БИОРЕАКТОР С МЕМБРАННЫМ УСТРОЙСТВОМ ПОДВОДА ГАЗОВОГО ПИТАНИЯ

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.