ТВЕРДОФАЗНЫЙ БИОРЕАКТОР

Изобретение относится к твердофазному биореактору для выращивания микроорганизмов на твердофазных подложках, в частности для больших объемов. Областью применения изобретения является микробиологическая промышленность.

Из публикации WO 99/57239 А известен способ, предусматривающий использование твердого субстрата для культивирования микроорганизмов. Его размещают на модульных основаниях, расположенных в емкости твердофазного биореактора, и равномерно засевают посевным материалом, в качестве которого можно использовать микроорганизмы. Через субстрат с посевным материалом пропускают увлажненный воздух при небольшом расходе. Температуру в емкости регулируют при помощи узла охлаждения. Модульные основания выполнены в виде пластин, расположенных одна над другой и проницаемых для воздуха и воды. Пластины соединены со стенкой емкости так, что ни воздух, ни вода не могут проходить сбоку. Под каждым модульным основанием установлен узел охлаждения, подключенный быстросоединяемым соединением к трубам для слива и подачи охлаждающей жидкости, которые расположены снаружи емкости. Последняя имеет отверстия для подачи посевного материала и воды и снабжена патрубком для подачи воздуха и патрубками для слива воды и выпуска воздуха. Изобретение обеспечивает стерильные условия в процессе ферментации, равномерное аэрирование субстрата и регулирование его температуры и увеличение производительности биореактора.

Однако при использовании упомянутый биореактор имеет некоторые недостатки.

Использование охлаждающей системы в виде охлаждающих трубок для каждой отдельной биореакторной пластины, проходящих под пластинами, и обязательно имеющих поток хладагента, и предусматривающих выпуск хладагента наружу через стенку биореактора, обусловливает повышенный риск загрязнения материала биореактора хладагентом. В частности, риск загрязнения связан с тем, что каждая охлаждающая трубка должна быть соединена с трубками подачи и выпуска хладагента из биореактора с помощью двух соединителей (для подачи и выпуска хладагента). В этих соединениях могут возникать утечки. Риск возникновения этих утечек повышается с увеличением числа биореакторных пластин. Поскольку соединители системы охлаждения выступают внутрь биореактора снаружи (один для подачи и один для выпуска на каждой биореакторной пластине), поэтому введение биореакторных пластин под ними сопряжено с трудностями. При введении их либо нужно держать под углом, либо нужно предусмотреть углубление, чтобы опустить их мимо соединений в нижнюю часть биореактора.

Кроме того, еще одна трудность твердофазного биореактора согласно указанному документу заключается в том, что биореакторные пластины расположены на «кольцах или на устройствах другой формы». Эти «кольца или устройства другой формы» имеют теплостойкую прокладку. Прокладка предназначается для предотвращения прохождения воды или воздуха по биореакторным пластинам. Но в связи с наличием этих «колец или устройств другой формы» введение пластины под ними затрудняется.

Поэтому настоящее изобретение направлено на устранение упомянутых выше недостатков твердофазного биореактора согласно публикации RU 2235767 С2 за счет конструкционных изменений, а также за счет обеспечения применения больших объемов.

Эта задача решается согласно описываемому ниже изобретению. В частности, согласно настоящему изобретению создан твердофазный биореактор, содержащий емкость с крышкой и днищем, ряд установленных одна над другой полок, имеющих отверстия, соединенных с внутренней стенкой емкости для предотвращения прохождения сбоку воздуха и воды и снабженных расположенным на них субстратом для культивируемых микроорганизмов, охлаждающие трубчатые элементы, расположенные вертикально и проходящие через отверстия полок биореактора, и уплотнения, размещенные между полками и прижимаемые к стенке емкости полками, расположенными над уплотнениями.

Предпочтительно каждый охлаждающий трубчатый элемент состоят из наружной трубки для подачи хладагента и расположенной концентрично внутри нее внутренней трубки для отвода хладагента. При этом наружные трубки охлаждающих трубчатых элементов могут быть снабжены конусообразными крышками, при этом торцы внутренних трубок расположены ниже крышек на 1-2 см.

Охлаждающие элементы могут быть установлены по треугольнику на одинаковом расстоянии один от другого.

Преимущественно уплотнение выполнено из упругого теплостойкого материала, содержащего, например, кремнеорганическое соединение.

Нижняя полка может быть установлена на кольце с уплотнением.

Таким образом, основными отличительными признаками настоящего изобретения изобретения являются новый тип охлаждения материала биореактора и новый тип герметизации биореакторных полок относительно стенки биореактора.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 представляет вид спереди биореактора согласно настоящему изобретению, на котором также проиллюстрирован в увеличенном масштабе способ установки полки биореактора;

Фиг.2а и 2b - виды спереди и сверху полки биореатора, соответственно;

Фиг.3 - вид спереди охлаждающих трубок с обозначением направления потока хладагента.

Твердофазный биореактор согласно изобретению содержит емкость (см. фиг.1) объемом, например, по меньшей мере, 50 литров, предпочтительно от 500 литров до 1000 литров и более.

Емкость закрыта крышкой 1, снабженной, если это необходимо, патрубком 2 для выпуска воздуха (который, при необходимости, может быть снабжен фильтром 3 стерильного исходящего воздуха), а также отверстием 4 для засева. Крышка может быть прикреплена к емкости посредством винтового соединения 5 с использованием уплотнения 6. В емкости размещено множество модульных оснований в виде полок 7 (см. фиг.2а и 2b), расположенных ярусами и проницаемых для воздуха и пара, которые предназначены для размещения субстрата 8 для выращиваемых микроорганизмов. Пар может подаваться через патрубок 9 для подачи пара.

Субстрат представляет собой материал для питания выращиваемого микроорганизма. Этот материал предпочтительно имеет гранулированную структуру, чтобы обеспечить достаточную проницаемость для воздуха. Он может состоять из зерен, отрубей в гранулах или других продуктов органических отходов, отходов от производства сахара или пропитанных раствором гранулятов.

Количество полок зависит от требований, предъявляемых к выращиваемому микроорганизму, а также от простоты обслуживания всего биореактора. Слишком большое количество полок может нарушить необходимую подачу кислорода для роста микроорганизмов в верхние слои субстрата. Очень большое количество полок также ухудшает простоту эксплуатации биореактора. Однако согласно изобретению в биореакторе может быть установлено двадцать или более полок.

Полки 7 соединены со стенкой 10 емкости таким образом, что ни воздух, ни вода не могут протекать сбоку между полкой 7 и стенкой 10. Расстояние между полками 7 зависит от оптимальной толщины слоя субстрата, которая определяется потребностями выращиваемого микроорганизма. Кроме того, полки 7 имеют отверстия 11 (см. фиг.2b), через которые проходят расположенные вертикально охлаждающие трубчатые элементы 12. Эти охлаждающие трубчатые элементы 12 позволяют удалять выделяемое тепло из субстрата. Кроме того, основание 13 полки имеет перфорированные листы.

Между полками 7 размещены уплотнения 14 (на Фиг.1 также показано высвобожденное уплотнение 14а), которые прижимаются к стенке 10 емкости полками 7, расположенными над уплотнениями 14. Уплотнение представляет собой упругий, теплостойкий материал (например, кремнийорганическое соединение). При сжатии уплотнения оно расширяется в стороны и прижимается к внутренней стенке биореактора. За счет этого обеспечивается необходимая воздухо- и влагонепроницаемость. Чтобы исключить излишне сильное сжатие уплотнения, верхняя биореакторная полка расположена на уровне под ним. Это можно обеспечить, например, прокладками, которые обеспечивают равное между всеми полками пространство сжатого уплотнения. Уплотнение можно установить либо на верхнем крае нижней полки, либо на крае под основанием верхней полки, например, при помощи паза.

Основание емкости содержит патрубок 15 для впуска воздуха в биореактор, куда вдувается стерильный увлажненный воздух (воздух может быть отфильтрован посредством фильтра 16 для получения стерильного воздуха). Воздух циркулирует через все слои субстрата и выходит из биореактора через патрубок 2 для выпуска воздуха, установленный на крышке.

Пространство между полками обеспечивает равномерное распределение воздуха во всем биореакторе.

Если в биореакторе не может использоваться влажный воздух для аэрирования, воздух может увлажняться внутри биореактора. Это достигается тем, что, по меньшей мере, самое нижнее модульное основание не заполняется субстратом, а заполняется гранулированным материалом, который может поглощать воду, циркулирующую с вдуваемым воздухом, прежде чем воздух проникает в биореактор. Если для развития микроорганизма требуется большое количество воды, в биореакторе на определенных расстояниях могут быть установлены несколько модулей для увлажнения воздуха. Количество вдуваемого воздуха зависит от потребности выращиваемого организма в кислороде. Оно может изменяться от 1 до 100 литров в час на литр субстрата.

Биореактор заполняется стерильной водой до самого верхнего слоя субстрата для засева (инокуляции) субстрата микроорганизмом, предназначенным для выращивания, после стерилизации его содержимого. Для этого установлен патрубок 17 для подачи воды, в который вставлен стерильный фильтр 18. Однако патрубок для подачи воды также может быть установлен в другом месте биореактора, например на крышке. После заполнения водой вводится посевной материал через предназначенное для этого отверстие 4 в крышке. Отверстия для засева могут располагаться между модульными основаниями, особенно если полок очень много. В первом случае распределение посевного материала в биореакторе осуществляется исключительно введением воды через отверстие в днище биореактора. Дополнительно биореактор имеет слив 19, расположенный в днище биореактора, и предохранительный вентиль 20, выполненный в крышке 1 биореактора.

Посевной материал - суспензия микроорганизмов - протекает через все слои субстрата и остается с достаточным количеством связанной воды. Если слоев, по которым протекает суспензия, слишком много, может произойти разбавление в зависимости от строения субстрата. Это означает, что микроорганизмы будут фильтроваться через субстрат, поэтому их концентрация в воде тем меньше, чем ниже в биореакторе они находятся. Чтобы это предотвратить, отверстия для введения посевного материала в биореактор могут располагаться между модульными основаниями. Посевной материал, который уже введен во время заполнения биореактора водой, распределяется затем с потоком воды, который направлен вверх, а также с потоком воды, который направлен вниз.

Посевной материал, используемый для засева биореактора, состоит из суспензии высокой концентрации маленьких зачаточных микроорганизмов (предпочтительно спор, бактериальных микроорганизмов или конидиоспор) микроорганизмов, предназначенных для выращивания.

В условиях равномерного и достаточного засева длительность выращивания и урожай продукта, а также качество грибковых спор зависят от параметров, т.е. влажности воздуха и температуры. Расход воздуха зависит от пропускной способности воздушного стерильного фильтра. Регулирование температуры в биореакторе обеспечивается посредством охлаждения. Отвод тепла должен быть рассчитан таким образом, чтобы можно было удалить все тепло, выделившееся из субстрата, и сохранить оптимальную температуру для выращивания микроорганизма. Это зависит от толщины слоя и, таким образом, от объема субстрата. Чем больше субстрата для роста микроорганизмов, тем больше выделяется теплоты реакции. Вот почему оба параметра должны быть оптимальными. Требуется по возможности быстрое развитие микроорганизмов, а также высокий урожай продукта, при этом продуктами могут быть в зависимости от задачи ферментации грибковые споры, бактериальные клетки, ферменты, антибиотики, красящие вещества и другие вещества.

Далее описан предпочтительный вариант выполнения биореактора.

Биореактор (см. фиг.3) выполнен в виде емкости, имеющей в сечении круг или многоугольник. Цилиндр или призма могут иметь диаметр 1 метр и более. Высота определяется простотой обслуживания, а также возможностью сохранения оптимальных условий роста для микроорганизмов. Возможна высота от 2 м и больше.

К твердофазному биореактору подведены линия 21 возврата хладагента и линия 22 подачи хладагента.

Охлаждение материала биореактора осуществляется при помощи охлаждающих трубчатых элементов 12, расположенных вертикально в биореакторе. Расстояние, на которое проходят охлаждающие трубки, зависит от количества тепла, генерируемого выращиваемыми микроорганизмами. Охлаждающие трубки относительно друг друга имеют треугольное расположение (см. фиг.2b), в результате чего каждая охлаждающая трубка имеет одинаковое расстояние до ближайшей трубки. Охлаждающие трубки могут состоять из внутренней трубки 23 меньшего диаметра, которая используется для возврата хладагента, и трубки 24 большего диаметра; причем первая трубка расположена по центру и используется для подачи хладагента (см. фиг.3). Охлаждающие трубки имеют кольцевое поперечное сечение. На верхнем конце трубки установлен круглый конический стопор. Концы внутренней трубки предпочтительно открыты на 1-2 см перед стопором наружной трубки. Внешний диаметр охлаждающих трубок предпочтительно составляет 1-3 см. Соотношение диаметров двух трубок предпочтительно выбрано таким, чтобы скорость подаваемого потока 25 хладагента была равна скорости возвратного потока 26 хладагента.

Как показано на Фиг.1, охлаждающие трубки соединены под самой нижней биореакторной полкой, при этом две трубки входят в биореактор и одна из них используется для подачи хладагента, а другая используется для возврата хладагента. Таким образом, наружная стенка биореактора, выполненного как емкость высокого давления, нарушена только в двух местах - в целях охлаждения материала биореактора. Диаметр отверстий основания биореакторных полок приблизительно на 1 мм больше внешнего диаметра охлаждающих трубок. Эти отверстия могут иметь крышки, открывающиеся вверх, т.е. в подложку культуры. Когда биореакторные полки вводят в биореактор сверху, то эти крышки открываются охлаждающими трубками и таким образом обеспечивают для них путь. Благодаря круглому коническому концу охлаждающие трубки могут удобным образом проходить в подложку культуры при введении биореакторных полок в биореактор. Из-за объема, занимаемого охлаждающими трубками, биореакторную полку можно будет заполнить подложкой культуры до введения в биореактор только до такой степени, при которой после введения в биореактор будет обеспечено достаточное пространство на ней.

Однако заполнение биореакторных полок можно также осуществить после того как данная полка будет введена в биореактор непосредственно под отверстие биореактора и после того как охлаждающие трубки пройдут в основание биореактора на заданную высоту подложки культуры. При таком типе заполнения какие-либо крышки для закрытия отверстий на биореакторных полках не требуются. Полки заполняют до заданной высоты и вводят в биореактор до тех пор, пока не будет осуществлен контакт с нижним основанием биореактора.

В некоторых случаях описываемый здесь биореактор может работать только с одной полкой, заполненной подложкой культуры. В частности, это возможно, если гранулированная подложка культуры имеет очень стабильную структуру, причем отсутствует риск того, что подложка культуры будет сжиматься во время стерилизации или брожения, или изменит свои характеристики в ущерб процессу выращивания.

Полки 7, заполненные субстратом 8, вставляются сверху в емкость. Биореактор плотно закрыт сверху крышкой 1. Он представляет собой сосуд высокого давления и может стерилизоваться подаваемым горячим паром под давлением.

При этом в заявляемом биореакторе обеспечиваются следующие преимущества: собственный вес субстрата не приводит к его уплотнению и, в результате, снижению проницаемости для воздуха; установка вертикальных охлаждающих трубчатых элементов упрощает удаление тепла; вследствие относительно небольшой толщины модульных оснований, а также расстояний между ними обеспечивается равномерное аэрирование слоев субстрата; так как аэрирование субстрата используется для подачи кислорода, а также для удаления вырабатываемых газов, а не для охлаждения субстрата, можно работать с очень небольшим объемом потока воздуха, что уже не приведет к обезвоживанию субстрата, так как воздух увлажнен; так как больше нет необходимости в перемещении субстрата, механическое разрушение грибковых структур (спорангиума, фруктовегетативной массы и т.д.) исключено.

Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, специалисты в данной области техники легко поймут, что в рамках существа и объема настоящего изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения, в него легко можно внести любые изменения.