществлении процесса культивирования микроорганизмов в описанных установках циркуляцию среды выращивания производят таким образом, что отсутствует разрыв струи циркулирующей жидкости. Это приводит к тому, что затраты энергии на циркуляцию среды выращивания приходятся только на преодоление гидравлических сопротивлений по пути потока, и энергия не тратится на создание напора для преодоления столба жидкости, что приводит к существенному снижению энергетических затрат в процессе культивирования микроорганизмов.

Отсутствие газовых пузырей и мягкие режимы перемешивания позволяют использовать способ и установку для выращивания культур клеток тканей.

Поскольку перенос газов питания в среду выращивания осуществляют через поверхность мембраны, непроницаемой для газовой фазы, то не требуется дополнительных затрат на стерилизацию входных газовых потоков, а также затрат на очистку выходящих газовых потоков.

Введение растворенных источников питания через гидрофильные мембраны позволяет исключить также стерилизацию жидкостных потоков и обеспечить асептический процесс без специальных мер защиты.

Таким образом, установка имеет простое техническое решение, позволяющее снизить энергозатраты процесса культивирования микроорганизмов в связи с отсутствием затрат на диспергирование газовой фазы и снижением энергозатрат на циркуляцию среды выращивания.

П р и м е р 1. Для выращивания культуры Saccharomyces cerevisiae использовали установку (фиг. 1) с общим объемом 80 л. Рабочий объем, занимаемый водно-минеральной средой, составлял 70-75 л. Мембранные элементы длиной 0,5 м и диаметром 14 мм образованы сеткой из нержавеющей стали с ячейками 0,1 мм, покрытой полиэтиленовой пленкой толщиной 0,02 мм. Во внутренней полости мембранного элемента по его длине помещена спираль из нержавеющей стали с толщиной провода 1,2 мм, прилегающая к поверхности сетки. Водно-минеральная среда циркулировала по внутренней полости мембранных элементов.

Выращивание Saccharomyces cerevisiae осуществляли в периодическом режиме с непрерывной подачей концентрированной питательной среды, содержащей сульфат аммония, диаммонийфосфат, хлористый калий и мелассу.

Процесс выращивания осуществляли при 30-32^оС, рН среды выращивания 4,6-4,8. Значение рН поддерживали, используя 12%-ный раствор аммиачной воды. Источник кислорода - воздух подавали в количестве 375 л/ч через регуляторы расхода и давления в полости с внешней стороны мембранных элементов. Уровень растворенного кислорода в жидкой фазе определяли датчиком растворенного кислорода. По мере роста микроорганизмов и потребления ими кислорода содержание растворенного кислорода снижалось. Для установления содержания растворенного кислорода на оптимальном уровне изменяли парциальное давление кислорода в полостях, увеличивая расход воздуха до 1875 л/ч. Введенный в среду выращивания кислород в растворенном виде использовали на 98%.

Тепло, выделяемое в процессе культивирования микроорганизмов, частично отводили за счет испарения воды, проходящей через мембранные элементы в воздушный поток. Регулирование температуры процесса осуществляли подачей охлаждающей воды в теплообменник аппарата.

Образующийся в процессе углекислый газ удаляли из среды выращивания через поверхность мембранных элементов в воздушный поток. Уровень растворенного углекислого газа в процессе культивирования не превышал 10-20 мг/л. Контроль выходящего из аппарата воздушного потока показал отсутствие в нем клеток дрожжей-продуцента.

П р и м е р 2. Осуществляли выращивание культуры Methylococcus capsulatus штамм ВСБ-874 в непрерывном режиме на установке (фиг.1) с непрерывной подачей питательной среды, содержащей ортофосфорную кислоту, хлористый калий, борную кислоту, сернокислые соли магния, марганца, цинка, меди, железа, кобальта.

Процесс выращивания осуществляли при температуре 42^оС и рН среды выращивания 5,6-5,8. Значение рН поддерживали 12%-ным раствором аммиачной воды. Общий объем установки 80 л, рабочий объем 75 л. Источник кислорода - воздух и углерода - природный газ подавали в изолированные друг от друга полости с внешней стороны мембранных элементов, что исключало их смешение в газовой фазе. Соотношение площади мембранных элементов, контактирующих с воздухом и природным газом, составляло 5:1, расход воздуха 10 л/ч на 1 л среды выращивания, природного газа - 1 л/л.ч. По мере роста культуры микроорганизмов расходы воздуха и природного газа повышали соответственно до 45 и 7,5 л/л. ч. В непрерывном режиме получена концентрация биомассы 12 г/л при скорости протока 0,25 1/ч.

Регулирование температуры и отвод газообразных и летучих метаболитов осуществляли аналогично примеру 1. Концентрация углекислого газа в выходящем воздушном потоке достигала 2 об.%, концентрация уксусной кислоты в среде выращивания не превышала 10 мг/л. Анализ выходящего воздуха показал отсутствие в нем клеток культуры-продуцента и метана.

Формула изобретения

1. Способ культивирования микроорганизмов в водоминеральной питательной среде, предусматривающий циркулирование среды между зоной, в которой осуществляют введение газового питания, и зоной, в которой осуществляют потребление введенных газов и рост микроорганизмов, отличающийся тем, что введение газов питания осуществляют через поверхность диффузионной мембраны, при этом в зависимости от скорости роста микроорганизмов регулируют скорость введения газов путем изменения парциального давления каждого из них.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании нескольких газов питания, введение каждого из них осуществляют раздельно через поверхность диффузионных мембран.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что продукты метаболизма и тепло, образующиеся в результате жизнедеятельности микроорганизмов, выводят через поверхности мембран.

4. Установка для культивирования микроорганизмов, содержащая блок выращивания и блок переноса газов питания в жидкую питательную среду, соединенные друг с другом системой трубопроводов с циркуляционным насосом, отличающаяся тем, что блок переноса газов питания представляет собой группы параллельных диффузионных мембранных гидрофобных элементов с образованием между их рядами полостей, сообщенных с источником газового питания.

5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что блок переноса газов питания выполнен по меньшей мере из двух параллельно расположенных групп трубчатых мембранных элементов, газовые полости которых в каждой группе соединены с отдельным источником газового питания.

6. Установка по пп.4 и 5, отличающаяся тем, что она включает по меньшей мере две последовательно соединенные группы трубчатых мембранных элементов, каждая из которых образована последовательно расположенными блоками выращивания и переноса газов питания.

7. Установка по пп.4 - 6, отличающаяся тем, что по крайней мере в одном блоке выращивания установлены гидрофильные мембраны, поверхность которых служит для подачи питательной среды и отвода продуктов метаболизма микроорганизмов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3