Универсальная автоматизированная установка для культивирования фотозависимых микроорганизмов
Полезная модель направлена на повышение эффективности процесса культивирования фотозависимых микроорганизмов и расширение функциональных возможностей установки, что обеспечивает универсальность ее использования и расширяет круг микроорганизмов, которые можно культивировать. Указанный технический результат достигается тем, что на начальной стадии процесса культивирования через патрубок в емкость фотобиореактора (1) заливают питательную среду и посевной материал, подают питание на блок управления технологическими параметрами (4), устанавливают начальные параметры:
количество оборотов перемешивающего устройства, уровень мощности специального осветительного устройства (2), температуру культивирования, уровень рН, рО2, NО3+, скорость подачи и состав газовой смеси, а затем контроль и управление процессом культивирования осуществляется в соответствии с выбранной подпрограммой блока управления (4). Завершение процесса культивирования происходит при достижении заданных количественных и/или качественных параметров биомассы фотозависимых микроорганизмов, либо по истечении заданного промежутка времени. 2 з.п.ф., 1 илл.
Область техники
Полезная модель относится к области биотехнологии к установкам для культивирования фотозависимых микроорганизмов (ФЗМ). Она может быть использована для биологической регенерации воздуха в системах жизнеобеспечения, в промышленных, бытовых, и сельскохозяйственных помещениях, для получения биологически активных веществ (БАВ) для пищевой, косметической промышленности и сельского хозяйства. Установка может быть использована для научных исследований и отработки промышленных технологий культивирования ФЗМ.
Уровень техники
Культивирование фотозависимых микроорганизмов является сложной биотехнологической задачей. Одним из возможных вариантов решения данной задачи является создание автоматизированной установки на основе полостного фотобиореактора, как основного модуля для создания промышленных и лабораторных технологий
Решение данной научно-технической задачи позволит выпустить на рынок эффективные, высокопроизводительные, компактные установки и получить возможность на его основе организовать промышленное производство фотосинтезирующих микрооргинизмов и биотехнологических материалов.
Разработка технических и технологических решений для создания надежных масштабируемых фотобиореакторов является одной из наиболее насущных и важных задач для достижения успеха в работе биотехнологических кампаний, научно-исследовательских центров и высших учебных заведений, работающих над проектами в области биотехнологии фотосинтезирующих микроорганизмов. Открытые прудовые системы для крупнотоннажного производства фотосинтезирующих микроорганизмов имеют существенно меньший инновационный и инвестиционный потенциал, нежели системы на основе закрытых биореакторов. Технические системы для закрытого культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов называются фотобиореаторами (ФБР). Для создания производств ценных и дорогостоящих продуктов биотехнологического синтеза, закрытые системы на основе фотобиореакторов имеют несомненные преимущества, особенно это касается использования ФБР в научных исследованиях и процессах обучения студентов биотехнологического профиля. Такие системы должны быть рассчитаны и спроектированы с учетом продуктивности ФЗМ и экономических характеристик ФБР.
Известны устройства для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов авт. свидетельство СССР №1570678, патент США №6602703, патент США US4724214, патент ЕР1632562, а также установки фирмы Sartorius, оснащенные трубчатыми фотобиореакторами типа Biostat PBR (www.sartorius.com)
Недостатком известных установок для культивирования ФЗМ, включая установку патент ЕР1632562, выбранную в качестве прототипа, является то, что
они предназначены для культивирования ограниченного круга фотосинтезирующих микроорганизмов и их конструктивные особенности не позволяют обеспечить широкую вариативность параметров культивирования ФЗМ, а также возможность оперативного анализа и хранения большого количества параметров процесса культивирования для оптимизации режимов технологического процесса: используемые фотобиореакторы имеют малый коэффициент заполнения (менее 0,1), большие габариты, высокий уровень энергопотребления на единицу произведенной биомассы микроорганизмов вследствие значительных потерь световой энергии, а также не реализована возможность регулировки интенсивности уровня освещенности на светоприемной поверхности и спектрального состава источника света.
Раскрытие существа полезной модели.
Задача полезной модели - повышение эффективности процесса культивирования микроорганизмов и расширение функциональных возможностей установки, что обеспечивает универсальность ее использования, и расширяет круг микроорганизмов, которые можно культивировать в данном фотобиореакторе, до фотозависимых, продуцирующих различные метаболиты (астаксантин, бактериородопсин, провитамин D).
Сущность предлагаемой модели состоит в том, что универсальная автоматизированная установка для культивирования ФЗМ, содержит универсальный полостной фотобиореактор (патент SU 1828660), специальное осветительное устройство с водяным охлаждением, микропроцессорный блок управления процессом культивирования с заданием и регистрацией режимов работы установки с блоком питания установки, комплект цифровых управляющих устройств и аналоговых преобразователей, соединенный с датчиками, регистрирующими технологические параметры процесса. Данная конфигурация установки позволяет культивировать широкий круг ФЗМ. Это позволяет решить задачу полезной модели.
Полезная модель может быть усовершенствована. Микропроцессорный блок может быть дополнен устройством связи с компьютером, что позволит управлять процессом культивирования ФЗМ с помощью компьютерной программы, реализующей все необходимые алгоритмы сбора, обработки, анализа и управления технологическим процессом, включая хранение тренда технических данных от датчиков и исполнительных устройств.
Осуществление полезной модели
На Рис.1. представлена обобщенная блок-схема универсальной автоматизированной установки. На блок-схеме показаны:
1 - фотобиореактор, представляющий из себя емкость с патрубками для подачи и вывода технологических жидкостей и газов и технологическими отверстиями для установки датчиков, теплообменником, перемешивающим устройством с гибкими элементами и обратным холодильником;
2 - специальное осветительное устройство, снабженное источником света, заключенным в защитный прозрачный кожух с водяным охлаждением с устройством сопряжения с БУТП;
3 - двигатель с валом для крепления мешалки и регулятором оборотов с устройством сопряжения с БУТП
4 - блок управления технологическими параметрами (БУТП) процесса культивирования содержащий микропроцессорное устройство с оперативной памятью, необходимое количество входов и выходов ЦАП и АЦП, блок питания установки, а также устройство отображения и ввода информации о параметрах процесса культивирования.
5 - блок подготовки газовых смесей, включающий запорно-регулирующую и дозирующую аппаратуру и устройство сопряжения с БУТП.
6 - датчики контроля процесса культивирования (рН, р02, температуры, плотности суспензии ФЗМ и т.д.) установленные в полости фотобиореактора и устройство сопряжения с БУТП.
7 - термостат с устройством сопряжения с БУТП.
8 - блок подготовки и автоматизированной подачи питательной среды, титрующих растворов для рН-статирования и пеногасителя с устройством сопряжения с БУТП.
9 - теплообменник с патрубками для подачи технологической жидкости.
10 - исполнительные устройства (клапаны, насосы, вариаторы, ротаметры и т.д.) Установка работает следующим образом.
Через патрубок в емкость фотобиореатора (1) заливают питательную среду и посевной материал, подают питание на блок управления технологическими параметрами (4), устанавливают начальные параметры процесса культивирования: Количество оборотов перемешивающего устройства, уровень мощности специального осветительного устройства (2), температуру культивирования, уровень рН, рО2, NО3+, скорость подачи и состав газовой смеси.
Нажатием кнопки «СТАРТ» запускаем процесс культивирования. В начальной фазе процесса культивирования блок управления (1) последовательно: подает напряжение 220 В на регулятор оборотов двигателя перемешивающего устройства (3), термостат (7), открывает клапан подачи газовой смеси на блоке (5), открывает клапан регулирования подачи охлаждающей жидкости в кожух осветительного устройства (2) и в теплообменник (9), включает подачу напряжения 220 В на источник света специального осветительного устройства (2). В фазе стационарного течения технологического процесса блок управления 1 считывает информацию с датчиков 6 и подает команды управления исполнительным устройствам (2), (3), (5), (7), (8), (10) передает данные через устройство связи в компьютерную программу для запуска процесса сбора, обработки, анализа, хранения данных. По окончании процесса культивирования БУТП (1) последовательно отключает подачу напряжения на источник света, двигатель перемешивающего устройства, блок подачи газовой смеси, отключает подачу охлаждающей жидкости в кожух осветительного устройства и термостат и обесточивает установку.
Полезная модель может найти применение в области биотехнологии, для организации производств высококачественной биомассы с контролируемым составом целевых продуктов для химической, фармацевтической и медицинской промышленности, для использования в научных исследованиях биотехнологических кампаний, исследовательских центров и университетов, а также учебных заведений, работающих над проектами в области биотехнологии фотозависимых микроорганизмов
1. Универсальная автоматизированная установка для культивирования фотозависимых микроорганизмов, содержащая фотобиореактор со штуцерами для установки датчиков, патрубками для подачи и вывода технологических жидкостей, теплообменник с патрубками, перемешивающее устройство с гибкими элементами, специальное осветительное устройство, снабженное источником света, заключенным в защитный прозрачный кожух с водяным охлаждением, двигатель с валом для крепления мешалки и регулятором оборотов, блок управления технологическими параметрами процесса, содержащий микропроцессорное устройство и оперативную память, необходимое количество входов и выходов ЦАП и АЦП, блок питания установки, устройство отображения информации о параметрах процесса культивирования, блок подготовки газовых смесей, включающий запорно-регулирующую и дозирующую аппаратуру, блок подготовки и автоматизированной подачи питательной среды, титрующих растворов для рН-статирования и пеногасителя, датчики и исполнительные устройства для контроля и управления процессом культивирования (рН, pO 2, температуры, плотности суспензии ФЗМ и т.д.), установленные в полости фотобиореактора, термостат с патрубками подачи и отвода охлаждающей жидкости.
2. Установка по п.1, в которой теплообменник на фотобиореакторе выполнен из охлаждающих и нагревающих элементов с использованием эффекта преобразования электрического тока.
3. Установка по п.1, в которой обеспечена связь блока управления технологическими параметрами процесса с внешним компьютером, оснащенным специализированной программой управления, позволяющей осуществлять дистанционный контроль, управление и визуализацию параметров процесса культивирования ФЗМ, а также анализировать и хранить тренд технических данных от датчиков и управляющих устройств установки.
