Биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода газового питания



Биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода газового питания
Биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода газового питания

 


Владельцы патента RU 2446205:

Общество с ограниченной ответственностью "БИОТЕХКОНСАЛТИНГ" (RU)

Изобретение относится к микробиологической, пищевой, медицинской промышленности, в частности к биореакторам асептического выращивания микроорганизмов, и может быть использовано для комплектации установок учебного, научно-исследовательского и промышленного назначения. Биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода газового питания включает цилиндрический корпус, крышку, днище, газораспределительное устройство, газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны. Последние установлены вдоль оси корпуса. Внутри корпуса вдоль центральной его оси установлена несущая труба теплообменника. Внутри трубы теплообменника расположена труба подвода газа, соединенная с газораспределительным устройством. Снаружи несущей трубы теплообменника установлена винтовая перфорированная поверхность, через отверстия которой проходят газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны, закрепленные между крышкой и газораспределительным устройством. Биореактор вытеснения при работе обеспечивает повышение производительности за счет интенсификации массообмена и упрощение эксплуатации. 2 ил.

 

Изобретение относится к микробиологической, пищевой, медицинской промышленности, в частности к биореакторам асептического выращивания микроорганизмов, и может быть использовано для комплектации установок учебного, научно-исследовательского и промышленного назначения.

Известен аппарат для культивирования клеток и тканей, содержащий закрытую емкость, мешалку и устройство для подвода газа в питательную среду, представляющее собой змеевик, выполненный из проницаемого для газа полимерного материала. Змеевик расположен внутри дополнительной циркуляционной обечайки (А.с. СССР 786326. Аппарат для культивирования клеток и тканей / Байбаков В.И., Власкин Б.А. // Бюл. №8, 1986).

Недостатками такого аппарата являются использование механического перемешивающего устройства, герметизация вала которого сложна, а само наличие мешалки и разделение емкости аппарата на две части ограничивает объем, занимаемый трубчатым устройством газового питания. Все вышеперечисленное ведет к ограничению рабочей поверхности ввода газа и снижает предельные массообменные характеристики и производительность аппарата.

Известен биореактор для выращивания микроорганизмов, содержащий цилиндрический корпус, мешалку и несущие элементы, на которые крепится полимерная газопроницаемая трубчатая мембрана для подвода газа (см. http://www.fermenter.ru/content/page_25_0.html, Компактный настольный ферментер BIOSTAT В с устройством для беспузырьковой аэрации).

Недостатками такого аппарата являются использование сложного механического перемешивающего устройства и неполное использование пространства для развития рабочей поверхности полимерной газопроницаемой трубчатой мембраны.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является биореактор колонного типа с осевым расположением газопроницаемых полимерных трубчатых мембран, закрепленных между днищем, имеющим газораспределительную полость, и подвижным газосборным устройством. Биореактор не имеет механических перемешивающих устройств, за счет чего весь объем равномерно заполнен газопроницаемыми полимерными трубчатыми мембранами, отстоящими друг от друга на расстояния 3-4 мм. Общая удельная поверхность мембран при этом достигает 155 м23 (Научно-технический отчет ООО «Биотехпродукция» по теме «Аппаратурное оснащение и совершенствование аэробных технологий получения посевных материалов». Емельянов В.М., Мухачев С.Г., Ситнов В.В. и др. УДК 663.131, № гос. регистрации 01200610996, Казань, 2007).

К недостаткам такого биореактора относится крепление газопроницаемых полимерных трубчатых мембран на днище, а газосборного устройства на крышке, что усложняет конструкцию и затрудняет сборку биореактора. Кроме того, отсутствуют дополнительные промежуточные крепления трубчатых мембран, что не позволяет поднять рабочее давление газа выше 0,25 МПа из-за их деформации и ограничивает предельную скорость массообмена кислорода на уровне 1,1-1,3 кг/м3·ч (деформация трубчатых мембран влечет частичное их соприкосновение и взаимное экранирование поверхностей массообмена), что снижает производительность биореактора.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении производительности биореактора за счет интенсификации массообмена, в создании более простого в эксплуатации биореактора. Предлагаемая конструкция биореактора позволяет интенсифицировать массообменные процессы за счет повышения рабочего давления газа в газопроницаемых полимерных трубчатых мембранах, за счет более интенсивного контакта культуральной жидкости, движущейся по винтовой поверхности перпендикулярно трубчатым мембранам, за счет увеличения пути движения потока культуральной жидкости в биореакторе, а также равномерного поддержания температуры культуральной жидкости во всем объеме биореактора.

Технический результат в биореакторе вытеснения с мембранным устройством подвода газового питания, включающем цилиндрический корпус, крышку, днище, газораспределительное устройство, газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны, установленные вдоль оси корпуса, достигается тем, что внутри корпуса вдоль центральной его оси установлена несущая труба теплообменника, внутри которой расположена труба подвода газа, соединенная с газораспределительным устройством, снаружи несущей трубы теплообменника установлена винтовая перфорированная поверхность, через отверстия которой проходят газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны, закрепленные между крышкой и газораспределительным устройством.

Предлагаемое изобретение позволяет увеличить продуктивность биореактора по биомассе микроорганизмов в 2,0-2,5 раза, упростить эксплуатацию биореактора.

На фиг.1 схематично показан предложенный биореактор в продольном сечении и его вид сверху; на фиг.2 показано поперечное сечение биореактора.

Биореактор содержит цилиндрический корпус 1 с днищем 2, съемную крышку 3, на которой смонтированы газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны 4, установленные вдоль оси корпуса 1, газораспределительное устройство 5. Корпус 1, днище 2, крышка 3 биореактора могут быть выполнены, например, из нержавеющей стали.

Съемная крышка 3 имеет полость 6 для приема непотребленного газа и штуцер 7, служащий для его отвода, а также для отвода воздуха при первоначальной продувке газовой полости внутри газопроницаемых полимерных трубчатых мембран 4 газом заданного рабочего состава, например техническим кислородом. На съемной крышке 3 имеется засевной штуцер 8, штуцер для подачи газового питания 9, штуцер для отвода углекислого газа 10. На днище 2 расположен штуцер 11, через который отбирается культуральная жидкость и внешним рециркуляционным насосом подается в биореактор через штуцер 8. Вдоль центральной оси корпуса 1 установлена несущая труба теплообменника 12, внутри которой расположена труба подвода газа 13, соединенная с газораспределительным устройством 5. Для подачи и отвода теплоносителя используются штуцеры 14 и 15 соответственно. Снаружи несущей трубы теплообменника 12 установлена винтовая перфорированная поверхность 16, выполненная, например, из нержавеющей стали, через отверстия которой проходят газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны 4, например выполненные из силикона, закрепленные между крышкой 3 и газораспределительным устройством 5. Толщина винтовой перфорированной поверхности 16, например равная 1,5-2,5 мм, и обработка кромок отверстий, через которые пропущены трубчатые мембраны 4, выбираются из условия недопущения перерезания трубок на кромках при подаче в них газа под давлением. Отверстия в винтовой перфорированной поверхности 16 для облегчения монтажа биореактора могут, например, на 0,1-0,2 мм превышать диаметр трубчатых мембран. Кромка винтовой поверхности 16 герметизируется уплотнительным шнуром 17. Отбор проб осуществляется через штуцер 11. Для подачи титранта используется штуцер 18. Датчики (рН, рO2, eH и др.) могут устанавливаться при необходимости в ячейку внешнего рециркуляционного контура.

Рассмотрим предлагаемый биореактор в работе. В цилиндрический корпус 1 биореактора заливается питательная среда, и через засевной штуцер 8 вводится культура микроорганизмов. В культуральную жидкость через газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны 4 из трубы подвода газа 13, соединенной с входным штуцером 9, подается газовое питание. Через отводной штуцер 7 осуществляется сброс воздуха из полости трубчатых мембран 4 при кратковременной продувке их рабочим газом.

В зависимости от потребности культуры микроорганизмов, по мере роста концентрации клеток, давление подаваемого газа увеличивают. Интенсивность процесса определяют по скорости продуцирования углекислого газа, отбираемого из отводящего углекислый газ штуцера 10. Точка отбора углекислого газа находится выше штуцера 8. С целью создания потока внутри биореактора, культуральная жидкость, отбираемая через штуцер 11, возвращается в корпус биореактора через штуцер 8. Интенсификация массообменных характеристик биореактора достигается тем, что время пребывания потока культуральной жидкости в биореакторе увеличивается, при той же самой объемной скорости ее движения, линейная скорость возрастает, поток культуральной жидкости направлен перпендикулярно газопроницаемым полимерным трубчатым мембранам, за счет чего интенсивнее идет обновление пограничного слоя жидкости, растет движущая сила процесса. Движущийся по винтовой поверхности перпендикулярно трубчатым мембранам поток культуральной жидкости более интенсивно омывает трубчатые мембраны, что существенно увеличивает коэффициент массоотдачи, а следовательно, поток кислорода в культуральную жидкость. Это способствует увеличению концентрации микроорганизмов, повышает производительность биореактора по выпускаемому продукту.

Кроме того, использование винтовой перфорированной поверхности, через перфорации которой проходят трубчатые мембраны, выполняющей функцию дополнительных креплений газопроницаемых полимерных трубчатых мембран, позволяет увеличить давление внутри мембраны примерно в 2 раза при снижении удельной поверхности мембран не более чем на 20% (часть поверхности трубчатых мембран 4 проходит через ограничивающие деформацию перфорации винтовой поверхности 16), обеспечивает рост массообмена в 2-2,5 раза.

Предлагаемое изобретение позволяет поднять рабочее давление внутри полимерных трубчатых мембран 4. При повышении давления поверхность трубчатых мембран 4 деформируется, но, встречая сопротивление со стороны перфорированной винтовой поверхности 16, эта деформация носит ограниченный характер вследствие того, что шаг винтовой поверхности составляет, например, 8-10 мм.

Если в прототипе поддержание температуры внутри биореактора обеспечивается внешней теплообменной рубашкой, что накладывает определенные ограничения на диаметр колонного биореактора, то в предлагаемом изобретении несущая труба теплообменника находится внутри биореактора, расположена вдоль центральной его оси, кроме того, винтовая перфорированная поверхность является элементом теплообменника, что обеспечивает более равномерное поддержание температуры во всем объеме биореактора и дает возможность увеличения диаметра колонного биореактора до размеров промышленного инокулятора, например до 200 литров.

Использование изобретения позволяет повысить производительность биореактора, упростить его эксплуатацию, уменьшить стоимость расходных материалов (например, отказаться от применения армированных мембран), снизить себестоимость выпускаемого продукта.

Изобретение может быть использовано для комплектации надежных и недорогих установок учебного, исследовательского и промышленного назначения.

Биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода газового питания, содержащий цилиндрический корпус, крышку, днище, газораспределительное устройство, газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны, установленные вдоль оси корпуса, отличающийся тем, что внутри корпуса вдоль центральной его оси установлена несущая труба теплообменника, внутри которой расположена труба подвода газа, соединенная с газораспределительным устройством, снаружи несущей трубы теплообменника установлена винтовая перфорированная поверхность, через отверстия которой проходят газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны, закрепленные между крышкой и газораспределительным устройством.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к аппаратам для ферментативной переработки отходов растительного и животного происхождения, стеблей растений, навоза животных и птицы, сточных вод для получения биогаза и органического экологически чистого удобрения.

Изобретение относится к биореакторам асептического выращивания микроорганизмов, в частности к инокуляторам, посевным аппаратам, и может найти применение в микробиологической, пищевой, медицинской промышленности, а также в сфере образования и науки.

Изобретение относится к системе ферментера для применения в биотехнических процессах, в частности для культивирования клеток. .

Изобретение относится к эрлифтному петлевому биореактору для получения биодизельного топлива без использования внешних газов. .

Изобретение относится к области экологической биотехнологии и может быть использовано для наработки в полевых условиях биомассы микроорганизмов - деструкторов нефтяных загрязнений.

Изобретение относится к пленочным аппаратам для культивирования автотрофных микроскопических организмов и может быть использовано в микробиологической и других отраслях промышленности, предусматривающих применение продукции культивирования (например, в комбикормовой промышленности при альголизации комбикормов, в фармацевтической и косметической промышленности).

Изобретение относится к устройствам для культивирования клеток тканей и микроорганизмов в условиях отсутствия силы земной гравитации и может быть использовано в космической биотехнологии.

Изобретение относится к устройствам для проведения биотехнологических процессов, в частности для культивирования клеток тканей и микроорганизмов в условиях микрогравитации, и может быть использовано в космической биотехнологии.

Изобретение относится к области микробиологии. .

Изобретение относится к приспособлениям, предназначенным для насыщения жидкой среды газом, например воздухом, и может найти применение в различных отраслях промышленности, включая пищевую, химическую и микробиологическую.

Изобретение относится к устройствам для выращивания одноклеточных микроорганизмов, например зеленых водорослей, в закрытых емкостях в водной суспензии при естественном или искусственном освещении

Изобретение относится к анаэробной переработке отходов сельского хозяйства, а также активного ила промышленных и коммунальных очистных сооружений с получением биогаза и органического удобрения

Изобретение относится к микробиологической, дрожжевой, спиртовой промышленности, а также к сельскому хозяйству и предназначено для переработки жидких органических отходов, преимущественно навоза или помета, и получения экологически чистых органических удобрений и горючего биогаза

Изобретение относится к области биотехнологии, фармацевтической промышленности, в частности к оборудованию для культивиротвания фотосинтезирующих микроорганизмов, преимущественно микроводорослей. Фотобиореактор содержит рабочую емкость (2) с первой и второй наружными боковыми поверхностями (20, 20'). Емкость (2) сформирована из эластичного прозрачного материала, непроницаемого для текучей среды, и установлена в каркасе (3). Каркас (3) имеет удлиненные и, по существу, вертикальные опорные компоненты (32). Компоненты (32) расположены, по меньшей мере, в одном горизонтальном ряду. Причем они установлены поочередно прилегающими к первой и второй наружным боковым поверхностям (20, 20') рабочей емкости (2) с возможностью их поддержки. Изобретение обеспечивает повышение производительности и качества процесса культивирования микроводорослей при одновременном сокращении затрат. 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

Группа изобретений относится к биотехнологии. Предложен способ выращивания колоний микробных клеток на поверхности пористой пластины. Способ включает подачу питательного раствора снизу вверх через пористую пластину в зоны роста колоний микробных клеток на её верхней поверхности, подачу суспензии микробных клеток на верхнюю поверхность пористой пластины, создание контролируемых условий роста колоний, проведение наблюдения за ростом колоний, отсоединение выращенных колоний микробных клеток от зон роста и перенос их во внешние средства идентификации. Питательный раствор подают в зоны роста колоний микробных клеток путем создания перепада давления между входом и выходом отверстий. Отверстия выполнены в пластине из анодного оксида алюминия ортогонально ее большой плоскости и топологически кодированы. В них сформированы указанные зоны роста в виде пористых мембран. Пористые мембраны размещены вровень с верхней поверхностью пластины, либо с образованием лунки и не пропускают микробные клетки. После подачи питательного раствора подают суспензию микробных клеток заданной концентрации на верхнюю поверхность пластины до их равномерного распределения. На поверхности пластины между зонами роста сформирована пленка, которая препятствует прикреплению микробных клеток. Отсоединение выросших микроколоний от зон роста осуществляют путем гидроудара. Гидроудар направлен со стороны входа цилиндрических отверстий пластины и распространяется вдоль них и далее через поры пористых мембран с силой, не разрушающей микроколонии, но достаточной для их отрыва от зон роста. Также предложено устройство для выращивания колоний микробных клеток вышеуказанным способом. Техническим результатом является обеспечение условий автоматизации процессов подачи питательного раствора и процессов отделения, и переноса выросших колоний, возможность интегрирования в миниатюрные переносные приборы, и использование в лабораториях на чипе и обеспечения портативности устройства. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 14 ил., 4 табл., 2 пр.

Группа изобретений относится к биотехнологии. Предложен способ получения целлюлозосодержащего продукта с помощью вырабатывающих целлюлозу бактерий. Способ включает подготовку мембраны, пропускающей питательный раствор и не пропускающей бактерии. Также подготавливают питательный раствор на первой стороне мембраны для подачи через мембрану на вторую сторону. Далее подготавливают газовую среду на второй стороне мембраны, подготавливают бактерии, вырабатывающие целлюлозу, на второй стороне мембраны для получения бактериями питательного раствора, проникающего сквозь мембрану. Также предложен целлюлозосодержащий продукт, полученный указанным способом. Техническим результатом является отсутствие образования гранул в питательном растворе и отсутствие отложений целлюлозы в подводящих и отводящих каналах, а также получение целлюлозосодержащего продукта, обладающего однородной структурой и плотностью. 2 н. и 31 з.п. ф-лы, 10 ил.

Группа изобретений относится к биохимии. Предложено устройство для поверхностного выращивания микроорганизма на жидкой питательной среде. Устройство включает кювету с поддоном для выращивания микроорганизма, снабженную свободно опущенной на ее дно транспортной сеткой. Транспортная сетка выполнена из нейтрального материала и закреплена своими концами на приводных барабанах, обеспечивающих поднятие транспортной сетки со дна кюветы. Также устройство содержит приемное устройство с клапаном для присоединения к смесителю-дозатору и подачи смеси жидкой питательной среды с маточной культурой в кювету, поворотные заслонки, установленные по торцам кюветы для регулирования обмена воздуха в кювете, сливное устройство для слива культуральной жидкости. патрубок для подачи сушильного агента под сетку, пробоотборник и сменные светофильтры в фонарях для регулирования освещенности, расположенные на боковых стенках кюветы, крышку, герметично закрывающую кювету, выполненную с возможностью ее открывания и/или снятия, снабженную форсунками для распыления раствора ПАВ над поверхностью выращиваемой в кювете биомассы и моющими головками для осуществления санитарной обработки устройства. Также предложен способ поверхностного выращивания микроорганизма на жидкой питательной среде с использованием вышеуказанного устройства. Предложенные изобретения обеспечивают выращивание микроорганизмов на жидкой питательной среде с минимальным применением ручного труда. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 пр.

(57) Изобретение относится к микробиологической, пищевой, медицинской промышленности, в частности к биореакторам асептического выращивания микроорганизмов, и может быть использовано для комплектации установок учебного, научно-исследовательского и промышленного назначения. Биореактор содержит цилиндрический корпус, съемную крышку, днище, газораспределительное устройство. Газораспределительное устройство имеет расположенную вдоль центральной оси корпуса несущую трубу подвода газа , а между несущей трубой подвода газа и корпусом вдоль радиальных линий - равномерно установленные вертикальные гребенчатые планки с пазами в одинаковом количестве. В пазах гребенчатых планок размещены газопроницаемые трубчатые мембраны с образованием винтообразных намоток с шагом, равным расстоянию между пазами гребенчатых планок. Изобретение позволяет повысить производительность биореактора в 1,5 раза при одновременном упрощении конструкции. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к аппаратам для проведения биохимических процессов с использованием жидких сред различной вязкости, в частности при культивировании клеток тканей и микроорганизмов в питательных средах повышенной вязкости, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в частности биотехнологии и пищевой промышленности. Вихревой биореактор включает цилиндрическую емкость 1 с крышкой 2, имеющей расположенное в ней устройство для перемешивания среды. Перемешивающее устройство состоит из лопастного колеса 7, горизонтально укрепленного на вертикальном валу, в верхней части емкости 1, и горизонтальной кольцевой перегородки 9, установленной в емкости 1 с зазором относительно ее цилиндрических стенок, вертикально установленную по оси емкости штангу 10. Горизонтальная кольцевая перегородка 9 размещена с возможностью вращения на вертикальной штанге 10 и имеет механизм фиксации горизонтальной кольцевой перегородки 9, установленной на штанге 10. Биореактор снабжен трубой 19 или телескопической трубой 20, состыкованной с осевым отверстием 13 горизонтальной кольцевой перегородки 9, прикрепленной снизу к последней и расположенной вокруг штанги 10. На верхней поверхности 11 горизонтальной кольцевой перегородки 9 выполнены радиальные каналы 12, расположенные от осевого отверстия 13 до края кольцевой перегородки 9 с наклоном к низу в сторону днища емкости 1. Горизонтальная кольцевая перегородка 9 выполнена плавучей, например, из полипропилена. Внутренний диаметр трубы 19 или телескопической трубы 20 соответствует диаметру осевого отверстия 13 горизонтальной кольцевой перегородки 9. Площадь осевого отверстия 13 горизонтальной кольцевой перегородки 9 равна суммарной площади сечений на входе 14 в радиальные каналы 12 и суммарной площади сечений на выходе 15 из этих радиальных каналов 12. Изобретение обеспечивает повышение эффективности перемешивания и ускорение биохимических процессов при их проведении с использованием жидких сред различной вязкости. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх