Способ культивирования микроорганизмов и аппарат для его осуществления

 

Использование: микробиологическая промышленность, культивирование микроорганизмов на жидких питательных средах в суспензии. Сущность изобретения: способ предусматривает выращивание микроорганизмов на жидкой питательной среде при аэрации путем барботажа, который проводят подачей воздуха. Перед барбатажем осуществляют обработку клеток в газо-жидкостном эжектроре в течение 0,005 - 0,04 с, при массовом соотношении культуральной жидкости к воздушному потоку от 1 ^oC 25000 до 1 ^oC 100000 соответственно. Аппарат для осуществления способа содержит емкость, в нижней части которой установлен аэратор из горизонтальных перфорированных труб, по меньшей мере одна из которых снабжена эжектором с центральным напорным воздушным соплом с внешней трубчатой перфорированной насадкой для предварительного газонасыщения жидкости. 2 с. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способам культивирования микроорганизмов, в частности дрожжей и устройствам для их осуществления.

Известны способы выращивания микроорганизмов на питательных средах, подвергаемых аэрированию и перемешиванию, заключающиеся в обработке посевного материала действием высокой чистоты [1] микроорганизмов "сорняков" [2] и т.п.

Недостатком этих способов является сложная технология обработки, затрудняющая их промышленное использование или понижение качества целевого продукта за счет снижения чистоты посевного материала.

Прототипом заявляемого способа является способ выращивания дрожжей с использованием перемешивания, аэрации и пеногашения. Процесс ведется при воздействии на культуру пульсирующего потока воздуха под давлением 1,7-1,8 ата для повышения выхода биомассы и снижения пенообразования [3] Недостатком прототипа-способа является трудность регулирования процесса в промышленных условиях, небольшое воздействие на эффективность процесса.

Для осуществления культивирования используют различные аппараты.

Известен аппарат для культивирования микроорганизмов, содержащий емкость с технологическими патрубками для подвода сырья, вспомогательных материалов, воздуха и отвода готового продукта и размещенное в ней устройство для аэрации, состоящее из вращающегося вертикального распределительного коллектора и пространственно расположенных в объеме барботажных труб [4] Известен аппарат для культивирования микроорганизмов, содержащий емкость с технологическими патрубками для подвода сырья, вспомогательных материалов, воздуха и отвода готового продукта и размещенное в этой емкости аэрационное устройство, состоящее из коллектора и барботажных труб [5] Недостатками обоих описанных аппаратов является неравномерность распределения посевного материала по высоте из-за наличия градиента давления по высоте емкости, что приводит к невысокому выходу микробной биомассы. Попытки сделать композицию более однородной за счет увеличения скорости перемешивания приводят к повреждению растущих клеток.

Современные технологии получения биомассы микроорганизмов предполагают переработку концентрированных сред. При этом возникает так называемый "эффект стеснения", т.е. большое количество микробных клеток в единице объема. Это существенно тормозит процесс обмена в клетке из-за негативного влияния продуктов метаболизма клеток.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является аппарат, состоящий из емкости, снабженной аэрационным устройством, содержащим барботажную систему, и вынесенный из аппарата жидкостно-газовый эжектор [6] Недостатками прототипа являются громоздкость, сложность, связанная с обязательным включением в технологическую схему насоса, использование выносного эжектора. Все это значительно усложняет стерилизацию и в аварийных условиях может привести к нежелательным экологическим последствиям. Кроме того, используемая система требует значительного расхода воздуха, что не позволяет увеличить удельную производительность аппарата.

Использование прототипа не позволяет использовать высококонцентрированные питательные среды и достигать высокого накопления микробной биомассы в единице объема.

Задачей изобретения является разработка технологии и аппаратуры, позволяющей повысить съем биомассы микро- организмов.

Было найдено, что достичь этого эффекта удается, подвергая микроорганизмы в ходе культивирования периодическому кратковременному (0,005-0,04 с) воздействию больших концентраций воздуха (соотношение массовое газ:культуральная жидкость 1:2500 1:100000).

Для достижения большего снижения времени обработки и повышения соотношения воздух: культуральная жидкость необходимо существенное усложнение аппаратуры процесса. При меньшем соотношении и большем времени контакта эффективность воздействия снижается.

Для осуществления предлагаемой технологии в стандартном аппарате, состоящем из емкости с технологическими патрубками для подвода сырья, вспомогательных материалов, аэрационного устройства последнее выполнено в виде перфорированных труб, расположенных горизонтально дну, причем по крайней мере один из элементов трубы выполнен в виде газо-жидкостного эжектора с центральным напорным воздушным соплом.

В результате использования данного аппарата происходит периодическое всасывание части культуральной жидкости в эжектор, где она подвергается кратковременному стрессовому воздействию больших количеств кислорода. Наряду с этим использование указанного устройства способствует исключению возможности появления режима "стеснения" клеток и лучшего перемешивания.

На фиг. 1 изображен предлагаемый аппарат, продольный разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 узел I на фиг. 2, вариант выполнения эжектора; на фиг. 4 то же, другой вариант выполнения эжектора.

Аппарат содержит емкость 1 с технологическими патрубками 2 для подвода сырья, вспомогательных материалов, воздуха и отвода готового продукта и размещенное в этой емкости аэрационное устройство 3, состоящее из коллектора 4 и барботажных труб 5. Начальный участок каждой из труб выполнен в виде газожидкостного эжектора 6. Эжектор включает коаксиальные центральное высоконапорное воздушное и внешнее жидкостное (для культуральной среды) сопла 7 и 8, камеру 9 смешения и диффузор 10. При этом возможны различные варианты исполнения. Два из возможных вариантов представлены на фиг. 3 и 4, когда перфорированный отверстиями 11 раздачи воздуха участок барботажной трубы начинается вниз по потоку за эжектором (фиг. 3) и над ним (фиг. 4).

Аппарат работает следующим образом.

В соответствии с технологической схемой культивирования микроорганизмов в емкость 1 через технологические патрубки 2 поступают в определенной дозировке сырье, вспомогательные материалы и воздух. Воздух поступает в коллектор 4 и из него в сопло 7 эжектора. В сопле 7 поток воздуха поджимается, происходит его ускорение и понижение статического давления в выходном сечении сопла. Поскольку статическое давление поперек коаксиальных потоков (рассматриваем для примера дозвуковой эжектор) выравнивается, то в выходном сечении жидкостного сопла 8 устанавливается это пониженное давление, за счет чего и осуществляется (при неизменном полном давлении жидкой среды) эжектирование культуральной жидкости из ее нижних слоев.

В камере эжектора 9 струи воздуха и культуральной среды смешиваются, в результате чего происходит кратковременное попадание клеток в пересыщенную воздухом среду при интенсивном перемешивании, при этом происходит разрушение агломератов клеток, возникших в ходе роста в "спокойной" части аппарата, частичное насыщение среды кислородом воздуха. Далее предварительно насыщенная среда и неиспользованный воздух поступает через раздаточные отверстия 11 в емкость 1, где происходит окончательное аэрирование среды, при этом дополнительно происходит повышенное, по сравнению с простым барботированием, насыщение среды кислородом воздуха.

Подбор оптимальных геометрических и газодинамических параметров эжектора в каждом конкретном случае указанного режима осуществляется предварительным расчетом известными инженерными методами.

Особенностью заявленного способа является использование воздушного потока, подаваемого в аппарат в качестве стрессового стимулятора жизнедеятельности клеток, что позволяет вывести их из стадии пассивного развития.

Предлагаемое устройство для осуществления способа характеризуется исключительной простотой изготовления, возможность легкой переделки стандартной аппаратуры культивирования. В ходе его работы аэрирующее устройство выполняет несвойственные ему функции, а именно осуществляет функции дополнительной емкости, где происходит воздействие на клетку больших объемов газа, а также за счет образования высокоскоростных микропотоков смеси культуральной жидкости и воздуха при выходе из трубы предотвращает возможность образования "суперагрегатов" клеток в объеме аппарата, что также повышает его эффективность. Следующие примеры иллюстрируют изобретение.

П р и м е р 1. Для исследования используют дрожжи Saccaromyces cerevisiae paca X11, применяемые для сбраживания сусла из крахмалосодержащего сырья. Засевные дрожжи готовят на сладком пивном сусле, после 14-18 ч культивирования на качалке полученным посевным материалом засевают аппарат для культивирования микроорганизмов, содержащий емкость с технологическими патрубками для подвода сырья, вспомогательных материалов, воздуха и отвода готового продукта с аэрационным устройством в виде перфорированных труб, расположенных горизонтально дну, при этом два элемента труб выполнены в виде газожидкостного эжектора с центральным напорным воздушным соплом. В ходе культивирования клетки дрожжей подвергаются кратковременному 0,005 с воздействию больших концентраций воздуха в барботажном устройстве при массовом соотношении воздух:культуральная жидкость 1:2500. Через 28 ч проводят съем культуральной жидкости, выход дрожжевой биомассы 130 г/л абсолютно сухой биомассы. Выход биомассы в контроле 115-120 г/л.

П р и м е р 2. Выращивание дрожжей проводят по примеру 1. В ходе культивирования клетки дрожжей подверглись кратковременному 0,04 с воздействию больших концентраций воздуха в барботажном устройстве при массовом соотношении воздух:культуральная жидкость 1:100000. Выход биомассы дрожжей 132 г/л абсолютно сухой биомассы.

Формула изобретения

Способ культивирования микроорганизмов в емкости аппарата, предусматривающий их выращивание в жидкой питательной среде при аэрации путем барботажа культуральной жидкости, отличающийся тем, что до барботажа проводят обработку клеток воздушным потоком в эжекторе в течение 0,005 - 0,04 с при массовом соотношении культуральной жидкости к воздушному потоку от 1 - 25000 до 1 - 100000, соответственно.

2. Аппарат для культивирования микроорганизмов, содержащий емкость с технологическими патрубками для подвода сырья, вспомогательных материалов, воздуха и отвода готового продукта и снабженный аэрационным устройством, включающим собственно аэратор, размещенный у днища емкости, и газожидкостный эжектор, отличающийся тем, что аэратор выполнен в виде перфорированных горизонтальных труб, а эжектор установлен по крайней мере на одной из них с центальным напорным воздушным соплом и снабжен внешней трубчатой перфорированной насадкой для предварительного газонасыщения жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4