Ферментационная установка для культивирования микроорганизмов
Установка относится к биотехнологии, в частности к оборудованию для культивирования микроорганизмов и может быть использована в микробиологической промышленности при глубинном культивировании микроорганизмов при изготовлении вакцин и других биологических препаратов. Установка содержит культуральный сосуд с термостатирующей рубашкой и крышкой, который оснащен технологическими патрубками. На крышке реактора расположен магнитный привод перемешивающего устройства с турбинной мешалкой. Привод оснащен разделительной мембраной. Барботер и сифонная трубка во внутренней полости реактора подключены к крану. Кран в открытом положении сообщает барботер и сифонную трубку с полостью реактора. Ферментационная установка оснащена совокупностью функциональных систем. Весь процесс работы установки контролируется и регулируется пультом контроля и управления. 6 з.п. ф-лы., 1ил.
Полезная модель относится к биотехнологии, а именно к оборудованию для культивирования микроорганизмов, и может быть использована в микробиологической промышленности при глубинном культивировании микроорганизмов при изготовлении вакцин и других биологических препаратов.
Известен аппарат для глубинного культивирования микроорганизмов, содержащий емкость с рубашкой обогрева и технологическими патрубками, соосно расположенные в емкости кольцевой барботер, приводную мешалку и закрепленные на двух прутках, выполненных в виде пружинных колец, группы отбойников, выполненных с опорными элементами для образования зазора относительно внутренней поверхности емкости. Аппарат позволяет регулировать интенсивность массообменных процессов в субстрате. (Патент РФ 
2018528, С12М 1/02).
Известна установка для культивирования микроорганизмов, содержащая культуральный сосуд с пробкой и крышкой, снабженный перемешивающим устройством, технологическими патрубками, системой подачи корригирующих растворов, системой подачи воздуха, системой очистки отработанного воздуха, термостатирующей системой, включающей термостатирующее устройство, связанное с нагревательным элементом и термистором. Система подачи корригирующих растворов включает емкости для растворов, перистальтический насос, подключенный к патрубкам для подачи в сосуд корригирующих растворов. Система подачи воздуха включает компрессор и фильтр, подключенный к патрубку для подачи в сосуд воздуха. Система очистки отработанного воздуха состоит из емкостей с дезинфицирующими растворами. Установка оснащена рН-метром, связанным с рН-электродом, патрубками для подачи инокулята и отбора проб, отвода отработанного воздуха. Установка снабжена вакуумным насосом, подключенным к патрубкам отвода отработанного воздуха и отбора проб. (Патент РФ 2292387,. С12М 1/00, С12М 1/02).
Известна малая ферментационная установка (Патент РФ 2142995, С12М 1/00, G01N/10), выполненная в виде компактного стенда, включающая блоки-модули автоматизированных систем контроля и регулирования процесса и бокс. В боксе расположен ферментер с проточным контуром и пробоотборник. Конструкция ферментера обеспечивает многофункциональность, малогабаритность и удобство обслуживания боксированной установки.
Однако описанные выше установки предназначены только для исследования процессов культивирования микроорганизмов в лабораторных условиях и не пригодны для промышленных целей. Кроме того, для обеспечения биологической безопасности в процессе работы при культивировании микроорганизмов бактериальной природы I-IV групп патогенности возникает необходимость размещения в боксе установок биологической безопасности.
Известен биологический реактор «Биор», который применяется для культивирования микроорганизмов в промышленных целях. Реактор содержит корпус, снабженный крышкой, технологическими патрубками, штуцерами и термостатирующей рубашкой, соосно расположенные в корпусе барботер, группы отбойников, перемешивающее устройство с приводом лопастной мешалки от электродвигателя через магнитную торцевую муфту снабженной разделительной мембраной. Крышка реактора оснащена сифонной трубкой, смотровым окном, окном для подсветки, штуцерами для установки датчика уровня и мановакууметра. В нижней части реактора расположен патрубок для выгрузки продукта. Технологические патрубки предназначенные для подачи воздуха, отбора проб, ввода добавок и посевной дозы, а также штуцеры для датчиков рН, pd и температуры расположены в боковой стенке корпуса. Для автоматического поддержания и контроля температуры среды предусмотрен термостат, соединенный с реактором в единую систему. Управление технологическим процессом осуществляется от пульта управления и контроля. Реактор обеспечивает непрерывный процесс культивирования и содержит средства визуализации и управления процессом. (руководство по эксплуатации биологического реактора Биор -0,16 ООО НПФ «Тетрон», г.Кириши, Ленинградской области, 2004.)
Недостатком реактора является неудобство в обслуживании и труднодоступность к узлам привода перемешивающего устройства реактора, кроме того, не исключено отрицательное воздействие магнитного поля на микроорганизмы, за счет расположения магнитной муфты привода перемешивающего устройства в нижней части реактора, при чем ведомая муфта расположена непосредственно в полости реактора. Такое расположение также может привести к загрязнению и заклиниванию за счет скопления и налипания шлама.
Другим недостатком является расположение датчиков в боковых стенках реактора, что значительно повышает вероятность утечки микроорганизмов в окружающую среду и создает опасность для персонала при работе с патогенными микроорганизмами;
расположение патрубка для выгрузки продукта в нижней части реактора. Такое расположение повышает вероятность утечки культуральной жидкости из реактора.
В известном реакторе перемешивание культуральной жидкости осуществляют лопастной мешалкой, что снижает эффективность перемешивания культуральной жидкости и обогащения ее кислородом в процессе роста микроорганизмов.
Технический результат полезной модели заключается в расширении технологических возможностей, повышении безопасности проведения работ с патогенными микроорганизмами.
Технический результат достигается тем, что ферментационная установка для культивирования микроорганизмов, включающая культуральный сосуд с термостатирующей рубашкой и крышкой, оснащенный технологическими патрубками, снабженный перемешивающим устройством с магнитным приводом, барботером, сифонной трубкой, согласно полезной модели магнитный привод перемешивающего устройства, с турбинной мешалкой расположен на крышке реактора и оснащен разделительной мембраной, барботер и сифонная трубка в пределах культурального сосуда выше уровня заполнения жидкости подключены к крану, выполненному таким образом, что в открытом положении барботер и сифонная трубка сообщаются с полостью реактора. Для обеспечения процесса культивирования микроорганизмов ферментационная установка оснащена совокупностью функциональных систем. Весь процесс работы установки контролируется и регулируется пультом контроля и управления.
Термостатирующая система, подключенная к термостатирующей рубашке корпуса и централизованным коммуникациям пара, холодной и горячей воды, включает емкость с термонагревательными элементами и циркуляционный насос. Система очистки отработанного воздуха содержит вакуумную линию с группой теплообменников, емкостью для сбора конденсата, каскадом фильтров тонкой очистки и вакуумный насос. Система подачи воздуха содержит фильтры предварительной и стерильной очистки воздуха, расходомер, смонтированные на герметичном трубопроводе с подсоединением к штуцеру барботера через запорно-регулирующую арматуру и с подключением к централизованной системе подачи сжатого воздуха или компрессору. Система подачи корригирующих растворов содержит емкости и перистальтические насосы. Система контроля физико-химических параметров среды культивирования представляет собой проточный контур, содержащий кюветы определения параметра оптической плотности, герметичную кювету, с размещенными в ней датчиками рН, рО2, воздухоотделитель и насос с магнитным приводом, при этом все системы подключены к технологическим патрубкам через запорно-регулирующую арматуру, оснащенную запорным клапаном с магнитным приводом, либо выполненную по типу сифонного вентиля.
Для соблюдения требований биологической безопасности в процессе культивирования микроорганизмов давление воздуха в культуральном сосуде устанавливают ниже атмосферного посредством регулирования расхода воздуха в системах подачи воздуха и очистки отработанного воздуха. Система очистки отработанного воздуха имеет постоянную производительность, при этом контроль количества подаваемого в сосуд воздуха осуществляют по расходомеру.
Наличие крана, к которому во внутренней полости реактора подключены сифонная трубка и барботер предоставляет возможность стерилизовать питательную среду, находящуюся в реакторе, внутреннюю полость реактора, соединительные штуцера и патрубки, присоединительные элементы и линии на месте, а не пропусканием через него предварительно подготовленного и очищенного острого пара. Это позволяет упростить и ускорить процесс стерилизации оборудования и питательной среды, отказаться от использования вспомогательного оборудования (парогенератора, систем очистки пара).
Наличие системы очистки отработанного воздуха позволяет повысить уровень биологической безопасности за счет применения высокоэффективных фильтров стерильной очистки воздуха перед выбросом в окружающую среду. В предложенной системе исключается использование дезинфицирующих средств, являющихся токсичными или агрессивными веществами.
Система контроля физико-химических параметров позволяет осуществлять контроль за параметрами оптической плотности, рН, рO2 среды культивирования, а также при установке дополнительных датчиков и других параметров. Наличие кюветы оптической плотности в системе позволяет осуществлять исследование на оптическую плотность без отбора проб, производить своевременную корректировку дозирования корригирующих растворов, что в свою очередь оптимизирует и повышает биологическую безопасность процесса культивирования. Полезная модель поясняется чертежом, на котором схематично изображена установка.
Установка содержит корпус с термостатирующей рубашкой 1, снабженный крышкой 2. На крышке смонтированы технологические патрубки для подсоединения культурального сосуда к материальным трубопроводам и системам, кран 3, имеющий запорный клапан с магнитным приводом, либо выполненный по типу сифонного вентиля к которому подключены сифонная трубка 4 и барботер 5, датчики давления и температуры (на фиг. не показаны), частотно регулируемый электродвигатель 6, передающий крутящий момент на вал перемешивающего устройства через цилиндрическую магнитную муфту 7, снабженную разделительной мембраной 8. На валу перемешивающего устройства закреплены крыльчатка пеногашения 9 и турбинная мешалка 10. Вал подвижно установлен на подшипниках скольжения в верхней и нижней опорах корпуса (на фиг. не показано). Турбинная мешалка выполнена в виде цилиндра с лопатками с перфорированной сеткой по периферии, с целью повышения массообменных процессов и аэрации среды.
В корпусе установлены сифонная трубка, соосно расположенные барботер, группы отбойников, при этом барботер и сифонная трубка в пределах культурального сосуда в верхних их частях подключены к крану. Процесс культивирования обеспечивают следующие, подключенные посредством трубопроводов через запорно-регулирующую арматуру к штуцерам культурального сосуда, системы: система подачи воздуха 11 содержащая фильтры предварительной и стерильной очистки воздуха 12, расходомер 13, система очистки отработанного воздуха 14, содержащая конденсатосборник 15, группу теплообменников 16, каскад фильтров тонкой очистки 17, вакуумный насос 18, система подачи корригирующих растворов 19, включающая емкости 20 для содержания корригирующих растворов, оборудованные дыхательными фильтрами 21, перистальтические насосы 22, система контроля физико-химических параметров среды и культивирования 23 содержит, измерительную кювету 24, с размещенными в ней датчиками рН, рO2 25, кювету оптической плотности и воздухоотделитель (на фиг.не показаны), насос с магнитным приводом 26, патрубок с сильфонным вентилем и гибким шлангом на конце, предназначенный для приема - выдачи среды, взятия проб, наполнения - опорожнения корпуса во время мойки (на фиг.не показан) и термостатирующую систему 27 включающую емкость с термонагревательными элементами 28, датчиками контроля уровня и температуры 29 и циркуляционный насос 30. Управление взаимосвязанной работой систем и контроля параметров процесса культивирования производится на пульте контроля и управления ферментационной установкой (на фиг. не показан).
Предлагаемое устройство работает следующим образом:
Стерилизация культурального сосуда.
Для осуществления стерилизации культурального сосуда в корпусе создают отрицательное давление (минус 0,08 МПа) с помощью вакуумного насоса. Через штуцер сифона 4 в корпус подают очищенную воду в количестве 60 л, после чего перекрывают все вентиля на культуральном сосуде. Кран 3 переводят в открытое состояние, за счет чего сифон и барботер сообщаются с внутренней полостью сосуда. Затем в рубашку корпуса подается острый пар от централизованной коммуникации давлением 0.3 МПа, производят вакуумирование полости реактора через систему очистки отработанного воздуха. По истечении времени прогрева корпуса и достижении давления в полости сосуда 0,2 МПа проводят стерилизацию корпуса в течении 40 мин и проточным паром из корпуса ферментатора стерилизацию штуцеров и соединительных трубопроводов систем.
По окончанию цикла стерилизации вентили на культуральном сосуде закрывают, кран 3 переводят в закрытое положение. После охлаждения корпуса установки в культуральный сосуд подают сжатый воздух через стерилизующий фильтр и через сифонную трубку передавливают оставшийся в полости сосуда конденсат.
Проточная и измерительная кювета, стерильный гибкий шланг для внесения посевной культуры стерилизуются отдельно в автоклаве в режиме 132°С - 1 ч. После чего стерильно подсоединяются к штуцерам корпуса.
Проведение культивирования микроорганизмов.
Культуральный сосуд заполняют питательной средой через штуцер сифонной трубки 4. Для этого в корпусе создают отрицательное давление (минус 0,08 МПа). Стерилизуют питательную среду и охлаждают до температуры 37°С пропусканием через рубашку корпуса холодной воды. Дальнейшее поддержание температурного режима среды культивирования производится автоматически системой термостатирования.
При температуре являющейся оптимальной для данной культуры, осуществляют передавливание посевной дозы в корпус 1 через штуцер сифонной трубки и стерильный гибкий шланг, за счет создания отрицательного давления в корпусе.
Затем в культуральный сосуд подается стерильный воздух. Для обеспечения биологической безопасности в процессе культивирования в корпусе поддерживается отрицательное давление. Отходящий из полости воздух до его выброса в окружающую среду проходит через систему очистки отработанного воздуха. Для осушения воздуха и отделения влаги предусмотрены теплообменники, излишняя влага сначала конденсируется, затем собирается в конденсатосборнике.
Контроль рН, рO2, а также оптической плотности среды в процессе культивирования проводится за счет пропускания культуральной жидкости через проточные кюветы по системе трубопроводов закольцованных с полостью культурального сосуда. Циркуляция культуральной жидкости осуществляется за счет насоса с магнитным приводом. В случае необходимости, отбор проб можно осуществлять через пробоотборник размещенный в корпусе проточной кюветы, который затем заменяется новым.
Корректировка значения рН а также подача глюкозы и аммиака производится управлением работой перильстатических насосов для подачи корригирующих растворов.
По окончании процесса культивирования производится добавление дезинфектанта для обзззараживания культуры, по истечении времени экспозиции культуральная жидкость с инактивированной культурой поступает на следующий этап технологической линии производства. После опустошения ферментатора производят его стерилизацию и мойку.
Таким образом, предлагаемая установка обеспечивает проведение работ с микроорганизмами бактериальной природы I-IV групп патогенности. Наличие герметичной разделительной немагнитной мембраны, осевого магнитного привода, отделяет внутреннюю полость ферментатора от окружающей среды, повышая уровень биологической безопасности культивирования патогенных микроорганизмов. Конструкция аппарата обеспечивает удобство обслуживания ферментатора, наличие крана позволяет проводить процесс стерилизации внутренней полости реактора и его патрубков без подачи острого пара из централизованной системы водо- и теплоснабжения в ферментатор.
1. Ферментационная установка для культивирования микроорганизмов, включающая культуральный сосуд с термостатирующей рубашкой и крышкой, оснащенный технологическими патрубками, снабженный перемешивающим устройством с магнитным приводом, барботером, сифонной трубкой, отличающаяся тем, что магнитный привод перемешивающего устройства с турбинной мешалкой расположен на крышке реактора и оснащен разделительной мембраной, барботер и сифонная трубка в пределах культурального сосуда выше уровня заполнения жидкости подключены к крану, выполненному таким образом, что в открытом положении барботер и сифонная трубка сообщаются с полостью реактора; к технологическим патрубкам через запорно-регулирующие вентили подключены термостатирующая система, система подачи воздуха, система очистки отработанного воздуха, система подачи корригирующих растворов, система контроля физико-химических параметров среды культивирования, содержащая насос с магнитным приводом, воздухоотделитель и кювету с датчиками контроля роста микроорганизмов, причем весь процесс работы установки контролируется и регулируется пультом контроля и управления.
2. Ферментационная установка по п.1 отличающаяся тем, что термостатирующая система, подключенная к термостатирующей рубашке корпуса и централизованным коммуникациям пара, холодной и горячей воды, включает емкость с термонагревательными элементами и циркуляционный насос.
3. Ферментационная установка по п.1 отличающаяся тем, что система очистки отработанного воздуха содержит вакуумную линию с группой теплообменников, емкость для сбора конденсата, каскад фильтров стерильной очистки воздуха и вакуумный насос.
4. Ферментационная установка по п.1 отличающаяся тем, что система подачи воздуха содержит фильтры предварительной и стерильной очистки воздуха, расходомер.
5. Ферментационная установка по п.1 отличающаяся тем, что система подачи корригирующих растворов содержит емкости и перистальтические насосы.
6. Ферментационная установка по п.1 отличающаяся тем, что система контроля физико-химических параметров среды культивирования выполнена с возможностью подключения дополнительных датчиков.
7. Ферментационная установка по п.1 отличающаяся тем, что запорно-регулирующие вентили оснащены либо магнитным приводом, либо сифонным вентилем.
