RU2031935C1

RU2031935C1 - Installation for conducting and investigating microbiological processes

Info

Publication number: RU2031935C1
Authority: RU
Inventors: Ю.В. Редикульцев; В.К. Кудряшов; Б.И. Смолин; Д.В. Орлов
Original assignee: Акционерное общество "Интернаука"; Институт биохимии и физиологии микроорганизмов РАН
Priority date: 1992-02-27
Filing date: 1992-02-27
Publication date: 1995-03-27

Abstract

FIELD: microbiological industry. SUBSTANCE: installation comprises bioreactor 1 with cover 2 and heat-exchange jacket 3, temperature transmitter 4, agitator with drive 5, liquid vapor condenser 6 accommodated in sealed housing 7, steam-sterilized connectors 8 and 9, steam generator 10, device 11 for automatic replenishment of steam generator with water, biofilter 12 with heat-exchange jacket 13, pumps 14 and 15, coolant source 16, compressed air source 17, gas analyzer 18, resilient receiver 19 installed in sealed container 20, control unit 21 and a system of pipes for carrying steam-gas flow, coolant and compressed air with controllable valves 22-39, working medium loading pipe 40 and bus 44. Connection of heat exchange jacket 3 of bioreactor 1 to coolant and steam circulation loop permits sterilization and thermostating of working medium to be conducted by energy-saving technology. The design of receiver 19 and technological links between bioreactor 1 and bacterial filter 12, compressed air source, gas analyzer and control unit provide for control of breathing activity of microorganisms and analyzing the metabolic gas in pulse-aerated working medium. EFFECT: installation provides for monitoring breathing activity of microorganisms in pulse-aerated working medium and controlling fermentation, sample-taking, introduction of additions and connection of external systems in aseptic conditions. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к биотехнологическому оборудованию для использования в процессах выращивания микроорганизмов, биосинтеза и биотрансформации биологически активных веществ, таких как ферменты, витамины, стероиды, органические кислоты и т.д. The invention relates to the microbiological industry, in particular to biotechnological equipment for use in the processes of growing microorganisms, biosynthesis and biotransformation of biologically active substances, such as enzymes, vitamins, steroids, organic acids, etc.

Известно большое количество микробиологических установок, предназначенных для научных исследований, отработки новых технологий и промышленного производства продуктов микробиологического синтеза. A large number of microbiological plants are known for scientific research, development of new technologies and industrial production of microbiological synthesis products.

В состав известных установок входят различные ферментационные агрегаты и системы, такие как биореактор, система подготовки стерильного воздуха, включающая увлажнители, нагреватели и фильтры аэрирующего воздуха с измерителями его расхода, дозаторы и сосуды с различными жидкостями для регулирования рН, пены и т.д., измерительные приборы величин рН, рO₂, Еh и газовые анализаторы кислорода и углекислого газа. Многие из известных установок укомплектованы системой стерилизации ферментационного оборудования и питательных сред и системой управления, предусмотрено также и управление установкой.The composition of the known installations includes various fermentation units and systems, such as a bioreactor, a sterile air preparation system, including humidifiers, heaters and aeration air filters with flow meters, dispensers and vessels with various liquids for regulating pH, foam, etc., pH, pO ₂ , Еh measuring instruments and gas analyzers of oxygen and carbon dioxide. Many of the well-known plants are equipped with a sterilization system for fermentation equipment and culture media and a control system, and the plant is also controlled.

Однако известные установки не всегда удовлетворяют требованиям микробиологического процесса. Так, например, для интенсификации процесса трансформации стероидных соединений используют способ импульсной аэрации, что позволяет избежать интенсивного вспенивания стероидной суспензии и локализации кристаллов субстрата в пене. Способ импульсной аэрации используется и в других микробиологических процессах, что позволяет повысить выход синтезируемого продукта. В то же время, традиционные системы контроля за газовым содержанием аэрирующего воздуха, такие как анализаторы газа и датчики растворенного кислорода, не могут быть использованы при импульсной аэрации культуральных жидкостей, так как они не приспособлены для работы при переменном давлении аэрирующего воздуха. Отсутствие газовых анализаторов и датчиков растворенного кислорода, приспособленных к работе в установках с импульсной аэрацией, не позволяет осуществить измерение кислорода и углекислого газа в аэрирующем воздухе и контролировать дыхательную активность микроорганизмов, что снижает технологические возможности установки и препятствует интенсификации микробиологического процесса. However, known installations do not always satisfy the requirements of the microbiological process. For example, to intensify the process of transformation of steroid compounds, a pulse aeration method is used, which avoids intense foaming of the steroid suspension and localization of substrate crystals in the foam. The pulse aeration method is also used in other microbiological processes, which allows to increase the yield of the synthesized product. At the same time, traditional systems for monitoring the gas content of aeration air, such as gas analyzers and dissolved oxygen sensors, cannot be used for pulsed aeration of culture liquids, as they are not suitable for operation with variable pressure of aeration air. The absence of gas analyzers and dissolved oxygen sensors adapted to operate in pulsed aeration installations does not allow the measurement of oxygen and carbon dioxide in aeration air and the control of respiratory activity of microorganisms, which reduces the technological capabilities of the installation and prevents the intensification of the microbiological process.

Известны также аппараты для обеспечения процессов непрерывного культивирования микроорганизмов, которые могут широко использоваться при комплектации установок для микробиологических процессов [3]. Also known are apparatuses for supporting the processes of continuous cultivation of microorganisms, which can be widely used in the assembly of plants for microbiological processes [3].

Однако такой принцип построения биотехнологических систем и установок также не лишен недостатков. Это подтверждается тем, что каждый из приборных модулей содержит свой блок питания и управления, не oриентирован на конкретную технологию и не содержит разъемных устройств, обеспечивающих стыковку приборов в асептических условиях. Кроме того, известный комплект приборов не содержит измерителей кислорода и углекислого газа, адаптированных к условиям импульсной аэрации культуральных жидкостей, что снижает его технологические возможности. However, this principle of constructing biotechnological systems and installations is also not without drawbacks. This is confirmed by the fact that each of the instrument modules contains its own power and control unit, is not oriented to a specific technology and does not contain detachable devices that ensure the devices are docked under aseptic conditions. In addition, the known set of devices does not contain oxygen and carbon dioxide meters adapted to the conditions of pulsed aeration of culture fluids, which reduces its technological capabilities.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности является установка для твердофазной ферментации [4], которая содержит биореактор с крышкой и термостатирующей рубашкой, патрубки для загрузки субстрата и выгрузки готового продукта, инокулятор, источники сжатого воздуха и пара, устройство для импульсной аэрации, биофильтр, трубопроводы для транспортировки парогазовых потоков с размещенными в них управляемыми клапанами и насосами, образующими в соединении с источником пара и биореактором пароконденсационный контур и блок управления. The closest to the proposed technical essence is the installation for solid-phase fermentation [4], which contains a bioreactor with a lid and a thermostatic jacket, nozzles for loading the substrate and unloading the finished product, inoculator, sources of compressed air and steam, a device for pulsed aeration, biofilter, pipelines for transporting gas-vapor flows with controlled valves and pumps placed in them, forming in combination with a steam source and a bioreactor a vapor condensation circuit and a control unit Niya.

В известной установке как глубинный, так и твердофазный биореакторы работают в условиях импульсной аэрации микроорганизмов, что позволяет интенсифицировать весь технологический процесс за счет получения высококачественного инокулята и создания условий для проведения процесса твердофазной ферментации без использования перемешивающих устройств. Кроме того, установка содержит парогенератор, включенный в замкнутый пароконденсационный контур циркуляции парогазовой смеси, и другие агрегаты, обеспечивающие проведение многостадийного микробиологического процесса в асептических условиях. In the known installation, both deep and solid-phase bioreactors operate under conditions of pulsed aeration of microorganisms, which makes it possible to intensify the entire technological process by obtaining a high-quality inoculum and creating conditions for carrying out the solid-phase fermentation process without the use of mixing devices. In addition, the installation contains a steam generator included in the closed vapor condensation circuit of the vapor-gas mixture, and other units, providing a multi-stage microbiological process in aseptic conditions.

Однако аппаратурное оформление известной установки не лишено недостатков, к которым можно отнести следующие:
для термостатирования биореактора в установке используют автономный термостат, что затрудняет как стерилизацию рабочих сред и ферментационного оборудования, так и управление этими процессами. Это объясняется тем, что в процессе стерилизации рабочих сред и установки значительное количество тепла будет затрачено на нагрев контуров термостата до заданной температуры, в связи с чем увеличатся энергозатраты и время стерилизации. Парогенератор при этом не используется в режиме термостатирования биореактора как источник теплоносителя;
биофильтры, используемые в установке, при стерилизации коммуникационных сетей увлажняются конденсатом пара, что снижает эффективность стерилизации всей установки;
контроль за работой установки осуществляется по параметрам температуры, давления и временным циклам импульсной аэрации микроорганизмов, что явно недостаточно для реализации эффективного процесса.However, the hardware design of the known installation is not without drawbacks, which include the following:
For temperature control of the bioreactor, an autonomous thermostat is used in the installation, which complicates both the sterilization of working media and fermentation equipment, and the control of these processes. This is due to the fact that during the sterilization of working media and installation, a significant amount of heat will be spent on heating the thermostat circuits to a predetermined temperature, which will increase energy costs and sterilization time. In this case, the steam generator is not used in the temperature control mode of the bioreactor as a heat carrier source;
the biofilters used in the installation, when sterilizing communication networks, are moistened with steam condensate, which reduces the sterilization efficiency of the entire installation;
Monitoring the operation of the installation is carried out according to the parameters of temperature, pressure and time cycles of pulsed aeration of microorganisms, which is clearly not enough to implement an effective process.

Цель изобретения - создание установки, структура и конструкция которой позволяют осуществить контроль за дыхательной активностью микроорганизмов за счет анализа метаболитного газа в условиях импульсной аэрации рабочей среды и управление процессом ферментации, обеспечить отбор проб, внесение добавок и подключение внешних (байпасных) систем в асептических условиях, а также проводить стерилизацию и термостатирование рабочей среды по энергосберегающей технологии. The purpose of the invention is the creation of an installation, the structure and construction of which allows controlling the respiratory activity of microorganisms by analyzing metabolite gas under pulsed aeration of the working medium and controlling the fermentation process, to ensure sampling, introduction of additives and connection of external (bypass) systems under aseptic conditions, and also carry out sterilization and temperature control of the working environment using energy-saving technology.

Для этого установка для проведения и исследования микробиологических процессов, содержащая биореактор с крышкой и теплообменной рубашкой, патрубки для загрузки рабочей среды и выгрузки продукта, бактериальный фильтр, соединенный через управляемые клапаны с источником сжатого воздуха и атмосферой, источник хладагента, парогенератор, насос и устройство управления, управляющие шины которого соединены с насосом и управляемыми клапанами, дополнительно снабжена газовым анализатором, ресивером, размещенным в герметизированной емкости, конденсатором паров жидкости, паростерилизуемыми разъемами, парогенератор - устройством автоматической дозаправки водой, а бактериальный фильтр - теплообменной рубашкой, причем газовый анализатор через дополнительные управляемые клапаны соединен с источником сжатого воздуха и ресивером, который через другой дополнительный управляемый клапан, бактериальный фильтр и конденсатор паров жидкости сообщен трубопроводом с полостью биореактора, а полость герметизированной емкости через дополнительные управляемые клапаны соединена трубопроводами с источником сжатого воздуха и атмосферой, при этом источник хладагента через один управляемый клапан подачи хладагента подсоединен к теплообменным рубашкам бактериального фильтра и биореактора, а через другой - к конденсатору паров жидкости, другой конец которого трубопроводом для слива сообщен с источником хладагента, а теплообменная рубашка биореактора через управляемый клапан слива хладагента соединена с источником хладагента и через откачивающий насос сообщена трубопроводом с парогенератором, который трубопроводом для подачи пара соединен с первым паростерилизуемым разъемом, через один из дополнительных управляемых клапанов подачи пара - с теплообменной рубашкой бактериального фильтра, а через другой - с полостью биореактора, при этом оба паростерилизуемых разъема соединены между собой трубопроводом и через насос сообщены с парогенератором, причем первый паростерилизуемый разъем сообщен с верхней частью полости биореактора, а второй - с нижней полостью биореактора, а откачивающий насос, дополнительные управляемые клапаны и выход газового анализатора подключены через соответствующие шины управления и контроля к устройству управления. For this, a plant for conducting and researching microbiological processes, containing a bioreactor with a lid and a heat exchange jacket, nozzles for loading the working medium and unloading the product, a bacterial filter connected through controlled valves to a source of compressed air and atmosphere, a refrigerant source, a steam generator, a pump, and a control device , the control tires of which are connected to the pump and controlled valves, is additionally equipped with a gas analyzer, a receiver located in a sealed container, which a liquid vapor densifier, steam-sterilizable connectors, a steam generator with an automatic water refueling device, and a bacterial filter with a heat exchange jacket, and the gas analyzer is connected through an additional controlled valve to a compressed air source and receiver, which is communicated through another additional controlled valve, a bacterial filter and a liquid vapor condenser a pipeline with a cavity of the bioreactor, and the cavity of the sealed container through additional controlled valves is connected by a pipe odes with a source of compressed air and atmosphere, while the source of refrigerant is connected to the heat exchangers of the bacterial filter and the bioreactor through one controllable supply valve of the refrigerant filter, and through the other to the liquid vapor condenser, the other end of which is connected to the refrigerant source by a drain pipe and the heat exchange jacket the bioreactor is connected to a source of refrigerant through a controlled refrigerant drain valve and is connected through a pump to a steam generator, which is connected to the steam supply is connected to the first steam-sterilized connector, through one of the additional controlled steam supply valves to the heat exchange jacket of the bacterial filter, and through the other to the cavity of the bioreactor, while both steam-sterilized connectors are connected by a pipe and communicated with the steam generator through the pump, the first steam sterilized the connector is in communication with the upper part of the bioreactor cavity, and the second with the lower cavity of the bioreactor, and a pump out pump, additional controlled valves and the output of the gas analyzer are connected via respective control bus to the control and monitoring device.

Конденсатор паров жидкости размещен в герметичном корпусе, установленном на крышке биореактора и сообщенном с внутренней полостью биореактора. Устройство автоматческой дозаправки парогенератора водой содержит датчик уровня воды в парогенераторе, емкость с водой, дозирующую емкость фиксированного объема и управляемые клапаны, при этом входы дозирующей емкости фиксированного объема через управляемые клапаны трубопроводами соединены с емкостью для воды и парогенератором соответственно, а выход через трубопровод с насосом соединен с парогенератором, причем управляемые клапаны, насос и датчик уровня воды в парогенераторе подключены через соответствующие шины к устройству управления. The liquid vapor condenser is housed in a sealed enclosure mounted on the lid of the bioreactor and in communication with the internal cavity of the bioreactor. A device for automatically refilling a steam generator with water contains a water level sensor in the steam generator, a water tank, a dosing tank of a fixed volume and controlled valves, while the inputs of a dosing tank of a fixed volume through connected valves are connected to the water tank and the steam generator, respectively, and the outlet through the pipeline to the pump connected to the steam generator, moreover, controlled valves, a pump and a water level sensor in the steam generator are connected via appropriate buses to the control unit the detection.

На фиг. 1 изображена функциональная схема установки для проведения и исследования микробиологических процессов; на фиг.2 - функциональная схема устройства управления; на фиг.3 - функциональная схема устройства автоматической дозаправки парогенератора водой; на фиг.4 - функциональная схема емкости для загрузки субстрата и выгрузки готового продукта в асептических условиях. In FIG. 1 shows a functional diagram of the installation for conducting and researching microbiological processes; figure 2 is a functional diagram of a control device; figure 3 is a functional diagram of a device for automatic refueling of a steam generator with water; figure 4 is a functional diagram of the tank for loading the substrate and unloading the finished product in aseptic conditions.

Установка для проведения и исследования микробиологических процессов (фиг.1) содержит биореактор 1 с крышкой 2, снабженный теплообменной рубашкой 3, датчиком температуры 4, мешалкой с приводом 5 и конденсатором 6 паров жидкости, который размещен в герметичном корпусе 7, установленном на крышке биореактора и сообщенном с внутренней полостью биореактора; паростерилизуемые разъемы 8 и 9, парогенератор 10, устройство автоматической дозаправки парогенератора водой 11, биофильтр 12 с теплообменной рубашкой 13, откачивающий насос 14 и насос 15, источник хладагента 16, источник сжатого воздуха (компрессор) 17, газовый анализатор 18, эластичный ресивер 19, установленный в герметизированной емкости 20, устройство управления 21, управляемые клапаны 22 и 23 подачи хладагента, управляемый клапан 24 слива хладагента, управляемые клапаны 25-31, управляемые клапаны 32 и 33 подачи пара; управляемые клапаны 34-39 паростерилизуемых разъемов, патрубок для загрузки рабочей среды 40, патрубок для выгрузки продукта 41, заглушка 42 и 43, шину данных 44; шину управления исполнительными механизмами 45; шину управления управляемыми клапанами 46; трубопровод для подачи пара из парогенератора; трубопроводы для возврата парожидкостной смеси в парогенератор. Installation for conducting and researching microbiological processes (Fig. 1) contains a bioreactor 1 with a cover 2, equipped with a heat exchange jacket 3, a temperature sensor 4, a stirrer with a drive 5 and a condenser 6 of liquid vapor, which is placed in a sealed housing 7 mounted on the cover of the bioreactor and communicated with the internal cavity of the bioreactor; steam sterilizable connectors 8 and 9, a steam generator 10, a device for automatically refueling a steam generator with water 11, a biofilter 12 with a heat exchange jacket 13, a pump 14 and a pump 15, a refrigerant source 16, a compressed air source (compressor) 17, a gas analyzer 18, an elastic receiver 19, installed in a sealed container 20, a control device 21, controlled refrigerant supply valves 22 and 23, controlled refrigerant drain valve 24, controlled valves 25-31, controlled steam supply valves 32 and 33; controlled valves 34-39 of steam-sterilized connectors, a pipe for loading the working medium 40, a pipe for unloading the product 41, plug 42 and 43, data bus 44; executive control bus 45; control valve control valve 46; a pipeline for supplying steam from a steam generator; pipelines for returning the vapor-liquid mixture to the steam generator.

Пароконденсационный контур нагрева рабочей среды в биореакторе 1 образован последовательным соединением парогенератора 10, трубопровода для подачи пара, управляемого клапана подачи пара 32, теплообменных рубашек 13 и 3 бактериального фильтра и биореактора, откачивающего насоса 14 и трубопровода для возврата парожидкостной смеси в парогенератор 10. The vapor condensation circuit for heating the working medium in the bioreactor 1 is formed by the serial connection of a steam generator 10, a steam supply pipe, a controlled steam supply valve 32, a heat transfer jacket 13 and 3 of the bacterial filter and a bioreactor, a pump out pump 14, and a pipe for returning the vapor-liquid mixture to the steam generator 10.

Пароконденсационный контур стерилизации паростерилизуемых разъемов образован последовательным соединением парогенератора 10, трубопровода для подачи пара, первого 8 и второго 9 паростерилизуемых разъемов, насоса 15 и трубопровода для возврата парожидкостной смеси в парогенератор 10. The steam condensation circuit for sterilization of steam-sterilized connectors is formed by the serial connection of the steam generator 10, a pipeline for supplying steam, the first 8 and second 9 steam-sterilized connectors, a pump 15 and a pipeline for returning the vapor-liquid mixture to the steam generator 10.

Первый паростерилизуемый разъем 8 включает в себя коллектор, два конца которого соединены соответственно с управляемыми клапанами 34 и 35, третий является патрубком 40 для загрузки рабочей среды и инокулята в биореактор 1, а четвертый через управляемый клапан 38 трубопроводом сообщен с верхней частью полости биореактора 1. The first steam-sterilized connector 8 includes a collector, the two ends of which are connected respectively to the controlled valves 34 and 35, the third is a pipe 40 for loading the working medium and inoculum into the bioreactor 1, and the fourth is connected via the controlled valve 38 to the upper part of the cavity of the bioreactor 1.

Второй паростерилизуемый разъем 9 включает в себя коллектор, два конца которого соединены соответственно с управляемыми клапанами 36 и 37, третий является патрубком для выгрузки продукта, а четвертый через управляемый клапан 39 трубопроводом соединен с нижней частью полости биореактора 1. The second steam-sterilized connector 9 includes a collector, the two ends of which are connected respectively to the controlled valves 36 and 37, the third is a pipe for unloading the product, and the fourth is connected via a controlled valve 39 to the lower part of the cavity of the bioreactor 1.

Один из контуров охлаждения биореактора 1 образован последовательным соединением источника хладагента 16, управляемого клапана 22 подачи хладагента, конденсатора 6 паров жидкости и трубопровода для возврата хладагента, а другой - последовательным соединением источника хладагента, управляемого клапана 23 для подачи хладагента, теплообменной рубашки 3 биореактора и управляемого клапана 24 для слива хладагента. One of the cooling circuits of the bioreactor 1 is formed by a serial connection of a source of refrigerant 16, a controlled valve 22 of the refrigerant supply, a condenser 6 of liquid vapor and a pipe for returning refrigerant, and the other by a serial connection of a source of refrigerant, a controlled valve 23 for supplying refrigerant, a heat exchange jacket 3 of the bioreactor and a controlled valve 24 for draining the refrigerant.

Внутренняя полость биореактора 1 через биофильтр 12 и управляемые клапаны 27, 28 и 30 сообщена соответственно с ресивером 19, источником сжатого воздуха 17 и атмосферой, а через управляемый клапан подачи пара 33 трубопроводом для подачи пара - с парогенератором 10. The internal cavity of the bioreactor 1 through the biofilter 12 and the controlled valves 27, 28 and 30 are respectively connected with the receiver 19, the compressed air source 17 and the atmosphere, and through the controlled steam supply valve 33 with a steam supply pipe, with a steam generator 10.

Устройство управления 21 посредством шин 44-46 соединено с информативными выходами анализатора газа и датчиками, а также с агрегатами установки и управляемыми клапанами соответственно. The control device 21 by means of tires 44-46 is connected to the informative outputs of the gas analyzer and sensors, as well as to the installation units and controlled valves, respectively.

В качестве газового анализатора может быть использован любой серийно выпускаемый анализатор для измерения кислорода и для измерения углекислого газа. As a gas analyzer, any commercially available analyzer for measuring oxygen and for measuring carbon dioxide can be used.

В качестве источника хладагента может быть использована, например, холодная вода или сжатый воздух. As a source of refrigerant, for example, cold water or compressed air can be used.

Устройство управления (фиг.2) содержит аналого-цифровой преобразователь 47, построенный, например, на основе микросхемы. Выход его соединен с шиной данных процессора 48, построенного, например, на микропроцессоре и снабженного клавиатурой 49. Процессор 48 через выходное устройство 50, содержащее усилители мощности, обеспечивает реализацию алгоритмов и программ управления установкой в соответствии с заданными с клавиатуры 49 параметрами. The control device (figure 2) contains an analog-to-digital Converter 47, built, for example, based on a microcircuit. Its output is connected to the data bus of the processor 48, built, for example, on a microprocessor and equipped with a keyboard 49. The processor 48 through the output device 50 containing power amplifiers, provides the implementation of algorithms and control programs for the installation in accordance with the parameters specified from the keyboard 49.

Устройство автоматической дозаправки парогенератора водой, показанное на фиг. 3, содержит емкость 51 с дистиллированной водой, соединенную через управляемый клапан 52 с дозирующей емкостью 53, которая через управляемый клапан 54 трубопроводом 55 сообщена с парогенератором 10. Нижняя полость дозирующей емкости 53 через откачивающий насос 56 трубопроводом 57 также соединена с парогенератором 10. Управляемые цепи 58-60 клапанов 52 и 54 и откачивающего насоса 56, подключены соответствующими шинами 45 и 46 к устройству управления. Информационная цепь датчика уровня 61 подключена шиной 44 к устройству управления 21, а измерительная - к парогенератору. The steam generator automatic refueling device shown in FIG. 3 contains a distilled water tank 51 connected through a controlled valve 52 to a metering tank 53, which is connected through a pipeline 55 to a steam generator 10. Through the pump 57, the lower cavity of the metering tank 53 is also connected to a steam generator 10. The circuit 58-60 valves 52 and 54 and the evacuation pump 56 are connected by respective tires 45 and 46 to the control device. The information circuit of the level sensor 61 is connected by a bus 44 to the control device 21, and the measuring one to the steam generator.

Емкость для загрузки субстрата и выгрузки готового продукта в асептических условиях, показанная на фиг.4, и выполняющая также функцию пробоприемника, содержит емкость 62 со штуцером 63, на который надет эластичный шланг 64 с зажимом 65. Емкость закрыта фильтром-пробкой 66. Устройство предварительно стерилизуется в автоклав. The container for loading the substrate and unloading the finished product under aseptic conditions, shown in FIG. 4, and also performing the function of a sample receiver, contains a container 62 with a fitting 63, on which an elastic hose 64 with a clip 65 is worn. The container is closed by a filter plug 66. The device is preliminarily sterilized in an autoclave.

Работа установки для проведения микробиологических процессов определяется последовательностью выполнения рабочих программ, задаваемых оператором с помощью клавиатуры устройства управления. Устройство управления обеспечивает выполнение программ: "Загрузка"; "Стерилизация"; "Ферментация"; "Анализ газа"; "Инокулят"; "Отбор проб". The operation of the installation for conducting microbiological processes is determined by the sequence of work programs specified by the operator using the keyboard of the control device. The control device provides the execution of programs: "Download"; "Sterilization"; "Fermentation"; "Gas analysis"; Inoculum "Sample selection".

При выполнении программ установка работает следующим образом. When executing programs, the installation works as follows.

"Загрузка". "Loading".

Перед запуском программы с патрубка 40 паростерилизуемого разъема 8 снимают загрузку 42, подсоединяют емкость для загрузки субстрата и выгрузки готового продукта с рабочей средой и запускают с клавиатуры 49 программу. При выполнении программы открываются клапаны 30 и 38 и происходит загрузка рабочей среды через открытый клапан 38 и биореактор 1. Воздух, находящийся в биореакторе, вытесняется в атмосферу через открытый клапан 30. После окончания загрузки клапан 38 закрывается, а на патрубок 40 устанавливают заглушку 42. Before starting the program from the pipe 40 of the steam-sterilized connector 8, the load 42 is removed, the capacity for loading the substrate and unloading the finished product with the working medium is connected and the program is launched from the keyboard 49. When the program is executed, the valves 30 and 38 open and the medium is loaded through the open valve 38 and the bioreactor 1. The air in the bioreactor is displaced into the atmosphere through the open valve 30. After the loading is completed, the valve 38 closes and a plug 42 is installed on the pipe 40.

"Стерилизация". "Sterilization".

Перед началом стерилизации с клавиатуры 49 задаются параметры стерилизации - температура, время и т.д., и производится запуск программы. Before starting sterilization, the sterilization parameters are set from the keyboard 49 — temperature, time, etc., and the program is launched.

С запуском программы "Стерилизация" включается в работу пароконденсационный контур, образованный парогенератором 10, клапаном 32, теплообменными рубашками 13 и насосом 14. В этом режиме работы насыщенный водяной пар непрерывно циркулирует по замкнутому пароконденсационному контуру, нагревая рабочую среду в биореакторе 1 до температуры парообразования. После полного вытеснения воздуха из биореактора 1 в атмосферу клапан 30 закрывается и открываются клапаны 33, 34, 35, 36, 38 и 39, через которые пар из парогенератора 10 поступает в биореактор 1, одновременно стерилизуя все коммуникационные трубопроводы. Температура в биореакторе 1 поднимается до заданного значения и выдерживается в течение всего цикла стерилизации, после чего клапаны 32, 33, 34, 35, 36, 38 и 39 закрываются и отключается насос 14. Далее открываются клапаны 22 и 24 контура источника хладагента 16 и биореактор 1 охлаждается. После охлаждения клапаны 22 и 24 закрываются и открывается клапан 30, соединяющий биореактор 1 через биофильтр 12 с атмосферой. With the launch of the Sterilization program, the steam condensation circuit formed by the steam generator 10, valve 32, heat exchange jackets 13 and pump 14 is activated. In this operating mode, saturated water vapor continuously circulates through the closed vapor condensation circuit, heating the working medium in bioreactor 1 to the vaporization temperature. After complete displacement of air from the bioreactor 1 into the atmosphere, the valve 30 closes and opens the valves 33, 34, 35, 36, 38 and 39, through which steam from the steam generator 10 enters the bioreactor 1, while sterilizing all communication pipelines. The temperature in the bioreactor 1 rises to a predetermined value and is maintained during the entire sterilization cycle, after which the valves 32, 33, 34, 35, 36, 38 and 39 are closed and the pump 14. The valves 22 and 24 of the refrigerant source circuit 16 and the bioreactor open 1 is cooling. After cooling, the valves 22 and 24 are closed and the valve 30 is opened, connecting the bioreactor 1 through the biofilter 12 with the atmosphere.

"Ферментация". "Fermentation".

При работе установки по программе "Ферментация" в программу вводят параметры режимов аэрации, перемешивания и термостатирования рабочей среды. Установка по этой программе непрерывно работает в автоматическом режиме. Рабочая среда в биореакторе 1 перемешивается при заданных значениях частоты вращения мешалки 5. Импульсная аэрация рабочей среды в биореакторе 1 осуществляется посредством попеременного переключения клапанов 28 и 30, что позволяет при закрытом клапане 30 и открытом клапане 28 поднять давление аэрирующего воздуха в биореакторе 1 до заданного значения, а при закрытом клапане 28 и открытом клапане 30 отвести отработанный воздух из биореактора 1 в атмосферу. Термостатирование рабочей среды в биореакторе 1 осуществляется попеременной работой пароконденсационного контура, образованного парогенератором 10, клапаном 32, теплообменными рубашками 13 и 3 и насосом 14, осуществляющего нагрев рабочей среды и контура источника хладагента, образованного источником хладагента 16, клапаном 23, термостатирующей рубашкой 3 и клапаном 24, осуществляющего охлаждение рабочей среды. Конденсатор 6, размещенный в корпусе 7, в процессе реализации программы "Ферментация" работает непрерывно, при этом клапан 22 открыт для протока хладагента. Конденсатор 6 выполняет функцию охлаждения паров жидкости до воды с последующим возвратом ее в биореактор. When the installation is operating under the Fermentation program, the parameters of the aeration, mixing, and thermostating conditions of the working medium are introduced into the program. Installation according to this program continuously works in automatic mode. The working medium in the bioreactor 1 is mixed at the specified values of the rotational speed of the mixer 5. The pulsed aeration of the working medium in the bioreactor 1 is carried out by alternately switching the valves 28 and 30, which makes it possible to raise the pressure of the aeration air in the bioreactor 1 to the set value with the closed valve 30 and open valve 28 and when the valve 28 is closed and the valve 30 is open, remove the exhaust air from the bioreactor 1 to the atmosphere. Thermostating of the working medium in the bioreactor 1 is carried out by alternating operation of the vapor condensation circuit formed by the steam generator 10, valve 32, heat exchange jackets 13 and 3 and the pump 14, which heats the working medium and the refrigerant source circuit formed by the refrigerant source 16, valve 23, thermostatic jacket 3 and valve 24, cooling the working environment. The condenser 6, located in the housing 7, during the implementation of the program "Fermentation" works continuously, while the valve 22 is open for the flow of refrigerant. The condenser 6 performs the function of cooling the liquid vapor to water with its subsequent return to the bioreactor.

"Анализ газа". "Gas analysis".

При осуществлении программы "Анализ газа" с клавиатуры 49 вводят параметры режимов импульсной аэрации, отбора метаболитного газа, измерения и продувки газового анализатора. Отбор метаболитного газа осуществляется через заданные промежутки времени, при этом открывается клапан 27, через который отработанный (метаболитный) газ биореактора отводят в эластичный ресивер 19, после чего клапан 27 закрывается и режим аэрации рабочей среды в биореакторе 1 продолжается с отводом метаболитного газа в атмосферу через периодически открывающийся клапан 30. После закрытия клапана 27 закрывается клапан 31 и открываются клапаны 26 и 29. Сжатый воздух из компрессора 17 через клапан 29, поступая в герметизируемую емкость 20, давит на эластичный ресивер 19 и находящийся в ресивере 19 метаболитный газ через клапан 26 продувается через газовый анализатор 18. После полного сжатия ресивера 19 клапаны 26 и 29 закрываются и открываются клапаны 31, 25 и 27. В этот период времени осуществляются два процесса: заполнение ресивера 19 новой порцией метаболитного газа из биореактора 1 и процесс продувки газового анализатора 18 воздухом от компрессора 17 через клапан 25. После продувки воздухом газового анализатора 18 клапан 25 закрывается и с помощью газового анализатора вновь ведут анализ метаболитного газа из ресивера 19 как было описано выше. When implementing the program "Gas Analysis" from the keyboard 49 enter the parameters of the modes of pulsed aeration, selection of metabolite gas, measuring and purging the gas analyzer. The selection of metabolite gas is carried out at predetermined intervals, while the valve 27 opens, through which the spent (metabolite) gas of the bioreactor is diverted to the elastic receiver 19, after which the valve 27 is closed and the aeration mode of the working medium in the bioreactor 1 continues with the removal of metabolite gas into the atmosphere through periodically opening valve 30. After closing valve 27, valve 31 closes and valves 26 and 29 open. Compressed air from compressor 17 through valve 29 enters the sealed container 20 and presses on The receiver 19 and the metabolite gas located in the receiver 19 are flushed through the valve 26 through the gas analyzer 18. After the receiver 19 is completely compressed, the valves 26 and 29 are closed and the valves 31, 25 and 27 open. During this period of time, two processes are carried out: filling the receiver 19 with a new one a portion of the metabolite gas from the bioreactor 1 and the process of purging the gas analyzer 18 with air from the compressor 17 through the valve 25. After purging the gas analyzer 18 with air, the valve 25 is closed and the metabolite is again analyzed using the gas analyzer of gas from the receiver 19 as described above.

"Инокулят". "Inoculum."

Для внесения в биореактор 1 инокулята или любых других жидких добавок с соблюдением асептических условий необходимо снять с патрубка 40 заглушку 42 и на ее место установить свободный не стерильный участок эластичного шланга 64, отделенный от емкости 62 зажимом 65, затем с клавиатуры 49 ввести параметры режима стерилизации паростерилизуемых разъемов - температуру и время стерилизации, и запустить программу "Инокулят". При осуществлении программы открываются клапаны 34-37 и включается насос 15. В этом режиме пар из парогенератора 10 циркулирует в замкнутом пароконденсационном контуре при заданных параметрах стерилизации. Участок эластичного шланга 64, закрепленный на патрубке 40, обрабатывается воздействием насыщенного водяного пара заданное время, после чего клапаны 34-37 закрываются, отключается насос 15, открывается клапан 38 и программа "Инокулят" останавливается для выполнения ручной операции по вводу инокулята в биореактор. Операция ввода инокулята в биореактор 1 проводится обычным образом - посредством открытия пружинного зажима 65. После разгрузки емкости 62 в биореактор 1 вновь запускают программу "Инокулят". To introduce inoculum or any other liquid additives into bioreactor 1 under aseptic conditions, it is necessary to remove plug 42 from pipe 40 and install a free non-sterile section of elastic hose 64, separated from container 62 by clip 65, then enter sterilization mode parameters from keyboard 49 steam sterilized connectors - temperature and sterilization time, and run the Inoculate program. During the implementation of the program, valves 34-37 are opened and pump 15 is turned on. In this mode, steam from the steam generator 10 circulates in a closed vapor condensation circuit at the specified sterilization parameters. The stretch of elastic hose 64 fixed to the nozzle 40 is treated with saturated water for a predetermined time, after which the valves 34-37 are closed, the pump 15 is turned off, valve 38 is opened and the Inoculum program is stopped to perform a manual operation for introducing the inoculum into the bioreactor. The operation of introducing the inoculum into the bioreactor 1 is carried out in the usual way - by opening the spring clip 65. After unloading the container 62 into the bioreactor 1, the Inoculum program is started again.

С повторным запуском данной программы клапан 38 закрывается, открываются клапаны 34-37 и включается насос 15, при этом в работу вступает пароконденсационный контур, стерилизующий паростерилизуемые разъемы. После отработки режима стерилизации клапаны 34-37 закрываются и отключается насос 15. Патрубок 40 освобождают от шланга 64 и устанавливают заглушку 42. With the restart of this program, the valve 38 closes, the valves 34-37 open and the pump 15 is turned on, and the vapor condensation circuit that sterilizes the steam-sterilized connectors comes into operation. After practicing the sterilization mode, the valves 34-37 are closed and the pump 15 is turned off. The pipe 40 is released from the hose 64 and the plug 42 is installed.

"Отбор проб". "Sample selection".

Для выполнения программы "Отбор проб" пользуются стерильным пробоотборником (фиг. 4) по аналогу емкости для ввода инокулята. Сначала с патрубка 41 снимают заглушку 43 и на ее место устанавливают свободный конец шланга 64, отделенный от емкости 62 зажимом 65. С помощью клавиатуры 49 вводят в программу параметры стерилизации - температуру и время, запускают программу, при этом открываются клапаны 34-37 и включается насос 15. В этом режиме пар из парогенератора 10 циркулирует в замкнутом пароконденсационном контуре при заданных параметрах стерилизации. Участок эластичного шланга 64, закрепленный на патрубке 41, обрабатывается воздействием насыщенного водяного пара заданное время, после чего клапаны 34-37 закрываются, отключается насос 15, затем открывается клапан 39 и программа "Отбор проб" останавливается. To carry out the program "Sampling" use a sterile sampler (Fig. 4) by analogy with the capacity for input of the inoculum. First, the cap 43 is removed from the pipe 41 and the free end of the hose 64 is separated in its place, which is separated from the container 62 by the clamp 65. Using the keyboard 49, the sterilization parameters are entered into the program - temperature and time, the program is started, and valves 34-37 are opened and turned on pump 15. In this mode, steam from the steam generator 10 circulates in a closed vapor condensation circuit at the specified sterilization parameters. The stretch of elastic hose 64 fixed to the nozzle 41 is treated with saturated water for a predetermined time, after which the valves 34-37 are closed, the pump 15 is turned off, then the valve 39 is opened and the "Sampling" program is stopped.

Операция отбора пробы из биореактора 1 в пробоприемник 62 проводится ручным путем посредством открытия пружинного зажима 65. После отбора пробы вновь запускают программу "Отбор проб", после включения программы клапан 39 закрывается, открываются клапаны 34-37 и включается насос 15. Вновь вступает в работу пароконденсационный контур, стерилизующий разъемы. После отработки режима стерилизации клапаны 34-37 закрываются и отключается насос 15. Патрубок 41 освобождают от шланга и на его место устанавливают заглушку 43. На этом программу "Отбор проб" завершают. The operation of sampling from the bioreactor 1 to the receiver 62 is carried out manually by opening the spring clip 65. After sampling, the “Sampling” program is started again, after the program is turned on, valve 39 is closed, valves 34-37 are opened and pump 15 is turned on again. vapor condensation circuit sterilizing the connectors. After practicing the sterilization mode, the valves 34-37 are closed and the pump 15 is turned off. The pipe 41 is released from the hose and a plug 43 is installed in its place. At this point, the "Sampling" program is completed.

Парогенератор 10 снабжен устройством для автоматической дозаправки водой 11 (фиг.3), которое обеспечивает автоматическое поддержание уровня воды в парогенераторе 10. The steam generator 10 is equipped with a device for automatic refueling with water 11 (figure 3), which provides automatic maintenance of the water level in the steam generator 10.

При падении уровня воды в парогенераторе 10 с датчика уровня 61 в устройство управления 21 поступает сигнал, по которому открываются управляемые клапаны 52 и 54, и пар из парогенератора 10 через дозирующую емкость 53 поступает в емкость 51 с водой, что позволяет освободить дозирующую емкость 53 от воздуха. Далее клапан 54 закрывается и дозирующая емкость 53 вследствие падения давления пара при естественном охлаждении загружается водой из емкости 51. Затем клапан 52 закрывается и открывается клапан 54, включается насос 56, перекачивающий воду из дозирующей емкости 53 в парогенератор 10, после чего клапан 54 и насос 56 возвращаются в исходное положение. When the water level in the steam generator 10 drops from the level sensor 61, a signal is supplied to the control device 21, through which the controlled valves 52 and 54 are opened, and the steam from the steam generator 10 through the metering tank 53 enters the tank 51 with water, which allows the metering tank 53 to be freed from air. Next, the valve 54 closes and the metering tank 53 due to a drop in steam pressure during free cooling is loaded with water from the tank 51. Then the valve 52 closes and opens the valve 54, the pump 56 is turned on, pumping water from the metering tank 53 to the steam generator 10, after which the valve 54 and the pump 56 are returned to their original position.

Устройство управления, используемое в установке, является универсальным органом управления любыми технологическими операциями, осуществляемыми в процессе ферментации независимо от текущего состояния установки. The control device used in the installation is a universal control body for any technological operations carried out in the fermentation process, regardless of the current state of the installation.

Конструкция и технологическая связь агрегатов установки позволяют осуществить контроль за дыхательной активностью микроорганизмов с анализом метаболитного газа по О₂ и СО₂ в условиях импульсной аэрации рабочей среды.The design and technological connection of the units of the installation allow monitoring the respiratory activity of microorganisms with the analysis of metabolite gas by O ₂ and CO ₂ in conditions of pulsed aeration of the working environment.

Используемые в установке паростерилизуемые разъемы позволяют наряду с операциями отбора проб и внесения добавок в асептических условиях, осуществлять подключение к установке внешних (байпасных) систем. The steam-sterilized connectors used in the installation allow, along with the operations of sampling and adding additives under aseptic conditions, to connect external (bypass) systems to the installation.

Включение теплообменной рубашки в контур циркуляции хладагента и пара позволяет проводить стерилизацию и термостатирование рабочей среды по энергосберегающей технологии. The inclusion of a heat-exchange jacket in the refrigerant and steam circuit allows sterilization and temperature control of the working environment using energy-saving technology.

Claims

1. INSTALLATION FOR CARRYING OUT AND RESEARCH OF MICROBIOLOGICAL PROCESSES, containing a bioreactor with a cover and a heat exchange jacket, nozzles for loading the working medium and unloading the product, a bacterial filter connected through controlled valves to a source of compressed air and atmosphere, a coolant source, a steam generator, a pump and a steam generator, a pump and a device process, the control tires of which are connected to the pump and controlled valves, characterized in that the installation is equipped with a gas analyzer, a receiver placed in the sealant The tank is equipped with a liquid vapor condenser, steam sterilizable connectors and a steam generator with an automatic water refueling device, while the bacterial filter is equipped with a heat exchange jacket, and the gas analyzer is connected to a compressed air source and receiver through additional controlled valves, which, in turn, is connected to another additional controlled a valve, a bacterial filter and a liquid vapor condenser are connected by a pipeline to the cavity of the bioreactor, and the cavity of the sealed container through the control The valves are connected by pipelines to a source of compressed air and atmosphere, and the source of refrigerant through one controlled valve of supply of refrigerant is connected to the heat exchange jackets of the bacterial filter and the bioreactor, and through the second to the condenser of liquid vapor, the end of which is connected to the source of refrigerant by a drain pipe, and a heat exchange the bioreactor jacket is connected to a source of refrigerant through a controlled valve for draining the refrigerant, and through a pumping pump to a steam generator connected by a pipe water for steam supply with the first steam-sterilized connector, and through one of the additional controlled steam supply valves - with the heat-exchange jacket of the bacterial filter, and through the second - with the cavity of the bioreactor, both steam-sterilized connectors are interconnected by a pipeline and communicated with the steam generator and the first steam-sterilized the connector is in communication with the upper part of the cavity of the bioreactor, and the second with its lower part, and a pump out pump, additional controlled valves and the output of the gas analyzer es corresponding control bus and to control the process control device.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the liquid vapor condenser is housed in a sealed enclosure mounted on the lid of the bioreactor and communicated with its internal cavity.

3. The installation according to claim 1, characterized in that the device for automatically refueling the steam generator with water contains a water level sensor in the steam generator, a container with water, a container for dispensing a fixed volume and controlled valves, while the inputs of a metering tank of a fixed volume through connected valves and pipelines are connected with a water tank and a steam generator, and the outlet of this tank is connected through a pipeline to a pump with a steam generator, moreover, controlled valves, a pump and a water level sensor in the steam generator are connected through cutting the appropriate bus to the process control device.