Биореактор с мембранным устройством подвода газового питания



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

 


Владельцы патента RU 2534886:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технологический университет" (ФГБОУ ВПО "КНИТУ") (RU)

(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 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, C12M 1/84, 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_48_0.html. Компактный настольный ферментер BIOSTAT В с устройством для безпузырьковой аэрации).

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

Известен биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода и стерилизации газового питания колонного типа с осевым расположением газопроницаемых полимерных трубчатых мембран (патент RU 2415913, C12M 1/04, 2011). Внутри корпуса вдоль центральной его оси установлена несущая труба подвода газа, соединенная с газораспределительным устройством, на которой с равным шагом установлены перфорированные диски, через часть отверстий которых проходят газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны, закрепленные между крышкой и газораспределительным устройством.

Конструктивное исполнение крепления газопроницаемых полимерных трубчатых мембран ограничивает удельную площадь поверхности мембран и, следовательно, снижает производительность биореактора. Кроме того, к недостаткам такого биореактора относится значительное количество штуцеров крепления мембран на газораспределительном устройстве и крышке аппарата, что усложняет конструкцию и затрудняет сборку/разборку биореактора.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода газового питания (патент RU 2446205, C12M 1/04, 2012). Биореактор включает цилиндрический корпус, крышку, днище, газораспределительное устройство, газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны, установленные 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. Установленная винтовая перфорированная поверхность создает перпендикулярное к мембранам винтовое движение потока жидкости.

К недостаткам такого биореактора относится ограниченность максимальной возможной поверхности газопроницаемых полимерных трубчатых мембран при их осевом расположении, что в свою очередь ограничивает производительность биореактора. Данная конструкция также характеризуется значительной сложностью монтажа мембран в неподвижной цельной винтовой вставке. В случае повреждения одной из трубчатых мембран, расположенной во внутренних рядах, замена поврежденного элемента характеризуется значительной трудоемкостью вследствие съема большого количества мембран внешних рядов.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в увеличении производительности биореактора за счет увеличения рабочей удельной поверхности мембраны и в упрощении его конструкции.

Поставленная задача решается биореактором с мембранным устройством подвода газового питания, содержащим цилиндрический корпус, съемную крышку, днище, газораспределительное устройство, включающее газопроницаемые трубчатые мембраны, расположенную вдоль центральной оси корпуса несущую трубу подвода газа, штуцер подвода газа к несущей трубе и штуцер для отвода газа из полостей трубчатых мембран, причем газораспределительное устройство снабжено вертикальными гребенчатыми планками с пазами и установленными в биореакторе вверху и внизу между несущей трубой подвода газа и корпусом радиальными направляющими, имеющими равномерно размещенные в них пазы для фиксации в них вертикальных гребенчатых планок, газопроницаемые трубчатые мембраны размещены в пазах вертикальных гребенчатых планок с образованием винтообразных намоток с шагом, равным расстоянию между пазами гребенчатых планок, и закреплены посредством штуцеров подвода и отвода газового потока, закрепленных в верхней и нижней частях несущей трубы подвода газа соответственно.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение продуктивности биореактора по биомассе микроорганизмов в 1,5 раза и упрощение его конструкции.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

на фиг.1 схематично показан биореактор в продольном сечении (для упрощения чертежа мембраны в пазах не показаны);

на фиг.2 показано поперечное сечение биореактора.

Биореактор содержит цилиндрический корпус 1, съемную крышку 2, днище 3, газораспределительное устройство 4, включающее расположенную вдоль центральной оси корпуса несущую трубу подвода газа 5, газопроницаемые трубчатые мембраны 6, гребенчатые планки 7. Корпус 1, крышка 2, днище 3, несущая труба подвода газа 5, гребенчатые планки 7 биореактора могут быть выполнены, например, из нержавеющей стали.

Рубашка теплообмена 8 биореактора имеет штуцеры 9 и 10 для ввода и отвода теплоносителя. Днище 3 имеет центрально расположенный штуцер 11, служащий для подачи питательной среды. Съемная крышка 2 имеет установленный в центре штуцер 12 для отбора жидкости, штуцеры 13, которые используются для установки датчиков (pH, pO2, eH и др.) и отбора газовой фазы. Газораспределительное устройство имеет штуцер 14 для подвода газа к несущей трубе 5 и штуцер 15 для отвода газа из полостей трубчатых мембран соответственно.

Газораспределительное устройство имеет соосно установленные вверху и внизу, напротив друг друга радиальные направляющие 16 с пазами для фиксации гребенчатых планок 7. Газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны 6 навиваются в несколько рядов в пазы планок. Крепление каждой мембраны осуществляется на соответствующих ряду планок штуцерах подвода 17 и отвода 18 газового потока, закрепленных в верхней и нижней части несущей трубы подвода газа 5.

Геометрия размещения трубчатых мембран в аппарате определяет величину удельной поверхности мембран. С учетом требований максимизации указанной поверхности и простоты конструкции оптимальными размерами являются:

1) ширина планок равна 1,5÷2 диаметра газопроницаемой трубчатой мембраны;

2) ширина и глубина пазов в планках равна диаметру газопроницаемой трубчатой мембраны;

3) расстояние между пазами гребенчатых планок равно 0,5÷1 диаметра газопроницаемой трубчатой мембраны.

Рассмотрим предлагаемый биореактор в работе. В цилиндрический корпус 1 биореактора заливается питательная среда и вводится культура микроорганизмов через штуцер 11. В полость несущей трубы подвода газа 5 газораспределительного устройства 4 через штуцер 14 подается газ, например кислород. Через отводной штуцер 15 осуществляется сброс воздуха из полости трубчатых мембран 6 при кратковременной продувке их рабочим газом. При этом в культуральную жидкость через газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны 6 поступает газовое питание.

В зависимости от потребности культуры микроорганизмов, по мере роста концентрации клеток, давление подаваемого газа в газораспределительном устройстве увеличивают. Интенсивность процесса определяют по скорости продуцирования углекислого газа, отбираемого из отводящего углекислый газ штуцера 13. Точка отбора углекислого газа находится выше штуцера 12, через который осуществляется отбор жидкости. С целью создания потока внутри биореактора культуральная жидкость, отбираемая через штуцер 12, возвращается в корпус биореактора через штуцер 11.

За счет предлагаемой геометрии мембран - винтообразной навивки достигается увеличение длины трубчатой мембраны в единице объема биореактора. Соответственно на 50-60 процентов увеличивается удельная поверхность мембран, что обеспечивает интенсификацию массообменных характеристик биореактора. Это способствует увеличению концентрации микроорганизмов, повышает производительность биореактора по выпускаемому продукту в 1,5 раза по сравнению с прототипом.

Предлагаемое изобретение позволяет упростить конструкцию биореактора за счет замены нескольких отрезков трубчатых мембран, расположенных вдоль аппарата, одним отрезком такой же или большей общей длины, располагаемым по линии винтовой намотки, что уменьшает количество штуцеров крепления мембран в 4-30 раз в зависимости от диаметра аппарата.

Таким образом, предлагаемое конструктивное решение позволяет повысить производительность биореактора в 1,5 раза, упростить его конструкцию и в результате снизить себестоимость выпускаемого продукта.

1. Биореактор с мембранным устройством подвода газового питания, содержащий цилиндрический корпус, съемную крышку, днище, газораспределительное устройство, включающее газопроницаемые трубчатые мембраны, расположенную вдоль центральной оси корпуса несущую трубу подвода газа, штуцер подвода газа к несущей трубе и штуцер для отвода газа из полостей трубчатых мембран, отличающийся тем, что газораспределительное устройство снабжено вертикальными гребенчатыми планками с пазами и установленными в биореакторе вверху и внизу между несущей трубой подвода газа и корпусом радиальными направляющими, имеющими равномерно размещенные в них пазы для фиксации в них вертикальных гребенчатых планок, газопроницаемые трубчатые мембраны размещены в пазах вертикальных гребенчатых планок с образованием винтообразных намоток с шагом, равным расстоянию между пазами гребенчатых планок и закреплены посредством штуцеров подвода и отвода газового потока, закрепленных в верхней и нижней частях несущей трубы подвода газа соответственно.

2. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что ширина гребенчатых планок составляет 1,5÷2 диаметра газопроницаемой трубчатой мембраны.

3. Биореактор по п.2, отличающийся тем, что ширина и глубина пазов планок равны диаметру газопроницаемой трубчатой мембраны.

4. Биореактор по п.3, отличающийся тем, что расстояние между пазами гребенчатых планок составляет 0,5÷1 диаметра газопроницаемой трубчатой мембраны.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к биохимии. Предложено устройство для поверхностного выращивания микроорганизма на жидкой питательной среде.

Группа изобретений относится к биотехнологии. Предложен способ получения целлюлозосодержащего продукта с помощью вырабатывающих целлюлозу бактерий.

Группа изобретений относится к биотехнологии. Предложен способ выращивания колоний микробных клеток на поверхности пористой пластины.

Изобретение относится к области биотехнологии, фармацевтической промышленности, в частности к оборудованию для культивиротвания фотосинтезирующих микроорганизмов, преимущественно микроводорослей.

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

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

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 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.

Изобретения относятся к области биотехнологии, а именно к способу и системе для получения одного или более продуктов, включающих спирты и/или кислоты, с помощью микробиологической ферментации. Принимают из производственного процесса прерывистый или непостоянный поток(и) дымового или отходящего газа, содержащего СО, в резервуар-хранилище. Направляют по существу непрерывный поток(и) газа из резервуара-хранилища в биореактор, в котором имеется культура одной или более карбоксидотрофной бактерии в жидкой питательной среде. Ферментируют эту культуру с получением одного или более продуктов, включающих спирты и/или кислоты. Система для получения одного или более продуктов, включающих спирты и/или кислоты, содержит впуск для приема прерывистого или непостоянного потока(ов) дымового или отходящего газа, содержащего CO, резервуар-хранилище для приема указанного потока газа, выполненный с возможностью направления указанного потока газа в по существу непрерывном режиме в биореактор. Причем система выполнена с возможностью направления по меньшей мере порции этого газа в биореактор. Изобретения позволяют использовать непостоянные по своей природе потоки газообразного субстрата и обеспечивают достижение непрерывности потока такого субстрата при его подаче в биореактор. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 17 ил., 5 табл., 2 пр.

Изобретение относится к области производства биогаза методом анаэробного метанового сбраживания. Предложен биоэнергетический комплекс получения биогаза и гранулированного биотоплива. Комплекс включает биопруд и модуль получения газообразного биотоплива, с последовательно соединенными патрубками подачи биомассы измельчителем, гомогенизатором и биореактором. Биореактор состоит из, по меньшей мере, одного метантенка, газовый выход которого через газгольдер и компрессор соединен с энергоблоком. В качестве герметичных емкостей метантенков используются оснащенные трубной системой нагрева резервуары, выполненные из композитных эластомеров с полиуретановым или поливинилхлоридным двусторонним покрытием. Резервуары соединены патрубками с системой гидроперемешивания. Измельчитель снабжен приемным бункером, а выход отработанной биомассы биореактора снабжен приемной емкостью. Комплекс дополнен модулем изготовления пеллет, с возможностью его работы в режиме изготовления пеллет из выращенной в биопруду зеленой растительной массы или в режиме изготовления пеллет из биомассы, отработанной в реакторе. Модуль изготовления пеллет состоит из блока отжима, при этом патрубок отвода жидкости блока отжима соединен с возможностью регулировки с гомогенизатором модуля получения газообразного биотоплива или биопрудом. Выход твердой фракции блока отжима соединен с гранулятором, выход которого соединен с линией упаковки двух видов пеллет. Изобретение позволяет осуществлять глубокую дегазацию органической массы, повысить выход биогаза, рентабельность биогазовых установок при производстве электроэнергии в диапазоне малой мощности от 10 кВт/ч до 500 кВт/ч, расширить функциональные возможности, обеспечить мобильность и работоспособность комплекса в любых климатических условиях. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области биохимии. Предложен аппарат для культивирования микроорганизмов. Аппарат содержит емкость, внутри нее перемешивающее устройство, выполненное из мешалок, ярусно укрепленных на валу, патрубки для ввода питательной среды, аэрирующего газа и отвода отработанного газа и готового продукта. Перемешивающее устройство состоит из трех мешалок. Верхняя мешалка выполнена в виде сплошного диска с вырезанными на ней отверстиями, при этом на диске установлены лопатки Т-образной формы с прорезями волнообразной формы в козырьке. Центральная выполнена с вертикальными прорезями в боковых сторонах, а нижняя - в форме пропеллера. Изобретение обеспечивает интенсификацию процесса культивирования микроорганизмов. 4 ил.

Изобретение относится к области получения биогаза. Предложена биогазовая установка. Установка включает герметичный вертикальный цилиндрический резервуар с патрубками для подачи перерабатываемой биомассы, слива переработанного субстрата и для отвода биогаза. В резервуаре установлено барботажное перемешивающее устройство в виде вертикальной спиралевидной перфорированной трубы. Спиралевидная труба расположена вдоль стен резервуара и днища, витки трубы повторяют форму резервуара и днища, при этом отверстия трубы имеют насадки в виде уголка трубы. По центру резервуара установлена вертикальная перфорированная труба диаметром больше, чем диаметр спиралевидной трубы, отверстия вертикальной и спиралевидной труб выполнены в шахматном порядке. Нижние концы вертикальной и спиралевидной трубы жестко закреплены к стальному цилиндрическому уголку. Изобретение обеспечивает повышение производительности установки и увеличение выхода биогаза. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области биохимии. Предложена ферментационная установка для метанассимилирующих микроорганизмов. Установка содержит колонный ферментер и два реактора. Ферментер включает корпус, патрубок выхода отработанного газа, патрубок подачи питательных солей, технологической воды, компонентов питания и засевной биосуспензии, патрубок ввода газо-жидкостного потока в ферментер из реакторов и патрубок вывода биосуспензии из ферментера в реакторы. Каждый реактор содержит патрубок отбора газо-жидкостного потока в ферментер, дисковую мешалку с приводом, патрубок подачи биосуспезии из ферментера в реактор. Первый реактор содержит патрубок подачи метаносодержащего газа, второй реактор содержит патрубок подачи кислородсодержащего газа. Ферментер дополнительно содержит средство поддержания температуры, средство поддержания pH среды, средство поддержания уровня растворенного кислорода, анализатор отходящего газа. Привод мешалки в каждом реакторе снабжен датчиком измерения мощности, связанным через логическое устройство-контроллер с регуляторами расхода поступающих газовых потоков и с регулирующими клапанами подачи жидкости в каждый реактор. Изобретение обеспечивает уменьшение энергозатрат на процесс аэробной ферментации, повышение степени использования кислорода и метана, увеличение производительности, а также возможность создания эффективных установок промышленного объёма до 100-400 м3. 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области культивирования микроорганизмов. Предложен аппарат для культивирования автотрофных микроорганизмов. Аппарат содержит цилиндрический корпус, разделенный горизонтальными перегородками на секции для ввода и вывода культуральной жидкости и дополнительную секцию с внутренней зеркальной поверхностью, патрубки для ввода и вывода охлаждающего воздуха, пленкообразующее устройство, лампу накаливания, барботажное устройство, систему рециркуляции культуральной жидкости. Система состоит из прозрачной рециркуляционной трубы, расположенной вертикально по оси симметрии аппарата. Барботажное устройство с патрубком подачи смеси углекислого газа с воздухом выполнено в виде кольцевого коллектора в секции вывода культуральной жидкости, при этом внутри центральной рециркуляционной трубы установлен вал, причем на валу в зоне дополнительной секции закреплен роторный нагнетатель, направляющий культуральную жидкость из секции вывода питательной среды через рециркуляционную трубу в секцию ее ввода. Нижняя часть вала снабжена крыльчаткой, выполненной с возможностью вращения вокруг своей оси за счет кинетической энергии потока газа. Изобретение обеспечивает повышение выхода биомассы, повышение её качества, уменьшение габаритных размеров аппарата, упрощение его конструкции, снижение удельных затрат, рациональное распределение потока газа, а также повышение качества массобмена. 1 ил.
Наверх