RU2490323C1 - Microbioreactor and method for operation thereof - Google Patents
Microbioreactor and method for operation thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2490323C1 RU2490323C1 RU2012126443/10A RU2012126443A RU2490323C1 RU 2490323 C1 RU2490323 C1 RU 2490323C1 RU 2012126443/10 A RU2012126443/10 A RU 2012126443/10A RU 2012126443 A RU2012126443 A RU 2012126443A RU 2490323 C1 RU2490323 C1 RU 2490323C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channels
- substrate
- auxiliary substances
- particles
- solid particles
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
- C12M21/18—Apparatus specially designed for the use of free, immobilized or carrier-bound enzymes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
- C12M23/02—Form or structure of the vessel
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M27/00—Means for mixing, agitating or circulating fluids in the vessel
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Zoology (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Clinical Laboratory Science (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к биореакторам, преимущественно к микро- и минимасштабным биореакторам (или иначе микробиореакторам) с иммобилизованным на частицах ферментом и может быть использовано для проведения биотехнологических процессов в жидких средах, например, для проведения реакций в системах жидкость-жидкость и жидкость-газ в фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.The present invention relates to bioreactors, mainly to micro- and minimally scaled bioreactors (or otherwise microbioreactors) with an enzyme immobilized on particles and can be used to carry out biotechnological processes in liquid media, for example, for carrying out reactions in liquid-liquid and liquid-gas systems pharmaceutical, food and other industries.
Известен биореактор (ферментер) для аэробного выращивания микроорганизмов на жидких средах колонного типа с подводом энергии к газовой фазе (Винаров А.Ю., Гордеев Л.С., Кухаренко А.А., Панфилов В.И. Ферментационные аппараты для процессов микробиологического синтеза / Под ред. В.А. Быкова. М.: "ДеЛи принт", 2005, с.165-185) и подводом энергии к жидкой фазе (там же, с.185-193), а также с комбинированным подводом энергии (там же, с.193-214). Общей особенностью этих аппаратов наличие блоков перемешивания, аэрации и массопередачи кислорода и теплообмена. Вследствие того, что известные аппараты (биореакторы) имеют большой объем, энергия в них распределяется неравномерно. При использовании фермента, иммобилизованного на твердых частицах, происходит сосредоточение значительной доли этих частиц в застойных зонах, в результате чего доступ субстрата к их поверхности затрудняется, и эффективность аппарата снижается.Known bioreactor (fermenter) for aerobic cultivation of microorganisms in liquid column type with energy supply to the gas phase (Vinarov A.Yu., Gordeev L.S., Kukharenko A.A., Panfilov V.I. Fermentation apparatus for microbiological synthesis processes / Under the editorship of VA Bykov, Moscow: DeLi Print, 2005, p.165-185) and the supply of energy to the liquid phase (ibid., P.185-193), as well as with a combined supply of energy ( ibid., pp. 193-214). A common feature of these devices is the presence of mixing, aeration and mass transfer units of oxygen and heat transfer. Due to the fact that the known devices (bioreactors) have a large volume, the energy in them is distributed unevenly. When using an enzyme immobilized on solid particles, a significant proportion of these particles is concentrated in the stagnant zones, as a result of which the access of the substrate to their surface is hampered, and the efficiency of the apparatus is reduced.
Наиболее близким к заявляемому является биокатализируемый проточный реактор (заявка 2010122385, 18.11.2008, МПК С12М 1/40 (2006.01), дата публикации заявки: 27.12.2011) со слоем, состоящий из корпуса реактора с внутренним пространством, соединенным с входом жидкости и соединенным с выходом жидкости, при этом во внутреннем пространстве находится слой, содержащий фермент ловастатин эстеразу, иммобилизованный на водонерастворимом твердом носителе, отличающийся тем, что фермент ковалентно связан с твердым носителем, активированным по меньшей мере бифункциональным связывающим агентом, причем твердый носитель таким образом связан с по меньшей мере бифункциональным агентом, что иммобилизованная ловастатин эстераза проявляет по меньшей мере в 5 раз большую гидролитическую активность к ловастатину и солям ловастатина в присутствии симвастатина и солей симвастатина, чем к симвастатину и солям симвастатина. Известный биореактор позволяет получать и/или очисщать симвастатин. Недостатком его является неэффективная массоотдача от поверхности частиц твердого носителя, обусловленная наличием застойных зон в точках контакта частиц. В результате только 30-40% поверхности частиц функционирует в полной мере, тогда как в зонах контакта частиц конвективная диффузия отсутствует, а молекулярная диффузия, обеспечивающая перенос на 2-3 порядка ниже, существенно лимитирует массоотдачу.Closest to the claimed is a biocatalized flow reactor (
Известен способ эксплуатации биореакторов (Винаров А.Ю., Гордеев Л.С., Кухаренко А.А., Панфилов В.И. Ферментационные аппараты для процессов микробиологического синтеза / Под ред. В.А. Быкова. М.: "ДеЛи принт", 2005, с.125), заключающийся в подаче в аппарат необходимых компонентов питательной среды (соли, субстрат, вода), титрующего агента, аэрирующего газа и отбор суспензии из ферментера. Перемешивание осуществляется при помощи мешалки, струй жидкости или посредством барботирования газа.A known method of operating bioreactors (Vinarov A.Yu., Gordeev L.S., Kukharenko A.A., Panfilov V.I. Fermentation apparatus for microbiological synthesis processes / Edited by V.A. Bykov. M .: "DeLi print ", 2005, p.125), which consists in supplying the apparatus with the necessary components of a nutrient medium (salt, substrate, water), a titrating agent, aeration gas and the selection of a suspension from the fermenter. Mixing is carried out using a mixer, jets of liquid or by sparging gas.
К недостаткам известного способа относятся проблемы с равномерностью распределения вводимой энергии перемешивания по объему аппарата, неравномерность распределения концентрации и температуры по объему аппарата. Все это также приводит к снижению эффективность работы ферментатора.The disadvantages of this method include problems with the uniform distribution of the introduced mixing energy over the volume of the apparatus, the uneven distribution of concentration and temperature over the volume of the apparatus. All this also leads to a decrease in the efficiency of the fermenter.
Задача предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности массообменных и биореакционных процессов, а в конечном счете - в увеличении производительности аппарата за счет:The objective of the invention is to increase the efficiency of mass transfer and bioreaction processes, and ultimately to increase the productivity of the apparatus due to:
- увеличения равномерности распределения вводимой энергии по объему аппарата;- increase the uniformity of the distribution of input energy over the volume of the apparatus;
- обеспечения равной доступности поверхности твердых частиц с иммобилизованным ферментом;- ensuring equal accessibility of the surface of solid particles with immobilized enzyme;
- улучшения процесса диспергирования капель, пузырей;- Improving the process of dispersing drops, bubbles;
- значительного повышения качества перемешивания внутри пузырей, капель и жидкостных снарядов.- a significant increase in the quality of mixing inside bubbles, drops and liquid shells.
Поставленная задача решается тем, что в микробиореакторе, содержащем корпус, соединительные патрубки, присоединенные к ним при помощи трубок насосы для подачи субстрата и вспомогательных веществ, согласно изобретению, в корпусе размещено распределительное устройство, параллельно расположенные каналы, имеющие периодически изменяющееся по длине поперечное сечение, в каждый из каналов загружены твердые частицы с иммобилизованным ферментом, распределительное устройство состоит из камеры ввода субстрата и следующих за ней одной или нескольких камер ввода вспомогательных веществ, при этом в боковой стенке каналов в каждой из камер ввода вспомогательных веществ выполнено одно или несколько отверстий, причем каналы в верхней и нижней части снабжены решетками, диаметр отверстий в которых меньше диаметра твердых частиц, при этом в каждом из каналов размещены дополнительные решетки, установленные в сечениях с максимальной площадью.The problem is solved in that in a microbioreactor containing a housing, connecting pipes connected to them by means of tubes, pumps for feeding the substrate and auxiliary substances, according to the invention, a switchgear is arranged in the housing, parallel channels are arranged having a cross-section periodically varying in length, solid particles with an immobilized enzyme are loaded into each channel; the distribution device consists of a substrate input chamber and one or several there are one or several holes in the side wall of the channels in each of the channels for the introduction of auxiliary substances, the channels in the upper and lower parts provided with gratings, the diameter of the holes in which is smaller than the diameter of the solid particles, while in each of the channels placed additional gratings installed in sections with a maximum area.
Поставленная задача решается также тем, что в способе эксплуатации микробиореактора, заключающемся в подаче одним или несколькими насосами субстрата и вспомогательных веществ в корпус, согласно изобретению, субстрат с вспомогательными веществами подают с периодически изменяющимся по времени расходами, при этом максимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами в широком сечении каналов задают выше скорости псевдоожижения твердых частиц с иммобилизованным ферментом, а минимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами в широком сечении каналов задают ниже скорости начала псевдоожижения, причем длительность интервала максимальной скорости задают такой, чтобы частицы с иммобилизованным ферментом успевали пройти расстояние от нижней до верхней решетки, а длительность интервала минимальной скорости задают такой, чтобы частицы с иммобилизованным ферментом успевали пройти расстояние от верхней до нижней решетки, максимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами в широком сечении каналов задают выше скорости осаждения твердых частиц с иммобилизованным ферментом, а минимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами в широком сечении каналов задают отрицательной.The problem is also solved by the fact that in the method of operation of the microbioreactor, which consists in supplying one or more pumps of the substrate and auxiliary substances to the housing, according to the invention, the substrate with auxiliary substances is supplied at a time-varying flow rate, while the maximum substrate speed with auxiliary substances in a wide cross section of the channels are set higher than the rate of fluidization of solid particles with an immobilized enzyme, and the minimum substrate velocity over a period of excipients in a wide cross section of the channels are set below the velocity of the beginning of fluidization, and the duration of the maximum speed interval is set such that the particles with the immobilized enzyme have time to pass the distance from the lower to the upper lattice, and the duration of the minimum speed interval is set such that the particles with the immobilized enzyme have time to pass the distance from the upper to the lower lattice, the maximum for a period the speed of the substrate with auxiliary substances in a wide section of channels is set higher than the deposition rate of solid particles with an immobilized enzyme, and the minimum substrate rate with auxiliary substances over a period in a wide section of channels is set to negative.
Заявляемый микробиореактор и способ его эксплуатации позволяют повысить эффективность массообменных и биореакционных процессов, а в конечном счете увеличить производительности аппарата.The inventive microbioreactor and the method of its operation can improve the efficiency of mass transfer and bioreaction processes, and ultimately increase the productivity of the apparatus.
В качестве вспомогательных веществ могут выступать вещества в газообразном или в жидком состоянии. Минимальная скорость жидкости может быть как положительной, так и отрицательной.As auxiliary substances can act substances in a gaseous or liquid state. The minimum fluid velocity can be either positive or negative.
Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.The claimed technical solution is new, has an inventive step and is industrially applicable.
На фиг.1 представлена схема микробиореактора, на фиг.2 - общая принципиальная схема обвязки микробиореактора, реализующей предлагаемой способ. На фиг.3 изображен вариант исполнения трубчатой части корпуса микробиореактора. На фиг.4 показано движение элементов дисперсной среды (капель), сплошной среды (жидкостных снарядов) и твердых частиц с иммобилизованным ферментом. На фиг.5 показана временная диаграмма мгновенного расхода жидких сред в аппарате (на примере двухфазной системы - субстрата с одним вспомогательным веществом), на фиг.6 - зависимость от времени мгновенного объема жидкости (двухфазной системы), проходящей через сечение микробиореактора.Figure 1 presents a diagram of a microbioreactor, figure 2 is a General schematic diagram of the strapping of a microbioreactor that implements the proposed method. Figure 3 shows an embodiment of the tubular part of the housing of the microbioreactor. Figure 4 shows the movement of elements of a dispersed medium (droplets), a continuous medium (liquid shells) and solid particles with an immobilized enzyme. Figure 5 shows the time diagram of the instantaneous flow rate of liquid media in the apparatus (for example, a two-phase system - a substrate with one auxiliary substance), Fig.6 - time dependence of the instantaneous volume of liquid (two-phase system) passing through the cross section of the microbioreactor.
На фиг.1 изображен микробиореактор, содержащий корпус 1, соединительные патрубки 2-8 для подачи субстрата (патрубок 2) и вспомогательных веществ (патрубки 3, 4), отвода продуктов (патрубки 5, 6), подвода и отвода теплоносителя (патрубки 7, 8). К патрубкам при помощи трубок присоединены насосы (на фиг.1 условно не показаны). В корпусе 1 размещено распределительное устройство, состоящее из камеры 9 ввода субстрата и следующих за ней одной или нескольких камер 10 (на фиг.1 их две) ввода вспомогательных веществ. В корпусе 1 размещены также параллельно расположенные каналы (трубки) 11, имеющие периодически изменяющееся по длине поперечное сечение, при этом в боковой стенке каналов в каждой из камер ввода вспомогательных веществ выполнено одно или несколько отверстий 12. Для обеспечения высокого коэффициента теплоотдачи при поперечном обтекании каналов (трубок) 11 в межтрубном пространстве корпуса 1 установлены поперечные перегородки 13. Каналы в верхней и нижней части снабжены решетками 14, диаметр отверстий в которых меньше диаметра твердых частиц 15 с иммобилизованным ферментом, загруженных в каждый из каналов 11 микробиореактора (на фиг.1 частицы условно показаны в одном из каналов).Figure 1 shows a microbioreactor containing a
В каждом из каналов 11 могут быть размещены дополнительные решетки 14, установленные в сечениях с максимальной площадью каналов. Это позволяет в необходимых случаях ограничить ход твердых частиц 15 с иммобилизованным ферментом и обеспечить их более равномерное распределение по длине каналов 11, а значит, и по рабочему объему аппарата.In each of the
На фиг.2 приведена общая принципиальная схема обвязки микробиореактора, включающая корпус 1 с каналами 11, насосы 16, соединенные трубками с трехходовыми управляемыми клапанами 17 и 18, реле времени 19, а также (при необходимости охлаждения либо дополнительного разделения фаз) промежуточную емкость 20. Насосы 16 устанавливаются на каждую из фаз - субстрат и дополнительные компоненты (на фиг.2 условно показан один насос), с последующим их смешением в распределительных камерах при диспергировании вспомогательных веществ в субстрате. Реле времени позволяет автоматически переключать направления потоков снизу вверх (прямой поток - поток А на фиг.2) и сверху вниз (обратный поток - поток Б на фиг.2). Здесь и далее под обратным потоком подразумевается поток с минимальной скоростью. При любом направлении потоков клапан 17 подает потоки жидкости в аппарат, а клапан 18 выводит продукты из него. Микробиореактор может работать как в рецикле (как аппарат периодического действия), так и на проток (как аппарат непрерывного действия). В верхней части микробиореактора происходит первичная сепарация фаз: легкая фаза выводится через патрубок 5, тяжелая - через патрубок 6. Дальнейшая сепарация производится в отдельном сепараторе (на фиг.2 не показан).Figure 2 shows the General schematic diagram of the strapping of the microbioreactor, including the
На фиг.3 изображен вариант исполнения корпуса 1 с каналами 11, когда каналы в месте перехода в распределительную камеру имеют максимальное сечение (патрубки и перегородки условно не показаны). В этом случае питающие трубки в распределительных камерах могут иметь диаметр, соответствующий максимальному диаметру канала.Figure 3 shows an embodiment of the
На фиг.4 показано движение фаз: капель 21 жидкости Ж2 (дисперсной среды), жидкостных снарядов 22 жидкости Ж1 (сплошной среды) и твердых частиц 15 с иммобилизованным ферментом в одном из каналов 11.Figure 4 shows the movement of the phases: drops 21 of liquid Zh2 (dispersed medium),
Предлагаемый аппарат работает следующим образом. На фиг.5 изображены временные диаграммы импульсной подачи в аппарат для случая, когда в аппарате три фазы - сплошная среда (субстрат), дисперсная среда (вспомогательными вещества) и твердые частицы с иммобилизованным ферментом. Субстрат с вспомогательными веществами подают с периодически изменяющимся по времени расходами, используя реле времени 19 и управляемые им клапаны 17 и 18. При этом максимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами (соответствующую потокам А) в широком сечении каналов задают выше скорости псевдоожижения твердых частиц с иммобилизованным ферментом, за счет чего обеспечивается перевод частиц во взвешенное состояние, когда частицы отделяются друг от друга, и каждая из частиц со всех сторон омывается потоком жидкости (субстратом с вспомогательными веществами). Благодаря этому полностью исключается наличие каких-либо застойных зон в аппарате, а поверхность иммобилизованного фермента используется на 100%. В узком сечении скорость при этом еще выше, чем в широком, что гарантирует движение частиц вверх по всей длине аппарата без возникновения возвратных течений по всей длине каналов. Унос частиц из рабочей зоны - из каналов 11 - предотвращается благодаря наличию в верхней части каналов 11 решеток 14. Длительность τ1 интервала максимальной скорости задают такой, чтобы частицы с иммобилизованным ферментом успевали пройти расстояние от нижней решетки 14 до верхней решетки 14.The proposed device operates as follows. Figure 5 shows the timing diagrams of the pulsed supply to the apparatus for the case when the apparatus has three phases - a continuous medium (substrate), a dispersed medium (excipients) and solid particles with an immobilized enzyme. The substrate with auxiliary substances is supplied with flow rates periodically varying in time, using a
Минимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами в широком сечении каналов, т.е. скорость, соответствующую движению потоков Б, задают ниже скорости начала псевдоожижения, что позволяет частицам оседать на нижнюю решетку 14. При этом скорость может иметь отрицательный знак, т.е. направлена вниз, способствуя более быстрому осаждению частиц. При этом в каналах 11 создается колебательная скорость относительного движения твердых частиц с иммобилизованным ферментом с большой амплитудой, обеспечивающая высокий коэффициент массоотдачи от их поверхности. Длительность тз интервала минимальной скорости задают такой, чтобы частицы с иммобилизованным ферментом успевали пройти расстояние от верхней решетки 14 до нижней решетки 14.The minimum over the period, the speed of the substrate with auxiliary substances in a wide section of channels, i.e. the velocity corresponding to the motion of flows B is set lower than the velocity of the beginning of fluidization, which allows particles to settle on the
За счет периодически изменяющегося по длине поперечного сечения каналов 11 скорость жидкости (субстрата с вспомогательными веществами) по длине каналов меняется в соответствии с уравнением неразрывности. Это приводит к тому, что твердые частицы 15 с иммобилизованным ферментом в узком сечении каналов 11 разгоняются, увлекаясь потоком, а в широком сечении каналов 11 тормозятся. При таком движении и наличии разности плотностей твердой и жидкой фаз возникает относительное колебательное движение частиц и жидкости, способствующее снижению диффузионного сопротивления, что ведет к существенному ускорению массоотдачи от поверхности частиц.Due to the periodically changing cross-sectional length of the
В необходимых случаях (например, если твердые частицы с иммобилизованным ферментом имеют повышенную склонность к слипанию друг с другом и налипанию на стенки аппарата) максимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами в широком сечении каналов задают выше скорости осаждения твердых частиц с иммобилизованным ферментом, которая выше скорости начала псевдоожижения.In necessary cases (for example, if solid particles with an immobilized enzyme have an increased tendency to stick together with each other and stick to the walls of the apparatus), the maximum velocity of the substrate with auxiliary substances in a wide section of channels over a period of time is set higher than the deposition rate of solid particles with an immobilized enzyme, which is higher fluidization initiation rates.
При необходимости реализовать наложенное на поступательное реверсивное движение потока в фазе обратного тока минимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами в широком сечении каналов задают отрицательной. При этом в среднем за период расход (подача) должен быть положительным (см. формулу (2)) для обеспечения направленного движения жидкости в аппарате.If necessary, to realize the minimum substrate velocity with auxiliary substances in a wide cross section of the channels, which is superimposed on the translational reverse flow movement in the reverse current phase, for the period, is set to negative. In this case, on average, over a period, the flow rate (supply) should be positive (see formula (2)) to ensure the directional movement of fluid in the apparatus.
Период (длительность цикла) одинаков для сплошной и дисперсной сред (см. фиг.5) и равенThe period (cycle duration) is the same for continuous and dispersed media (see figure 5) and is equal to
где τ1 - продолжительность стадии интервала максимальной скорости (прямого потока), с;where τ 1 is the duration of the stage of the maximum speed interval (direct flow), s;
τ2 - продолжительность стадии интервала минимальной скорости (обратного потока), с.τ 2 - the duration of the stage interval of the minimum speed (reverse flow), C.
Средняя за период подача жидкости (субстрата и вспомогательных веществ) равнаThe average flow rate of the fluid (substrate and excipients) is equal to
Объем жидкости, проходящей через сечение микробиореактора при прямом потокеThe volume of fluid passing through the cross section of the microbioreactor in direct flow
объем жидкости, проходящей через сечение микробиореактора при обратном потокеthe volume of fluid passing through the cross section of the microbioreactor in the reverse flow
Из формул (2)-(4) следуетFrom formulas (2) - (4) it follows
На фиг.5 показан график зависимости мгновенного расхода q двухфазной системы от времени: q1 - мгновенный расход прямого потока (поток A), q2 - мгновенный расход обратного потока (поток Б). Средний расход, как видно из фиг.5, имеет положительный знак, т.е. в среднем за период происходит вытеснение гетерогенной системы из аппарата, и он может рассматриваться как аппарат вытеснительного типа (в среднем за период). На фиг.6 изображена зависимость от времени мгновенного объема жидкости (двухфазной смеси), проходящей через сечение микробиореактора, полученная в результате интегрирования зависимости на фиг.5.Figure 5 shows a graph of the instantaneous flow rate q of a two-phase system versus time: q 1 - instantaneous flow rate of direct flow (stream A), q 2 - instantaneous flow rate of reverse flow (stream B). The average flow rate, as can be seen from figure 5, has a positive sign, i.e. on average, a heterogeneous system is displaced from the apparatus during a period, and it can be considered as a displacement type apparatus (average for a period). Figure 6 shows the time dependence of the instantaneous volume of liquid (two-phase mixture) passing through the cross section of the microbioreactor, obtained by integrating the dependence in figure 5.
Пример конкретного выполнения. Микробиореактор для переэтерификации триглицеридов (жиров растительного или животного происхождения, выполняющих здесь роль субстрата) в биодизельное топливо с образованием глицерина, схема которого представлена на фиг.1, содержит корпус 1 с шестью каналами 11 длиной 1 м. Каналы имеют периодически изменяющееся по длине поперечное сечение, меньший диаметр которых 3 мм, а больший диаметр 6 мм. В каждый из каналов 11 загружены твердые полимерные частицы 15 с иммобилизованным на их поверхности ферментом - зимазой, имеющие диаметр 0.3 мм. Распределительное устройство состоит из камеры 9 ввода триглицеридов и следующей за ней одной камеры 10 ввода вспомогательных веществ - метилового спирта. В боковой стенке каналов 11 в камере 10 ввода вспомогательных веществ выполнено одно или два отверстия 12 диаметром 0.6-0.8 мм, через которые происходит ввод метилового спирта и его диспергирование в потоке сплошной среды - триглицеридов. Каналы 11 в верхней и нижней части снабжены решетками 14, диаметр пор в которых составляет 0.2 мм. Опционально в каждом из каналов 11 могут быть размещены дополнительные решетки 14, установленные в сечениях с максимальной площадью, как показано на фиг.1.An example of a specific implementation. The microbioreactor for transesterification of triglycerides (vegetable or animal fats, acting here as a substrate) into biodiesel with the formation of glycerol, the scheme of which is shown in figure 1, contains a
Насосом 16 в корпус 1 (см. фиг.2) подают триглицериды и метиловый спирт с периодически изменяющимся по времени расходами, как показано на фиг.5. При этом максимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами в широком сечении каналов задают равной 0.03 м/с, т.е. выше скорости псевдоожижения твердых частиц с иммобилизованным ферментом (которая составляет 0.01 м/с), а минимальную за период скорость субстрата с вспомогательными веществами в широком сечении каналов задают равной - 0.01 м/с, т.е. ниже скорости начала псевдоожижения (в данном случае отрицательной). Причем длительность (τ1=30 с) интервала максимальной скорости задают такой, чтобы частицы с иммобилизованным ферментом успевали пройти расстояние от нижней до верхней решетки, а длительность (τ2=45 с) интервала минимальной скорости задают такой, чтобы частицы с иммобилизованным ферментом успевали пройти расстояние от верхней до нижней решетки. В узком сечении скорость выше, чем в широком, что обеспечивает однонаправленное движение частиц на каждом из периодов.
Благодаря периодически изменяющемуся по длине поперечному сечению каналов интенсифицируется радиальный перенос импульса и энергии, вследствие чего улучшается равномерность распределения вводимой энергии по объему аппарата, обеспечивается равная доступность поверхности твердых частиц с иммобилизованным ферментом. Эти эффекты усиливаются также за счет импульсной подачи жидких фаз согласно предлагаемому изобретению.Due to the cross-section of the channels periodically varying in length, the radial transfer of momentum and energy is intensified, as a result of which the uniformity of the distribution of the introduced energy over the apparatus volume is improved, and the surface of solid particles with immobilized enzyme is equally accessible. These effects are also enhanced by the pulsed supply of liquid phases according to the invention.
Процесс диспергирования капель, пузырей (для систем жидкость-газ) улучшается как за счет выполнения диспергатора в виде отверстий в боковой стенке каналов в каждой из камер ввода вспомогательных веществ.The process of dispersing drops, bubbles (for liquid-gas systems) is improved due to the implementation of the dispersant in the form of holes in the side wall of the channels in each of the input chambers of auxiliary substances.
Для увеличения эффективности массоотдачи от поверхности частиц с иммобилизованным ферментом скорость двухфазной смеси (субстрата с вспомогательными веществами) может быть задана выше скорости осаждения твердых частиц с иммобилизованным ферментом, которая в рассматриваемом случае составляет 7 м/с.To increase the efficiency of mass transfer from the surface of particles with an immobilized enzyme, the speed of a two-phase mixture (substrate with auxiliary substances) can be set higher than the deposition rate of solid particles with an immobilized enzyme, which in this case is 7 m / s.
Благодаря высоким коэффициентам массоотдачи от поверхности частиц с иммобилизованным ферментом, равномерного прогрева каналов с двухфазной жидкой системой в них, интенсивного перемешивания (за счет так называемых тейлоровских вихрей) в каплях метилового спирта и в жидкостных снарядах триглицеридов длительность процесса сокращается с 48 часов для биореактора-прототипа (аппарата с перемешивающим устройством) до 4 часов, т.е. в 12 раз. Следовательно, при равных объемах аппаратов за счет сокращения продолжительности процесса происходит увеличение производительности микробиореактора по сравнению с существующими аналогами в 12 раз.Due to the high mass transfer coefficients from the surface of particles with an immobilized enzyme, uniform heating of channels with a two-phase liquid system in them, intensive mixing (due to the so-called Taylor vortices) in drops of methyl alcohol and in liquid shells of triglycerides, the process duration is reduced from 48 hours for a prototype bioreactor (apparatus with a mixing device) up to 4 hours, i.e. 12 times. Therefore, with equal volumes of apparatus due to the reduction in the duration of the process, there is an increase in the productivity of the microbioreactor compared to existing analogues by 12 times.
Таким образом, предлагаемые микробиореактор и способ его эксплуатации позволяют повысить эффективность массообменных и биореакционных процессов, а в конечном счете увеличить производительность аппарата.Thus, the proposed microbioreactor and the method of its operation can improve the efficiency of mass transfer and bioreaction processes, and ultimately increase the productivity of the apparatus.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012126443/10A RU2490323C1 (en) | 2012-06-25 | 2012-06-25 | Microbioreactor and method for operation thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012126443/10A RU2490323C1 (en) | 2012-06-25 | 2012-06-25 | Microbioreactor and method for operation thereof |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2490323C1 true RU2490323C1 (en) | 2013-08-20 |
Family
ID=49162808
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012126443/10A RU2490323C1 (en) | 2012-06-25 | 2012-06-25 | Microbioreactor and method for operation thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2490323C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2016041896A1 (en) * | 2014-09-15 | 2016-03-24 | Alkymar As | Enzymatic processing plant and method of enzymatic processing |
CN109328102A (en) * | 2016-03-17 | 2019-02-12 | 阿尔基玛股份有限公司 | Mixing and processing equipment and method |
RU2775310C1 (en) * | 2021-09-28 | 2022-06-29 | Публичное акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" (ПАО "НК "Роснефть") | Device for continuous implementation of biochemical processes |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1761792A2 (en) * | 1990-11-13 | 1992-09-15 | Всесоюзный научно-исследовательский институт биосинтеза белковых веществ | Apparatus for microorganisms growing |
RU94027125A (en) * | 1994-07-19 | 1996-04-27 | Головное научно-производственное предприятие - Фирма-сервиз "Биокос" | Bioreactor |
RU2010122385A (en) * | 2007-11-19 | 2011-12-27 | Иниститут Хеми Органичней, Польская Академия Наук (Pl) | ENZYME LAVASTATIN ESTErase, IMMOBILIZED ON A SOLID CARRIER, METHOD FOR IMMOBILIZING AN ENZYME, APPLICATION OF AN IMMOBILIZED ENZYME, BIO-CATALYZED CIRCUIT AND SUSCEPTIVELY |
-
2012
- 2012-06-25 RU RU2012126443/10A patent/RU2490323C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1761792A2 (en) * | 1990-11-13 | 1992-09-15 | Всесоюзный научно-исследовательский институт биосинтеза белковых веществ | Apparatus for microorganisms growing |
RU94027125A (en) * | 1994-07-19 | 1996-04-27 | Головное научно-производственное предприятие - Фирма-сервиз "Биокос" | Bioreactor |
RU2010122385A (en) * | 2007-11-19 | 2011-12-27 | Иниститут Хеми Органичней, Польская Академия Наук (Pl) | ENZYME LAVASTATIN ESTErase, IMMOBILIZED ON A SOLID CARRIER, METHOD FOR IMMOBILIZING AN ENZYME, APPLICATION OF AN IMMOBILIZED ENZYME, BIO-CATALYZED CIRCUIT AND SUSCEPTIVELY |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ВИНАРОВ А.Ю. и др. Ферментационные аппараты для процессов Микробиологического синтеза./ Под ред. В.А. Быкова. - М.: ДеЛи принт, 2005, с.125. * |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2016041896A1 (en) * | 2014-09-15 | 2016-03-24 | Alkymar As | Enzymatic processing plant and method of enzymatic processing |
CN107073415A (en) * | 2014-09-15 | 2017-08-18 | 阿尔基玛股份有限公司 | Enzyme processing unit (plant) and enzyme processing method |
US20170247649A1 (en) * | 2014-09-15 | 2017-08-31 | Alkymar As | Enzymatic processing plant and method of enzymatic processing |
RU2717506C2 (en) * | 2014-09-15 | 2020-03-23 | Алкюмар Ас | Enzymatic processing unit and method for enzymatic treatment |
JP2020179395A (en) * | 2014-09-15 | 2020-11-05 | アルキマル, アクティーゼルスカブ | Enzymatic processing plant and method of enzymatic processing |
CN109328102A (en) * | 2016-03-17 | 2019-02-12 | 阿尔基玛股份有限公司 | Mixing and processing equipment and method |
US11077413B2 (en) | 2016-03-17 | 2021-08-03 | Alkymar As | Mixing and processing apparatus |
CN109328102B (en) * | 2016-03-17 | 2021-11-05 | 阿尔基玛股份有限公司 | Mixing and processing apparatus and method |
RU2775310C1 (en) * | 2021-09-28 | 2022-06-29 | Публичное акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" (ПАО "НК "Роснефть") | Device for continuous implementation of biochemical processes |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Fu et al. | Photo-bioreactor design for microalgae: a review from the aspect of CO2 transfer and conversion | |
Fan et al. | Evaluation of a membrane-sparged helical tubular photobioreactor for carbon dioxide biofixation by Chlorella vulgaris | |
EP1451290B1 (en) | A unit and a process for carrying out high cell density fermentation | |
Singh et al. | Bioreactors–technology & design analysis | |
Junne et al. | How scalable and suitable are single-use bioreactors? | |
AU2002333739A1 (en) | A unit and a process for carrying out high cell density fermentation | |
EA031074B1 (en) | Method of gas microbubble generation in a liquid and corresponding system | |
US20110097800A1 (en) | Method and apparatus for retaining and recirculating cells | |
CA2109897A1 (en) | Bioreactor for the perfusion culture of cells | |
RU2538170C1 (en) | Vortex bioreactor | |
CN107384991B (en) | Method for synthesizing 5' -O-ethylene adipamide uridine on line by lipase catalysis | |
NL8004724A (en) | DEVICE AND METHOD FOR CLEANING WASTE WATER. | |
KR20220002585A (en) | Bioreactor for growing microorganisms | |
RU2490323C1 (en) | Microbioreactor and method for operation thereof | |
RU2565557C1 (en) | Device for cultivation of microorganisms | |
JP7177278B2 (en) | Bioreactor for growing microorganisms | |
US11162061B2 (en) | Concentrically baffled reactors and systems that incorporate them | |
RU2664860C1 (en) | Bioreactor for the intensive process of growing aerobic microorganisms | |
CN108395993B (en) | Use method of microbubble photobioreactor for economic microalgae culture | |
RU175408U1 (en) | FERMENTATOR FOR CULTIVATION OF MICROORGANISMS | |
Singhal et al. | Fermentation Technology Prospecting on Bioreactors/Fermenters: Design and Types | |
IT9019908A1 (en) | EQUIPMENT FOR THE REALIZATION OF BIOCATALYTIC PROCESSES WITH SOLID PHASE BIOCATALYST | |
RU2739528C1 (en) | Fermenter for cultivation of biomass of methane-oxidising microorganisms methylococcus capsulatus | |
Gumery et al. | Characteristics of local flow dynamics and macro-mixing in airlift column reactors for reliable design and scale-up | |
EP3088509A1 (en) | Dual-chamber reactor for magnetic assisting of chemical processes and the system of this reactor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180626 |