PL227369B1 - Układ do hodowania mikroorganizmów - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do hodowania mikroorganizmów, zwłaszcza bakterii solubilizujących fosfor.

Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego nr US 5256544 bioreaktor przeznaczony do hodowli mikroorganizmów solubilizujących fosfor, w postaci reaktora mieszalnikowego, zawierający sondę pH i sondę temperaturową oraz króćce doprowadzające wodę i powietrze. Ponadto bioreaktor ma co najmniej dwa króćce wylotowe, jeden odprowadzający gazy z reaktora zapobiegający podwyższeniu ciśnienia oraz drugi odprowadzający zawiesinę mikroorganizmów do zbiornika z bulionem pohodowlanym, zawierającym rozpuszczone fosforany.

Opisany w publikacji Yong-Hak K. i in. J. Biosci. Bioeng. 2005, Vol. 99, No. 1,23-29 bioreaktor do hodowli mikroorganizmów solubilizujących fosfor o pojemności 1 dm³ oraz wymiarach: wysokość 20 cm i średnica 10 cm, jest termostatowanym reaktorem cylindrycznym pracującym w trybie okresowym. Wyposażony jest w grzałki z kontrolą temperatury, mieszalnik o regulowanej liczbie obrotów mieszadła oraz regulację intensywności napowietrzania. Dodatkowo reaktor ma wbudowane dwa króćce do pobierania próbek i jeden do uzupełniania niedoborów składników odżywczych.

Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego nr US 4732608 tlenowy reaktor do hodowania mikroorganizmów solubilizujących metale tj. Thiobacillus ferrooxidans, z naczyniowym zbiornikiem wyposażonym w mechaniczny system mieszania zawiesiny oraz system napowietrzania. Reaktor ma wiele dyfuzorów wprowadzających bąbelki powietrza dodatkowo mieszające hodowlę.

Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego nr US 8420361 bioreaktor fermentacyjny przeznaczony do bioremediacji metali pracujący w trybie ciągłym. Składa się on ze zbiornika wykonanego z materiału odpornego na korozję, takiego jak szkło lub ceramika, wyposażonego w układ mieszający i układ grzewczy, aby zapewnić odpowiednie warunki dla wzrostu mikroorganizmów oraz kilka króćców wlotowych.

Opisany w amerykańskim patencie nr US 6051130 przenośny bioreaktor przepływowy do degradacji przez bakterie zanieczyszczeń węglowodorowych, zbudowany jest ze zbiornika połączonego z mniejszymi zbiornikami, z których do reaktora dostarczana jest pożywka dla bakterii oraz zanieczyszczona węglowodorami ciecz. Reaktor posiada układ podajnikowy oraz układ napowietrzania oraz środki do odprowadzania cieczy oczyszczonej.

Istotę wynalazku stanowi układ do hodowania mikroorganizmów, zwłaszcza solubilizujących fosfor, który wyposażony jest w bioreaktor tlenowy i/lub bioreaktor beztlenowy. Każdy z bioreaktorów ma postać jednokomorowego zbiornika zawiesiny hodowlanej z płaszczem grzejnym, pokrywą i urządzeniami do mieszania. Płaszcz grzejny każdego z bioreaktorów połączony jest systemem przewodów doprowadzających i odprowadzających medium grzewcze z termostatowanym urządzeniem ogrzewającym, które umożliwia grzanie pożywki w trakcie wzrostu bakterii. Korzystnie płaszcze grzejne bioreaktorów połączone są ze sobą oraz z termostatem, działającym w obiegu zamkniętym.

Ponadto bioreaktor tlenowy zaopatrzony jest w środki do napowietrzania zawiesiny hodowlanej. Korzystnie do napowietrzania zawiesiny hodowlanej i mieszania służy pompa, doprowadzająca powietrze do bioreaktora, poprzez filtr, przewodem zakończonym bełkotką.

Bioreaktor tlenowy ma moduł podajnikowo-filtrujący, doprowadzający stężoną pożywkę do hodowli mikroorganizmów. Korzystnie moduł podajnikowo-filtrujący w reaktorze tlenowym wyposażony jest w pompę perystaltyczną doprowadzającą pożywkę, przewodem zanurzonym w mieszaninie hodowlanej, przez filtr.

W bioreaktorze beztlenowym, urządzeniem do mieszania jest mieszadło magnetyczne.

Korzystnie ściany bioreaktorów tlenowego i beztlenowego wykonane są ze szkła bromokrzemowego, a stosunek objętości do średnicy zewnętrznej reaktora wynosi 60:1.

Korzystnie bioreaktor tlenowy wyposażony jest w sondę pH do ciągłego kontrolowania pH w trakcie trwania hodowli.

Korzystnie również bioreaktor beztlenowy wyposażony jest w moduł podajn ikowo-filtrujący, doprowadzający stężoną pożywkę do hodowania mikroorganizmów oraz sondę pH.

Zaletą układu według wynalazku jest to, że w każdym z bioreaktorów możliwa jest zarówno hodowla mikroorganizmów solubilizujących fosfor jak i produkcja nawozu fosforowego. Termostatowanie bioreaktora zapewnia najlepsze warunki temperaturowe dla wzrostu biomasy bakteryjnej i wydajności procesu solubilizacji.

PL 227 369 B1

Zaletą wynalazku, jest możliwość zapewnienia odpowiedniego napowietrzenia bulionu hodowlanego w bioreaktorze tlenowym, dostosowanego do wymagań zastosowanego szczepu bakterii. Korzystne jest również to, że wprowadzane do hodowli filtrowane powietrze, nie tylko dostarcza tlen ale dodatkowo miesza środowisko poprzez barbotaż. Ponadto zaletą jest to, że opcjonalnie możliwe jest całkowite odcięcie powietrza dla bakterii względnie tlenowych. Zaletą wynalazku, jest możliwość ciągłego kontrolowania pH w trakcie trwania hodowli dzięki zastosowaniu sondy pH.

Wynalazek w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia układ z bioreaktorem tlenowym i beztlenowym w przekroju podłużnym, Fig. 2 przedstawia układ z bioreaktorem tlenowym z zautomatyzowanym modułem podajnikowo-filtrującym i bioreaktorem beztlenowym, Fig. 3 przedstawia układ z jednym bioreaktorem tlenowym, a Fig. 4 przedstawia układ z jednym bioreaktorem beztlenowym.

P r z y k ł a d I

Układ do hodowania mikroorganizmów, zawiera bioreaktor tlenowy 1 oraz bioreaktor beztlenowy 2 do hodowli mikroorganizmów solubilizujących fosfor. Bioreaktor tlenowy 1 tworzy jednokomorowy zbiornik 3 o pojemności 300 cm³ zawiesiny hodowlanej, z płaszczem grzejnym 4 i pokrywą ze szlifem 5, którego ściany wykonane są ze szkła bromokrzemowego, a stosunek objętości do średnicy zewnętrznej reaktora wynosi 60:1. Bioreaktor 1 wyposażony jest w urządzenia do mieszania i napowietrzania, w postaci pompy napowietrzającej 6, doprowadzającej powietrze przewodem 7, przez filtr 8 i króciec wlotowy 9, usytuowany w pokrywie reaktora 1, do osadzonej w nim rurki zakończonej bełkotką 10. Do usuwania nadmiaru powietrza służy króciec odpowietrzający 11, połączony z filtrem 12. Ponadto w pokrywie bioreaktora tlenowego 1 w króćcu wlotowym 13 osadzony jest dozownik pożywki 14, doprowadzający ją do bulionu hodowlanego w reaktorze poprzez filtr 15, przewodem 16. Bioreaktor beztlenowy 2, połączony z bioreaktorem tlenowym 1 poprzez wspólny układ grzewczy, tworzy jednokomorowy zbiornik 17 zawiesiny hodowlanej, o pojemności 300 cm³, z płaszczem grzejnym 18 i pokrywą ze szlifem 19, wyposażony w mieszadło magnetyczne 20. Ściany bioreaktora beztlenowego 2 wykonane są ze szkła bromokrzemowego, a stosunek objętości do średnicy zewnętrznej reaktora wynosi 60:1.

Płaszcze grzejne 4 i 18 bioreaktorów 1 i 2 w układzie zamkniętym połączone są z termostatem 21. Przy czym króciec wylotowy 22 termostatu 21 połączony jest przewodem 23 z trójnikiem 24 i przewodem 25 z króćcem wlotowym 26 płaszcza grzejnego 4 bioreaktora 1. Medium grzewcze po przejściu przez płaszcz grzejny 4 wyprowadzane jest króćcem wylotowym 27 i przewodem 28 przez trójnik 29 do przewodu 30 połączonego z króćcem wlotowym 31 termostatu 21. Ponadto płaszcz grzejny 18 bioreaktora beztlenowego 2 jest połączony niezależnie z termostatem 21 przez króciec wylotowy 22 termostatu 21 połączony przewodem 23 z trójnikiem 24 do przewodu 32 doprowadzającego medium króćcem wlotowym 33 do płaszcza grzejnego 18. Ochłodzone medium grzewcze wyprowadzane jest z płaszcza grzejnego 18 króćcem wylotowym 34 i przewodem 35 przez trójnik 29 do przewodu 30 połączonego z króćcem wlotowym 31 termostatu 21.

Na pokrywie reaktora beztlenowego 2 znajduje się rurka fermentacyjna 36, odcinająca dopływ powietrza oraz umożliwiająca uwalnianie powstających w procesie fermentacji produktów gazowych (CO2).

W fazie hodowli, w reaktorze tlenowym 1, zaszczepiona pożywka z dodatkiem źródła fosforu, ogrzewana jest poprzez wodę wypływającą z łaźni termostatowanej 21 działającej w obiegu zamkniętym. Do hodowli, poprzez barbotaż, wprowadzane jest przy użyciu pompy filtrowane powietrze, natleniające i mieszające środowisko reakcji. Hodowla jest mieszana i natleniona poprzez barbotaż, polegający na napływie powietrza z pompy napowietrzającej 6 przewodem 7 z filtrem 8 oczyszczającym powietrze, do króćca wlotowego 9 na pokrywie 5 reaktora 1 połączonego z rurką zakończoną bełkotką 10. Codziennie z reaktora pobierana jest porcja bulionu hodowlanego w celu pomiaru stężenia rozpuszczonego fosforu w hodowli, wzrostu bakterii oraz pH. W momencie spadku stężenia składników odżywczych dozownikiem ręcznym 14, wprowadzana jest stężona pożywka składająca się z glukozy i soli nieorganicznych przez filtr 15 do przewodu 16 zanurzonego w bulionie hodowlanym. Prowadząc tak hodowlę bakterii solubilizujących fosfor takich jak Bacillus megaterium, Acidithiobacillus ferrooxidans, Rhodococcus erythropolis, przez co najmniej 10 dni w temperaturze 30-35°C uzyskuje się 250 cm³ bulionu pohodowlanego, stanowiącego nawóz fosforowy.

W fazie hodowli, w reaktorze beztlenowym 2, zaszczepiona pożywka z dodatkiem źródła fosforu, ogrzewana jest poprzez wodę wypływającą z termostatu 21 działającego w obiegu zamkniętym. Mieszana jest mieszadłem magnetycznym 20. Rurka fermentacyjna 36 na pokrywie reaktora 2 utrzymuje warunki beztlenowe w trakcie trwania hodowli z jednoczesnym odprowadzaniem gazów

PL 227 369 B1 wyprodukowanych przez mikroorganizmy. Codziennie z reaktora pobierana jest porcja bulionu hodowlanego, aby dokonać pomiaru stężenia rozpuszczonego fosforu w hodowli, wzrostu bakterii oraz pH.

Prowadząc w układzie hodowlę bakterii beztlenowych, takich jak Desulfovibrio desulfuricans solubilizujących fosfor przez co najmniej 10 dni w temperaturze 30-35°C uzyskuje się 250 cm³ bulionu pohodowlanego, stanowiącego nawóz fosforowy.

P r z y k ł a d II

Układ jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że bioreaktor tlenowy 1, wyposażony jest w automatyczny układ podajnikowo-filtrujący pożywki składający się ze zbiornika 37 połączonego przewodem 38 z pompą perystaltyczną 39 i z filtrem 15 przyłączonym do króćca wlotowego 13 na pokrywie reaktora 5 połączonym z przewodem 16. Dodatkowo reaktor 1 posiada króciec 40 z osadzoną w nim sondą pH 41, połączoną przewodem 42 z miernikiem pH 43.

W układzie hodowla mikroorganizmów przebiega tak jak w przykładzie I. W momencie spadku stężenia składników odżywczych, przewodem 38 ze zbiornika 37 doprowadzana jest stężona pożywka składająca się z glukozy i soli nieorganicznych, z użyciem pompy perystaltycznej 39 przez filtr 15 zapewniający sterylność hodowli połączony przez króciec wlotowy 13 na pokrywie reaktora 5 z przewodem 16, zanurzonym w mieszaninie hodowlanej. Codziennie z reaktora pobierana jest porcja bulionu hodowlanego do pomiaru stężenia rozpuszczonego fosforu w hodowli i wzrostu bakterii. Pomiar pH odbywa się automatycznie dzięki wprowadzonej sondzie pH 41.

Prowadząc tak hodowlę bakterii tlenowych solubilizujących fosfor takich jak Bacillus megaterium, Acidithiobacillus ferrooxidans, Rhodococcus erythropolis przez co najmniej 10 dni w temperaturze 30-35°C uzyskuje się 250 cm³ bulionu pohodowlanego, stanowiącego nawóz fosforowy.

P r z y k ł a d III

Układ do hodowli mikroorganizmów solubilizujących fosfor zawiera jeden bioreaktor tlenowy 1, o pojemności 300 cm³, w postaci jednokomorowego zbiornika 3 zawiesiny hodowlanej, z płaszczem grzejnym 4 i pokrywą ze szlifem 5, którego ściany wykonane są ze szkła bromokrzemowego, a stosunek objętości do średnicy zewnętrznej reaktora wynosi 60:1.

Bioreaktor 1 wyposażony jest w urządzenia do mieszania i napowietrzania w postaci pompy napowietrzającej 6 połączonej przewodem 7 z filtrem 8 przyłączonym do króćca wlotowego 9 usytuowanego na pokrywie reaktora 1, w którym osadzona jest rurka zakończona bełkotką 10. Do usuwania nadmiaru powietrza służy króciec odpowietrzający 11, połączony z filtrem 12. Ponadto w pokrywie bioreaktora tlenowego 1 w króćcu wlotowym 13 osadzony jest dozownik pożywki 14, doprowadzający ją poprzez filtr pożywki 15, przewodem 16, do bulionu hodowlanego w reaktorze. Płaszcz grzejny 4 bioreaktora 1 połączony jest z termostatem 21, w ten sposób, że króciec wylotowy 22 termostatu 21 połączony jest przewodem 44 z króćcem wlotowym 26 płaszcza grzejnego 4. W celu oprowadzenia medium grzewczego płaszcz grzejny 4 połączony jest króćcem wylotowym 27 poprzez przewód 45 z króćcem wlotowym 31 termostatu 21.

P r z y k ł a d IV

Układ do hodowli mikroorganizmów solubilizujących fosfor zawiera jeden bioreaktor beztlenowy 2, o pojemności 300 cm³, w postaci jednokomorowego zbiornika 17 zawiesiny hodowlanej, z płaszczem grzejnym 18 i pokrywą ze szlifem 19, którego ściany wykonane są ze szkła bromokrzemowego, a stosunek objętości do średnicy zewnętrznej reaktora wynosi 60:1. Bioreaktor 2 wyposażony jest w mieszadło magnetyczne 20. Ponadto w pokrywie bioreaktora beztlenowego 2, w króćcu wlotowym 46 osadzony jest dozownik pożywki 47, doprowadzający ją poprzez filtr pożywki 48, przewodem 49, do bulionu hodowlanego w reaktorze. Płaszcz grzejny 18 bioreaktora 2 w układzie połączony jest z termostatem 21, w ten sposób, że króciec wylotowy 22 termostatu 21 połączony jest przewodem 50 z króćcem wlotowym 33 płaszcza grzejnego 18. W celu oprowadzenia medium grzewczego płaszcz grzejny 18 połączony jest króćcem wylotowym 34 poprzez przewód 51 z króćcem wlotowym 31 termostatu 21.

Na pokrywie reaktora beztlenowego 2 znajduje się rurka fermentacyjna 36 odcinająca dopływ powietrza oraz umożliwiająca uwalnianie powstających w procesie fermentacji produktów gazowych (CO2). Dodatkowo reaktor 2 posiada króciec 52 z osadzoną w nim sondą pH 53, połączoną przewodem 54 z miernikiem pH 55.

Ponadto w pokrywie bioreaktora 2 w króćcu wlotowym 46 osadzony jest dozownik pożywki 47 doprowadzający ją poprzez filtr pożywki 48, przewodem 49, do bulionu hodowlanego w reaktorze.

Codziennie z reaktora pobierana jest porcja bulionu hodowlanego do pomiaru stężenia rozpuszczonego fosforu w hodowli i wzrostu bakterii. Pomiar pH odbywa się automatycznie dzięki wprowadzonej sondzie pH 53.

PL 227 369 B1

Wykaz oznaczeń na rysunkach:

- bioreaktor tlenowy

- bioreaktor beztlenowy

- zbiornik reaktora tlenowego

- płaszcz grzejny reaktora tlenowego

- pokrywa reaktora tlenowego

- pompa napowietrzająca

- przewód łączący pompę napowietrzającą z filtrem

- filtr

- króciec wlotowy w pokrywie reaktora tlenowego połączony z pompą 10 - bełkotka

- króciec odpowietrzający

- filtr

- króciec wlotowy pożywki do reaktora tlenowego

- dozownik pożywki

- filtr pożywki

- przewód pożywki

- zbiornik reaktora beztlenowego

- płaszcz grzejny reaktora beztlenowego

- pokrywa reaktora beztlenowego

- mieszadło magnetyczne

- termostat

- króciec wylotowy medium grzewczego z termostatu

- przewód łączący króciec wylotowy termostatu z trójnikiem

- trójnik

- przewód doprowadzający medium do płaszcza grzejnego reaktora tlenowego 26 - króciec wlotowy medium do płaszcza grzejnego reaktora tlenowego 27 - króciec wylotowy medium z płaszcza grzejnego reaktora tlenowego

- przewód wyprowadzający medium z płaszcza reaktora tlenowego do trójnika

- trójnik

- przewód łączący trójnik z króćcem wlotowym termostatu

- króciec wlotowy termostatu

- przewód doprowadzający medium do płaszcza grzejnego reaktora beztlenowego

- króciec wlotowy medium do płaszcza grzejnego reaktora beztlenowego

- króciec wylotowy medium z płaszcza grzejnego reaktora beztlenowego

- przewód wyprowadzający medium z płaszcza reaktora beztlenowego do trójnika

- rurka fermentacyjna

- zbiornik z pożywką

- przewód łączący reaktor tlenowy z pompą perystaltyczną

- pompa perystaltyczna

- króciec sondy pH w pokrywie reaktora tlenowego

- sonda pH

- przewód łączący sondę pH z miernikiem

- miernik pH

- przewód doprowadzający medium z termostatu do płaszcza reaktora tlenowego

- przewód wyprowadzający medium z płaszcza reaktora tlenowego do termostatu 46 - króciec wlotowy pożywki do reaktora beztlenowego

- dozownik pożywki w pokrywie reaktora beztlenowego

- filtr pożywki

- przewód pożywki

- przewód doprowadzający medium z termostatu do reaktora beztlenowego 51 - przewód wyprowadzający z płaszcza reaktora beztlenowego do termostatu

- króciec wlotowy sondy pH w pokrywie reaktora beztlenowego

- sonda pH

- przewód łączący sondę pH z miernikiem

- miernik pH

Claims (12)

1. Układ do hodowania mikroorganizmów, zwłaszcza bakterii solubilizujących fosfor, zawierający co najmniej jeden termostatowany reaktor, wyposażony w urządzenia do mieszania, znamienny tym, że wyposażony jest w bioreaktor tlenowy (1) i/lub bioreaktor beztlenowy (2), a każdy z bioreaktorów ma postać jednokomorowego zbiornika (3 i 17) z płaszczem grzejnym (4 i 18), pokrywą (5 i 19) i urządzeniami do mieszania, ponadto płaszcz grzejny (4 i 18) każdego z bioreaktorów (1 i 2) połączony jest systemem przewodów doprowadzających i odprowadzających medium grzejne z termostatowanym urządzeniem ogrzewającym (21), a bioreaktor tlenowy (1) zaopatrzony jest w środki do napowietrzania zawiesiny hodowlanej.

2. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że płaszcze grzejne (4 i 18) bioreaktorów (1 i 2) są połączone ze sobą oraz z termostatem (21), działającym w obiegu zamkniętym.

3. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że medium napowietrzające i mieszające, doprowadzane jest do bioreaktora tlenowego (1), przewodem zakończonym bełkotką (10), poprzez filtr (8), przy użyciu pompy (6).

4. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że bioreaktor tlenowy (1) ma moduł podajnikowo-filtrujący pożywki do hodowania mikroorganizmów.

5. Układ, według zastrz. 4, znamienny tym, że moduł podajnikowo-filtrujący pożywki zawiera dozownik pożywki (14) i filtr (15) pożywki.

6. Układ, według zastrz. 5, znamienny tym, że moduł podajnikowo-filtrujący pożywki w bioreaktorze tlenowym wyposażony jest w pompę perystaltyczną (39), doprowadzającą pożywkę, przewodem (16), zanurzonym w mieszaninie hodowlanej, przez filtr (15).

7. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że w bioreaktorze beztlenowym (2), urządzeniem do mieszania jest mieszadło magnetyczne (20).

8. Układ, według zastrz. 5, znamienny tym, że ściany bioreaktorów tlenowego (1) i beztlenowego (2) wykonane są ze szkła bromokrzemowego.

9. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek objętości do średnicy zewnętrznej bioreaktorów tlenowego (1) i beztlenowego (2) wynosi 60:1.

10. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że bioreaktor tlenowy (1) wyposażony jest w sondę pH (41) do ciągłego kontrolowania pH w trakcie trwania hodowli.

11. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że bioreaktor beztlenowy (2) wyposażony jest w moduł podajnikowo-filtrujący, doprowadzający stężoną pożywkę do hodowania mikroorganizmów.

12. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że bioreaktor beztlenowy (2) wyposażony jest w sondę pH (53).