Установка для непрерывного культивирования микроорганизмов

 

Использование: в биологической, пищевой и медицинской промышленности. Существо: установка содержит n ферментеров, последовательно соединенных между собой через (n-1) переточных трубопроводов, накопитель питательного сусла, распределительные трубопроводы, вентили, стерилизатор ферментеров, нижние выходы ферментеров подключены соответственно через вентили третьей группы к трубопроводу зрелой культуральной жидкости и через вентили четвертой группы к трубопроводу слива воды, отработанной после стерилизации ферментеров, маточник, соединенный с дрожжегенератором, выход которого подключен к дрожжевому трубопроводу, соединенному через вентиль подачи дрожжей с головным ферментером, устройство управления, в каждом ферментере установлены датчики уровня, подключенные к информационным входам устройства управления, вентили выполнены электро-управляемыми и оснащены исполнительными элементами, верхний выход n-го ферментера соединен через n-й переточный трубопровод с входом головного ферментера с образованием закольцованной батареи ферментеров, первая группа выходов устройства управления соединена с управляющими входами исполнительных элементов первой группы вентилей, вторая группа выходов устройства управления подключена к управляющим входам исполнительных элементов второй и четвертой групп вентилей, третья группа выходов устройства управления соединена с управляющими входами исполнительных элементов третьей группы вентилей, причем управляющий вход исполнительного элемента вентиля подачи дрожжей подключен к первому одиночному управляющему выходу устройства управления, второй одиночный выход которого соединен управляющим входом стерилизатора. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к биологии, пищевой, медицинской и микробиологической промышленности, а именно к способам и установкам для непрерывного культивирования микроорганизмов, например дрожжей, для спиртового брожения, продуцентов, ферментов и антибиотиков.

Известны способы и устройства полунепрерывного и непрерывного культивирования дрожжей и бактерий, а также микроскопических грибов.

Так, например, известен способ и установка для непрерывного культивирования микроорганизмов [1] содержащая n ферментеров, соединенных между собой посредством переточных трубопроводов, накопитель питательного сусла, маточник, дрожжегенератор, трубопроводы и запорные вентили. В такой установке осуществляется приготовление посевной культуры, передача ее и питательного сусла в головной ферментер батареи и последовательное перемещение культуральной жидкости в ферментерах непрерывно-проточным методом с притоком сусла.

Недостатком известной установки является неэффективное использование батареи ферментеров, обусловленное невозможностью повторения цикла культивирования в батарее ферментеров без остановки во всех ферментерах.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению является известная установка для непрерывного культивирования микроорганизмов [2] содержащая n ферментеров, соединенных между собой через (n-1) переточных трубопроводов, накопитель питательного сусла, подключенный через первый распределительный трубопровод и вентили первой группы к ферментерам, стерилизатор ферментеров, соединенный через второй распределительный трубопровод и вентили второй группы с ферментерами, нижние выходы которых подключены соответственно через вентили третьей группы к трубопроводу зрелой культуральной жидкости и через вентили четвертой группы к трубопроводу слива воды, отработанной после стерилизации ферментеров, маточник, соединенный с дрожжегенератором, выход которого подключен к дрожжевому трубопроводу, соединенному через вентиль подачи дрожжей с головным ферментером.

Недостатком такой установки является, также как и в предыдущем случае, низкая эффективность использования батареи ферментеров, поскольку для повторения цикла культивирования необходимо останавливать процесс во всех ферментерах, чтобы осуществить стерилизацию и подготовку ферментеров для последующего цикла. Вместе с тем, процесс культивирования в известной установке неавтоматизирован, т. е. требует ручного управления, что усложняет эксплуатацию.

Указанные недостатки устраняются в установке для непрерывного культивирования микроорганизмов, содержащей n ферментеров, последовательно соединенных между собой через (n-1) переточных трубопроводов, накопитель питательного сусла, подключенный через первый распределительный трубопровод и вентили первой группы к ферментерам, стерилизатор ферментеров, соединенный через второй распределительный трубопровод и вентили второй группы с ферментерами, нижние выходы которых подключены соответственно через вентили третьей группы к трубопроводу зрелой культуральной жидкости и через вентили четвертой группы к трубопроводу слива воды, отработанной после стерилизации ферментеров, маточник, соединенный с дрожжегенератором, выход которого подключен к дрожжевому трубопроводу, соединенному через вентиль подачи дрожжей с головным ферментером, тем, что она содержит устройство управления, в каждом ферментере установлены датчики уровня, выходы которых подключены к информационным входам устройства управления, вентили выполнены электроуправляемыми и оснащены исполнительными элементами, верхний выход n-го ферментера соединен через n-й переточный трубопровод со входом головного ферментера с образованием закольцованной батареи ферментеров, первая группа выходов устройства управления соединена с управляющими входами исполнительных элементов первой группы вентилей, вторая группа выходов устройства управления подключена к управляющим входам исполнительных элементов второй и четвертой групп вентилей, третья группа выходов блока управления соединена с управляющими входами исполнительных элементов третьей группы вентилей, причем управляющий вход исполнительного элемента вентиля подачи дрожжей подключен к первому одиночному управляющему выходу устройства управления, второй одиночный выход которого соединен управляющим входом стерилизатора, при этом j-й ферментер батареи (2<j<n) содержит дополнительный вход, соединенный через дополнительный электроуправляемый вентиль, оснащенный исполнительным элементом, с дрожжевым трубопроводом, а управляющий вход исполнительного элемента дополнительного электроуправляемого вентиля подключен к третьему одиночному управляющему выходу устройства управления, четвертый одиночный управляющий выход устройства управления соединен с дополнительным управляющим входом стерилизатора, а стерилизатор содержит сборники горячей воды и водяного пара, первый и второй электроуправляемые вентили с исполнительными элементами, управляющие входы которых являются первым и вторым управляющими входами стерилизатора, выход сборника горячей воды через первый электроуправляемый вентиль и выход сборника водяного пара через второй электроуправляемый вентиль соединены со вторым распределительным трубопроводом.

В предлагаемой установке указанные недостатки известного технического решения устраняются также тем, что устройство управления, дешифратор анализа состояния ферментеров и блок управления последовательностью стерилизации ферментеров, входы блока управления подачей питательного сусла в ферментеры являются информационными входами устройства управления, первая группа выходов которого является первой группой выходов блока управления подачей питательного сусла в ферментеры, вторая группа выходов блока подключена ко входам дешифратора анализа состояния ферментеров, выходы которого являются третьей группой выходов устройства управления и подключены ко входам блока управления последовательностью стерилизации ферментеров, группа выходов которого является второй группой выходов устройства управления, при этом блок управления подачей питательного сусла в ферментеры содержит n пороговых элементов, входы которых являются входами узла, n элементов И-НЕ, формирователь одиночных импульсов, первый и второй управляющие триггеры, элемент ИЛИ, коммутирующие элементы ПУСК и СТОП и (n+2) усилителя, выходы n усилителей являются первой группой выходов блока и устройства управления, второй группой выходов блока являются выходы пороговых элементов, подключенные соответственно к первым входам элементов И-НЕ, выходы элементов И-НЕ, кроме первого элемента, соединены со входами соответствующих усилителей, выход первого элемента И-НЕ подключен к первому входу элемента ИЛИ, выход которого подключен ко входу первого усилителя и входу (n+1)-го усилителя, выход которого является первым одиночным управляющим выходом устройства управления, второй вход элемента ИЛИ соединен с выходом второго управляющего триггера, первый установочный вход которого, объединенный с первым установочным входом первого управляющего триггера, подключен к коммутирующему элементу ПУСК, а второй установочный вход, объединенный со вторым установочным входом первого управляющего триггера, подключен к коммутирующему элементу СТОП, выход третьего элемента И-НЕ соединен со входом формирователя одиночных импульсов, выход которого подключен к третьему установочному входу второго управляющего триггера, выходы пороговых элементов со второго по n-й соединены со вторыми входами элементов И-НЕ соответственно с первого по (n-1)-й, выход первого порогового элемента подключен ко второму выходу n-го элемента И-НЕ, третий вход которого соединен с выходом второго элемента И-НЕ, третьи входы элементов И-НЕ с первого по (n-2)-й элемент подключены к выходам элементов И-НЕ с третьего по n-й элемент, третий вход (n-1)-го элемента И-НЕ подключен к выходу первого элемента И-НЕ, выход j-го элемента И-НЕ (2<j<n) подключен ко входу (n+2)-го усилителя, выход которого является третьим одиночным управляющим выходом устройства управления, а четвертые входы элементов И-НЕ соединены с выходом первого управляющего триггера, причем блок управления последовательностью стерилизации ферментеров содержит n формирователей импульсов, входы которых являются входами блока, два элемента ИЛИ, n элементов И-НЕ, (n+2) усилителя и два элемента задержки, выходы блока подключены соответственно ко входам формирователей импульсов и к первым входам элементов И-НЕ, выходы которых соединены со входами n усилителей, выходы которых являются второй группой выходов устройства управления, выходы формирователей импульсов подключены ко входам первого элемента ИЛИ, вторые входы элементов И-НЕ соединены с выходом второго элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом первого элемента задержки и входом (n+1)-го усилителя, выход которого является вторым одиночным управляющим выходом устройства управления, выход первого элемента или подключен ко входу первого элемента задержки, выход которого соединен со входом второго элемента задержки, выход которого подключен ко второму входу второго элемента ИЛИ и ко входу (n+2)-го усилителя, выход которого является четвертым одиночным управляющим выходом устройства.

На фиг. 1 приведена функциональная схема установки для непрерывного культивирования микроорганизмов; на фиг. 2 приведена схема блока управления подачей питательного сусла в ферментеры; на фиг. 3 представлена схема блока управления последовательностью стерилизации ферментеров; на фиг. 4а, б приведены временные диаграммы, поясняющие принцип подачи питательной среды (ПС) в ферменты батареи и переток ферментационной среды (ФС) из одного ферментера в другой; на фиг. 5 приведена временная диаграмма, поясняющая последовательность освобождения ферментеров от зрелой культурной жидкости (КЖ), стерилизации и охлаждения ферментеров.

Установка (фиг. 1 ) содержит n ферментеров 1₁, 1₂, 1_i, 1_j, 1_n, маточник 2 емкость для приготовления посевной культуры (ПК) микроорганизмов, дрожжегенератор 3 накопитель ПК и накопитель 4 питательной среды (ПС).

Маточник 2 связан с дрожжегенератором 3, который соединен через дрожжевой трубопровод 5 и запорные вентили 6 ₁, 6_j с ферментерами 1₁ и 1_j (2 ≅j≅ n).

Накопитель ПС 4 соединен через первый распределительный трубопровод 7 и вентили 8₁ 8_n первой группы с каждым из ферментеров 1_j (i 1-n) батареи ферментеров.

Каждый предыдущий ферментер 1_i батареи соединен с последующим 1_j+1 ферментером батареи через переточный трубопровод 9_i,i+1.

Последний (n-й) ферментер 1_n батареи через переточный трубопровод 9_n,1 соединен с первым (головным) 1₁ ферментером, образуя тем самым закольцованную батарею ферментеров.

Установка содержит также стерилизатор 10 ферментеров, соединенный через второй распределительный трубопровод 11 и вентили второй группы 12₁ - 12_n с ферментерами 1₁ 1_n.

Нижние выходы ферментеров подключены соответственно через вентили 13₁ 13_n третьей группы к трубопроводу 14 зрелой культурной жидкости (КЖ), а также через вентили 15₁ 15_n четвертой группы к трубопроводу 16 слива соды, отработанной после стерилизации ферментеров.

Кроме того, установка содержит устройство управления 17, а в каждом ферментере установлены датчики 18 уровня, выходы которых подключены к информационным входам 19 устройства.

Вентили установки выполнены электроупарвляемыми и оснащены исполнительными элементами: 20, 21 для вентилей 6₁ и 6_j соответственно; 22 для вентилей первой группы 8₁ 8_n; 23 - для вентилей второй группы 12₁ 12_n; 24 для вентилей третьей группы 13₁ 13_n; 25 для вентилей четвертой группы 15₁ 15_n.

Первая группа выходов 26 устройства управления 17 подключена к управляющим входам исполнительных элементов 22 вентилей первой группы вентилей 8₁ 8_n.

Вторая группа выходов 27 устройства управления 17 подключена к управляющим входам исполнительных элементов 23 и 25 второй 12₁ - 12_n и четвертой 15₁ 15_n групп вентилей.

Третья группа выходов 28 устройства управления 17 соединена с управляющими входами исполнительных элементов 24 третьей группы вентилей 13₁ 13_n.

Управляющий вход 29 исполнительного элемента 20 вентиля 6₁ подачи дрожжей в первый ферментер подключен к первому одиночному выходу 30 устройства управления 17, второй одиночный выход 31 которого соединен с управляющим входом 32 стерилизатора.

Кроме того, в батарее ферментеров j-й ферментер (2<j<n) содержит дополнительный вход 33, соединенный через электроуправляемый вентиль 6_j, оснащенный исполнительным элементом 21, с дрожжевым трубопроводом 5, а управляющий вход 34 исполнительного элемента 21 вентиля 6_j подключен к третьему одиночному управляющему выходу 35 устройства управления 17, четвертый одиночный управляющий выход 36 которого соединен с дополнительным управляющим входом 37 стерилизатора 10.

Стерилизатор 10 ферментеров содержит сборки 38 горячей воды и сборник 39 водяного пара, первый 40 и второй 41 электроуправляемые вентили с исполнительными элементами 42 и 43, управляющие входы которых 32 и 37 являются соответственно первым и вторым управляющими входами стерилизатора.

Выход сборника горячей воды 38 через электроуправляемый вентиль 40 и выход сборника водяного пара 39 через электроуправляемый вентиль 41 соединены со вторым распределительным трубопроводом 11.

Устройство управления 17 (фиг. 1) содержит блок 44 управления подачей питательного сусла в ферментеры, дешифратор 45 анализа состояния ферментеров, блок 46 управления последовательностью стерилизации ферментеров. Входы блока 44 являются информационными входами 19 устройства управления 17, первая группа выходов 26 которого является первой группой выходов блока, вторая группа выходов 47 которого подключена ко входам дешифратора 45 анализа состояния ферментеров, выходы которого являются третьей группой выходов 28 устройства управления 17 и подключены ко входам блока 46 управления последовательностью стерилизации ферментеров, группа выходов которого является второй группой выходов 27 устройства 17 управления.

Блок 44 управления подачей ПС в ферментеры (фиг. 2) содержит n пороговых элементов 48, входы которых являются информационными входами 19 блока и подключены к датчикам уровня 18 ферментеров 1₁-1_n, n элементов И-НЕ 49, формирователь 50 одиночных импульсов, первый и второй управляющие триггеры 51 и 52, элемент ИЛИ 53, (n+2) усилителя 54 и коммутирующие элементы "СТОП" 55 и "ПУСК" 56.

Выходы n усилителей 54 являются первой группой выходов 26 блока 44 и устройства 17.

Выходы пороговых элементов 48, подключенные соответственно к первым входам n элементов И-НЕ 49, являются второй группой выходов 47 блока 44.

Выходы элементов И-НЕ 49, кроме первого элемента, соединены со входами соответствующих усилителей 54, выход первого элемента И-НЕ 49 подключен к первому входу элемента ИЛИ 53, выход которого подключен ко входу первого усилителя 54 и ко входу (n+1)-го усилителя 54, выход которого является первым одиночным управляющим выходом 30.

Второй вход элемента ИЛИ 53 соединен с выходом второго управляющего триггера 52, первый установочный вход которого подключен к выходу формирователя 50 одиночных импульсов, а второй установочный вход к коммутирующему элементу "ПУСК" 56, выполненному, например, в виде кнопки или тумблера.

Первый установочный вход первого управляющего триггера 51, объединенный с третьим установочным входом второго управляющего триггера 52, подключен к коммутирующему элементу "СТОП" 55.

Выход управляющего триггера 51 соединен с четвертыми входами элементов И-НЕ 49.

Выходы пороговых элементов 48 со второго по n-й соединены, кроме того, со вторыми входами элементов И-НЕ 49 соответственно с первого по (n-1)-й элемент.

Выход первого порогового элемента 48 (верхний в рядку элементов) подключен ко второму входу n-го элемента И-НЕ 49 (нижний в ряду элементов), третий вход которого соединен с выходом второго элемента И-НЕ 49 (второй элемент сверху). Выход третьего элемента И-НЕ 49 соединен со входом формирователя 50.

Третьи входы элементов И-НЕ 49 с первого по (n-2)-й элемент подключены соответственно к выходам элементов И-НЕ 49 с третьего по (n-2)-й элемент.

Третий вход (n-1)-го элемента И-НЕ 49 подключен к выходу первого элемента И-НЕ 49, третий вход n-го элемента И-НЕ 49 соединен с выходом второго элемента И-НЕ 49.

Выход j-го элемента И-НЕ 49 (шестой сверху в ряду элементов) подключен ко входу (т+2)-го усилителя 59 (нижний усилитель в ряду), выход которого является третьим одиночным управляющим выходом 35 устройства 17.

Блок 46 управления последовательностью стерилизации ферментеров содержит n формирователей импульсов 7, входы которых, объединенные с первыми входами элементов И-НЕ 58, являются входами блока и соединены с выходами 28 дешифратора 45 анализа состояния ферментеров, (n+2) усилителя 59, первый 60 и второй 61 элементы ИЛИ, первый 62 и второй 63 элементы задержки.

Выходы n усилителей 63 являются второй группой выходов 27 устройства.

Выходы формирователей 57 импульсов соединены со входами первого элемента ИЛИ 60, выход которого подключен ко входу первого элемента 62 задержки, выход которого соединен со входом второго элемента 63 задержки и с первым входом второго элемента ИЛИ 61, второй вход которого подключен к выходу второго элемента задержки 63, а выход ко вторым входам элементов И-НЕ 58.

Выход первого элемента 62 задержки соединен со входом (n+1)-го усилителя 59, выход которого является вторым одиночным управляющим выходом 31 устройства 17.

Выход второго элемента 63 задержки подключен ко входу (n+2)-го усилителя 59, выход которого является четвертым одиночным управляющим выходом 36 устройства 17.

Установка для непрерывного культивирования микроорганизмов работает следующим образом.

В исходном состоянии ферментеры 1₁-1_n батареи простерилизованы, охлаждены и готовы к загрузке питательной средой (ПС) - суслом, которое находится в накопителе 4.

Приготовленная посевная культура (ПК) введена в маточник 2, из которого она перемещается в дрожжегенератор 3, где происходит размножение клеток и увеличение ее объема.

Загрузка ПК на фиг. 4а обозначено зачерненным квадратиком со стрелкой.

В стерилизаторе 10 сборник 38 загружен горячей водой, а сборник 39 - водяным паром.

Все вентили находятся в закрытом состоянии.

На выходах 26, 30, 35, 47 блока 44 управления подачей питательного сусла в ферментеры и на выходах 27, 31 и 36 блока 46 управления последовательностью стерилизации ферментеров установлены сигналы низкого уровня, которые удерживают исполнительные элементы всех вентилей в закрытом состоянии.

При этом управляющие триггеры 51 и 52 блока 44 находятся в сброшенном состоянии (цепи сброса на фиг. 2 не показаны). На выходе триггера 51, подключенном к четвертым входам элементов И-НЕ 49, устанавливается низкий уровень сигнала, удерживающий все элементы И-НЕ 49 в закрытом состоянии.

Для приведения установки в рабочее состояние нажимают коммутационный элемент ПУСК (фиг. 2), подключенный с одной стороны к шине общего потенциала установки (не обозначена), а с другой к первым установочным входам управляющих триггеров 51 и 52, которые переходят в рабочее состояние и через элемент ИЛИ 53 устанавливает на выходе двух усилителей 54 управляющие сигналы высокого уровня. Сигнал с выхода первого усилителя 54 (первый сверху) поступает на вход исполнительного элемента 22 вентиля 8₁, а сигнал с одиночного выхода 30 поступает на вход 29 исполнительного элемента 20 вентиля 6₁. Указанный момент времени на диаграммах фиг. 4а, б и фиг. 5 обозначен t' (нижний индекс указывает номер включаемого ферментера, а количество верхних штрихов соответствует номеру временного цикла работы батареи ферментеров).

Поскольку коммутационный элемент "ПУСК" подключен также к первому установочному входу управляющего триггера 51, последний также устанавливается в рабочее состояние, при котором на его выходе устанавливается высокий уровень сигнала, являющийся "разрешающим" сигналом для всех элементов И-НЕ 49.

При этом ПС вводится в первый ферментер 1₁ из накопителя 4 через первый распределительный трубопровод 7 и открытый вентиль 8₁, а ПК - через дрожжевой трубопровод 5 и открытый вентиль 6₁.

Ферментер 1₁ заполняется примерно до 60% его объема, при котором срабатывает датчик 18 уровня, установленный в этом ферментере.

В первом ферментере образуется ферментационная среда (ФС), и при достижении ее микроорганизмами экспоненциально-стационарной фазы развития и увеличении ее объема до заполнения ферментера 1₁ она перемещается из ферментера 1₁ в ферментер 1₂ путем перетока через трубопровод 9_1,2 и далее в ферментер 1₃ при заполнении объема ферментера 1₂ (см. вертикальные стрелки на фиг. 2а).

В ферментеры 1₁ и 1₂ поступают молодые клетки микроорганизмов ФС, при этом ферментер 1₁ является биогенератором молодых клеток культуры для ферментеров 1₂ и 1₃.

Увеличению объема ФС в ферментерах соответствует наклонный (линейный) участок диаграмм на фиг. 4а. При этом горизонтальные участки диаграмм соответствуют заполненным ферментерам. В момент заполнения каждого ферментера срабатывает соответствующий датчик 18 уровня. Сигналы с датчиков 18 поступают на информационные входы 19 блока 44 устройства 17 управления.

На вертикальных осях диаграмм (фиг. 4) указан номер соответствующего ферментера (от 1 до n).

В момент времени полностью заполненными ферментационной средой (ФС) будут первый, второй и третий ферментеры.

При этом сигналы с трех датчиков 18 уровней ферментеров 8₁, 8₂, 8₃ последовательно поступают через соответствующие пороговые элементы 48 на первые входы трех элементов И-НЕ 49.

При появлении сигнала низкого уровня на выходе первого элемента И-НЕ 49 он, с одной стороны, через элемент ИЛИ 53 поддерживает в прежнем состоянии первый и (n+1)-й усилители 54, (т.е. вентили 8₁ и 6₁ будут оставаться в открытом состоянии), а с другой стороны, поступая на третий вход (n-1)-го элемента И-НЕ 49, будет удерживать его в закрытом состоянии независимо от уровней сигналов на других входах этого элемента.

При появлении сигнала низкого уровня на выходе второго элемента И-НЕ этот сигнал, поступая на третий вход n-го элемента И-НЕ 49, будет удерживать его в закрытом состоянии и, вместе с тем, установит сигнал высокого уровня на выходе второго усилителя 54, который через исполнительный элемент 22 откроет вентиль 8₂.

При появлении сигнала низкого уровня на выходе третьего элемента И-НЕ 49 и поступлении его на вход формирователя 50, на его выходе появится одиночный короткий импульс, который поступит на второй установочный вход управляющего триггера 52, который устанавливается в исходное состояние и на второй вход элемента ИЛИ 53 поступит сигнал запрета.

Одновременно с этим сигнал с выхода третьего элемента И-НЕ 49, поступая на третий вход первого элемента И-НЕ 49, переведет его в закрытое состояние, при котором сигнал высокого уровня с его выхода также будет поддерживать элемент ИЛИ 53 в закрытом состоянии (момент времени на фиг. 4а, б). При этом сигналы низкого уровня с выхода первого усилителя 54 и с выхода (n+1)-го усилителя 54 через соответствующие исполнительные элементы 2 и 20 закроют вентили 8₁ и 6₁, благодаря чему в первый ферментер прекратится приток ПС из первого распределительного трубопровода 7 и приток ПК из дрожжевого трубопровода 5.

Открытый вентиль 8₂ обеспечит при этом приток ПС во второй ферментер 1₂, где она будет смешиваться с ФС, поступившей из первого ферментера в отрезок времени от t' до (фиг. 4а).

Во втором ферментере 8₂ при наличии ферментационной среды и ПС происходит размножение клеток культуры и рост ее объема. При достижении экспоненциально-стационарной фазы развития и заполнении объема ферментера 1₃ осуществляется перемещение ФС путем ее перетока через трубопровод 9_3,i в следующий (i-й) ферментер 1_i. Начало перемещения ПС соответствует моменту времени на фиг. 4.

Процесс в остальных ферментерах батареи осуществляется аналогичным образом.

В общем случае при достижении экспоненциально-стационарной фазы развития ФС в ферментере 1_i и заполнении его объема осуществляют перемещение молодой ФС путем ее притока через трубопровод 9_{i, i+1} в ферментер 1_i+1 и далее в ферментер 1_j с переключением подачи ПС с i-го ферментера на (i+1)-й ферментер путем закрытия вентиля 8_i и открытия вентиля 8_i+1 с помощью управляющих сигналов, поступающих из бока 4.

Таким образом, все ферментеры батареи последовательно осуществляют функции биогенераторов молодой культуры с передачей ее на последующие ферментеры.

В ферментерах, которые уже осуществили эту функцию, культуральная жидкость (КЖ) остается до ее полного созревания.

Поскольку батарея ферментеров является закольцованной, то при заполнении последнего (n-го) ферментера 1_n батареи осуществляют перемещение молодой ФС вновь в первый ферментер 1₁ (предварительно освобожденный от зрело КЖ и свежепростерилизованный) и повторяют новый цикл культивирования в той же последовательности с обеспечением перетока ФС из i-го ферментера в (i+1)-й ферментер и переключением подачи ПС в моменты времени .

При этом работа блока 44 управления подачей ПС в ферментеры осуществляется аналогично описанной выше последовательности формирования управляющих сигналов и в соответствии с временными диаграммами, приведенными на фиг. 4а, б.

Освобождение от зрелой КЖ и стерилизацию ферментеров осуществляют в соответствии с временной диаграммой на фиг. 5, из которой видно, что освобождение i-го ферментера выпуск КЖ (обозначено прямоугольной штриховкой), стерилизация горячей водой и паром (обозначены соответственно зачерненным и светлым прямоугольниками) и охлаждение должны закончиться заблаговременно до начала перетока ФС из (i-1)-го ферментера в i-й ферментер на последующем цикле работы батареи ферментеров.

Управление сливом зрелой КЖ осуществляется дешифратором 45 анализа состояния ферментеров, который, анализируя параллельный код на выходах 47 блока 44 управления подачей питательного сусла в ферментеры, определяет по совокупности сигналов с датчиков уровня 18 (через пороговые элементы 48) какие ферментеры загружены ПС и ФС и из какого ферментера (с младшим номером) можно осуществить слив зрелой КЖ.

Дешифратор 45 является комбинационной схемой преобразует параллельный код на своих входах в позиционный код на своих выходах 28, т.е. в любой момент времени на выходах 28 может присутствовать только один управляющий сигнал, поступающий на вход одного из исполнительных элементов 24 вентилей 13₁ 13_n третьей группы.

Время выпуска τ_вып КЖ, например, из ферментера 1₁ соответствует интервалу времени от t' до (см. фиг. 5).

При этом параллельный код на входах 47 дешифратора 45 изменится и соответственно изменится и позиционный код на выходах 28, благодаря чему вентиль 13₁ вновь закроется, а откроется следующий вентиль 13₂ и зрелая КЖ будет поступать из нижнего выхода ферментера 1₂ в трубопровод 14, который связан с потребителем готовой КЖ (на чертежах не показан).

Время τ_вып является достаточным для полного освобождения отдельного ферментера. Слив КЖ из ферментеров может осуществляться под некоторым избыточным давлением (на чертежах соответствующие технические средства не изображены).

После освобождения i-го ферментера 1_i от зрелой КЖ осуществляется его стерилизация и подготовка к следующему рабочему циклу, которая проводится в 3 этапа (фиг. 5).

1. Стерилизация горячей водой в течение времени τ₁.

2. Стерилизация горячим паром в течение времени τ₂.

3. Охлаждение в течение времени τ_охл.

Управление последовательностью стерилизации ферментеров осуществляет блок 46 (фиг. 3).

Позиционный код с выходов 28 дешифратора 28 поступает на входы формирователей 57 импульсов (фиг. 3), один из которых формирует на своем выходе короткий импульс, который через первый элемент ИЛИ 60 запускает первый элемент 62 задержки (на время τ₁), сигнал с которого поступает на вход (n+1)-го усилителя 59, который на своем выходе 31 формирует сигнал высокого уровня, поступающий далее на вход 32 исполнительного элемента 42, который открывает вентиль 40 и из сборника 38 горячая вода поступает во второй распределительный трубопровод 11.

Вместе с тем, сигнал с выхода первого элемента 62 задержки через второй элемент ИЛИ 61 поступает на все вторые входы элементов И-НЕ 58.

Благодаря тому, что по входам 28 блока 46 поступает позиционный код, на первый вход одного из элементов И-НЕ 58 поступит сигнал высокого уровня, данный элемент откроется и сигнал с его выхода, поступая на вход соответствующего усилителя 59, установит на его выходе 27 уровень, необходимый для открытия через элементы 22 и 25 соответствующего вентиля 12_i второй группы и вентиля 15_i четвертой группы.

Горячая вода под напором поступит в освобожденный ферментер и будет смывать со стенок остатки КЖ, которые "уходят" через открытый вентиль 15_i в трубопровод 16 и далее в канализацию. Смыв горячей водой продолжается в течение времени τ₁, по окончании которого запускается второй элемент 63 задержки, который через второй элемент ИЛИ 61 поддерживает в открытом состоянии i-й элемент И-НЕ 58 и i-й усилитель 59.

При этом сигнал на выходе 31 пропадает, вентиль 42 закрывается, а на выходе 36 (n+2)-го усилителя появляется сигнал высокого уровня, который по входу 37 через исполнительный элемент 43 открывает вентиль 41, и горячий пар из сборника 39 поступает через второй распределительный трубопровод 11 и открытый вентиль 12_i второй группы в тот же ферментер 1_i.

Происходит стерилизация ферментера паром. Конденсат от пара "уходит" через открытый вентиль 15_i четвертой группы в трубопровод, а остатки пара "уходят" через соответствующие клапаны (на чертежах не показаны).

Стерилизация горячим паром продолжается в течение времени τ₂ (фиг. 5).

После проведения стерилизации i-го ферментера наступает этап его охлаждения, который продолжается в течение времени τ_охл.

Таким образом, i-й ферментер должен быть подготовлен (освобожден от зрелой КЖ, простерилизован и охлажден) до момента загрузки ПС и ФС последующего цикла культивирования.

Как видно из диаграммы на фиг. 5 освобождение от КЖ, стерилизация и охлаждение ферментеров осуществляются последовательно во времени и согласованно с загрузкой ферментеров по временной диаграмме на фиг. 4 В каждом цикле культивирования микроорганизмов осуществляют подпитку ферментера 1_j батареи (2≅j≅ n) чистой посевной культурой из накопителя 3 ПК через трубопровод 5 и вентиль 6_j в необходимой дозе. Это осуществляется периодически по мере заполнения j-го ферментера ФС от предыдущего ферментера и ПС через вентиль 8_j.

Управление вентилем 6_j осуществляется по сигналу с одиночного управляющего выхода 35 блока 44.

В этом случае при появлении сигнала на выходе j-го элемента И-НЕ 49 сигнал с него поступает на вход (n+2)-го усилителя 54, с выхода 35 которого - на управляющий вход 34 исполнительного элемента 21, который открывает вентиль 6_j и ПК поступает в ферментер 1_j, интенсифицируя процесс культивирования микроорганизмов.

Таким образом, в предлагаемой установке реализован способ, при котором простерилизованные ферментеры батареи наполняют ферментационной (сбраживаемой) средой с молодыми клетками (гифами) культивируемых микроорганизмов, получаемых путем ввода питательной среды (ПС) последовательно в каждый ферментер батареи через определенные промежутки времени с одновременной подачей молодой ферментационной среды из предыдущего ферментера, выполняющего функции микробогенератора. За один технологический цикл культивирования микроорганизмов в батарее каждый ферментер батареи от первого до n-го поочередно выполняет функцию микробогенератора и по мере образования молодых клеток культивируемых микроорганизмов передает ферментационную среду в очередной, становящейся головным, ферментер батареи, причем передача ФС осуществляется последовательно в k ферментеров (2 ≅k≅ n).

При последовательном продвижении вперед (по возрастанию номера i ферментера батареи) и ввода ФС в следующие простерилизованные и охлажденные ферментеры отключают предыдущий (i-1)-й ферментер, выполнявший функцию микробогенератора, и КЖ дозревает в нем с присутствующей в нем питательной средой.

Этот период (дозревания) характеризуется переходом стационарной фазы развития микроорганизмов в следующую фазу затухания, при достижении которой осуществляется освобождение данного ферментера от зрелой КЖ, его промывка, стерилизация и охлаждение.

Указанные операции повторяются циклически с каждым ферментером батареи.

Процесс происходит непрерывно, циклически и может длиться очень длительное время при условии выполнения требований стерилизации и соблюдения временных параметров при переключении подачи ПС в ферментеры, обеспечении необходимой скорости подачи ПС в зависимости от удельной скорости размножения микроорганизмов и времени созревания КЖ в ферментерах батареи.

Предлагаемая установка была опробована в лабораторных условиях для культивирования микробных клеток Asp. awamori.

Батарея содержала n 8 ферментеров, последовательно соединенных между собой посредством переточных труб и образующих закольцованную батарею.

В качестве электроуправляемых вентилей и исполнительных элементов использовались промышленные соленоидные клапаны для пищевой промышленности.

Устройство управления и входящие в него блоки реализованы на логических элементах серии 155.

Работа установки проводилась при скорости подачи питательного сусла от 0,1 до 0,3 м³/час. При этом производился замер концентрации клеток культуры в ФС, который составлял от 98 до 80 млн.кл/мл в зависимости от приведенной выше скорости притока питательного сусла.

Были определены оптимальные скорости притока ПС и перетока ФС из одного ферментера в другой.

При внедрении установки в спиртовую промышленность увеличение производительности достигается в 1,3 1,4 раза по отношению к известным техническим решениям.

В пивоварении при испытании предложенной установки в производственных условиях увеличение производительности достигнуто в 2 раза.

В ацетоно-бутиловом производстве увеличение производительности достигнуто в 1,5 раза.

Формула изобретения

1. Установка для непрерывного культивирования микроорганизмов, содержащая n ферментеров, последовательно соединенных между собой через n 1 переточных трубопроводов, накопитель питательного сусла, подключенный через первый распределительный трубопровод и вентили первой группы к ферментерам, стерилизатор ферментеров, соединенный через второй распределительный трубопровод и вентили второй группы с ферментерами, нижние выходы которых подключены соответственно через вентили третьей группы к трубопроводу зрелой культуральной жидкости и через вентили четвертой группы к трубопроводу слива воды, отработанной после стерилизации ферментеров, маточник, соединенный с дрожжегенератором, выход которого подключен к дрожжевому трубопроводу, соединенному через вентиль подачи дрожжей с головным ферментером, отличающаяся тем, что она содержит устройство управления, в каждом ферментере установлены датчики уровня, выходы которых подключены к информационным входам устройства управления, вентили выполнены электроуправляемыми и оснащены исполнительными элементами, верхний выход n-го ферментера соединен через n-й переточный трубопровод с входом головного ферментера с образованием закольцованной батареи ферментеров, первая группа выходов устройства управления соединена с управляющими входами исполнительных элементов первой группы вентилей, вторая группа выходов устройства управления подключена к управляющим входам исполнительных элементов второй и четвертой групп вентилей, третья группа выходов блока управления соединена с управляющими входами исполнительных элементов третьей группы вентилей, причем управляющий вход исполнительного элемента вентиля подачи дрожжей подключен к первому одиночному управляющему выходу устройства управления, второй одиночный выход которого соединен с управляющим входом стерилизатора.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что j-й ферментер батареи (2 < j < n) содержит дополнительный вход, соединенный через дополнительный электроуправляемый вентиль, оснащенный исполнительным элементом, с дрожжевым трубопроводом, а управляющий вход исполнительного элемента дополнительного электроуправляемого вентиля подключен к третьему одиночному управляющему выходу устройства управления.

3. Установка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что четвертый одиночный управляющий выход устройства управления соединен с дополнительным управляющим входом стерилизатора.

4. Установка по пп.1 и 3, отличающаяся тем, что стерилизатор содержит сборники горячей воды и водяного пара, первый и второй электроуправляемые вентили с исполнительными элементами, управляющие входы которых являются первым и вторым управляющими входами стерилизатора, выход сборника горячей воды через первый электроуправляемый вентиль и выход сборника водяного пара через второй электроуправляемый вентиль соединены с вторым распределительным трубопроводом.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что устройство управления содержит блок управления подачей питательного сусла в ферментеры, дешифратор анализа состояния ферментеров и блок управления последовательностью стерилизации ферментеров, входы блока управления подачей питательного сусла в ферментеры являются информационными входами устройства управления, первая группа выходов которого является первой группой выходов блока управления подачей питательного сусла в ферментеры, вторая группа выходов блока подключена к входам дешифратора анализа состояния ферменторов, выходы которого являются третьей группой выходов устройства управления и подключены к входам блока управления последовательностью стерилизации ферменторов, группа выходов которого является второй группой выходов устройства управления.

6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что блок управления подачей питательного сусла в ферментеры содержит n пороговых элементов, входы которых являются входами узла, n элементов И-НЕ, формирователь одиночных импульсов, первый и второй управляющие триггеры, элемент ИЛИ, коммутирующие элементы ПУСК И СТОП и n + 2 усилителя, выходы n усилителей являются первой группой выходов блока и устройства управления, второй группой выходов блока являются выходы пороговых элементов, подключенные соответственно к первым входам элементов И-НЕ, выходы элементов И-НЕ, кроме первого элемента, соединены с входами соответствующих усилителей, выход первого элемента И-НЕ подключен к первому входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу первого усилителя и входу (n + 1)-го усилителя, выход которого является первым одиночным управляющим выходом устройства управления, второй вход элемента ИЛИ соединен с выходом второго управляющего триггера, первый установочный вход которого, объединенный с первым установочным входом первого управляющего триггера, подключен к коммутирующему элементу ПУСК, а второй установочный вход, объединенный с вторым установочным входом первого управляющего триггера, подключен к коммутирующему элементу СТОП, выход третьего элемента И-НЕ соединен со входом формирователя одиночных импульсов, выход которого подключен к третьему установочному входу второго управляющего триггера, выходы пороговых элементов с второго по n-й соединены с вторыми входами элементов И-НЕ соответственно с первого по (n 1)-й, выход первого порогового элемента подключен к второму входу n-го элемента И-НЕ, третий вход которого соединен с выходом второго элемента И-НЕ, третьи входы элементов И-НЕ с первого по (n 2)-й элемент подключены к выходам элементов И-НЕ с третьего по n-й элемент, третий вход (n 1)-го элемента И-НЕ подключен к выходу первого элемента И-НЕ, выход j-го элемента И-НЕ (2 < j < n) подключен к входу (n + 2)-го усилителя, выход которого является третьим одиночным управляющим выходом устройства управления, а четвертые входы элементов И-НЕ соединены с выходом первого управляющего триггера.

7. Установка по п.5, отличающаяся тем, что блок управления последовательностью стерилизации ферментеров содержит n формирователей импульсов, входы которых являются входами блока, два элемента ИЛИ, n элементов И-НЕ, n + 2 усилителя и два элемента задержки, входы блока подключены соответственно к входам формирователей импульсов и первым входам элементов И-НЕ, выходы которых соединены с входами n усилителей, выходы которых являются второй группой выходов устройства управления, выходы формирователей импульсов подключены к входам первого элемента ИЛИ, вторые входы элементов И-НЕ соединены с выходом второго элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом первого элемента задержки и входом (n + 1)-го усилителя, выход которого является вторым одиночным управляющим выходом устройства управления, выход первого элемента ИЛИ подключен к входу первого элемента задержки, выход которого соединен с входом второго элемента задержки, выход которого подключен к второму входу второго элемента ИЛИ и к входу (n + 2)-го усилителя, выход которого является четвертым одиночным управляющим выходом устройства управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5