PL188833B1

RZECZPOSPOLITA
P O L SKA
(12) OPIS PATENTOWY (19)PL (11) 188833
( 2 1) Numer zgłoszenia:
331193
(13)B1
(51 ) IntCl7
C12M 1/36
Urząd Patentowy
Rzeczypospolitej Polskiej
( 5 4 )
(43)
( 22) Data zgłoszenia:
03.02.1999
Urządzenie do natleniania i kontroli stopnia natleniania podłoża hodowlanego
Z głoszenie ogłoszono:
(73)
Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej,
Lublin, PL
14.08.2000 BUP 16/00
(45)
O udzieleniu patentu ogłoszono:
29.04.2005 WUP 04/05
PL
188833
B1
(57)
1. Urządzenie do natleniania i kontroli
natleniania podłoża hodowlanego posiadające zbiornik, w którym umieszczona jest
końcówka mieszadła mechanicznego oraz
oprzyrządowanie do regulacji temperatury
i pH, znamienne tym, że w zbiorniku (1)
umieszczony jest czujnik stężenia tlenu (3)
połączony poprzez przetwornik analogowocyfrowy (5) z układem sterującym (7), który
jest sprzęgnięty z programatorem (8), przy
czym wyjście układu sterującego (7) jest
połączone poprzez zasilacz (9) z silnikiem
pompy (10), zainstalowanej pomiędzy pojemnikiem (11) na wodę utlenioną a końcówką
przewodu (12) umieszczoną w zbiorniku (1),
która doprowadzona jest w strefę pracy
mieszadła (2).
U praw niony z patentu:
(72)
T w órcy w ynalazku:
Jan Fiedurek, Lublin, PL
Jacek Pielecki, Lublin, PL
2
188 833
Urządzenie do natleniania i kontroli stopnia natleniania
podłoża hodowlanego
Zastrzeżenia
patentowe
1. Urządzenie do natleniania i kontroli natleniania podłoża hodowlanego posiadające
zbiornik, w którym umieszczona jest końcówka mieszadła mechanicznego oraz oprzyrządowanie do regulacji temperatury i pH, znamienne tym, że w zbiorniku (1) umieszczony jest
czujnik stężenia tlenu (3) połączony poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy (5) z układem
sterującym (7), który jest sprzęgnięty z programatorem (8), przy czym wyjście układu sterującego (7) jest połączone poprzez zasilacz (9) z silnikiem pompy (10), zainstalowanej pomiędzy
pojemnikiem (11) na wodę utlenioną a końcówką przewodu (12) umieszczoną w zbiorniku (1),
która doprowadzona jest w strefę pracy mieszadła (2).
2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pomiędzy czujnikiem stężenia tlenu (3)
a układem sterującym (7) zainstalowany jest szeregowo wzmacniacz (4) oraz filtr (6), przy
czym wzmacniacz (4) umieszczony jest przed przetwornikiem analogowo-cyfrowym (5).
*
*
*
Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do natleniania i kontroli stopnia natleniania
podłoża hodowlanego, szczególnie przydatne w procesach hodowli fermentorowej z zastosowaniem wody utlenionej jako źródła tlenu w podłożu.
W procesie hodowli fermentorowej jednym z zasadniczych problemów jest zapewnienie
dostatecznie szybkiego i równomiernego dopływu tlenu do komórek drobnoustrojów. Spowodowane to jest dużą szybkością zużywania tlenu przez komórki oraz niską rozpuszczalnością
tlenu w podłożu wynoszącą 5-7 mg/l. Taka ilość tlenu może być wykorzystana przez drobnoustroje w ciągu kilkudziesięciu sekund.
Niedobór tlenu w mikrobiologicznych procesach tlenowych powoduje powstanie warunków limitacji tlenowej określanej jako stężenie krytyczne. Dla różnych procesów wynosi
ono zwykle kilka procent stanu nasycenia hodowli tlenem powietrza atmosferycznego. Konsekwencją limitacji tlenowej jest ograniczenie procesów oddechowych drobnoustrojów, wzrostu komórek co w rezultacie prowadzi do znacznego obniżania lub braku biosyntezy produktu.
Proces hodowli fermentorowej, w którym natlenianie podłoża hodowlanego uzyskuje
się przez napowietrzanie i mieszanie, prowadzony jest w bioreaktorach wyposażonych
w urządzenia napowietrzające, mieszadła oraz instalacje do regulacji pH, temperatury, odpienienia itp. Zapewnienie właściwych warunków mieszania i napowietrzania, zwłaszcza z użyciem grzybów nitkowanych, stanowi szczególnie trudny problem techniczny. Ich hodowla
wymaga dużego wkładu energii. Istnieje możliwość poprawy stopnia natleniania poprzez
zwiększenie intensywności mieszania, jednakże powoduje to silne oddziaływania mechaniczne, nazywane siłami ścinającymi, których źródłem są powstające w cieczy mikrowiry
o zmiennych kierunkach i rozmiarach. Przy zderzeniu się wiru z cząstką stałą, na przykład
komórką, następuje rozproszenie energii na jej powierzchni i ewentualne fizyczne uszkodzenie ściany komórkowej. Tego rodzaju zjawiska występują głównie w fermentorach z mieszadłami mechanicznymi, gdzie obok mikrowirów niebezpieczne dla komórek są także dynamiczne uderzenia komórek o elementy konstrukcji fermentora. Mikroorganizmy tworzące
agregaty komórkowe lub palety (jak A. niger) są wrażliwe na wysokie naprężenia styczne na
końcach mieszadeł. Ponadto energia zużywana na mieszanie i napowietrzanie stanowi
znaczną część kosztów procesu biosyntezy mikrobiologicznej.
Znane jest, na przykład z polskiego opisu patentowego nr 158 028, urządzenie do hodowli półciągłej grzybni, posiadające dwa zbiorniki, między którymi cyrkuluje płynne podło-
188 833
3
że, przy czym jeden ze zbiorników wyposażony jest w zewnętrzną pompę pneumatyczną
z eżektorem do zasilania sprężonym powietrzem oraz mieszadło mechaniczne.
Wynalazek rozwiązuje zagadnienie budowy urządzenia umożliwiającego cykliczne dozowanie wody utlenionej według założonego programu, który zapewnia utrzymanie stężenia
tlenu w roztworze w przedziale pomiędzy wartościami krytycznymi nie powodującym zahamowania procesu, bowiem nadmierna ilość podawanej wody utlenionej wywołuje inaktywację
grzybni lub białka enzymatycznego znajdującego się w płynnym podłożu.
Zgodnie z wynalazkiem w zbiorniku stanowiącym bioreaktor umieszczony jest czujnik
stężenia tlenu, który połączony jest poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy z układem sterującym. Wyjście układu sterującego, który sprzęgnięty jest z programatorem, połączone jest
poprzez zasilacz z silnikiem pompy dozującej. Pompa zainstalowana jest pomiędzy pojemnikiem
na wodę utlenioną a końcówką przewodu, która doprowadzona jest w strefę pracy mieszadła.
W celu wyeliminowania wpływu czynników zewnętrznych, które mogłyby spowodować
zakłócenia założonego programu pracy pompy, a tym samym zahamowania w procesie hodowlanym, pomiędzy czujnikiem stężenia tlenu a układem sterującym zainstalowany jest szeregowo wzmacniacz oraz filtr, przy czym wzmacniacz umieszczony jest przed przetwornikiem analogowo-cyfrowym.
Przedmiot wynalazku jest zobrazowany na rysunku, przedstawiającym schemat urządzenia.
Jak pokazano na rysunku w zbiorniku 1, wyposażonym w mieszadło 2, umieszczony
jest czujnik stężenia tlenu 3, który stanowi elektroda tlenowa. Czujnik stężenia tlenu 3 połączony jest poprzez wzmacniacz 4, przetwornik analogowo-cyfrowy 5 oraz filtr 6 z układem
sterującym 7, który sprzęgnięty jest z programatorem 8 parametrów żądanego stężenia tlenu,
czasu dozowania wody utlenionej i czasu przerwy pomiędzy cyklami pracy. Wyjście układu
sterującego 7 połączone jest poprzez zasilacz 9 z silnikiem pompy 10 perystaltycznej, zainstalowanej pomiędzy pojemnikiem 11 na wodę utlenioną a końcówką przewodu 12 umieszczoną
w zbiorniku 1 w strefie pracy mieszadła 2.
Mieszadło 2 jest przewidziane jedynie w celu ujednolicenia składu podłoża, co nie wymaga stosowania wysokich obrotów. Urządzenie pozwala na utrzymanie stężenia tlenu wokół
zaprogramowanej wartości z odpowiednią tolerancją. W zaprogramowanym uprzednio przedziale
czasu pracy pompy 10 urządzenie porównuje sygnał sterujący z czujnika stężenia tlenu 3 z wartością zadaną w programatorze 8 i w przypadku sygnału o wartości niższej od zadanej uruchamia pompę 10 albo wyłącza ją gdy wartość sygnału jest większa lub równa zadanej. Po tym
czasie następuje jej programowe wyłączenie, co zabezpiecza podłoże hodowlane przed inaktywacją oraz wystąpieniem szoku tlenowego. Każdy następny cyld pracy powtarza się po upływie zaprogramowanych uprzednio wartości czasu pracy pompy 10 i czasu przerwy w jej pracy.
4
188 833
Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.
Cena 2,00 zł.