Биореактор для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов - RU2035505C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к устройствам для выращивания одноклеточных микроорганизмов, например зеленых водорослей, в закрытых емкостях в водной суспензии при интенсивном искусственном освещении.

Изобретение может найти применение в медицинской промышленности для получения "меченых" соединений, в фармацевтике, в микробиологии, в пищевой промышленности и сельском хозяйстве.

Известен культиватор микроводорослей, в котором с помощью насоса суспензию хлореллы или спирулины подают в разбрызгиватель, откуда она, разделенная на капельные струи, стекает в освещаемую снизу источниками света зону [1]
Однако в этом культиваторе из-за очевидного пенообразования и обрастания светового окна источника света освещение культуры малоэффективно, а также в механических соединениях насоса, разбрызгивателя разрушаются клетки выращиваемой культуры.

Известны аппараты для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов, в которых включенные источники света находятся в потоке газовой смеси, подаваемой снизу в зону источника света, где образуется газовый факел вокруг него, предотвращающий обрастание источника света микроорганизмами [2, 3]
В этих аппаратах неэффективное освещение и низкая надежность от обрастания источника света.

Известен также культиватор для выращивания хлореллы, в котором слой обрастания на осветительной трубе счищается с нее с помощью рамочной мешалки с эластичными лопастями, контактирующими с осветительной трубой [4]
Но в этом культиваторе мешалка затеняет излучение осветительной трубы.

Наиболее близким к заявляемому решению является биореактор для фотосинтеза зеленых водорослей, внутри емкости которого установлены водоохлаждаемая ксеноновая лампа и перемешивающее устройство с лопастями [5]
Лампа погружена в жидкую культуpу и периодически облучает ее с помощью непрозрачного вращающегося цилиндра с продольной прорезью, надетого на лампу. Другим вариантом этого решения является периодическое прерывистое включение этой лампы.

В этом реакторе нерационально используется источник света, снижается эффективность облучения, а при прерывистом включении и долговечность лампы. А также при наличии подшипников, погруженных в жидкую культуру, происходят повреждение и разрушение клеток выращиваемой культуры, вследствие чего в нем невозможно выращивание форм со слабыми клеточными оболочками.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании надежного эффективного биореактора с максимальным использованием светового потока для выращивания фотоавтотрофной культуры клеток со слабыми клеточными оболочками и без клеточных оболочек, таких как спирулина, порфиридиум, монокридис, дуналиела и др.

Сущность изобретения состоит в том, что в биореакторе для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов, содержащем емкость с теплообменником, систему подвода питательных веществ и слива готового продукта, водоохлаждаемый источник света помещен в полости, образованной двумя соосными дисками, соединенными между собой по периферии лопастями, причем нижний диск снабжен глухим перевернутым стаканом, в полости которого размещена нижняя опора перемешивающего устройства, при вращении которого под действием центробежных сил жидкая культура, поднимаясь по стенкам биореактора, образует гидравлическую воронку, в полости которой оказывается источник света, таким образом лишенный контакта с жидкой культурой. Так как температура охлаждающей воды ниже температуры жидкой культуры, то на источнике света происходят конденсация паров влаги и их стекание вниз, т.е. происходит постоянный смыв поверхности источника света, исключающий обрастание его микроорганизмами. При этом в воронке суспензия интенсивно перемешивается, происходит ускоренный выброс метаболитного газа из нее и ее насыщение питательной газовой смесью за счет увеличенной поверхности фазового контакта суспензии и хорошей ее циркуляции в пристенном слое при эффективном ее облучении в образовавшейся воронке. Одновременно за счет конденсации паров воды на водоохлаждаемой колбе резко снижается вынос паров воды с выходящей газовой фазой из биореактора.

Размещение нижней опоры перемешивающего устройства внутри перевернутого глухого стакана полностью исключает механическое повреждение клеток выращиваемой культуры, т.к. подшипник опоры перемешивающего устройства при заполнении емкости жидкостью оказывается в воздушной пробке, образующейся в этом стакане.

На чертеже схематически изображен продольный разрез биореактора.

Биореактор содержит емкость 1, конусность боковых стенок которого до 15, теплообменник 2 с входным 3 и выходным 4 патрубками. Емкость герметично закрыта крышкой 5, на которой имеются патрубки 6, 7, 8 для подвода питательных веществ, на дне емкости патрубок 9 для слива готового продукта. На крышке с помощью уплотнений 10 установлено осветительное устройство 11, в котором источник 12 света помещен в светопропускающую двойную колбу 13, охлаждаемую проточной водой.

Перемешивающее устройство состоит из двух параллельных соосных дисков верхнего 14 и нижнего 15, между которыми установлены по периферии лопасти 16, положение которых относительно оси вращения может регулироваться. На нижнем диске 15 имеется глухой перевернутый стакан 17 с осью 18, установленной в подшипниках 19. Привод вращения перемешивающего устройства осуществляется от шкива 20. Зазоры между дисками 14, 15 и боковыми стенками емкости, между нижним диском 15 и дном емкости 1 не более 3 мм.

Биореактор работает следующим образом.

В емкость 1 через патрубок 6 заливают питательный раствор, например среду Тамийя, и вносят инокулят, например, хлореллы в количестве 0, 1 г на 1 л питательной среды. С помощью теплообменника 2 устанавливают и поддерживают заданную температуру суспензии и включают перемешивающее устройство. В патрубок 8 подают смесь воздуха и углекислого газа, которая перемешивается с суспензией и выходит чеpез патрубок 7. Через патрубок 21 подают холодную воду в двойную колбу 13, в которую помещен источник 12 света и включают его, после чего начинается фотосинтетический рост водоросли. Процесс ведут непрерывно до нарастания биомассы водоросли 12 г на 1 л суспензии, после чего через патрубок 9 сливают часть суспензии (урожай), через патрубок 6 доливают свежую питательную среду и продолжают процесс культивирования.

Реферат

Использование: в медицинской промышленности для получения "меченых" соединений, в фармацевтике, микробиологии, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве для выращивания одноклеточных водорослей в водной суспензии в закрытых емкостях при интенсивном освещении. Сущность изобретения: в биореакторе водоохлаждаемый источник света помещен в полости перемешивающего устройства. Нижняя опора его установлена в глухом перевернутом стакане и при заполнении биореактора суспензией оказывается в воздушной пробке. При вращении перемешивающего устройства под действием центробежных сил суспензия поднимается по стенкам биореактора, образует гидравлическую воронку вокруг источника света. На его поверхности конденсируются пары воды, исключающие обрастание источника света микроорганизмами. В биореакторе предотвращено механическое повреждение клеток культуры, осуществлен хороший газообмен, максимально используется световой поток источника света. 1 ил.

Формула