Реактор для культивирования водородных бактерий

 

О П И С А Н И Е ()943275

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Со1оэ, Советсиик

Социалистическик

Республик (В1) Дополнительное к авт. свнд-ву (22) Заявлено 25. 04. 80 (21) 2919302/28-13 (51)М. Кл.

С 12 И 1/00 с присоединением заявки М(23) П рноритет

РжударктиквИ комитат

ИОР ао делам изобретений и открытк11 (53) УД К 663. 14 (088. 8) Опубликовано 15. 07. 82. Бюллетень № 26

Дата опубликования описания 15.07.82

О.С.Ксенжек, В.Г.Нефедов, В.И.Сер и В.В.Вечерова (72) Авторы изобретения

Р

Днепропетровский ордена Трудового химико-технологический институт им (71) Заявитель (54) РЕАКТОР ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ВОДОРОДНЫХ

БАКТЕРИЙ

1О

Изобретение относится к реакторамэлектролизерам, предназначенным для выращивания водородных бактерий, ко- торые могут. быть использованы в качестве одного из звеньев биологотехнических систем жизнеобеспечения (для регенерации атмосферы в замкнутых объемах), а также для производства биомассы, используемой в качестве белковой добавки в кормовой или пищевой рацион.

Водородокисляющие бактерии А1саligenes eutr0pha относятся к хемолитотрофным микроорганизмам, использующих в качестве энергетического субстрата молекулярный водород, а качестве источника углерода — углекислоту, а в качестве источников азота, .фосфора и других элементов— простые неорганические соединения, водный раствор которых является питательной средой.

При насыщении такой питательной среды (с внесенной культурой. бакте2 рий) водородом и кислородом происходит окисление водорода клетками и за счет образующейся энергии АТФ синтез клеточного вещества при условии подачи в раствор углекислоты. Культивирование бактерий может осуществляться в периодическом и непрерывном режимах., Известен реактор для культивирования водородных бактерий, содержащий емкость и патрубки для подвода и отвода питательной среды и размещенные в емкости анод и катод (1).

Однако производительность этого реактора невысока, из-за ингибирования роста клеток высоким парциальным давлением кислорода.

Кроме того, скорость роста бактерий замедляется из-за неравномерного распределения газовых компонентов в культуральном объеме. В этом реакторе невозможно также обеспечить отделение чистого кислорода, непотребляемого бактериями.

3 9432 Цель изобретения - повышение про-. изводительности реактора.

Цель достигается тем, что, в ре" акторе для культивирования водородных бактерий, содержащем емкость с патрубками для подвода и отвода питательной среды и размещенные в емкости анод, и катод, анод и катод выполнены в виде решеток, установленных поочередно одна за другой перпендику- >о лярно потоку питательной среды, при этом емкость снабжена расположенными снаружи камерами, отделенными от внутреннего пространства емкости анионообменными мембранами, причем (в каждой камере установлен дополниE тельный анод.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема реактора; на фиг. 2 - реактор в аксонометрии; на фиг. 3 - график скорости роста клеток.

Реактор для культивирования водо" родных бактерий, содержит емкость 1 с патрубками 2. и 3 для подвода и отвода питательной среды и размещенные в емкости анод 4 и катод 5, выполненные в виде решеток и установленные поочередно друг за другом перпендикулярно потоку питательной среды. Снаружи емкость снабжена камерами 6 и 7, отделенными от внутреннего пространства емкости 1 катионообменными мембранами 8 и 9. В камерах 6 и 7 установлены дополнительные. аноды 10 и 11.

Трубопровод 12 служит для перемещения питательной среды насосом 13.

Теплообменник 14 предназначен для охлаждения питательной среды. Фотоэлектрокалориметр 15 с проточной кюветой используется для контроля концентрации клеток. Для подачи углекислого

40 газа используется барботер (на фиг. не показан) .

Расстояние между решетками анода

4 и катода 5 5-7 мм, а между электродами в решетке — 3-7 мм. В качест45 ве электролита в камерах 6 и 7 использован 0,1-0,3 н. раствор Н $04 .

Предлагаемый реактор работает следующим образом.

Насосом 13 питательная среда прока- о чивается через емкость 1. При подаче напряжения на анод 4 и катод 5, установленные перпендикулярно потоку питательной среды, на катоде 5 выделяется водород, а на аноде 4 - кислород, на- s5 сыщающие питательную среду.

На дополнительных анодах 10 и 11 при подаче на них напряжения выделя75 ф ется кислород, предназначенный для дыхания. Подачей углекислого газа в реактор создают условия, необходимые для устойчивого биосинтеза.бактерий.

Условия жизнедеятельности клеток улучшаются при работе дополнительных анодов 10 и 11, так как снижается парциальное давление выделяемого кислорода.

Возможность независимого изменения токовых нагрузок на аноды 4 емкости 1 и аноды 10 и 11 камер 6 и 7 позволяет обеспечить оптимальное соотношение кислорода и водорода в широком интервале концентрации клеток.

Выделение кислорода в камерах 6 и 7 и утилизация в емкости 1 эквивалентного количества углекислого газа дает возможность применять предлагаемый реактор для регенерации атмосферы в замкнутых биолого-технологических сис1темах жизнеобеспечения.

При выделении кислорода на дополнительных анодах 10 и 11 происходит подкисление электролита в камерах 6 и

7 и эквивалентное подщелачивание среды в емкости 1. Стабилизация рН достигается применением катионообменных мембран и 0,1-0,3н. раствора

Н2Ю в камерах 6 и 7. При этом перенос электричества через мембрану обеспечивается потоком Н-ионов,направленным от анодов 10 и 11 в емкость

1, где происходит нейтрализация образующихся гидроксильных ионов.

Установка решеток анода 4 и катода 5 с зазором 5-7 мм и выполнение электродов s каждой решетке на расстоянии. 3-7 мм друг ат друга обеспечивают оптимальные условия совмещенных процессов электролиза и биосинтеза.

Чередование анодов 4 и катодов 5 и направление среды перпендикулярно поверхности решеток приводит к уменьшению зон с высоким парциальным давлением газов и улучшает условия развития клеток.

При подаче через барботер углекислого газа достигается оптимальны состав газовой атмосферы, обеспечивающий устойчивый биосинтез бактерий.

Контроль за скоростью роста бактерий и изменением их концентрации осуществляется с помощью фотоэлектрокалориметра 15.

Выполнение в реакторе анода и катода в виде решеток, установленных по.очередно одна за другой перпендику5 943 лярно потоку питательной среды, снабжение емкости расположенными снаружи камерами, отделенными от внутреннего пространства емкости анионообменными мембранами, и снабжение камер дополнительными анодами позволяет увеличить скорость роста клеток в реакторе в сравнении с известным устройством. Как видно из графика (фиг. 3) скорость роста клеток в известном 1о устройстве (кривая 1) значительно меньше, чем в предлагаемом (кривая 2), так как в известном для электролиза среды используются только два электрода (анод и катод), в результате чего водород и кислород получаются в соотношении 2:1 2Н20 — 2Н + О, а в предлагаемом устройстве водород и кислород яолучаются в соотношении

3:1.

2О

6Нд + 20 + С01 — ь (СН,20) + 5Н О, где (CH<0) " условное обозначение клеточного вещества.

Удельная скорость роста, опреде;ляемая как

2 6

Таким образом, производительность предложенного реактора примерно в

2 раза выше производительности извест° ного.

Формула изобретения

42

«1dC

Р = С drl в известном устройстве не превышает

$= 0,05-0,07 ч ", а в предложенном устройстве += 0,1-0,12 и 1

Реактор для культивирования водородных бактерий, содержащий емкость и патрубки для подвода и отвода питательной среды и размещенные в емкости анод и катод, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения производительности, анод и катод выполнены в виде решеток, уста- . новленных поочередно одна за другой перпендикулярно потоку питательной среды, при этом емкость снабжена расположенными снаружи камерами, отделенными от внутреннего пространства емкости анионообменными мембранами, причем в каждой камере установлен дополнительный анод.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР и 312869, кл. С 12 И 1/00, 1970.