RU2031113C1

RU2031113C1 - Bioreactor

Info

Publication number: RU2031113C1
Authority: RU
Inventors: Ю.В. Редикульцев; В.К. Кудряшов; Д.В. Орлов
Original assignee: Акционерное общество "Интернаука"; Институт биохимии и физиологии микроорганизмов РАН
Priority date: 1991-04-18
Filing date: 1991-04-18
Publication date: 1995-03-20

Abstract

FIELD: biosynthesis. SUBSTANCE: bioreactor has a tank. In the tank there is a hubbed circulation pipe with deflecting plates. An axial pump is mounted in the pipe funnel hub, and an aerator is located on the tank bottom. The axial pump is provided with flow guides. The flow guides are plates mounted radially in the circulation pipe at the pump outlet. The aerator is provided with a turbine stirrer, deflecting plates, a bubbler, and a mixer for gas and fluid. The bubbler is a collector of gas. It has a pipe with holes. Vertical deflecting plates are secured on the pipe. EFFECT: higher efficiency. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для осуществления процессов биосинтеза аминокислот, ферментов, витаминов и других биологически активных веществ и может использоваться в микробиологической, химической, пищевой и других отраслях промышленности и исследовательской практике. The invention relates to devices for carrying out the biosynthesis of amino acids, enzymes, vitamins and other biologically active substances and can be used in microbiological, chemical, food and other industries and research practice.

Самый ответственный процесс в биотехнологии - ферментация, а биореакторы, в которых проходит этот процесс, являются главным технологическим оборудованием любого микробиологического процесса. The most important process in biotechnology is fermentation, and the bioreactors in which this process takes place are the main technological equipment of any microbiological process.

Производительность микробиологического процесса зависит от активности продуцента, концентрации микроорганизмов, соотношения и подбора компонентов питательной среды и массообменной характеристики биореактора, которая определяется условиями аэрации и перемешивания культуральной жидкости. The productivity of the microbiological process depends on the activity of the producer, the concentration of microorganisms, the ratio and selection of the components of the nutrient medium and the mass transfer characteristics of the bioreactor, which is determined by the conditions of aeration and mixing of the culture fluid.

Большинство микробиологических процессов протекают в условиях постоянно меняющейся реалогии культивационной среды, вызываемой ростом и делением клеток. Чаще всего этот процесс сопровождается увеличением плотности и вязкости культивационных сред, что снижает эффективность массообмена, а значит, и продуктивность процесса. Интенсивность массообмена определяют аэраторы и мешалки, используемые в биореакторах. Most microbiological processes proceed under conditions of an ever-changing rheology of the cultivation medium caused by cell growth and division. Most often, this process is accompanied by an increase in the density and viscosity of cultivation media, which reduces the efficiency of mass transfer, and hence the productivity of the process. The mass transfer rate is determined by aerators and mixers used in bioreactors.

Известен аппарат для культивирования микроорганизмов [1], в котором снижение параметров массообмена частично компенсируется изменением режима работы мешалок. A known apparatus for the cultivation of microorganisms [1], in which a decrease in mass transfer parameters is partially compensated by a change in the mode of operation of the mixers.

Так с увеличением плотности и вязкости культивационной среды лопасти мешалок отводят от вала, окружная скорость лопастей возрастает, и таким образом, достигается более интенсивная турбулизация культивационной среды с аэрирующим газом, а поярусное распределение мешалок на валу привода должно обеспечить равномерность такого перемешивания. Thus, with an increase in the density and viscosity of the cultivation medium, the agitator blades are diverted from the shaft, the peripheral speed of the blades increases, and thus, more intensive turbulization of the cultivation medium with aerating gas is achieved, and the tiered distribution of the agitators on the drive shaft should ensure uniformity of such mixing.

Однако только эффективного перемешивания культивационной среды с газом недостаточно для повышения массообмена. Это можно объяснить тем, что источник аэрирующего воздуха расположен в нижней части емкости, в связи с чем наиболее интенсивное растворение кислорода в культивационной среде будет происходить в зоне действия нижней мешалки, и по мере продвижения вверх под действие мешалок будет попадать обедненная кислородом смесь воздуха с метаболитным газом, что не может улучшить перенос кислорода к клеткам даже в условиях изменения работы мешалок. However, only effective mixing of the cultivation medium with gas is not enough to increase mass transfer. This can be explained by the fact that the aeration air source is located in the lower part of the tank, and therefore the most intense dissolution of oxygen in the cultivation medium will occur in the zone of action of the lower mixer, and as it moves upward, the oxygen-depleted mixture of air with metabolite will fall under the action of the mixers. gas, which can not improve the transfer of oxygen to cells even in conditions of changing the work of the mixers.

Увеличение расхода аэрирующего воздуха в известной системе перемешивания приведет к образованию вокруг вала мешалок газовой воронки, и основная масса аэрирующего воздуха не будет контактировать с культивационной средой, что лишь ухудшит условия массообмена. An increase in the flow of aeration air in the known mixing system will lead to the formation of a gas funnel around the shaft of the mixers, and the bulk of the aeration air will not come into contact with the cultivation medium, which will only worsen the conditions of mass transfer.

Кроме того, устройство, обеспечивающее регулирование вылета лопастей мешалок, значительно усложняет конструкцию аппарата, требует использования дополнительных герметизирующих вводов, что снижает надежность работы аппарата в асептических условиях. In addition, a device for controlling the departure of the blades of the mixers, significantly complicates the design of the apparatus, requires the use of additional sealing inputs, which reduces the reliability of the apparatus in aseptic conditions.

Для решения задачи интенсификации массообмена уплотненных клеточных суспензий наиболее подходящим представляется комбинированный ферментатор. Характерным признаком известного аппарата является подвод энергии к жидкой фазе одновременно мешалкой и насосом, что обеспечивает равномерное перемешивание и аэрацию культивационной среды по всему объему аппарата. (Виестур У.Э. и др. Системы ферментации. Рига: Знание, 1986, с. 9-15). To solve the problem of intensification of mass transfer of compacted cell suspensions, a combined fermenter seems most suitable. A characteristic feature of the known apparatus is the supply of energy to the liquid phase with a mixer and a pump at the same time, which ensures uniform mixing and aeration of the cultivation medium throughout the entire volume of the apparatus. (Viestur U.E. et al. Fermentation systems. Riga: Knowledge, 1986, p. 9-15).

Наряду с очевидными преимуществами известный аппарат не лишен недостатков. Так, в процессе ферментации в байпасном контуре аппарата постоянно имеется объем культивационной среды без аэрации, что приводит к ухудшению массообмена. При увеличении концентрации клеток и вязкости культивационной среды отрицательное действие байпасного контура на массообмен системы будет возрастать, ухудшая условия ферментации. Работа мешалок в условиях перемешивания вязких сред с высокой плотностью микроорганизмов также будет малоэффективной, так как в этом случае произойдет естественное расслоение газа в жидкости, зона турбулентности мешалок уменьшится, что приведет к снижению массообмена. Известен биореактор [2] используемый в процессах трансформации стероидов при концентрации исходного субстрата до 100 г/л. Along with the obvious advantages, the known device is not without drawbacks. So, in the process of fermentation in the bypass circuit of the apparatus there is always a volume of cultivation medium without aeration, which leads to a deterioration in mass transfer. With increasing cell concentration and viscosity of the cultivation medium, the negative effect of the bypass circuit on the mass transfer of the system will increase, worsening the fermentation conditions. The work of mixers under conditions of mixing viscous media with a high density of microorganisms will also be ineffective, since in this case there will be a natural separation of gas in the liquid, the turbulence zone of the mixers will decrease, which will lead to a decrease in mass transfer. Known bioreactor [2] used in the processes of transformation of steroids at a concentration of the initial substrate up to 100 g / l.

Биореактор относится к аппаратам циркуляционного типа, культивационная среда в которых приводится в движение высокопроизводительным насосом осевого действия, размещенным внутри рабочей емкости биореактора. Перемешивание и насыщение культивационной среды кислородом воздуха осуществляются в зоне раструба, где формируются турбулентные потоки культивационной среды и аэрирующего воздуха. Ввод аэрирующего воздуха в биореактор осуществляют через газлифтный насос, включенный в байпасный трубопровод к биореактору. Биореактор в отличие от известных аналогов содержит насос осевого действия, конструкция которого позволяет прокачивать уплотненные суспензии с высокой производительностью, что является одним из важных условий интенсификации массообмена. Что касается устройств для аэрации культивационных сред, то применительно к процессу биосинтеза веществ такие системы неэффективны по следующим причинам:
газлифтный насос, используемый в качестве аэратора, мало эффективен, так как он размещен в байпасном контуре биореактора, и аэрирующий воздух воздействует на очень малый объем культуральной среды;
при повышении расхода аэрирующего воздуха производительность газлифтного насоса снижается, чем еще больше ухудшит массообмен системы;
перемешивание культивационной среды с воздухом посредством насоса не создает эффективной аэрации, так как используемая в насосе осевая турбина не рассчитана на турбулизацию жидкости;
для предотвращения вспенивания аэрирующий воздух вводят под крышку биореактора, в связи с чем основная масса культивационной среды аэрируется только через свою поверхность, что явно недостаточно для создания эффективного массообмена.A bioreactor refers to circulating-type apparatuses, the cultivation medium in which is driven by a high-performance axial-acting pump located inside the working capacity of the bioreactor. Mixing and saturation of the cultivation medium with atmospheric oxygen are carried out in the bell zone, where turbulent flows of the cultivation medium and aerating air are formed. The aeration air is introduced into the bioreactor through a gas lift pump, which is included in the bypass pipe to the bioreactor. The bioreactor, in contrast to the known analogues, contains an axial-action pump, the design of which allows pumping compacted suspensions with high productivity, which is one of the important conditions for the intensification of mass transfer. As for devices for aeration of cultivation media, then with respect to the biosynthesis of substances, such systems are ineffective for the following reasons:
the gas lift pump used as an aerator is not very effective, since it is located in the bypass circuit of the bioreactor, and the aeration air acts on a very small volume of the culture medium;
with an increase in aeration air flow rate, the performance of the gas lift pump decreases, which will further worsen the mass transfer of the system;
mixing the cultivation medium with air by means of a pump does not create effective aeration, since the axial turbine used in the pump is not designed for fluid turbulence;
to prevent foaming, aeration air is introduced under the cover of the bioreactor, and therefore the bulk of the cultivation medium is aerated only through its surface, which is clearly not enough to create effective mass transfer.

Цель изобретения - повышение производительности за счет интенсификации массообмена уплотненных клеточных суспензий. The purpose of the invention is to increase productivity due to the intensification of mass transfer of compacted cell suspensions.

На чертеже изображен предлагаемый биореактор. The drawing shows the proposed bioreactor.

Биореактор содержит емкость 1, крышку 2, патрубки 3, 4 и 5 для подачи субстрата, слива готового продукта и отвода газа, теплообменную рубашку 6, приводной вал 7, осевой насос 8, циркуляционную трубу 9, раструб 10 с отбойниками 11, направляющие 12 потока, устройство для аэрации, снабженное турбинной мешалкой 13 с отбойными пластинами (отбойниками) 14, барботером 15 с радиальными отверстиями 16 и отбойниками 17, и смеситель 18 с отбойниками 19. The bioreactor contains a container 1, a cover 2, nozzles 3, 4 and 5 for supplying a substrate, draining the finished product and venting gas, a heat exchange jacket 6, a drive shaft 7, an axial pump 8, a circulation pipe 9, a socket 10 with chippers 11, 12 flow guides 12 Aeration device equipped with a turbine mixer 13 with baffle plates (chippers) 14, a bubbler 15 with radial holes 16 and chippers 17, and a mixer 18 with chippers 19.

Осевой насос 8 закреплен на валу 7, установлен в раструбе 10 циркуляционной трубы 9 и снабжен направляющими 12 потока, выполненными в виде отрезков пластин, радиально закрепленных в циркуляционной трубе 9 на выходе из насоса. The axial pump 8 is mounted on the shaft 7, installed in the socket 10 of the circulation pipe 9 and is equipped with flow guides 12 made in the form of pieces of plates radially mounted in the circulation pipe 9 at the outlet of the pump.

Турбинная мешалка 13 закреплена на валу 7 насоса 8 у дна емкости 1. Отбойные пластины 14 радиально закреплены по периметру емкости 1 в плоскости действия турбинной мешалки. The turbine mixer 13 is mounted on the shaft 7 of the pump 8 at the bottom of the tank 1. The baffle plates 14 are radially fixed around the perimeter of the tank 1 in the plane of the turbine mixer.

Барботер 15 закреплен на дне емкости 1 соосно с валом насоса 8. Смеситель 18 закреплен на турбинной мешалке 13 и установлен коаксиально барботеру 15. The bubbler 15 is fixed at the bottom of the tank 1 coaxially with the shaft of the pump 8. The mixer 18 is mounted on a turbine mixer 13 and mounted coaxially to the bubbler 15.

Биореактор работает следующим образом. The bioreactor operates as follows.

Перед началом биотехнологического процесса через патрубок 3 в емкость 1 загружают рабочую среду до уровня, когда вся поверхность раструба 10 оказывается погруженной в рабочую среду, и вносят инокулят микроорганизмов. Термостатируют биореактор обычным образом, через теплообменную рубашку 6. При включении привода (на фиг.1 не показан) биореактора вал 7 вращается с заданной частотой, а закрепленный на нем осевой насос 8 вытесняет рабочую среду, находящуюся в циркуляционной трубе 9 в сторону турбинной мешалки 13. Затраты мощности на организацию движения рабочей среды в емкость 1 небольшие, так как по условию загрузки биореактора циркуляционная трубка 9 вместе с раструбом 10 погружены в рабочую среду и при работе насоса 8 образуют замкнутый контур циркуляции рабочей среды. Отбойники 11, закрепленные в раструбе 10, препятствуют образованию воронки на входе в насос 8 и дополнительно турбулизируют рабочую среду с воздухом. Пластинчатые направляющие 12, закрепленные в циркуляционной трубе 9 на выходе из насоса 8, формируют поток рабочей среды в направлении турбинной мешалки 13. Before starting the biotechnological process, through the pipe 3, the working medium is loaded into the container 1 to the level when the entire surface of the socket 10 is immersed in the working medium, and the inoculum of microorganisms is introduced. Thermostat the bioreactor in the usual way, through the heat exchange jacket 6. When the drive is turned on (not shown in Fig. 1), the bioreactor shaft 7 rotates at a given frequency, and the axial pump 8 mounted on it displaces the working medium located in the circulation pipe 9 towards the turbine mixer 13 . The cost of power for organizing the movement of the working medium into the tank 1 is small, since according to the condition of loading the bioreactor, the circulation tube 9 together with the bell 10 are immersed in the working medium and, when the pump 8 is in operation, form a closed loop eyes of the environment. The chippers 11, mounted in the socket 10, prevent the formation of a funnel at the inlet to the pump 8 and additionally turbulent the working medium with air. Plate guides 12, mounted in a circulation pipe 9 at the outlet of the pump 8, form a flow of the working medium in the direction of the turbine mixer 13.

К аэратору подводят сжатый воздух для аэрации рабочей среды в биореакторе, который через радиальные отверстия 16, расположенные между отбойниками 17, вытесняется в зону действия смесителя 18. Смеситель 18 жестко закреплен на лопастях турбинной мешалки 13 и в результате вращения создает между отбойниками 19 и 17 туpбулентный газожидкостный поток рабочей среды, направленный в сторону турбинной мешалки 13. Compressed air is supplied to the aerator to aerate the working medium in the bioreactor, which is displaced through the radial openings 16 located between the chippers 17 into the range of the mixer 18. The mixer 18 is rigidly fixed to the blades of the turbine mixer 13 and, as a result of rotation, creates turbulent between the chippers 19 and 17 gas-liquid flow of the working medium directed towards the turbine mixer 13.

Направление указанного потока рабочей среды определяют диспергированный воздух и центробежные потоки газожидкостной среды, образованные при вращении турбинной мешалки 13. The direction of the specified flow of the working medium is determined by dispersed air and centrifugal flows of a gas-liquid medium formed during rotation of the turbine mixer 13.

Таким образом, в нижней части емкости 1 при вращении турбинной мешалки 13 создан постоянно циркулирующий через смеситель 18 потока газожидкостной среды, в котором происходит интенсивное растворение кислорода воздуха. Направленные навстречу друг другу поток рабочей среды, образованный насосом 8, и поток газожидкостной среды, образованный смесителем 18, активно перемешиваются в зоне действия турбинной мешалки 13 и отбойников 14, что позволяет интенсифицировать массообменные процессы, протекающие в рабочей среде со сложной реалогией и высокой концентрацией клеток микроорганизмов. Конструкция насоса и его размещение в биореакторе обеспечивают циркуляцию культивационных сред сложной реалогии с высокой производительностью между поверхностной и глубинной зонами насыщения кислородом, что позволяет интенсифицировать процессы массообмена уплотненных клеточных суспензий. Использование в биореакторе смесителя позволяет создать на выходе воздуха из аэратора постоянно циркулирующий вокруг смесителя поток мелкодисперсной газожидкостной среды, что обеспечивает эффективное растворение кислорода в жидкой среде. Размещение турбинной мешалки в зоне образованных в биореакторе верхнего и нижнего потоков культивационной среды и турбулизация этих потоков посредством отбойников, обеспечивают гомогенное перемешивание компонентов рабочей среды и дополнительное диспергирование аэрирующего воздуха, что позволяет активизировать массообменные процессы, протекающие в культивационной среде и, следовательно, способствует повышению выхода и качества синтезируемого продукта. Новая конструкция биореактора ориентирована на реализацию процессов биосинтеза биологически активных веществ, например органических кислот, ферментов, витаминов, антибиотиков и др., протекающих в условиях высокой концентрации клеток - продуцентов. Thus, in the lower part of the tank 1 during rotation of the turbine mixer 13, a gas-liquid medium flow constantly circulating through the mixer 18 is created, in which intensive dissolution of air oxygen occurs. Directed towards each other, the flow of the working medium formed by the pump 8 and the gas-liquid medium formed by the mixer 18 are actively mixed in the zone of action of the turbine mixer 13 and chippers 14, which makes it possible to intensify the mass transfer processes occurring in the working medium with a complex reaction and high cell concentration microorganisms. The design of the pump and its placement in the bioreactor provide the circulation of cultivation media of complex realogy with high productivity between the surface and deep zones of oxygen saturation, which allows to intensify the processes of mass transfer of compacted cell suspensions. The use of a mixer in the bioreactor allows you to create a stream of finely dispersed gas-liquid medium constantly circulating around the mixer at the air outlet from the aerator, which ensures effective dissolution of oxygen in a liquid medium. Placing a turbine mixer in the zone of the upper and lower flows of the cultivation medium formed in the bioreactor and turbulizing these flows by means of chippers ensures homogeneous mixing of the components of the working medium and additional dispersion of aeration air, which makes it possible to activate the mass transfer processes in the cultivation medium and, therefore, increases the yield and the quality of the synthesized product. The new bioreactor design is focused on the implementation of biosynthesis of biologically active substances, for example, organic acids, enzymes, vitamins, antibiotics, etc., occurring in conditions of high concentration of producer cells.

Claims

1. Bioreactor containing a container with a lid and nozzles for supplying a substrate, gas and draining the target product, a circulation pipe with a bell and baffle plates, a drive shaft with an axial pump installed in the socket, and a device for aeration of the medium, characterized in that, in order to increase productivity by intensifying the mass transfer of dense cell suspensions, the axial pump is equipped with flow guides made in the form of segments of plates radially fixed in a circulation pipe at the outlet of the pump, and The aeration equipment is equipped with a turbine mixer, baffle plates, a bubbler and a gas mixer with liquid, made in the form of a pipe segment with plate chippers installed on its inner surface, while the turbine mixer is mounted on the pump shaft at the bottom of the tank, the baffle plates are radially located around the perimeter of the tank in the same horizontal plane with the turbine mixer, the bubbler is installed at the bottom of the tank coaxially with the pump shaft, and the mixer pipe is mounted on the turbine mixer and installed coaxially to the bar Otero.

2. The bioreactor according to claim 1, characterized in that the bubbler is a gas collector in the form of a pipe with holes on which vertical fenders are mounted.