FERMENTER AND FERMENTATION SYSTEM FOR THE CONTINUOUS CULTIVATION OF MICROORGANISMS

• Main Authors: PLOTNIKOV, Vitalii Dmitrievich, SHMAKOV, Evgenii Aleksandrovich, ZHDANOV, Vsevolod Nikolaevich, BREEV, Iakov Vladimirovich, PORTNOV, Sergey Aleksandrovich, CHERVINSKAYA, Anastasiya Sergeevna, BONDARENKO, Pavel Yurievich, ARBUZOV, Aleksandr Sergeevich, NOVIKOV, Stanislav Nikolaevich
• Format: Patent
• Language: English; French; Russian
• Published: 16.02.2023

The invention relates to biotechnology, and more particularly to methods and devices for cultivating microorganisms, inter alia methylotrophic and methanotrophic bacteria, as well as satellites thereof. The technical result achieved by the claimed invention consists in increasing the speed and efficiency of gas exchange as a culture fluid circulates through a fermenter circuit, while also making it possible for the fermenter and the fermentation system as a whole to be scaled up to an industrial scale. The claimed fermenter comprises: at least four units connected to one another to form a closed circuit for the movement of a flow of culture fluid containing microorganisms, wherein the first and third units are oriented substantially vertically, and the second and fourth units are oriented substantially horizontally; means for supplying components of the culture fluid, recovering culture fluid, removing residual gases and gases produced by the microorganisms, and for supplying and removing a coolant; means for measuring culture fluid parameters; at least one pump connected to the closed circuit in order to circulate the culture fluid through the closed circuit; at least one bubbler disposed in the bottom or top part of a vertically oriented unit, said bubbler being mounted downstream of the pump, in the direction of movement of the flow through the circuit, at an inlet for feeding gaseous media into the first or third unit; static mixers for producing a velocity gradient in the culture fluid, said mixers being mounted between the bubbler and a degassing unit to allow the formation of gas bubbles in the culture fluid with a diameter of up to 5 mm at a distance of not more than 45 cm from each mixer mounted along the direction of movement of the flow; and at least one degassing unit for degassing the flow of culture fluid, said degassing unit being mounted in the opposite part of the vertically oriented unit to the bubbler and being designed to maintain the direction of movement of the flow of culture fluid, wherein the degassing unit comprises at least one direct-flow degasser. The claimed fermentation system comprises a fermenter according to claim 1 of the invention, as well as the following devices connected in process sequence to form a closed cycle of methanotrophic microorganism cultivation: a water preparation line connected to a nutrient medium preparation line and to a titration agent preparation line, the outlets of which are connected to corresponding inlets of the fermenter and to a seed material preparation line; a gas medium preparation line connected to a corresponding inlet of the fermenter and the seed material preparation line; a fermenter outlet for the recovery of culture fluid, connected to a concentrating line that is connected in turn to a sterilizer coupled to a spray dryer; a gas exhaust line linking a separator tank to purification units or to the atmosphere; and a closed temperature control loop connected to corresponding heat exchanger inlets and outlets. L'invention se rapporte aux biotechnologies et concerne notamment des procédés et des dispositifs de culture de micro-organismes, y compris des bactéries méthylotrophes et méthanotrophes, ainsi que des produits connexes. Le résultat technique de la présente invention consiste en une augmentation de la vitesse et de l'efficacité d'échange de gaz dans le processus de culture d'un liquide de culture dans le circuit du fermenteur tout en permettant une mise à l'échelle du fermenteur et de l'installation de fermentation dans son ensemble jusqu'à des volumes industriels. Le fermenteur comprend: au moins quatre unités connectées entre elles de manière à former un circuit fermé pour le déplacement d'un flux de liquide de culture (LC) avec des micro-organismes, la première et la troisième unités étant orientées essentiellement verticalement, la deuxième et la quatrième unités étant orientées essentiellement horizontalement; des moyens d'alimentation en composants de LC, de prélèvement de LC d'élimination de gaz résiduels et se formant lors du processus biologique des micro-organismes, d'alimentation et d'évacuation de caloporteur; des moyens de mesure des paramètres de LC; au moins une pompe connectée au circuit fermé de manière à assurer la circulation du LC dans le circuit fermé; au moins un barboteur disposé dans la partie inférieure ou supérieure de l'unité orientée verticalement, disposé en aval de la pompe dans le sens de déplacement du flux dans le circuit, à l'entrée d'alimentation en milieux gazeux première et troisième unités; des mélangeurs statiques afin de créer un gradient de vitesses de LC, disposés entre le barboteur et une unité de dégazage de manière à générer des bulles de gaz dans dans le flux de LC d'un diamètre allant jusqu'à 5 mm sur une distance ne dépassant pas 45 cm depuis chacun des mélangeurs installés dans le sens de déplacement du flux; au moins une unité de dégazage du flux de LC disposée dans la partie opposée au barboteur de l'unité orientée verticalement, permettant de conserver la direction de déplacement du flux de de LC et comprenant au moins un dégazeur direct et des mélangeurs statiques. L'installation de fermentation comprend un fermenteur réalisé selon la revendication 1 de la présente invention, ainsi que les dispositifs suivants connectés selon une séquence industrielle afin de former un cycle fermé de culture de micro-organismes méthylotrophes et méthanotrophes: une conduite de préparation d'eau connectée à une conduite de production de milieu de culture et à une conduite de production d'agent de titrage dont les sorties sont connectées aux entrées correspondantes du fermenteur, et à une conduite de production de matériau d'ensemencement; une conduite de production de milieu gazeux connectée à l'entre correspondante du fermenteur et à la ligne de production de matériau d'ensemencement; une sortie du fermenteur servant à prélever le LC, connectée à une conduite de concentration qui est à son tour connectée à un stérilisateur menant vers un séchage par pulvérisation; une conduite d'évacuation de gaz reliant le récipient de séparateur à des installations de purification et l'atmosphère; un circuit fermé thermostatique connecté aux entrées et aux sorties correspondantes d'échangeurs de chaleur. Изобретение относится к биотехнологии, а именно, к способам и устройствам для культивирования микроорганизмов, в том числе метилотрофных и метанотрофных бактерий, а также их спутников. Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в повышении скорости и эффективности газообмена в процессе циркулирования культуральной жидкости по контуру ферментера при обеспечении возможности масштабирования ферментера и ферментационной установки в целом до промышленных объемов. Ферментёр включает - по меньшей мере, четыре блока, соединенных между собой с образованием замкнутого контура для движения потока культуральной жидкости (КЖ) с микроорганизмами, при этом первый и третий блоки выполнены преимущественно вертикально ориентированными, второй и четвертый блоки выполнены преимущественно горизонтально ориентированными, - средства подачи компонентов КЖ, отбора КЖ, удаления остаточных и образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов газов, подачи и отвода теплоносителя, - средства измерения параметров КЖ, - по меньшей мере, один насос, подключенный к замкнутому контуру с возможностью обеспечения циркуляции КЖ по замкнутому контуру, - по меньшей мере, один барботер, расположенный в нижней или верхней части вертикально ориентированного блока, установленный после насоса по направлению движения потока по контуру, на входе для подачи газовых сред в первый или третий, - статические миксеры для создания градиента скоростей КЖ, установленные между барботером и блоком дегазации с обеспечением возможности формирования пузырьков газа в потоке КЖ диаметром от до 5 мм на расстоянии не далее 45 см от каждого установленного миксера по направлению движения потока, - по меньшей мере, один блок дегазации потока КЖ, установленный в противоположной от барботера части вертикально ориентированного блока, выполненный с обеспечением сохранения направления движения потока КЖ и включающий, по меньшей мере, один прямоточный дегазатор. а статические миксеры. Ферментационная установка включает ферментер, выполненный по п. 1 формулы изобретения, а также следующие устройства, соединенные в технологической последовательности с обеспечением замкнутого цикла культивирования метанотрофных микроорганизмов: - линию водоподготовки, подключенную к линии приготовления питательной среды и к линии подготовки титрующего агента, выходы которых соединены с соответствующими входами ферментера и с линией подготовки посевного материала; - линию подготовки газовой среды, которая подключена к соответствующему входу ферментера и линии подготовки посевного материала, - выход из ферментера, предназначенный для отбора КЖ, соединен с линией концентрирования, которая в свою очередь соединена со стерилизатором, переходящим в распылительную сушку, - линию вывода газа, связывающую сепараторную ёмкость с очистными установками или атмосферой, - замкнутый контур термостатирования, подключённый к соответствующим входам и выходам теплообменников.