биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода и стерилизации газового питания

Формула изобретения

Биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода и стерилизации газового питания, содержащий цилиндрический корпус с рубашкой теплообмена, крышку, днище, газораспределительное устройство, газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны, установленные вдоль оси корпуса, отличающийся тем, что внутри корпуса вдоль центральной его оси установлена несущая труба подвода газа, соединенная с газораспределительным устройством, на которой с равным шагом установлены перфорированные диски, через часть отверстий которых проходят газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны, закрепленные между крышкой и газораспределительным устройством.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к биореакторам асептического выращивания микроорганизмов, в частности к инокуляторам, посевным аппаратам, и может найти применение в микробиологической, пищевой, медицинской промышленности, а также в сфере образования и науки.

Известен аппарат для культивирования клеток и тканей, содержащий закрытую емкость, мешалку и устройство для подвода газа в питательную среду, представляющее собой змеевик, выполненный из проницаемого для газа полимерного материала. Змеевик расположен внутри дополнительной циркуляционной обечайки (А.с. 786326 (СССР) Аппарат для культивирования клеток и тканей /Байбаков В.И., Власкин Б.А. // Бюл. № 81986).

Недостатками такого аппарата являются использование механического перемешивающего устройства, герметизация вала которого сложна, а само наличие мешалки и разделение емкости аппарата на две части ограничивает объем, занимаемый трубчатым устройством газового питания. Все вышеперечисленное ведет к ограничению рабочей поверхности ввода газа и снижает предельные массообменные характеристики и производительность аппарата.

Известен биореактор для выращивания микроорганизмов, содержащий цилиндрический корпус, мешалку и несущие элементы, на которые крепится полимерная газопроницаемая трубчатая мембрана для подвода газа (см. http://www.fermenter.ru/content/page_25_0.html, Компактный настольный ферментер BIOSTAT В с устройством для беспузырьковой аэрации).

Недостатками такого аппарата являются использование сложного механического перемешивающего устройства и неполное использование пространства для развития рабочей поверхности полимерной газопроницаемой трубчатой мембраны.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является биореактор колонного типа с осевым расположением газопроницаемых полимерных трубчатых мембран, закрепленных между днищем, имеющим газораспределительную полость, и подвижным газосборным устройством. Биореактор не имеет механических перемешивающих устройств, за счет чего весь объем равномерно заполнен газопроницаемыми полимерными трубчатыми мембранами, отстоящими друг от друга на расстояния 3-4 мм. Общая удельная поверхность мембран при этом достигает 155 м²/м³ (Научно-технический отчет ООО «Биотехпродукция» по теме «Аппаратурное оснащение и совершенствование аэробных технологий получения посевных материалов», Емельянов В.М., Мухачев С.Г., Ситнов В.В. и др. УДК 663.131, № гос. регистрации 01200610996, Казань 2007).

К недостаткам такого биореактора относятся крепление газопроницаемых полимерных трубчатых мембран на днище, а газосборного устройства на крышке, что усложняет конструкцию и затрудняет сборку биореактора. Кроме того, отсутствуют дополнительные промежуточные крепления трубчатых мембран, что не позволяет поднять рабочее давление газа выше 0,25 МПа из-за их деформации и ограничивает предельную скорость массообмена кислорода на уровне 1,1-1,3 кг/м³ ·ч (деформация трубчатых мембран влечет частичное их соприкосновение и взаимное экранирование поверхностей массообмена).

Изобретение решает задачи, заключающиеся в создании более простого по конструкции и эксплуатации биореактора с мембранным устройством подвода и стерилизации газового питания. Предлагаемая конструкция биореактора позволяет повысить рабочее давление газа в газопроницаемых полимерных трубчатых мембранах и вследствие этого увеличить массоперенос кислорода в нем.

Технический результат в биореакторе вытеснения с мембранным устройством подвода и стерилизации газового питания, включающем цилиндрический корпус с рубашкой теплообмена, крышку, днище, газораспределительное устройство, газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны, установленные вдоль оси корпуса, достигается тем, что внутри корпуса вдоль центральной его оси установлена несущая труба подвода газа, соединенная с газораспределительным устройством, на которой с равным шагом установлены перфорированные диски, через часть отверстий которых проходят газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны, закрепленные между крышкой и газораспределительным устройством.

Предлагаемое изобретение позволяет увеличить продуктивность биореактора по биомассе микроорганизмов в 1,5-2 раза, упростить конструкцию и эксплуатацию биореактора.

На фиг.1 схематично показан предложенный биореактор в продольном разрезе; на фиг.2 показан поперечный разрез биореактора.

Биореактор содержит цилиндрический корпус 1 с днищем 2 и рубашкой теплообмена 3, съемную крышку 4, на которой смонтированы газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны 5, установленные вдоль оси корпуса 1, газораспределительное устройство 6. Корпус 1, днище 2, крышка 4 биореактора могут быть выполнены, например, из нержавеющей стали.

Съемная крышка 4 имеет полость для приема непотребленного газа 7 и штуцер 8, служащий для его отвода, а также для отвода воздуха при первоначальной продувке газовой полости внутри мембран 5 газом заданного рабочего состава, например техническим кислородом. На крышке имеется засевной штуцер 9, штуцер 10 для подачи газового питания, штуцер 11 для отвода углекислого газа. На днище 2 расположен штуцер 12, через который отбирается культуральная жидкость и внешним рециркуляционным насосом подается в биореактор через штуцер 13, расположенный на крышке 4. Вдоль центральной оси корпуса 1 установлена несущая труба подвода газа 14, соединенная с газораспределительным устройством 6. На несущей трубе 14 с равным шагом, например, 2-3 диаметра полимерной трубчатой мембраны, установлены перфорированные диски 15, выполненные, например, из фторопласта, через часть отверстий которых, например через 70% отверстий, проходят газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны 5, например, выполненные из силикона, закрепленные между крышкой 4 и газораспределительным устройством 6. Толщина дисков 15, например, равная 1,5-2,5 мм, и обработка кромок отверстий, через которые пропущены трубчатые мембраны 5, выбираются из условия недопущения перерезания трубок на кромках при подаче в них газа под давлением. Отверстия в перфорированных дисках 15 для облегчения монтажа биореактора могут, например, на 0,1-0,2 мм превышать диаметр трубчатых мембран. Отбор проб осуществляется через штуцер 15. Датчики (pH, pO2, eH и др.) могут устанавливаться при необходимости в ячейку внешнего рециркуляционного контура.

Рассмотрим предлагаемый биореактор в работе. В корпус 1 биореактора заливается питательная среда и через засевной штуцер 9 вводится культура микроорганизмов. В культуральную жидкость через газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны 5 из несущей трубы 14, соединенной с входным штуцером 10, подается газовое питание. Через штуцер 8 осуществляется сброс воздуха из полости трубчатых мембран 5 при кратковременной продувке их рабочим газом.

В зависимости от потребности культуры микроорганизмов, по мере роста концентрации клеток, давление подаваемого газа увеличивают. Интенсивность процесса определяют по скорости продуцирования углекислого газа, отбираемого из отводящего штуцера 11. С целью создания потока внутри биореактора культуральная жидкость, отбираемая через штуцер 12, возвращается в корпус биореактора через штуцер 13. Интенсификация перемешивания жидкости достигается тем, что поток на своем пути проходит через свободные отверстия перфорации, расположенные на перфорированных дисках 15.

Поскольку интенсивность массообмена кислорода в мембранных устройствах любой конструкции пропорциональна произведению величины удельной поверхности мембран на перепад давления, то предлагаемая конструкция биореактора, позволяющая увеличить давление внутри мембран примерно в 2 раза при снижении удельной поверхности мембран не более чем на 20% (часть поверхности трубчатых мембран 5 проходит через ограничивающие деформацию диски 15) обеспечивает рост массообмена не менее чем в 1,6 раза.

Предлагаемое изобретение позволяет поднять рабочее давление внутри полимерных трубчатых мембран 5. При повышении давления поверхность трубчатых мембран 5 деформируется, но, встречая сопротивление со стороны перфорированных дисков 15, эта деформация носит ограниченный характер вследствие того, что диски расположены с шагом, равным, например, 2-3 диаметрам полимерных трубчатых мембран.

Использование изобретения позволяет повысить производительность биореактора, упростить его изготовление и эксплуатацию, уменьшить стоимость расходных материалов (например, отказаться от применения армированных мембран).

Изобретение может быть использовано для комплектации надежных и недорогих установок учебного, исследовательского и промышленного назначения.