установка для культивирования микроорганизмов

Формула изобретения

УСТАНОВКА ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ, содержащая ферментер, снабженный системой жизнеобеспечения роста микроорганизмов, и баллистический дезинтегратор клеток, отличающаяся тем, что рабочие объемы ферментера и дезинтегратора объединены в общий объем и дезинтегратор размещен в нижней части ферментера в образованной дискообразной полости, сопряженной на периферии с увеличенной по сечению кольцевой полостью, в которой установлен дисковый активатор, при этом объем дезинтегратора рядом с кольцевой полостью под дисковым активатором соединен трубопроводом с объемом ферментера, причем установка снабжена емкостью для мелющих тел, включающей фильтр для отделения мелющих тел от жидкости, патрубки ввода и вывода мелющих тел и жидкости, соединенные трубопроводами с дезинтеграционным объемом, патрубок ввода мелющих тел в емкость сообщен с кольцевой полостью и с объемом рядом с ней под дисковым активатором, а патрубок вывода их из емкости и патрубок слива жидкости сообщены с объемом дезинтегратора над дисковым активатором на удалении от кольцевой полости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к установкам для культивирования микроорганизмов и может быть использовано в научно-исследовательской практике биохимического профиля, а также в фармацевтической, микробиологической и пищевой промышленности.

Известна установка для культивирования микроорганизмов [1] включающая биохимический ферментер, в котором гомогенизация питательной среды осуществляется его перемешивающим устройством.

Недостатком установки является отсутствие возможности оптимизации процесса культивирования посредством специальной механической обработки питательной среды для приведения ее в состояние лучшей усвояемости микроорганизмами, включающей сверхтонкое измельчение кристаллических и иных твердофазных труднорас- творимых субстратов, эмульгирование и гомогенизацию жидкотекучих, высоковязких и комковато-студенистых субстратов, скоростное экстрагирование и смешение дезинтегратов выращиваемых клеток из-за отсутствия у ферментера соответствующего механизма острофокусированного механического воздействия на культуральную и питательную среду.

Известны технические средства оптимизации выхода микробной биомассы и извлечения из нее, например из дрожжевых клеток в процессе их культивирования, внеклеточной инвертазы посредством дезинтеграционного воздействия на культуральную среду [2] Эти технические средства представлены совмещенной установкой ферментер-дезинтегратор, точнее установкой для культивирования микроорганизмов, содержащей биохимический ферментер, снабженный системой жизнеобеспечения роста клеток микроорганизмов, и баллистический дезинтегратор этих клеток, работающий с ним в паре, причем ферментер и дезинтегратор выполнены как функционально автономные изделия, пространственно разобщенные, что делает установку конструктивно сложной, громоздкой, удлиняет ее коммуникации и усложняет обслуживание.

Цель изобретения сделать установку более простой, компактной и удобной в эксплуатации.

Для этого в установке для культивирования микроорганизмов, содержащей биохимический ферментер, снабженный системой жизнеобеспечения роста клеток микроорганизмов, и баллистический дезинтегратор этих клеток, работающий с ним в паре, согласно изобретению рабочие объемы ферментера и дезинтегратора объединены с образованием общего функционального узла, при этом дезинтеграционный объем размещен в нижней части ферментера с образованной в нем открытой в центре дискообразной полости, сопряженной на периферии с увеличенной по сечению кольцевой полостью, в которую введен дисковый активатор, причем дезинтеграционный объем рядом с кольцевой полостью под дисковым активатором соединен трубопроводом с ферментационным объемом, кроме того установка снабжена емкостью для мелющих тел, включающей фильтр для отделения мелющих тел от жидкости, патрубки ввода и вывода мелющих тел и жидкости, соединенные трубопроводами с дезинтеграционным объемом, причем патрубок ввода мелющих тел в емкость сообщен с кольцевой полостью и с объемом рядом с ней под дисковым активатором, а патрубок вывода их из емкости и патрубок слива жидкости сообщены с дезинтеграционным объемом над дисковым активатором на удалении от кольцевой полости.

На чертеже изображена установка для культивирования микроорганизмов.

Установка содержит биохимический ферментер 1, дезинтеграционный объем, включающий дисковую 2 и кольцевую полость 3, имеющую в сечении круг, овал или эллипс, емкость 4 с помещенными в нее полимерными мелющими телами 5, включающую сетчатый фильтр 6, патрубок 7 ввода в емкость мелющих тел, патрубок 8 вывода их из емкости и патрубок 9 слива жидкости носителя мелющих тел в дезинтеграционный объем, а также запорно-регулирующие вентили 10-17. Ферментер 1 снабжен герметичными магнитожидкостными уплотнениями 18 приводных валов соответственно механического пеногасителя 19, активатора 20 ферментера и активатора 21 дезинтеграционного объема, выполненного в виде оребренного сверху сплошного диска. Ферментационный и дезинтеграционный объемы, а также емкость 4 соединены трубопроводами 22-26. Емкость 4 установлена над уровнем культуральной среды в ферменте 1 для обеспечения стока жидкости, а насыпной объем мелющих тел в ней равен объему кольцевой полости 3. Плотность мелющих тел подбирают равной плотности культуральной среды для уменьшения затрат энергии на перемешивание. Если мелющие тела введены в полость 3, то в этом случае нижняя зона ферментера 1 превращается в баллистический дезинтегратор. При отсутствии мелющих тел в полости 2 и в кольцевой полости 3, они становятся частью ферментационного объема. Таким образом в одном функциональном узле совмещены биохимический ферментер и баллистический дезинтегратор. Активаторы 20 и 21 снабжены общим приводом 27, а механический пеногаситель 19 снабжен приводом 28. Система жизнеобеспечения роста клеток, а также система охлаждения кольцевой полости 3 не показаны. В исходном положении все запорно-регулирующие вентили 10-17 закрыты.

Установка для культивирования микроорганизмов работает следующим образом.

В стерильную общую полость ферментера 1 и в полости 2 и 3 заливают питательную среду, близкую по вязкости к воде, которую перед началом культивирования подвергают специальной обработке для повышения ее физико-химической активности и приведения в состояние легкого усвоения микроорганизмами ее субстратов. Для этого открывают вентили 10, 12, 14, 16 и 17 и включают привод 27, который передает механическую мощность активаторам 20 и 21. Последние перемешивают содержимое общей полости, но при этом активатор 21, работая в режиме центробежного насоса, создает в кольцевой полости 3, где происходит торможение радиальных скоростных потоков, статический напор жидкости. Этот напор быстро падает по мере приближения к оси вращения, поэтому в зоне вентиля 17 он значительно ниже, чем в зоне вентиля 10. Под действием напора питательная среда по трубопроводам 22 и 24 подается на патрубок 7 емкости. Ее поток вымывает находящиеся в емкости 4 мелющие тела 5, которые в виде пульпы выносятся через патрубок 8 и открытые вентили 16 и 17 по трубопроводу 26 в дискообразную полость 2. В нем мелющие тела попадают на вращающийся дисковый активатор 21, который своими лопастями отбрасывает их на периферию, где они локализуются в кольцевой полости 3, освобождая от своего присутствия остальной объем. После этого закрывают вентили 14, 16 и 17 и открывают вентиль 15. При оптимальной частоте вращения активатора 21 (например, 1500-2000 об/мин) мелющие тела уплотняются мощным полем центробежных сил и вовлекаются в послойное круговое вращение, а также относительно друг друга, при котором осуществляется упругий фрикционный контакт мелющих тел при гидродинамическом трении. Затем в общий объем вводят субстраты, подлежащие специальной механической обработке, которые с жидкой фазой поступают в дискообразную полость 2, а затем в кольцевую полость 3. Смесь субстратов в жидкой фазе отбрасывается активатором 21 на периферию в полость 3, где она подвергается острофокусированному механическому воздействию мелющих тел и прочих сопутствующих этому факторов, при которых осуществляется высокая гомогенизация питательных компонентов, субмикронное измельчение кристал- лических и иных твердофазных субстратов, достигается высокая растворимость солей и возрастает физико-химическая активность компонентов питательной среды. Обработанная таким образом питательная среда вытесняется под дисковый активатор 21 и через вентили 10,12 и 15 по трубопроводам 22, 24 и 25 вновь подается в ферментер 1, а новые порции питательной среды из него поступают на обработку. Таким образом, посредством многократной рециркуляции питательной смеси обеспечивается ее физико-химическая активация. Благодаря расположению канала вывода обработанного продукта перед кольцевой полостью 3 отпадает необходимость в сепараторе мелющих тел и не происходит падение производительности в течение всего процесса дезинтеграции.

После обработки закрывают вентили 10, 12 и 15 и открывают вентили 13 и 14. Под динамическим напором мелющие тела жидкостным потоком в виде пульпы выносятся из кольцевой полости 3 и по трубопроводам 23 и 24 через патрубок 7 поступают в емкость 4, в которой мелющие тела задерживаются фильтром 6, а жидкость-носитель через патрубок 9 по трубопроводу 26 стекает в дисковую полость 2, после чего закрывают вентили 13 и 14, а в питательную среду стерильно вносят посев культуры. Затем открывают вентили 10, 12 и 15 и в условиях перемешивания и циркуляции культуральной среды по трубопроводам 22, 24 и 25 осуществляется управляемое культивирование микроорганизмов. Циркуляция необходима для устранения застойных зон в полостях 2 и 3. Образующуюся пену подавляют механическим пеногасителем 19.

На различных стадиях роста микроорганизмов производят различную по продолжительности дезинтеграцию культуральной среды без потери жизнеспособности нормальных клеток с целью разрушения слабых и дефектных клеток и использования их внутриклеточных фрагментов для белкового обогащения питательной смеси, способствуя этим увеличению циркуляции клеток, размеров особей и повышению биологической ценности содержащихся в них фрагментов. Дезинтеграцию осуществляют в рециркуляционном или ином режиме по той же методике, что и обработку питательной смеси мелющими телами, т.е. используя дезинтеграционные механизмы, возвращая их затем в емкость 4 и снова превращая таким образом общую полость в ферментационный объем, в котором помимо стандартного набора питательных компонентов присутствуют и белковые фрагменты дезинтегрированных клеток. Полученную биомассу выводят из ферментационного объема через открытый вентиль 11 при закрытом вентиле 12.

При необходимости полученная в процессе управляемого культивирования биомасса может быть частично или полностью продезинтегрирована по описанной ранее методике. Предварительно она может быть сконцентрирована и освобождена от продуктов метаболизма. После завершения работы полости всех функциональных узлов и трубопроводов без разборки промывают моющим раствором, используя напор, развиваемый активатором 21, и затем после слива раствора через вентиль 11 стерилизуют острым паром от внешнего парогенератора стерилизатора, открыв все вентили для его прохода.

Достоинством предлагаемой установки является ее многофункциональность, расширение области практического применения, выходящей за рамки перечисленных функций, удобство обслуживания благодаря совмещению разнородных по выполняемым функциям устройств в одной конструкции и благодаря этому сокращение времени технологических операций, наличие собственного побудителя циркуляции.

Совмещенная установка ферментер-дезинтегратор позволяет также извлекать инвертазу из дрожжевых клеток повторными циклами дезинтеграционной обработки в процессе их культивирования.