RU2057433C1

RU2057433C1 - Photoautotrophic microorganism cultivation bioreactor

Info

Publication number: RU2057433C1
Application number: RU9494003365A
Authority: RU
Inventors: Б.В. Габель; Л.Н. Цоглин
Original assignee: Акционерное общество "ДОКА"
Priority date: 1994-02-03
Filing date: 1994-02-03
Publication date: 1996-04-10

Abstract

FIELD: agriculture. SUBSTANCE: bioreactor has microorganism cultivation bath with cylindrical wall, light-transmitting cover and process unions. Cylindrical wall generatrix is extending in parallel with axis of support , on which cultivation bath is mounted. Cultivation bath is further provided with mixing device formed as crank mechanism kinematically connected with support. EFFECT: increased efficiency, simplified construction and enhanced reliability in operation. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к сельскому хозяйству и микробиологической промышленности и может использоваться в устройствах для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов, например, зеленых водорослей. The invention relates to agriculture and the microbiological industry and can be used in devices for the cultivation of photoautotrophic microorganisms, for example, green algae.

Известен биореактор для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов, содержащий культивационную ванну с плоскими стенками и циркуляционный насос, соединенный с культивационной ванной всасывающим и нагнетательным патрубками, при этом в культивационной ванне с зазором относительно ее дна и стенок шарнирно закреплены поперечные жесткие пластины [1]
Этот биореактор обеспечивает эффективное перемешивание суспензии (питательной среды и культивируемых микроорганизмов), однако механические соединения в циркуляционном насосе повреждают клетки культивируемых микроорганизмов, наличие поперечных пластин уменьшает их освещенность. В то же время поперечные пластины не обеспечивают достаточной турбулизации суспензии, необходимой для тепломассообмена. Это ухудшает качество культивируемых микроорганизмов.Known bioreactor for the cultivation of photoautotrophic microorganisms containing a cultivation bath with flat walls and a circulation pump connected to the cultivation bath with suction and discharge pipes, while in the cultivation bath with a gap relative to its bottom and walls, transverse rigid plates are hinged [1]
This bioreactor provides effective mixing of the suspension (nutrient medium and cultured microorganisms), however, mechanical compounds in the circulation pump damage the cells of cultured microorganisms, the presence of transverse plates reduces their illumination. At the same time, the transverse plates do not provide sufficient turbulization of the suspension necessary for heat and mass transfer. This affects the quality of cultivated microorganisms.

Из известных устройств наиболее близким к заявленному является биореактор для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов, содержащий культивационную ванну с цилиндрическими стенками, снабженную крышкой и технологическими штуцерами, механизм перемешивания суспензии, привод механизма перемешивания, источник освещения суспензии и термостат [2]
В этот биореакторе культивационная ванна выполнена в форме размещенного вертикально цилиндра. Механизм перемешивания выполнен в виде лопастной мешалки, установленной по продольной оси культивационной ванны. Ее крышка выполнена непрозрачной, а источник освещения выполнен в виде трубчатых ламп искусственного света, установленных вертикально в культивационной ванне параллельно ее продольной оси и служащих отбойными перегородками.Of the known devices, the closest to the claimed one is a bioreactor for cultivating photoautotrophic microorganisms, containing a cultivation bath with cylindrical walls, equipped with a lid and technological fittings, a suspension mixing mechanism, a mixing mechanism drive, a suspension lighting source and a thermostat [2]
In this bioreactor, the cultivation bath is made in the form of a vertically placed cylinder. The mixing mechanism is made in the form of a paddle mixer mounted along the longitudinal axis of the cultivation bath. Its cover is made opaque, and the light source is made in the form of tubular lamps of artificial light mounted vertically in a cultivation bath parallel to its longitudinal axis and serving as baffle plates.

В этом биореакторе турбулизация суспензии обеспечивается за счет действия отбойных перегородок, размещенных рядом с цилиндрической поверхностью культивационной ванны. Повреждения клеток культивируемых микроорганизмов здесь уменьшены и вносятся только за счет движения лопастей мешалки. Однако такая турбулизация не обеспечивает наиболее интенсивного тепломассообмена. Конструкция биореактора не позволяет применять естественное освещение, а используемое искусственное освещение не дает максимального эффекта освещенности клеток культивируемых микроорганизмов во всей массе суспензии. Наличие передвигающихся в суспензии элементов (лопастей) и характер турбулизации все-таки приводят к повреждениям клеток микроорганизмов, что не позволяет, например, культивировать с помощью этого биореактора фотоавтотрофные культуры клеток со слабыми оболочками. Указанные свойства не позволяют достичь высокой производительности биореактора и высокого качества культивируемых микроорганизмов. In this bioreactor, the suspension is turbulized due to the action of the baffle plates located next to the cylindrical surface of the cultivation bath. Damage to the cells of cultured microorganisms is reduced and introduced only due to the movement of the mixer blades. However, such turbulization does not provide the most intense heat and mass transfer. The design of the bioreactor does not allow the use of natural lighting, and the artificial lighting used does not give the maximum effect of illumination of the cells of cultured microorganisms in the entire mass of the suspension. The presence of elements (blades) moving in the suspension and the nature of turbulization nevertheless lead to damage to the cells of microorganisms, which does not allow, for example, photoautotrophic cultures of cells with weak membranes to be cultured using this bioreactor. These properties do not allow to achieve high bioreactor productivity and high quality cultivated microorganisms.

Задача создание универсального высокоэффективного биореактора для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов. The task of creating a universal highly effective bioreactor for the cultivation of photoautotrophic microorganisms.

Технический результат заключается в повышении производительности биореактора и качества культивируемых микроорганизмов за счет исключения их механических повреждений, увеличения степени использования светового потока и повышения интенсивности турбулизации суспензии. The technical result consists in increasing the productivity of the bioreactor and the quality of cultivated microorganisms by eliminating their mechanical damage, increasing the degree of utilization of the light flux and increasing the intensity of the turbulization of the suspension.

Это достигается тем, что в биореакторе для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов, содержащем культивационную ванну с цилиндрическими стенками, снабженную крышкой и технологическими штуцерами, механизм перемешивания суспензии, привод механизма перемешивания, источник освещения суспензии и термостат, механизм перемешивания выполнен в виде кривошипно-шатунного механизма, связывающего привод механизма перемешивания с культивационной ванной, закрепленной с возможностью качания относительно горизонтальной оси качания на шарнирной опоре, крышка культивационной ванны выполнена светопропускающей, а выполнение стенок культивационной ванны цилиндрическими осуществлено в ее торцах, при этом торцевые стенки имеют форму выпуклых полуцилиндров, образующая которых параллельна оси качания культивационной ванны. Кроме того, крышка культивационной ванны может быть выполнена из газопроницаемого материала. This is achieved by the fact that in the bioreactor for the cultivation of photoautotrophic microorganisms containing a cultivation bath with cylindrical walls, equipped with a lid and technological fittings, a suspension stirring mechanism, a stirring mechanism drive, a suspension lighting source and a thermostat, the stirring mechanism is made in the form of a crank mechanism connecting drive of the mixing mechanism with a cultivation bath fixed with the possibility of swing relative to the horizontal axis of swing on Nirni support, the cultivation bath cover is light-transmitting, and perform the cultivation bath cylindrical wall carried in its end faces, wherein the end walls are shaped convex half cylinders, which are parallel to the axis forming the cultivation bath rocking. In addition, the lid of the cultivation bath can be made of a gas-permeable material.

На чертеже схематически показана конструкция заявленного биореактора. The drawing schematically shows the design of the claimed bioreactor.

Он содержит культивационную ванну 1, закрытую светопропускающей крышкой 2 с помощью уплотнения 3. Источник освещения (не показан), например, искусственного света, размещен над крышкой 2. It contains a cultivation bath 1, closed by a light-transmitting cover 2 by means of a seal 3. A light source (not shown), for example, artificial light, is placed above the cover 2.

Термостат может быть выполнен, например, в виде теплообменника, имеющего вид полостей 4, изолированных от внутреннего объема культивационной ванны 1. В стенках, образующих полости 4, установлены штуцеры 5 для подвода охлаждающей жидкости. В стенках культивационной ванны 1 установлены штуцер 6 для залива и слива суспензии, штуцер 7 для подачи и отбора газовой смеси и штуцеры 8 для ввода датчиков контроля. Культивационная ванна 1 закреплена на шарнирной опоре 9 и связана через кривошипно-шатунный механизм 10 с приводом 11. Торцевые стенки 12 культивационной ванны 1 выполнены цилиндрическими так, что они имеют форму выпуклых полуцилиндров, образующая которых параллельна оси качания культивационной ванны 1. The thermostat can be made, for example, in the form of a heat exchanger having the form of cavities 4 isolated from the internal volume of the cultivation bath 1. In the walls forming the cavities 4, fittings 5 for supplying coolant are installed. In the walls of the cultivation bath 1, a nozzle 6 for filling and draining the suspension, a nozzle 7 for supplying and selecting a gas mixture, and nozzles 8 for introducing control sensors are installed. The cultivation bath 1 is mounted on a hinge support 9 and connected through a crank mechanism 10 with a drive 11. The end walls 12 of the cultivation bath 1 are cylindrical so that they have the shape of convex half-cylinders, the shape of which is parallel to the swing axis of the cultivation bath 1.

Биореактор работает следующим образом. В культивационную ванну 1 через штуцер 6 заливается питательная среда и инокулят, например, микроводорослей (хлореллы, спирулины и др.). К штуцерам 5 подводится охлаждающая жидкость, которая, протекая через полости 4, поддерживает необходимую температуру суспензии путем теплообмена через дно культивационной ванны 1. После включения привода 11 кривошипно-шатунный механизм 10 обеспечивает качание культивационной ванны 1 на шарнирной опоре 9 с заданной амплитудой и частотой. Суспензия в культивационной ванне 1 переливается от одной торцевой стенки 12 к другой с образованием прибойной волны такой формы, которая приводит к интенсивной турбулизации всего объема суспензии, а следовательно, и к интенсивному тепломассообмену. Освещение может быть как естественным, так и от источника искусственного света. Выполнение светопропускающей крышки культивационной ванны из газопроницаемого материала обеспечивает уменьшение концентрации кислорода, выделяемого в процессе фотосинтеза в объеме биореактора, и дефицита поглощаемого углекислого газа за счет его диффузии внутрь ванны. Подвод газовоздушной смеси (например, воздуха и углекислого газа) и отвод наработанного кислорода осуществляется через штуцеры 7. The bioreactor operates as follows. A nutrient medium and an inoculum, for example, microalgae (chlorella, spirulina, etc.) are poured into the cultivation bath 1 through the nozzle 6. Coolant is supplied to the nozzles 5, which, flowing through the cavities 4, maintains the required temperature of the suspension by heat exchange through the bottom of the cultivation bath 1. After turning on the drive 11, the crank mechanism 10 provides the cultivation bath 1 to swing on the articulated support 9 with a given amplitude and frequency. The suspension in the cultivation bath 1 is poured from one end wall 12 to another with the formation of a breaking wave of such a shape, which leads to intensive turbulization of the entire volume of the suspension, and therefore to intense heat and mass transfer. Lighting can be either natural or from an artificial light source. The implementation of the light-transmitting cover of the cultivation bath from a gas-permeable material provides a decrease in the concentration of oxygen released during photosynthesis in the volume of the bioreactor, and the deficit of absorbed carbon dioxide due to its diffusion into the bath. The supply of a gas-air mixture (for example, air and carbon dioxide) and the removal of accumulated oxygen is carried out through fittings 7.

Эффективная турбулизация, образованная прибойной волной (при отсутствии принудительной перегонки суспензии и движущихся в суспензии механических элементов) обеспечивает, с одной стороны, наиболее эффективный тепломассообмен, а с другой полностью исключает повреждения клеток культивируемых микроорганизмов из-за механических воздействий. При этом обеспечивается и наиболее полное засвечивание всего объема суспензии, в том числе из-за отсутствия конструктивно затеняющих элементов в суспензии. Возможность использования как искусственного, так и естественного освещения обеспечивает универсальность биореактора и дополнительно позволяет экономить электроэнергию. Биореактор прост по конструкции, энергоэкономичен, позволяет масштабировать его без потери преимуществ. Effective turbulization formed by the breaking wave (in the absence of forced distillation of the suspension and mechanical elements moving in the suspension) provides, on the one hand, the most efficient heat and mass transfer, and on the other, completely eliminates damage to cells of cultured microorganisms due to mechanical stresses. This ensures the most complete illumination of the entire volume of the suspension, including due to the absence of structurally shading elements in the suspension. The possibility of using both artificial and natural lighting provides the versatility of the bioreactor and additionally saves energy. The bioreactor is simple in design, energy-efficient, and allows you to scale it without loss of benefits.

Изобретение обеспечивает повышение производительности биореактора и качества культивируемых микроорганизмов (биомассы). The invention provides improved bioreactor productivity and the quality of cultivated microorganisms (biomass).

Claims

1. Bioreactor for the cultivation of photoautotrophic microorganisms, containing a cultivation bath with cylindrical walls, equipped with a lid and technological fittings, a mixing device with a drive, a lighting source and a thermostat, characterized in that the mixing device is made in the form of a crank-connected mechanism, kinematically on which the cultivation bath is fixed, with the possibility of adjusting the swing relative to the horizontal surface, the end surfaces of which are made They are not in the form of convex half-cylinders, the generatrix of which is parallel to the axis of the support, and the lid of the cultivation bath is made light-transmitting.

2. The bioreactor according to claim 1, characterized in that the lid of the cultivation bath is made of a gas-permeable material.