SU1763489A2 - Устройство дл регулировани рН и парциального давлени растворенного кислорода в культуральной жидкости в ферментере - Google Patents

Abstract

Использование: в биотехнологии, в частности в области управл емого культивировани  микроорганизмов,, Сущность: устройство снабжено камерой дл  обработки культуральной жидкости с двум  соосно расположенными газопроницаемыми кольцевыми мембранами, между которыми образована промежуточна  жидкостна  полость, именна  две поверхности контакта газ-жидкость, и разделенна  на две части газова  полостьо Устройство содержит ферментер 5, микропористый фильтр 6, датчики 1 и 2, расположенные в измерительной камере 4, насос-дозатор 7, ис-„ полнительную камеру 80 Камера 8 состоит из полости 19 дл  культуральной жидкости и двух газовых полостей, разделенных между собой обечайками 22 и 23, расположенных соосно0 3 ил. сл

Description

Изобретение относитс  к биотехнологии и, в частности к управл емому культивированию микроорганизмов как в исследовательских цел х, так и в промышленных услови х и  вл етс  дальнейшим усовершенствованием изобретени  по авто с во N° 1576569

Управление величиной р02 в культуральной среде в ферментере  вл етс  важнейшей задачей в обеспечении процесса культивировани  аэробных микроорганизмов ., Особенно это важно дл  процессов в колонных ферментерах, которые работают по принципу аппарата полного вытеснени , так как в медленно перемещающейс  в них культуральной среде происходит быстрое по высоте колонны выедание растворенного кислорода и культура в верхних зонах таких ферментеров оказываетс  практически без кислорода„

Традиционно одним из способов управлени  газообменом  вл етс  регулирование насыщени  культуральной суспензии газом за счет изменени  расхода воздуха и степени перемешивани  0 При этом измерение обеспеченности культуры кислородом осуществл ют непосредственно в ферментере в культуральной суспензии. Подачу воздуха или кислорода также осуществл ют непосредственно в ферментер

Известен способ автоматического управлени  аэрацией в процессе культивировани  микроорганизмов с непрерывным прокачиванием культуральной

VJ

О СО

00 4D

14)

суспензии по замкнутому контуру, при этом суспензи  сначала поступает на устройство, которое измер ет скорость потреблени  02 в реальных услови х аэрации ферментера„ Затем прокачиваема  среда попадает на сосуд дл  ее аэрации, где она дополнительно насыщаетс  кислородом0

Насыщенна  кислородом культураль- на  суспензи  поступает на устройство , которое измер ет скорость потреблени  02 при нелимитируемом кислородом росте микроорганизмово Далее автоматически определ етс  разность измер емых величин и осуществл етс  регулирование расхода воздуха на аэрации в зависимости от величины этой разностио

Таким образом, измерение потреблени  культурой кислорода провод т в выносном контуре, а подачу воздуха на аэрации осуществл ют непосредственно в ферментер

Данный способ не может быть использован дл  управлени  газообменом при выращивании микроорганизмов в колонных ферментерах полного вытеснени , в том числе и используемых дл  многофазного культивировани  Увеличение расхода воздуха снижает коэффициент заполнени  ферментера0 Использовать насыщение культуральной жидкости введением чистого кислорода невозможно из-за токсического дей™ стви  кислорода на микроорганизмьи Кроме того, использование в данном способе контура с циркул цией культуральной суспензии, особенно при выращивании мицелиальных форм, приводит к обрастанию и закупориванию выносных контуров и измерительных датчиков, в частности р02, что не позвол ет точно измер ть pOz и, со- ответственно, целенаправленно управл ть газообменоМо

Известны устройства промежуточной аэрации по высоте колонных ферментеров , в которых применены различные барботажные, эжектирующие и переливные устройства, а также разделение на секций

Недостаток их заключаетс  в том, что дл  поддержани  необходимого уровн  р02 в различных зонах ферментера вводитс  достаточно большое количество воздуха, процент использовани  которого непосредственно в биопроцессе очень низкий

К тому же, интенсивный гидродинамический режим смешивани  и растворени  кислорода воздуха в суспензии травмирует достаточно большой круг

примен емых культур (мицелин, грибы,

некоторые дрожжевые культуры и т.п.К Кроме того, указанные культуры склонны к интенсивному обрастанию

различных поверхностей, в том числе и чувствительных поверхностей датчиков рП2, что приводит к получению недостоверной информации р03 в суспензии и, как следствие, невозможк ности поддерживать этот параметр на необходимом уровне0

Известны также устройства пробоот- бора культуральной жидкости из ферментера через фильтрующие элементы,

л задерживающие клетки микроорганизмов i с измерением в пробе необходимых параметров и возвратом ее в ферментер о

Обрастание датчиков в них исклю5 чено, но отсутствует возможность поддержани  р02 в суспензии о

Известно устройство, включающее пробоотборник с фильтрующим элементом , размещенных внутри ферментера

0 идеального смешивани , трубопровод, побудитель расхода и камеры дл  измерительных электродов, размещенных вне ферментера, измерение параметров процесса производитс  в отсутстс вие микроорганизмов и культуральна  жидкость возвращаетс  в ферментер со скоростью 50 мл/часо

Недостатками указанного устройства  вл ютс :

0 - размещение пробоотборного устройства внутри ферментера и в отсутствии интенсивного перемешивани  жидкости , обрастание его микроорганизмами и блокирование;

5 низка  скорость протока через измерительную систему, исключающа  возможность оказывать управл ющие воздействи  на основной объем среды; - отсутствие возможности управл л ющих воздействий на состав культуральной жидкости„

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности  вл етс  Устройство дл  регулирова- ни  рН и pOg в культуральной жидкос° ти в ферментере,

Устройство позвол ет регулировать величину парциального давлени  растворенного кислорода в культуральных - жидкост х в биореакторах и защищено : от обрастани  электродов микроорганизмами о

Однако при высоких скорост х потреблени  кислорода микрообъектами, оно оказываетс  недостаточно эффективным вследствие малой поверхности контакта газовой фазы (или кислорода ) с жидкой фазой0 Газопроницаема  мембрана образует лишь одну поверхность вспомогательной камеры и дальнейша  интенсификаци  процесса абсорбции кислорода жидкой фазой невозможна о

Целью предполагаемого изобретени   вл етс  повышение производительности насыщени  жидкостей кислородом в процессах культивировани  микроорганизмов о

В устройстве по авт0 CBO N 15765&9, указанна  цель достигаетс  тем, что камера дл  обработки культуральной жидкости имеет две соосно расположенные газопроницаемые кольцевые мембраны, между которыми образована промежуточна  жидкостна  полость, имеюща  две поверхности контакта газ-жидкость, и разделенна  на две части газова  полость„

На фиг01 приведена принципиальна  схема устройства; на фиг„2 - сечение А-А; на фиг„3 - выносной элемент 10

Устройство содержит датчики рН 1, парциального давлени  растворенного кислорода 2, подсоединенные к соответствующим регул торам (не показаны ) , дозатор 3 рН титранта, управ ющий вход которого соединен с регул тором рН9 Датчики 1 и 2 располоены в измерительной камере , котора  подключена к ферментеру 5 через микропористый фильтр б, не пропускающий микроорганизмы. К измерительной камере k последовательно подсоединены импульсный насос-дозатор 7 и дополнительна  камера 8 дл  обраотки культуральной жидкости, выходной патрубок 9 которой соединен трубопроводом со штуцером 10 возврата идкости в ферментер 5„

Импульсный насос-дозатор содержит упругую мембрану 11, входной 12 и выходной 13 клапаны„

Входной клапан 12 имеет седло 1, которого поверхность герметизации выполнена выпуклой формы, а упругий епесток 15 имеет плоскую форму Таким образом, в нейтральном положении между лепестком 15 и выпуклым седлом Н имеетс  небольшой зазор.

Выходной клапан 13 выполнен нор- мальным, тОе0 седло 16 имеет слегка выгнутую поверхность герметизации, а упругий лепесток 17 прот нут ее упругим хвостиком к вогнутому сед0 ЛУ 16, за счет чего достигаетс  упруга  герметизаци  клапана 13 На крышке насоса-дозатора 7 имеетс  входной штуцер 18, к которому подвод тс  пневмоимпульсы, привод щие

5 насос-дозатор 7 в действие.,

Камера 8 дл  обработки культуральной жидкости состоит из полости 19 дл  культуральной жидкости и двух газовых полостей 20 и 21, разделен0 ных между собой обечайками 22 и 23. Меньша  обечайка 22 расположена соосно большей обечайке 230 Обечайки состо т из газопроницаемой мембраны 24, защищенной с обеих сторон от

5 деформации и поврежденной при перепадах давлений сетками 25„ Мембрана 2k и сетки 25 расположены в уплотнени х 26, наход щихс  в кольце 27, кра  которого обжаты дл  герметиза0 ции0 К корпусу 28 устройства крепитс  крышка 29о

Устройство также содержит источник 30 регулируемого давлени  кислорода , управл ющий вход которого св с зан с регул тором парциального давлени  растворенного-кислорода, и пробоотборный штуцер 31, причем выходы дозатора 3 рН титранта и источника 30 регулируемого давлени  кис0 лорода подсоединены к камере 8 дл  обработки культуральной жидкости Устройство работает следующим образом.

Управл ющие пневмоимпульсы, пос5 тупающие от внешнего пневмогенерато- ра (не показан), поступают на импульсный насос-дозатор 7, который начинает прокачку культуральной жидкости по замкнутому контуру: ферментер 5,

0 микропористый фильтр 6, измерительную камеру А, насос-дозатор 7, по- лость 19, патрубок 9, штуцер 10, ферментер 5„ При сн тии импульса давлени  мембрана 11 за счет своей уп5 ругости принимает форму, показанную на фиги1, при этом происходит заса- сывание дозы культуральной жидкости из ферментера 5 через микропористый фильтр 6 в измерительную камеру 4„

Микроорганизмы, наход щиес  в культуральной жидкости, задерживаютс  фильтром бив камеру k не попадают При поступлении очередного давлени  в начале хода мембраны 11 клапан 12 за счет своего зазора еще приоткрыт и часть жидкости обратным ходом из измерительной камеры А через фильтр 6 поступает в ферментер 5t очища  фильтр 6 от осевших на нем микроор- ганизмовс При дальнейшем ходе мембраны 11 лепесток 15 клапана 12 деформируетс  и закрывает седло 1, прекраща  тем самым обратный поток жидкости с С этого момента жидкость из насоса-дозатора 7 поступает чере клапан 13 в полость 19, где подвергаетс  рН титрованию за счет подачи в нее доз рН-титранта от дозатора 3 рН титранта, а также насыщению кислородом через мембраны 2k обечаек 22 и 23, за счет создани  необходимого давлени  кислорода в полост х 20 и 21 источником 30 регулируемого давлени  кислорода,, При последующем такте насоса-дозатора 7 насыщенна  кислородом и подтитрованна  до необходимых уровней жидкость вытесн етс  из полости 19 через патрубок 9 и штуцер 10 о ферментер 50

В ходе работы устройства через пробоотборный штуцер 31 можно отобрать пробу культуральной жидкости дл  анализа ее по другим интересующим исследовател  параметрам0 Кроме того, штуцер 31 необходим при заполнении устройства жидкостью перед началом работыо

Процесс насыщени  жидкой фазы килородом описываетс  законом Генри п формуле:

dc- dt

Kl-S ()-r-X,

де К1 - коэффициент абсорбции кислорода средой;

S - площадь поверхности контакта газ-жидкость;

С - концентраци  0 равновесна  с воздухом;

С - концентраци  02;

г - удельна  скорость потреблени  02;

X - концентраци  биомассьи

Из данного уравнени  следует, что с увеличением S повышаетс  производительность насыщени  жидкой фазы с кислородом Предлагаемое устройство позвол ет увеличить указанную площадь по сравнению с прототипом, что подтверждаетс  следующими расчетами„

Например, размеры газопроницаемой Q мембраны прототипа равны 100-100 мм, соответственно S прототипа Ю4 Мм2« Диаметр большей мембраны предлагаемого устройства равен D 100 мм, диаметр меньшей мембраны d 80 мм, а ширина 30 мм„ Тогда суммарна  площадь мембран соответственно 8Ј2,3 10 мм2о Ширина мембраны 30 мм выбираетс  конструктивно, так как изготовить жидкостную полость меньшего 0 размера, как в прототипе, так и в .предлагаемом устройстве, технологически сложноо

Увеличение ширины мембраны позвол ет увеличивать площадь контакта газ-жидкость без значительного увеличени  габаритных размеров устройства,, по сравнению с прототипом0

5

Применение предлагаемого устрой- ства в микробиологической практике, в частности при культивировании микроорганизмов , позволит, при лимитировании роста микробов недостатком кислорода, увеличить скорость их Роста не менее, чем в 2 раза, либо во столько же раз повысить концентрацию биомассы микроорганизмов в биореак- торе0

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  регулировани  рН и парциального давлени  растворенного кислорода в культуральной жидкости в ферментере по авт„ св„№ 1576569, отличающеес  тем, что, с целью повышени  производительност и путем увеличени  поверхности контакта жидкости с кислородом, камера дл 

   обработки культуральной жидкости имеет две соосно расположенные газопроницаемые мембраны, служащие дл  разделени  ее на жидкостную полость с двум  поверхност ми контакта газ-жидкость и две газовые полости

   1

   (боздуха) рН-тытрйИт

   feui.i

   3/

   16 17 Nf3

   . Уг р Я&1ЈНиб &Т

   рОг-ргзул тера

   /А гл

   W

   ФигЛ

   оЪъсать

   Н