RU158130U1 - Устройство для аэрации культуральной жидкости при глубинном культивировании микроорганизмов - Google Patents

Abstract

1. Устройство для аэрации культуральной жидкости при глубинном культивировании микроорганизмов, включающее емкость с культуральной жидкостью, содержащую узел подачи и отвода аэрирующего газа из емкости, патрубок подачи и отвода культуральной жидкости, горизонтальный вал с приводом для его вращения, на котором расположены и закреплены элементы, частично погруженные в культуральную жидкость и образующие на своей поверхности пленку культуральной жидкости в газовой фазе над поверхностью жидкости, отличающееся тем, что элементы, образующие на своей поверхности пленку культуральной жидкости в газовой фазе, выполнены в виде ряда плоских кольцевых дисков, имеющих отверстия диаметром 3-5 мм, из материала, смачиваемого жидким субстратом с краевым углом смачивания θ<90°, соосно расположенных на валу с зазором 10-20 мм относительно друг друга и кинематически связанных с валом с возможностью вращения с ним.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кольцевые диски выполнены из перфорированных пластин.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кольцевые диски выполнены из проволочной сетки.4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что емкость с культуральной жидкостью выполнена в виде ферментера.5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что емкость с культуральной жидкостью выполнена в виде газообменной камеры, соединенной трубопроводами через насосы с ферментером для циркуляции культуральной жидкости.6. Устройство по пп. 1-5, отличающееся тем, что в емкости над валом с рядом кольцевых дисков установлен колпак с возможность регулирования его положения относительно уровня культуральной жидкости, а узел подачи и отвода аэрирующ�

Description

Полезная модель относится к оборудованию микробиологических производств, в частности к устройствам для глубинного культивирования микроорганизмов, и может быть использовано в микробиологической, химико-фармацевтической и медицинской промышленности.

Известно устройство (аппарат) для глубинного культивирования микроорганизмов, содержащее емкость со съемной крышкой, рубашкой обогрева и технологическими патрубками, расположенные соосно в емкости, кольцевой барботер, мешалку с приводом и закрепленные на двух патрубках группы отбойников, расположенные по периферии емкости с зазором относительно внутренней поверхности стенки, отбойники снабжены со стороны стенки емкости опорными элементами и установлены свободно с возможностью перемещения вдоль ее оси, а прутки выполнены в виде соосных емкостных пружинных колец. (Патент РФ на изобретение №2018528, МПК C12M 1/02, опубл. 30.08.1994 г.)

Недостатком такого устройства является неравномерное аэрирование культуральной жидкости (КЖ), травмирование микроорганизмов за счет использования в нем механической мешалки, что снижает производительность устройства и увеличивает время культивирования.

Известно устройство горизонтального типа для глубинного культивирования микроорганизмов, содержащее емкость со съемной крышкой, рубашкой обогрева и технологическими патрубками, расположенный соосно в емкости контактер, который состоит из вращающегося полого вала, с приводом, на котором крепятся опорные диски. Между дисками натянуто большое количество нитей или металлических прутов. При вращении вала пруты или нити попеременно опускаются в культурную жидкость и между ними задерживаются микроорганизмы. Подвод воздуха осуществляется через перфорированный вал. (Заявка Великобритания №2055397, МПК C12M 1/14, опубл. 04.03.1981 г.).

Однако, эта установка обладает сложной технологией сборки (разборки), связанной с установкой и креплением нитей или прутов, а также недостаточную эффективность аэрации суспензии жидкости газом вследствие недостаточной площади поверхности контакта нитей с аэрирующим газом, что увеличивает время культивирования микроорганизмов.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является устройство для аэрации суспензии микроорганизмов при их глубинном культивировании (патент на полезную модель РФ №70660, МПК C12M 3/00, опубл. 10.02.2008 г.) содержащее емкость с рубашкой обогрева, технологические патрубки для ввода и вывода теплоносителя, ввода и вывода воздуха, ввода посевного материала, ввода и вывода культуральной жидкости, привод полого вала с фланцами. Между фланцами на спицах радиально вокруг вала расположены сетки, имеющие вид секторов. Во фланце имеются отверстия для подачи воздуха в емкость. Емкость выполнена со съемной крышкой из металла, полипропилена или полиэтилена. При вращении вала с радиально расположенными сетками на последних задерживаются слои культуральной жидкости, которые над поверхностью указанной жидкости насыщаются газом и вновь смешиваются с ее основной массой.

Однако, устройство-прототип обеспечивает недостаточную степень насыщения культуральной жидкости (КЖ) (питательной среды) газом, т.к. радиально расположенные сетки со слоями жидкости имеют недостаточную поверхность контакта с аэрируемым газом, т.к. количество указанных радиальных сеток ограничено диаметром полого вала и составляет, например, в описании к патенту не более 22 штук (см. фиг. 2, патент на полезную модель РФ №70660), из которых только 9 сеток находится над поверхностью жидкости. Причем, радиальные сетки, находящиеся в газовой фазе над поверхностью жидкости, имеют разную площадь рабочих поверхностей, образующих слои жидкости, подвергающиеся насыщению газом: сетки, расположенные у поверхности жидкости (вышедшие из жидкости и перед входом в нее) имеют малую площадь рабочей поверхности в газовой фазе и только сетки, расположенные вверху вертикально или близко к вертикали имеют наибольшую поверхность со слоями жидкости, насыщающимися газом. Кроме того, радиально расположенная сетка вводится в питательную среду плашмя, что ограничивает скорость вращения вала, т.к. при некотором пороговом ее значении появляется значительное пенообразование питательной среды.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение степени насыщения культуральной жидкости (КЖ) аэрирующим газом без образования пены.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для аэрации культуральной жидкости (КЖ) при глубинном культивировании микроорганизмов, расположенном в емкости с культуральной жидкостью и содержащем узел подачи и отвода аэрирующего газа из емкости, горизонтальный вал с приводом его вращения, на котором расположены и закреплены элементы, частично погруженные в культуральную жидкость и образующие на своей поверхности пленку культуральной жидкости в газовой фазе над поверхностью жидкости, согласно полезной модели, элементы, образующие на своей поверхности пленку культуральной жидкости в газовой фазе выполнены в виде ряда плоских кольцевых дисков из материала, смачиваемого жидким субстратом с краевым углом смачивания θ<90°, соосно расположенных на валу с зазором относительно друг друга и кинематически связанных с валом с возможностью с ним вращения. Чем меньше угол смачивания поверхности дисков, тем устойчивее пленка жидкости на поверхности дисков на участке, расположенном в газовой фазе над поверхностью КЖ.

Кольцевые диски выполнены из перфорированных пластин, имеющих отверстия диаметром 3-5 мм или из проволочной сетки, имеющей средний диаметр отверстий 3-5 мм. Зазор между кольцевыми дисками составляет 10-20 мм.

Емкость с культуральной жидкостью выполнено в виде ферментера, оснащенного оборудованием для глубинного культивирования микроорганизмов или в виде газообменной камеры, соединенной трубопроводами через насосы с ферментером для циркуляции культуральной жидкости.

В емкости над валом с рядом кольцевых дисков может быть установлен колпак с возможность регулирования положения колпака относительно уровня культуральной жидкости и дна емкости, а узел подачи и отвода аэрирующего газа из емкости соединен с внутренней полостью указанного колпака.

Полезная модель иллюстрируется следующими графическими материалами. На фиг. 1 приведена схема устройства для аэрации культуральной жидкости при глубинном культивировании микроорганизмов в горизонтально расположенном ферментере. На фиг. 2 представлен элемент в виде кольцевого диска, выполненного из перфорированной пластины. На фиг. 3 представлен элемент в виде кольцевого диска, выполненного из проволочной сетки. На фиг. 4 приведена схема устройства для аэрации культуральной жидкости при глубинном культивировании микроорганизмов в вертикально расположенном ферментере. На фиг. 5 приведена схема устройства для аэрации культуральной жидкости при глубинном культивировании микроорганизмов в вертикально расположенном ферментере под колпаком. На фиг. 6 приведена схема устройства для аэрации культуральной жидкости в газообменной камере, соединенной с ферментером для глубинного культивирования микроорганизмов.

Устройство для аэрации культуральной жидкости при глубинном культивировании микроорганизмов расположено в емкости 1 с культуральной жидкостью (A) и содержит узел с патрубками 2 и 3 (с ватными фильтрами) соответственно подачи и отвода аэрирующего газа из емкости 1 и патрубком 4 подачи и отвода питательной среды, горизонтальный вал 5 с электромагнитным приводом 6 его вращения, на котором расположены и закреплены элементы, частично погруженные в культуральную жидкость и образующие на своей поверхности пленку культуральной жидкости в газовой фазе над поверхностью жидкости. Элементы, образующие на своей поверхности пленку культуральной жидкости в газовой фазе выполнены в виде ряда плоских кольцевых дисков 7 из материала,, смачиваемого жидким субстратом с краевым углом смачивания θ<90°, изготовленных, например, из нержавеющей стали с θ=69° и соосно расположенных на валу 5 с зазором относительно друг друга и кинематически связанных с валом 5 с возможностью с ним вращения посредством, например, шлицевого соединения 8. Для обеспечения одинакового зазора между дисками 7 установлены проставочные шайбы 9.

Для лучшего формирования слоя жидкости кольцевые диски 7 могут быть выполнены из перфорированных пластин 10 (фиг. 2) из нержавеющей стали, имеющих сквозные отверстия диаметром 3-5 мм или из проволочной сетки 11 (фиг. 3) из нержавеющей стали, имеющей средний диаметр отверстий (ячеек) 3-5 мм. Указанный размер ячеек, позволяет формировать устойчивую пленку культуральной жидкости на обеих сторонах поверхности диска 7. Зазор между кольцевыми дисками 7 составляет 6-20 мм. При зазоре между кольцевыми дисками меньше 6 мм ухудшается насыщение газом слоев культуральной жидкости на поверхности дисков 7, а при увеличении зазора между кольцевыми дисками более 20 мм значительно снижается общая площадь поверхности слоев культуральной жидкости, насыщаемой газом.

Емкость 1 с культуральной жидкостью может быть выполнена в виде ферментера (фиг. 1, 4 и 5), оснащенного оборудованием для глубинного культивирования микроорганизмов.

На фиг. 1 представлен ферментер объемом от 3-5 до 100 литров, в котором в горизонтально расположенной емкости 1 соосно последней на валу 5 установлено устройство для аэрации культуральной жидкости при глубинном культивировании микроорганизмов, которое одновременно является и средством перемешивания культуральной жидкости в процессе культивирования микроорганизмов. На фиг. 4 представлен ферментер объемом от 100 до 1000 л для глубинного культивирования микроорганизмов, в котором в вертикально расположенной цилиндрической емкости 1 (в верхней ее части) установлено на горизонтальном валу 5 заявляемое устройство для аэрации культуральной жидкости. Магнитная мешалка 12 для перемешивания суспензии микроорганизмов установлена в днище указанной емкости 1.

Для экономного расхода газа и полного его потребления при глубинном культивировании микроорганизмов, например, на орбитальной космической станции или в экспедиционных условиях, в емкости 1 над валом 5 с рядом кольцевых дисков 7 может быть установлен колпак 13 (фиг. 5) с возможность регулирования положения колпака 13 относительно уровня культуральной жидкости и дна емкости 1, а узел подачи и отвода аэрирующего газа из емкости соединен трубопроводом 14 с внутренней полостью 15 указанного колпака 13.

Емкость 1 с культуральной жидкостью (КЖ) может быть выполнена в виде газообменной камеры (фиг.6), соединенной трубопроводами 16 и 17 через насосы 18 и 19 с ферментером 20 для циркуляции культуральной жидкости. Ферментер 20 имеет объем от 1 до 60 тонн и оснащен оборудованием для глубинного культивирования микроорганизмов, а количество газообменных камер должно быть достаточным для аэрации всего объема культуральной жидкости, находящейся в ферментере 20.

Устройство работает следующим образом. Емкость 1, например, объемом 30 л продувают стерильным воздухом через патрубки 2, 3 с ватными фильтрами и через патрубок 4 заполняют стерильной культуральной жидкостью (КЖ) в количестве 20 л. Затем пропусканием через рубашку обогрева (на чертежах не показана) теплоносителя емкость 1 термостатируют при температуре культивирования (34°C или 37°C в зависимости от выращиваемой культуры) и в асептических условиях через патрубок 4 вводят посевную дозу чистой культуры микроорганизмов для культивирования. Культивирование осуществляют при пропускании стерильного воздуха через патрубки 2 и 3 с ватными фильтрами. При этом происходит продувка воздушного пространства над питательной средой со скоростью 2-10 л/мин, а перемешивание культурной жидкости происходит за счет вращения вала 5 с дисками 7 (в количестве 30 штук для ферментера объемом 30 л), частично погруженными в культуральную жидкость со скоростью от 50-100 об/мин посредством электромагнитного привода 6.

Подпитка или замена культуральной жидкости осуществляется в процессе культивирования через патрубок 4.

В процессе культивирования при вращении вала 5 с хорошо смачиваемыми дисками 7 из нержавеющей стали с θ=69°, на участках указанных дисков 7 (с обеих сторон) находящихся в газовой фазе формируются слои культуральной жидкости, которые практически мгновенно интенсивно насыщаются газом (кислородом или углекислым газом в зависимости от вида микроорганизмов). Далее обогащенные газом слои культуральной жидкости опускаются в жидкую фазу, перемешиваются с основной массой культуральной жидкости и равномерно распределяются по всему ее объему. Для формирования более устойчивой пленки культуральной жидкости на поверхности дисков 7 они выполнены из перфорированных пластин 10 (фиг. 2) или проволочной сетки 11 (фиг.3). Газообмен достигает 20-30 мг/л (200%) O₂ в КЖ при 37°C.

Пример. Результаты культивирования спорообразующих микроорганизмов с использованием заявляемого устройства для аэрации культуральной жидкости.

Для культивирования использовали емкость 1 (ферментер) объемом 30 л. Объем культуральной жидкости 20 л, а объем газообменного пространства составлял 10 л. Титр посевного материала 5×10⁶ спор/мл. Результаты культивирования приведены в таблице.

Анализ таблицы показывает, что максимальное увеличение титра микроорганизмов после культивирования с использованием заявляемого устройства для аэрации КЖ составляет 1400 раз.

Особенностью заявляемой конструкции устройства для аэрации культуральной жидкости (КЖ) при глубинном культивировании микроорганизмов является то, что все диски 7 хорошо смачиваются и имеют одинаковую площадь поверхности участков, находящихся в газовой фазе. При одном и том же диаметре и длине емкости 1 суммарная площадь поверхности участков дисков 7, находящихся в газовой фазе над поверхностью жидкости превышает суммарную площадь поверхности сеток в устройстве-прототипе в 1,5-2 раза, а скорость вращения дисков 7 заявляемого устройства в жидкой среде без ее пенообразования может быть значительно выше скорости вращения радиальных сеток в устройстве-прототипе, вследствие чего в заявляемом устройстве обеспечивается более высокая степень насыщения газом культуральной жидкости. Отсутствие пенообразования обеспечивается за счет минимального сопротивления жидкости вращению дисков 7 без образования турбулентных вихрей и пузырей.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает достижение заявляемого технического результата: значительное повышение степени насыщения культуральной жидкости (КЖ) аэрирующим газом без образования пены.

Claims (6)

1. Устройство для аэрации культуральной жидкости при глубинном культивировании микроорганизмов, включающее емкость с культуральной жидкостью, содержащую узел подачи и отвода аэрирующего газа из емкости, патрубок подачи и отвода культуральной жидкости, горизонтальный вал с приводом для его вращения, на котором расположены и закреплены элементы, частично погруженные в культуральную жидкость и образующие на своей поверхности пленку культуральной жидкости в газовой фазе над поверхностью жидкости, отличающееся тем, что элементы, образующие на своей поверхности пленку культуральной жидкости в газовой фазе, выполнены в виде ряда плоских кольцевых дисков, имеющих отверстия диаметром 3-5 мм, из материала, смачиваемого жидким субстратом с краевым углом смачивания θ<90°, соосно расположенных на валу с зазором 10-20 мм относительно друг друга и кинематически связанных с валом с возможностью вращения с ним.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кольцевые диски выполнены из перфорированных пластин.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кольцевые диски выполнены из проволочной сетки.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что емкость с культуральной жидкостью выполнена в виде ферментера.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что емкость с культуральной жидкостью выполнена в виде газообменной камеры, соединенной трубопроводами через насосы с ферментером для циркуляции культуральной жидкости.

6. Устройство по пп. 1-5, отличающееся тем, что в емкости над валом с рядом кольцевых дисков установлен колпак с возможность регулирования его положения относительно уровня культуральной жидкости, а узел подачи и отвода аэрирующего газа из емкости соединен с внутренней полостью указанного колпака.

Images