RU93394U1

RU93394U1 - DEVICE FOR JOINT CULTIVATION OF MICRO-ORGANISMS

Info

Publication number: RU93394U1
Application number: RU2009144647/22U
Authority: RU
Inventors: Юрий Васильевич Редикульцев; Виктор Константинович Кудряшов; Михаил Александрович Зиновьев; Александр Алексеевич Уграицкий; Виктор Сергеевич Голиченков; Владислав Валериевич Безручко; Алексей Николаевич Сизов; Дмитрий Александрович Шевелев; Евгений Александрович Семенович; Максим Ростиславович Тараскевич
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт биологического приборостроения с опытным производством РАН
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2010-04-27

Abstract

Аппарат для совмещенного культивирования микроорганизмов, включающий две горизонтально расположенные ферментационные емкости с боковыми крышками, матриксами для твердого субстрата, размещенными во внутренних полостях емкостей, снабженные патрубками соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газовой среды и патрубками для подачи и отвода жидкой фазы из ферментационных емкостей, трубопроводы с управляемыми клапанами соответственно в каналах подачи в верхнюю полость ферментационных емкостей аэрирующего газа и отвода газовой среды из ферментационных емкостей, буферную емкость, соединенную трубопроводами с управляемыми клапанами, соответственно с каналами слива и сбора жидкого продукта и устройство управления, отличающийся тем, что снабжен, по крайней мере, еще одной ферментационной емкостью, оснащенной аналогично первым двум ферментационным емкостям, и устройством коммутации гидравлических потоков, входы которого соединены трубопроводами с управляемыми клапанами с буферной емкостью и с внешними устройствами подачи жидких питательных сред и инокулята, а выходы соединены трубопроводами с управляемыми клапанами с патрубками ферментационных емкостей для подачи и отвода жидкой фазы, а каналы подачи аэрирующего газа в ферментационные емкости снабжены стерилизационными фильтрами, а каналы отвода газов из ферментационных емкостей снабжены стерилизационными фильтрами и каплеотделителями, выходы возврата жидкости последних через трубопроводы с управляемыми клапанами сообщены с полостью соответствующей ферментационной емкости. Apparatus for combined cultivation of microorganisms, including two horizontally located fermentation tanks with side covers, matrices for a solid substrate placed in the internal cavities of the tanks, equipped with nozzles, respectively, for supplying aeration gas and venting the gas medium and nozzles for supplying and discharging the liquid phase from the fermentation tanks, pipelines with controlled valves, respectively, in the supply channels to the upper cavity of the fermentation tanks of aeration gas and gas medium from fermentation tanks, a buffer tank connected by pipelines to controlled valves, respectively, drain and collection channels of the liquid product and a control device, characterized in that it is equipped with at least one more fermentation tank, equipped similarly to the first two fermentation tanks, and a hydraulic flow switching device, the inputs of which are connected by pipelines to controlled valves with a buffer tank and with external supply devices for liquid nutrient media and inoculum, and the outlets are connected by pipelines with controlled valves with branch pipes of the fermentation tanks for supplying and discharging the liquid phase, and the channels for supplying the aeration gas to the fermentation tanks are equipped with sterilization filters, and the gas channels from the fermentation tanks are equipped with sterilization filters and droplets, the liquid returning exits through pipelines with controlled valves communicate with the cavity of the corresponding fermentation tank.

Description

Полезная модель относится к биотехнологии, а точнее к оборудованию для культивирования микроорганизмов с использованием твердых субстратов, в том числе таких, как мицелиальные грибы, которые чувствительны к механическим воздействиям, возникающим при интенсификации массообмена, и может быть использовано в микробиологической, медицинской, пищевой промышленности и исследовательской практике.The utility model relates to biotechnology, and more specifically to equipment for the cultivation of microorganisms using solid substrates, including such as mycelial fungi, which are sensitive to mechanical stresses arising from the intensification of mass transfer, and can be used in the microbiological, medical, food industries and research practice.

Известен «Аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей и микроорганизмов», патент RU 2270245 С1, дата публикации 20.06.2006. Аппарат содержит ферментационную емкость с крышкой и патрубками соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды и устройство для аэрации и перемешивания культуральной среды, включающее контур аэрирующего газа и экран для образования газовой подушки, а также средство создания колебаний газовой подушки для перемешивания культуральной среды. Экран размещен в полости аппарата и при реализации ферментационных процессов погружен в культуральную среду.The well-known "Apparatus for suspension cultivation of tissue cells and microorganisms", patent RU 2270245 C1, publication date 06/20/2006. The apparatus contains a fermentation vessel with a lid and nozzles, respectively, for supplying aerating gas and discharging a gaseous medium and a device for aeration and mixing of the culture medium, including an aeration gas circuit and a screen for forming a gas cushion, as well as means for generating oscillations of the gas cushion for mixing the culture medium. The screen is placed in the cavity of the apparatus and during the implementation of fermentation processes is immersed in the culture medium.

Известно, что аэрация и перемешивание культуральной среды в ферментационных аппаратах, являются одним из важнейших факторов, влияющих на производительность и качество синтезируемых продуктов. Примененное в аппарате устройство для аэрации и перемешивания культуральной среды перемешивание осуществляется за счет возвратно-поступательного перемещения жидкости из полости экрана в полость ферментационной емкости и обратно, а газообмен осуществляется через суммарную площадь поверхностного раздела среды газ - жидкость, который образуется на границе газовой подушки переменного объема, возростающего при подаче газов под экран с последующим уменьшением при отводе газов под давлением жидкой фазы культуральной среды.It is known that aeration and mixing of the culture medium in fermentation apparatuses is one of the most important factors affecting the productivity and quality of the synthesized products. The device used for aeration and mixing of the culture medium in the apparatus is mixed by reciprocating the movement of liquid from the screen cavity to the cavity of the fermentation tank and vice versa, and gas exchange is carried out through the total surface-gas interface of the gas - liquid, which is formed at the boundary of the gas cushion of variable volume , increasing with the supply of gases under the screen with a subsequent decrease in the removal of gases under pressure of the liquid phase of the culture medium.

Требуемые значения интенсивности газообмена между жидкой и газовой фазами культуральной среды достигаются наращиванием количества экранов, погруженных в культуральную среду.The required values of the intensity of gas exchange between the liquid and gas phases of the culture medium are achieved by increasing the number of screens immersed in the culture medium.

К недостаткам конструкции аппарата можно отнести то, что многослойное размещение экранов в полости ферментационной емкости приводит к уменьшению рабочего объема аппарата и, как следствие, к снижению его производительности. Экраны, закрепленные в полости ферментационной емкости, требуют автономного управления газовыми потоками, что существенно усложняет конструкцию и обслуживание аппарата.The disadvantages of the design of the apparatus include the fact that the multilayer placement of screens in the cavity of the fermentation tank leads to a decrease in the working volume of the apparatus and, as a result, to a decrease in its productivity. Screens fixed in the cavity of the fermentation tank require autonomous control of gas flows, which significantly complicates the design and maintenance of the apparatus.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является аппарат для культивирования клеток и микроорганизмов (RU №69518, U1, опублик. 27.12.2007). Аппарат включает две ферментационные емкости с крышкой и патрубками соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газовой среды, которые снабжены матриксами, свободно размещенными в полости каждой емкости, а емкости сообщены между собой трубопроводом нижнего слива и соединены трубопроводами с управляемыми клапанами с патрубком для подачи аэрирующего газа, а также содержит насос для ввода в первую ферментационную емкость питательных растворов и инокулюма посевной культуры, буферную емкость, соединенную трубопроводом с патрубком отвода газовой среды и трубопроводами с встроенными управляемыми клапанами с ферментационными емкостями и с шлюзовой камерой, при этом шлюзовая камера соединена трубопроводами с встроенными управляемыми клапанами со второй ферментационной емкостью и с патрубками слива и сбора получаемых продуктов. Внутри ферментационных емкостей могут быть размещены матриксы, например, в виде свернутой в спираль металлической сетки в межвитковое пространство которых может быть помещен твердый субстрат.Closest to the proposed technical solution is an apparatus for culturing cells and microorganisms (RU No. 69518, U1, published. 12/27/2007). The apparatus includes two fermentation tanks with a lid and nozzles, respectively, for supplying aerating gas and venting the gas medium, which are equipped with matrices freely placed in the cavity of each tank, and the tanks are interconnected by a lower drain pipe and connected by pipelines to controlled valves with a pipe for supplying aeration gas , and also contains a pump for input into the first fermentation tank of nutrient solutions and inoculum of inoculum culture, a buffer tank connected by a pipe to the pipe m of venting the gas medium and pipelines with built-in controlled valves with fermentation tanks and with a lock chamber, while the lock chamber is connected by pipelines with built-in controlled valves with a second fermentation tank and with pipes for draining and collecting the resulting products. Matrices can be placed inside the fermentation tanks, for example, in the form of a metal mesh rolled into a spiral into the inter-turn space of which a solid substrate can be placed.

Жидкофазный и твердофазный режимы культивирования реализуются в аппарате с использованием процесса перетока жидкой фазы культуральной среды из первой ферментационной емкости во вторую ферментационную емкость и обратно.Liquid-phase and solid-phase cultivation modes are implemented in the apparatus using the process of transferring the liquid phase of the culture medium from the first fermentation tank to the second fermentation tank and vice versa.

Недостатком данного аппарата является невозможность обеспечить непрерывность процесса ферментации, так как чтобы извлечь отработанный твердый субстрат и нерастворимые продукты ферментации, например, микробную биомассу, нужно останавливать процесс, открыть оба ферментационных модуля, извлечь матриксы и выгрузить продукт. После процесса выгрузки и очистки ферментационные модули собираются и проводится стерилизация всего оборудования и твердого субстрата. Это существенно снижает производительность процесса и затрудняет эксплуатацию аппарата при больших объемах переработки твердых субстратов.The disadvantage of this apparatus is the inability to ensure the continuity of the fermentation process, since in order to extract spent solid substrate and insoluble fermentation products, for example, microbial biomass, you need to stop the process, open both fermentation modules, remove the matrices and unload the product. After the unloading and cleaning process, the fermentation modules are assembled and sterilized for all equipment and solid substrate. This significantly reduces the productivity of the process and complicates the operation of the apparatus with large volumes of processing of solid substrates.

Технический результат заключается в обеспечении непрерывного (отъемно-загрузочного) процесса культивирования при использовании твердых субстратов.The technical result consists in providing a continuous (detachable-loading) cultivation process using solid substrates.

Технический результат достигается тем, что аппарат для совмещенного культивирования микроорганизмов, включающий две горизонтально расположенные ферментационные емкости с боковыми крышками, матриксами для твердого субстрата, размещенными во внутренних полостях емкостей, снабженные патрубками соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газовой среды и патрубками для подачи и отвода жидкой фазы из ферментационных емкостей, трубопроводы с управляемыми клапанами, соответственно, в каналах подачи в верхнюю полость ферментационных емкостей аэрирующего газа и отвода газовой среды из ферментационных емкостей, буферную емкость, соединенную трубопроводами с управляемыми клапанами соответственно с каналами слива и сбора жидкого продукта и устройство управления и снабжен, по крайней мере, еще одной ферментационной емкостью, оснащенной аналогично первым двум ферментационным емкостям и устройством коммутации гидравлических потоков, входы которого соединены трубопроводами с управляемыми клапанами с буферной емкостью и с внешними устройствами подачи жидких питательных сред и инокулята, а выходы соединены трубопроводами с управляемыми клапанами с патрубками ферментационных емкостей для подачи и отвода жидкой фазы, а каналы подачи аэрирующего газа в ферментационные емкости снабжены стерилизационными фильтрами, а каналы отвода газов из ферментационных емкостей снабжены стерилизационными фильтрами и каплеотделителями, выходы возврата жидкости последних через трубопроводы с управляемыми клапанами сообщены с полостью соответствующей ферментационной емкости.The technical result is achieved by the fact that the apparatus for the combined cultivation of microorganisms, including two horizontally located fermentation tanks with side covers, matrices for solid substrate, placed in the internal cavities of the tanks, equipped with nozzles, respectively, for supplying aeration gas and venting the gas medium and nozzles for supplying and discharging liquid phase from fermentation tanks, pipelines with controlled valves, respectively, in the supply channels to the upper cavity of the fermentation aerated gas tanks and the removal of the gas medium from the fermentation tanks, a buffer tank connected by pipelines with controlled valves respectively to the drain and collection channels of the liquid product and a control device and is equipped with at least one more fermentation tank, equipped similarly to the first two fermentation tanks and a hydraulic flow switching device, the inputs of which are connected by pipelines to controlled valves with a buffer tank and with external liquid feed devices of the medium and the inoculum, and the exits are connected by pipelines to controlled valves with nozzles of fermentation tanks for supplying and discharging the liquid phase, and the channels for supplying aerating gas to the fermentation tanks are equipped with sterilization filters, and the channels for exhausting gases from the fermentation tanks are equipped with sterilization filters and droplet separators, return outputs liquids of the latter through pipelines with controlled valves communicate with the cavity of the corresponding fermentation tank.

Полезная модель поясняется, но не ограничивается чертежом.The utility model is illustrated but not limited to the drawing.

На фиг.1 представлена схема аппарата для совмещенного культивирования микроорганизмов.Figure 1 presents a diagram of an apparatus for combined cultivation of microorganisms.

Аппарат для совмещенного культивирования микроорганизмов включает три горизонтально расположенные ферментационные емкости 1, 2, 3 с боковыми крышками 4, 5, 6, служащими для загрузки-выгрузки матриксов и крышками 7, 8, 9, на которых расположены штуцеры (на фиг.1 не обозначены) ввода аэрирующего газа в верхнюю полость ферментационных емкостей, к которым присоединены управляемые клапаны 10, 11, 12, для подачи газа в ферментационные емкости, поступающего через входные фильтры 13, 14, 15, обеспечивающие стерильность газового потока. Выход метаболитных газов из верхней полости ферментационных емкостей 1, 2, 3 осуществляется через управляемые клапаны 16, 17, 18, каплеотделители 19, 20, 21, фильтры 22, 23, 24, соответственно, обеспечивающие стерильность отводящихся газов, в трубопровод «Отходящие газы» через нормально открытые клапаны 25, 26, 27.The apparatus for the combined cultivation of microorganisms includes three horizontally located fermentation tanks 1, 2, 3 with side covers 4, 5, 6, used for loading and unloading matrices and covers 7, 8, 9, on which the fittings are located (not shown in Fig. 1 ) introducing aerating gas into the upper cavity of the fermentation tanks, to which the controlled valves 10, 11, 12 are connected, for supplying gas to the fermentation tanks, incoming through the inlet filters 13, 14, 15, ensuring the sterility of the gas stream. The exit of metabolite gases from the upper cavity of the fermentation tanks 1, 2, 3 is carried out through controlled valves 16, 17, 18, droplet separators 19, 20, 21, filters 22, 23, 24, respectively, ensuring the sterility of the exhaust gases, into the pipeline “Exhaust gases” through normally open valves 25, 26, 27.

Внутри ферментационных емкостей 1, 2, 3 размещены матриксы 28, 29, 30. Матриксы представляют собой свернутое в спираль сетчатое полотно. Сетчатое полотно может быть выполнено из нержавеющей стали или полимера. Внутрь матрикса размещают твердый растительный субстрат, содержащий нерастворимые компоненты лигноцеллюлозы. Субстрат перед загрузкой в матриксы 28, 29, 30 подготавливают к использованию исходя из специфических особенностей самого субстрата, например, измельчают, очищают от ингибирующих компонентов, повышают его реакционную способность различными методами, а также особенностей реализуемых ферментационных процессов.Matrices 28, 29, 30 are placed inside the fermentation tanks 1, 2, 3. The matrices are a coiled mesh web. The mesh web may be made of stainless steel or polymer. A solid plant substrate containing insoluble lignocellulose components is placed inside the matrix. Before loading into the matrices 28, 29, 30, the substrate is prepared for use based on the specific features of the substrate itself, for example, it is crushed, cleaned of inhibitory components, its reactivity is increased by various methods, as well as the characteristics of the fermentation processes being implemented.

Ферментационные емкости 1, 2, 3 для обеспечения требуемых температурных режимов снабжены термостатирующими рубашками 31, 32, 33.Fermentation tanks 1, 2, 3 to ensure the required temperature conditions are equipped with thermostatic shirts 31, 32, 33.

Подача стерильных питательных сред и инокулюма в ферментационные емкости 1, 2, 3 осуществляется через клапаны 34, 35, 36, устройство коммутации гидравлических потоков 37 и открывании открытые, соответственно, клапаны 38 или 39.The supply of sterile culture media and inoculum to the fermentation tanks 1, 2, 3 is carried out through the valves 34, 35, 36, the switching device of the hydraulic flows 37 and opening, respectively, valves 38 or 39.

Дозированный отбор жидких продуктов культивирования осуществляется через устройство коммутации гидравлических потоков 37 в буферную емкость 40 при открытом клапане 41. При открытом клапане 42, под действием давления аэрирующего воздуха, доза жидких продуктов культивирования из буферной емкости 40 через открытый клапан 43 подается во внешние системы.Dosed selection of liquid cultivation products is carried out through a hydraulic flow switching device 37 to the buffer tank 40 with the valve 41 open. When the valve 42 is open, under the influence of aeration air pressure, a dose of the liquid culture products from the buffer tank 40 is supplied through external valve 43 to external systems.

Стерилизация буферной емкости 40 проточным паром осуществляется при открывании клапанов 44 и 45, слив конденсата осуществляется в трубопровод «Слив».Sterilization of the buffer tank 40 by flowing steam is carried out when the valves 44 and 45 are opened, the condensate is drained into the "Drain" pipeline.

Слив жидкости, накопившейся в каплеотделителях 19, 20, 21 осуществляется по заданной программе в ферментационные емкости 1, 2, 3 через управляемые клапаны 46, 47 и 48.The liquid accumulated in the droplet separators 19, 20, 21 is discharged according to a predetermined program into the fermentation tanks 1, 2, 3 through controlled valves 46, 47 and 48.

Слив жидкости, скопившейся в фильтрах 13, 14, 15 осуществляется через открытые управляемые клапаны 49, 50, 51.The drain of fluid accumulated in the filters 13, 14, 15 is carried out through open controlled valves 49, 50, 51.

Через управляемые клапаны 52, 53, 54, 55, 56, 57 осуществляется подвод проточного пара к фильтрам 13, 14, 15 и 22, 23, 24.Through the controlled valves 52, 53, 54, 55, 56, 57, the supply of flowing steam to the filters 13, 14, 15 and 22, 23, 24 is carried out.

Проточный пар осуществляет стерилизацию аппарата для совмещенного культивирования микроорганизмов, фильтры отделяют асептическую зону проведения процессов культивирования микроорганизмов в аппарате от его нестерильной зоны. Стерилизации может быть подвергнут полностью весь аппарат или стерилизоваться может каждая ферментационная емкость отдельно, причем асептические условия в подвергнутой стерилизации емкости сохраняются независимо от режимов работы других емкостей. Для автономной стерилизации каждой из ферментационных емкостей 1-3 ее штуцеры нижнего слива соединены через нормально закрытые клапаны соответственно 58, 59, 60 с каналом «Слив».Flowing steam sterilizes the apparatus for the combined cultivation of microorganisms, filters separate the aseptic zone of microorganism cultivation processes in the apparatus from its non-sterile zone. The entire apparatus can be fully sterilized or each fermentation tank can be sterilized separately, and the aseptic conditions in the sterilized tank are maintained regardless of the operating conditions of the other containers. For autonomous sterilization of each of the fermentation tanks 1-3, its lower discharge fittings are connected through normally closed valves 58, 59, 60, respectively, to the “Drain” channel.

Подача аэрирующего воздуха на вход фильтров 13, 14, 15 по каналу «Аэрация» осуществляется через управляемые клапаны 61, 62, 63.The supply of aeration air to the inlet of the filters 13, 14, 15 through the channel "Aeration" is carried out through controlled valves 61, 62, 63.

Управление работой аппарата для совмещенного культивирования микроорганизмов осуществляется устройством управления 64.Management of the apparatus for the combined cultivation of microorganisms is carried out by the control device 64.

Функционирование аппарата для совмещенного (жидкофазного и твердофазного) культивирования микроорганизмов происходит следующим образом.The functioning of the apparatus for combined (liquid-phase and solid-phase) cultivation of microorganisms is as follows.

Вначале осуществляется загрузка матриксов 28, 29 и 30 с твердым субстратом в ферментационные емкости 1, 2, 3, закрываются крышки 4, 5, 6 и выполняются известные процедуры герметизации, а затем проводится стерилизация субстрата и элементов стерильной зоны аппарата. Последовательность проведения стерилизации всего аппарата может быть следующей.First, the matrices 28, 29 and 30 with a solid substrate are loaded into the fermentation tanks 1, 2, 3, the covers 4, 5, 6 are closed and the known sealing procedures are performed, and then the substrate and the elements of the sterile zone of the device are sterilized. The sequence of sterilization of the entire device may be as follows.

Устройством управления 64, в соответствии с программой, закрываются клапаны 10, 11, 12, 16, 17, 18, 61, 62, 63 и открываются клапаны 25, 26, 27, 42, 49, 50, 51, а также клапаны подачи пара 44, 52, 53, 54 и 55, 56, 57 и выполняет стерилизацию фильтров аэрирующего воздуха 13, 14, 15 и отходящих газов 22, 23, 24. По окончании процедуры стерилизации фильтров 13-15, 22-24 устройство управления 64 закрывает клапаны 25-27, 42, 44, 48-52 и открывает клапаны 10-12, 16-18, 46-48 и 34-36, а также клапаны 41 и 45. Поток пара направляется на стерилизацию ферментационных емкостей 1-3, матриксов 28-30, устройства коммутации потоков 37 и буферной емкости 40 и через трубопровод в канал «Слив», куда сливается конденсат. По окончании стерилизации оборудования стерильной зоны и матриксов устройство управления 64 закрывает клапаны подачи пара 52-54 и 55-57, клапаны 10-12, клапан 41, открывает клапаны 25-27 и аппарат переводится в режим охлаждения. Кроме того, к каналам «Стерильная среда» и «Инокулят» подключаются внешние источники стерильных питательных сред и инокулята соответственно, а также открывается клапан 44 для окончательной стерилизации буферной емкости 40 и подготовки ее к приему жидких продуктов ферментации. По окончании стерилизации буферной емкости клапаны 44 и 45 закрывается, емкость охлаждается и в ней создается вакуум. По окончании охлаждения ферментационных емкостей 1-3 с матриксами 28-30 подачей теплоносителя требуемой температуры в термостатирующие рубашки 31, 32, 33 устанавливается заданный температурный режим, открываются клапаны 49-51 на время слива конденсата из фильтров 13-15 и открываются клапаны 61-63 для подачи аэрирующего воздуха из канала «Аэрация», после этого аппарат подготовлен для проведения процесса культивирования микроорганизмов.The control device 64, in accordance with the program, the valves 10, 11, 12, 16, 17, 18, 61, 62, 63 are closed and the valves 25, 26, 27, 42, 49, 50, 51, as well as the steam supply valves are opened 44, 52, 53, 54 and 55, 56, 57 and sterilizes the aeration air filters 13, 14, 15 and exhaust gases 22, 23, 24. At the end of the sterilization procedure of the filters 13-15, 22-24, the control unit 64 closes the valves 25-27, 42, 44, 48-52 and opens valves 10-12, 16-18, 46-48 and 34-36, as well as valves 41 and 45. The steam flow is sent to sterilize the fermentation tanks 1-3, matrices 28 -30, flow switching devices 37 buffer tank 40 and through the conduit into the channel, "Draining", where the condensate is drained. At the end of sterilization of the equipment of the sterile zone and the matrices, the control device 64 closes the steam supply valves 52-54 and 55-57, the valves 10-12, the valve 41, opens the valves 25-27, and the device switches to cooling mode. In addition, external sources of sterile culture media and inoculum are connected to the Sterile Medium and Inoculum channels, respectively, and valve 44 is opened for the final sterilization of the buffer tank 40 and its preparation for receiving liquid fermentation products. At the end of the sterilization of the buffer tank, the valves 44 and 45 are closed, the tank is cooled and a vacuum is created in it. Upon completion of the cooling of the fermentation tanks 1-3 with matrices 28-30 by supplying the required temperature to the thermostatic shirts 31, 32, 33, the set temperature regime is established, valves 49-51 are opened for the condensate drain from the filters 13-15 and valves 61-63 are opened for supplying aeration air from the "Aeration" channel, after which the apparatus is prepared for the process of cultivation of microorganisms.

Процесс культивирования начинается с заполнения ферментационной емкости 1 питательной средой и подачи инокулята, которые поступают в емкость 1 через устройство коммутации гидравлических потоков 37 при открывании клапанов 38, 34 и клапанов 39 и 34. Вносимые жидкая фаза питательной среды и инокулят должены заполнять объем ферментационной емкости, 1 свободный от матрикса с загруженной в него твердой фазой. Твердая фаза культуральной среды оказывается погруженной в жидкую фазу, т.е. режим культивирования в ферментационной емкости 1 начинается как жидкофазный процесс. Далее устройство управления 64 включает режим аэрации, перемешивания и отвода метаболитных газов, для этого закрывается клапан 16 и открывается клапан 10 подачи аэрирующего воздуха в емкость 1 через стерилизующий фильтр 13 и клапан 61. Одновременно устройство управления 64 открывает клапаны 34, 35, при этом клапан 17 остается открытым. Культуральная жидкость из ферментационной емкости 1 под давлением аэрирующего воздуха перетекает в ферментационную емкость 2 через устройство коммутации гидравлических потоков 37. Находящийся в ферментационной емкости 2 воздух, вытесняется через клапан 17, каплеотделитель 20, фильтр 23 и клапан 26 в канал «Отходящие газы». Процесс культивирования в ферментационной емкости 1 переходит в режим твердофазного культивирования, а в ферментационной емкости 2 проходит режим жидкофазного культивирования. Затем устройство управления 64 закрывает клапаны 10, 17, и открывает клапаны 11 и 16. При этом осуществляется обратный переток жидкой фазы культуральной среды из емкости 2 в ферментационную емкость 1. Процесс культивирования в ферментационной емкости 1 переходит в режим жидкофазного культивирования, а в ферментационной емкости 2 в режим твердофазного культивирования. Процесс перетока жидкой фазы культуральной среды между ферментационными емкостями 1 и 2 может продолжаться заданное время, ферментационная емкость 3 при этом находится в подготовленном к ферментационному процессу состоянии. Эффективность такого процесса культивирования определяется тем, что на элементах конструкции ферментационной емкости 1 (2), на их матриксах 28 или 29 и на частицах твердого субстрата при перетоке жидкой фазы культуральной среды в ферментационную емкость 2 (1) образуются стекающие пленки, большая площадь которых обеспечивает интенсивный перенос кислорода из газовой фазы в жидкую пленку и отвод из нее метаболитных газов и этим определяется высокая скорость роста микроорганизмов и интенсивность ферментационных процессов в твердой фазе. При жидкофазном процессе в ферментационной емкости 2 (1), протекающем одновременно с твердофазным процессом в емкости 1 (2), обеспечивается подвод питательных сред по всему объему твердой фазы, отводятся жидкие продукты ферментации от биомассы твердого субстрата и избыточное тепло. В процессе культивирования осуществляется дозированный отбор жидкой фазы культуральной среды, которая представляет собой жидкий продукт биотехнологического процесса, проводимого в аппарате, и подача питательных сред.The cultivation process begins with filling the fermentation tank 1 with a nutrient medium and feeding the inoculum, which enters the tank 1 through the hydraulic flow switching device 37 when the valves 38, 34 and valves 39 and 34 are opened. The introduced liquid phase of the nutrient medium and the inoculum must fill the volume of the fermentation tank, 1 free of matrix with solid phase loaded into it. The solid phase of the culture medium is immersed in the liquid phase, i.e. the cultivation mode in the fermentation tank 1 begins as a liquid phase process. Next, the control device 64 includes a mode of aeration, mixing and removal of metabolite gases, for this, the valve 16 is closed and the valve 10 for supplying aeration air to the container 1 opens through the sterilizing filter 13 and valve 61. At the same time, the control device 64 opens the valves 34, 35, while the valve 17 remains open. The culture fluid from the fermentation tank 1 under pressure of the aeration air flows into the fermentation tank 2 through the hydraulic flow switching device 37. The air in the fermentation tank 2 is forced out through the valve 17, the droplet separator 20, the filter 23 and the valve 26 into the “Exhaust gas” channel. The cultivation process in the fermentation tank 1 goes into solid-phase cultivation mode, and in the fermentation tank 2 passes the liquid-phase cultivation mode. Then, the control device 64 closes the valves 10, 17, and opens the valves 11 and 16. At the same time, the liquid phase of the culture medium is transferred back from the tank 2 to the fermentation tank 1. The cultivation process in the fermentation tank 1 goes into the liquid phase cultivation mode, and in the fermentation tank 2 to solid-phase cultivation mode. The process of overflowing the liquid phase of the culture medium between the fermentation tanks 1 and 2 may continue for a predetermined time, while the fermentation tank 3 is in a state prepared for the fermentation process. The effectiveness of such a cultivation process is determined by the fact that flowing films are formed on the structural elements of the fermentation tank 1 (2), on their matrices 28 or 29, and on the particles of the solid substrate when the liquid phase of the culture medium flows into the fermentation tank 2 (1), a large area of which ensures intensive transfer of oxygen from the gas phase to the liquid film and removal of metabolite gases from it, and this determines the high growth rate of microorganisms and the intensity of fermentation processes in the solid phase. During the liquid-phase process in the fermentation vessel 2 (1), which proceeds simultaneously with the solid-phase process in the vessel 1 (2), nutrient media are supplied throughout the entire volume of the solid phase, liquid fermentation products are removed from the biomass of the solid substrate and excess heat. During the cultivation process, dosed selection of the liquid phase of the culture medium is carried out, which is the liquid product of the biotechnological process carried out in the apparatus and the supply of nutrient media.

Отбор культуральной среды, например, из ферментационной емкости 1 устройством управления 64 осуществляется в три такта, в первом такте при открытом клапане 34 открывается клапан 41 и предварительно вакууммированная буферная емкость 40 наполняется культуральной средой и клапан 41 закрывается. Во втором такте открывается клапаны 42 и 43, в результате культуральная среда из емкости 40 давлением аэрирующего воздуха подается в нестерильную зону в канал «Продукт жидкий» и клапаны 42 и 43 закрываются. В третьем такте открываются клапаны 44 и 45 и буферная емкость стерилизуется проточным паром, после чего клапаны 44 и 45 закрываются и при охлаждении буферной емкости в ней снова образуется вакуум и она подготовлена для приема очередной дозы.The selection of the culture medium, for example, from the fermentation tank 1 by the control device 64 is carried out in three cycles, in the first cycle with the valve 34 open, the valve 41 is opened and the previously evacuated buffer tank 40 is filled with the culture medium and the valve 41 is closed. In the second cycle, valves 42 and 43 are opened, as a result, the culture medium from the tank 40 is supplied with pressure from the aeration air to the non-sterile zone in the “Liquid Product” channel and the valves 42 and 43 are closed. In the third cycle, valves 44 and 45 are opened and the buffer tank is sterilized by flowing steam, after which the valves 44 and 45 are closed and when the buffer tank is cooled, a vacuum is formed in it again and it is prepared to receive the next dose.

Вслед за описанной процедурой отбора жидкой фазы культуральной среды из ферментационной емкости 1 для восполнения ее объема в емкость 1 через клапан 34 и устройство коммутации гидравлических потоков 37 подается питательная среда по каналу «Стерильная среда» при открывании клапана 38.Following the described procedure for the selection of the liquid phase of the culture medium from the fermentation tank 1 to fill its volume into the tank 1 through the valve 34 and the hydraulic flow switching device 37, a nutrient medium is supplied through the "Sterile medium" channel when the valve 38 is opened.

До достижения заданной стадии процесса в ферментационной емкости 1 или 2 (достижение заданного количества циклов перетока, получение требуемого количества биомассы или продуктов ферментации, истощение твердого субстрата) описанные циклы с перетоком жидкой фазы культуральной среды продолжаютсяUntil a given stage of the process is reached in a fermentation tank 1 or 2 (reaching a given number of flow cycles, obtaining the required amount of biomass or fermentation products, depletion of the solid substrate), the described cycles with the flow of the liquid phase of the culture medium continue

При наступлении этого события, например, в ферментационной емкости 1, аппарат позволяет вывести ферментационную емкость 1 из процесса культивирования, при этом после последнего цикла опорожнения емкости 1 и поступления жидкой фазы в ферментационную емкость 2 клапаны 10, 16, 25, 34, 46 и 61 закрываются и ферментационная емкость 1 оказывается отключенной от стерильной зоны аппарата, в котором продолжается процесс совмещенного (жидкофазного и твердофазного) культивирования, но переток жидкой фазы культуральной среды происходит между ферментационными емкостями 2 и 3, причем алгоритм управления перетоком аналогичен описанному.When this event occurs, for example, in the fermentation tank 1, the apparatus allows you to remove the fermentation tank 1 from the cultivation process, and after the last cycle of emptying the tank 1 and the liquid phase enters the fermentation tank 2, valves 10, 16, 25, 34, 46 and 61 close and the fermentation tank 1 is disconnected from the sterile zone of the apparatus, in which the process of combined (liquid-phase and solid-phase) cultivation continues, but the transfer of the liquid phase of the culture medium occurs between the fermentation E containers 2 and 3, wherein the overflow control algorithm similar to that described above.

Для выгрузки из ферментационной емкости 1 твердого нерастворимого продукта (компоненты твердого субстрата, микробная биомасса), получаемого в результате биотехнологического процесса, проводимого в аппарате, открывается крышка 4 и матрикс 28 с остатками твердой фазы культуральной среды, нерастворимые продукты ферментации, биомасса выгружаются и направляются на дальнейшую переработку. В освободившуюся ферментационную емкость 1 загружается матрикс с новой порцией твердого субстрата, крышка 4 закрывается и емкость 1 герметизируется. Устройство управления 64 включает процедуру стерилизации одной ферментационной емкости 1 с матриксом и новой порцией субстрата. Для этого открываются клапаны 10, 16, 46, 58 и включается подача пара через открытые клапаны 52 и 55. Пар и образующийся конденсат через ферментационную емкость 1 и клапан 58 отводятся через трубопровод в канал «Слив». По окончании стерилизации ферментационной емкости 1 клапаны 52, 55, 46, 58 закрываются, и ферментационная емкость 1 подготовлена для включения ее в стерильную зону аппарата для продолжения процесса культивирования микроорганизмов с новой порцией твердого субстрата.For unloading from the fermentation tank 1 a solid insoluble product (components of a solid substrate, microbial biomass) obtained as a result of a biotechnological process carried out in the apparatus, cover 4 and matrix 28 with the residues of the solid phase of the culture medium are opened, insoluble fermentation products, biomass are unloaded and sent to further processing. In the freed fermentation tank 1, the matrix is loaded with a new portion of the solid substrate, the lid 4 is closed and the tank 1 is sealed. The control device 64 includes a sterilization procedure for one fermentation tank 1 with a matrix and a new portion of the substrate. For this, valves 10, 16, 46, 58 are opened and steam supply is switched on through open valves 52 and 55. Steam and condensate formed through the fermentation tank 1 and valve 58 are discharged through the pipeline to the “Drain” channel. At the end of the sterilization of the fermentation tank 1, the valves 52, 55, 46, 58 are closed, and the fermentation tank 1 is prepared for inclusion in the sterile zone of the apparatus to continue the process of cultivating microorganisms with a new portion of the solid substrate.

По завершении процесса в ферментационной емкости 2 она аналогичным образом выводится из стерильной зоны аппарата. Из ферментационной емкости 3 отбирается жидкая фаза культуральной по описанной выше процедуре дозированного отбора жидкой фазы через буферную емкость, а в емкость 1 в соответствии с описными выше процедурами подается питательная среда и инокулят по каналам «Стерильная среда» и «Инокулят». В ферментационной емкости 1 начинается жидкофазная стадия совмещенного процесса культивирования в режиме перетока с ферментационной емкостью 3, который осуществляется в соответствии с описанным выше алгоритмом. Из ферментационной емкости 2 выгружается матрикс, нерастворимые продукты ферментации и ферментационная емкость 2, по описанным выше процедурам для ферментационной емкости 1, готовится для продолжения процесса совмещенного культивирования микроорганизмов с новой порцией твердого субстрата.Upon completion of the process in the fermentation vessel 2, it is similarly removed from the sterile zone of the apparatus. From the fermentation tank 3, the liquid phase of the culture is taken according to the procedure described above for dosed selection of the liquid phase through the buffer tank, and in the tank 1, in accordance with the above procedures, the nutrient medium and inoculum are fed through the channels “Sterile medium” and “Inoculum”. In the fermentation tank 1, the liquid phase phase of the combined cultivation process in the overflow mode with the fermentation tank 3 begins, which is carried out in accordance with the algorithm described above. From the fermentation tank 2, the matrix, insoluble fermentation products and fermentation tank 2 are unloaded, according to the procedures described above for the fermentation tank 1, is prepared to continue the process of combined cultivation of microorganisms with a new portion of the solid substrate.

Таким образом, предложенный аппарата для совмещенного (жидкофазного и твердофазного) культивирования микроорганизмов позволяет реализовать до настоящего времени неизвестный непрерывный, отъемно-загрузочный процесс культивирования микроорганизмов с использованием твердых субстратов. Аппарат позволяет существенно повысить производительность совмещенных процессов культивирования микроорганизмов и проводить их в стерильных условиях.Thus, the proposed apparatus for combined (liquid-phase and solid-phase) cultivation of microorganisms allows to realize until now an unknown continuous, detachable-loading process of cultivating microorganisms using solid substrates. The device allows to significantly increase the productivity of the combined processes of cultivation of microorganisms and carry them out in sterile conditions.

Claims

Apparatus for combined cultivation of microorganisms, including two horizontally located fermentation tanks with side covers, matrices for a solid substrate placed in the internal cavities of the tanks, equipped with nozzles, respectively, for supplying aeration gas and venting the gas medium and nozzles for supplying and discharging the liquid phase from the fermentation tanks, pipelines with controlled valves, respectively, in the supply channels to the upper cavity of the fermentation tanks of aeration gas and gas medium from fermentation tanks, a buffer tank connected by pipelines to controlled valves, respectively, to the drain and collection channels of the liquid product and a control device, characterized in that it is equipped with at least one more fermentation tank, equipped similarly to the first two fermentation tanks, and a hydraulic flow switching device, the inputs of which are connected by pipelines to controlled valves with a buffer tank and with external supply devices for liquid nutrient media and inoculum, and the outlets are connected by pipelines with controlled valves with branch pipes of the fermentation tanks for supplying and discharging the liquid phase, and the channels for supplying the aeration gas to the fermentation tanks are equipped with sterilization filters, and the gas channels from the fermentation tanks are equipped with sterilization filters and droplets, the liquid returning exits through pipelines with controlled valves communicated with the cavity of the corresponding fermentation tank.