PL233632B1

PL233632B1 - Magnetically supported bioreactor

Info

Publication number: PL233632B1
Application number: PL414512A
Authority: PL
Inventors: Rafal Rakoczy; Marian Kordas; Karol Fijalkowski; Maciej Konopacki; Anna Zywicka; Dorota Peitler; Radoslaw Drozd
Original assignee: Zachodniopomorski Univ Technologiczny W Szczecinie
Priority date: 2015-10-27
Filing date: 2015-10-27
Publication date: 2019-11-29
Also published as: PL414512A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest wspomagany magnetycznie bioreaktor, zawierający reaktor air-lift. Aparat może być stosowany w procesach biotechnologicznych realizowanych przy udziale mikroorganizmów. Przedmiot wynalazku może być stosowany w szczególności do procesów, w trakcie których znacząco zmienia się lepkość mieszanego medium (np. proces produkcji celulozy bakteryjnej).The present invention relates to a magnetically aided bioreactor comprising an air-lift reactor. The device can be used in biotechnological processes with the participation of microorganisms. The subject matter of the invention can be used in particular for processes in which the viscosity of the mixed medium changes significantly (e.g. the production of bacterial cellulose).

Wybór odpowiedniego reaktora jest niezmiernie istotny z punktu widzenia właściwości otrzymywanego produktu i efektywności prowadzenia procesu produkcyjnego. Dobór aparatu zależy od natury zachodzącej reakcji chemicznej, lub przemiany fizycznej oraz powinien zapewnić możliwie najbardziej korzystne dla danego procesu warunki transportu masy, energii oraz uwzględniać kinetykę zachodzącej reakcji.Choosing the right reactor is extremely important from the point of view of the properties of the product obtained and the efficiency of the production process. The choice of the apparatus depends on the nature of the chemical reaction or physical transformation taking place and should ensure the most favorable conditions for the transport of mass and energy for a given process, and take into account the kinetics of the reaction.

Gwałtowny rozwój biotechnologii zaowocował poszukiwaniem nowych typów aparatów przystosowanych do prowadzenia procesów z zastosowaniem mikroorganizmów. W wielu przypadkach tego typu procesy realizuje się z dodatkowym natlenianiem, zapewniającym właściwe warunki dla hodowli materii ożywionej. W celu ujednolicenia warunków procesowych wewnątrz bioreaktora często stosuje się różnego typu mieszadła mechaniczne. Alternatywą do tego typu aparatów są kolumnowe reaktory typu air-lift, zapewniające odpowiedni proces mieszania środowiska reakcyjnego poprzez zastosowanie powietrza, które doprowadzane do układu reakcyjnego zapewnia również odpowiedni poziom natlenienia medium hodowlanego. Dodatkową korzyścią stosowania kolumnowych reaktorów typu air-lift jest znaczne obniżenie energochłonności prowadzonego procesu. Wadą tego typu rozwiązań konstrukcyjnych jest stosunkowo krótki czas przebywania fazy gazowej w objętości reakcyjnej oraz możliwość występowania w medium hodowlanym stref martwych.The rapid development of biotechnology resulted in the search for new types of apparatus adapted to conduct processes with the use of microorganisms. In many cases, these types of processes are carried out with additional oxygenation, which ensures appropriate conditions for the cultivation of living matter. In order to standardize the process conditions inside the bioreactor, various types of mechanical agitators are often used. An alternative to this type of apparatus are air-lift column reactors, ensuring an appropriate mixing process of the reaction medium through the use of air, which is fed to the reaction system also ensuring an appropriate level of oxygenation of the culture medium. An additional advantage of using air-lift column reactors is a significant reduction in energy consumption of the process. The disadvantage of this type of design solutions is the relatively short residence time of the gas phase in the reaction volume and the possibility of presence of dead zones in the culture medium.

Rozwój technologii wiąże się z intensywnym poszukiwaniem aparatów służących do realizacji procesów technologicznych z większą wydajnością niż stosowane do tej pory urządzenia. Tradycyjna metoda intensyfikacji reakcji prowadzonych z zastosowaniem mikroorganizmów polega na zastosowaniu układów reakcyjnych wyposażonych w kolumny barbotażowe lub urządzenia mieszające o różnorodnej konfiguracji geometrycznej. Znane są również rozwiązania konstrukcyjne, w których zastosowano oddziaływania siłowe, na przykład zewnętrznie przyłożone pole magnetyczne, w celu uzyskania bioproduktu o pożądanych właściwościach i/lub zadawalającej wydajności prowadzonego procesu.The development of technology is associated with an intensive search for devices for the implementation of technological processes with greater efficiency than the devices used so far. The traditional method of intensifying reactions carried out with the use of microorganisms consists in the use of reaction systems equipped with bubble columns or mixing devices with various geometric configurations. There are also design solutions that use force interactions, for example an external applied magnetic field, in order to obtain a bioproduct with the desired properties and / or a satisfactory efficiency of the process.

Opis zgłoszeniowy wynalazku CA 2727665 dotyczy urządzenia mieszającego służącego do zawieszania substancji rozpuszczonej w rozpuszczalniku z zastosowaniem rdzenia magnetycznego, jako źródła energii wprawiającego medium w ruch. Proces mieszania jest wywołany wytwarzanym na zewnątrz zbiornika polem elektromagnetycznym. Zastosowanie tego typu pola pozwala na wyrównanie gradientów temperatury i stężeń w mieszanym płynie wywołując przyspieszenie procesu rozpuszczania. Znany z opisu zgłoszenia wynalazku CN 101655054 mieszalnik z zastosowaniem statycznego pola magnetycznego jest wykorzystywany do wspomagania procesu spalania paliwa w silniku spalinowym. Silne pole magnetyczne umożliwia intensyfikację procesu mieszania w układach dwufazowych typu gaz-gaz, gaz-ciecz, ciecz-ciecz oraz zwiększa szybkość spalania poprzez efektywniejsze dostarczanie tlenu do spalanego paliwa. Powoduje to poprawę mocy silnika oraz pozwala zaoszczędzić znaczne ilości paliwa. Przedstawione w zgłoszeniu wynalazku CN 102847477 magnetyczne urządzenie mieszające składa się z uzwojeń (zbudowanych z trzech par cewek Helmholza oraz pary cewek Maxwella), źródła zasilania oraz nanocząstek ciała stałego. Układ uzwojeń generuje gradient pola magnetycznego w różnych sekwencjach czasowych, co wiąże się z wywołaniem ruchu cząstek ciała stałego o właściwościach magnetycznych w mieszanym medium. W opisie zgłoszenia wzoru wynalazku CN 103240016 przestawiono urządzenie mieszające pracujące w sposób ciągły. Mieszalnik składa się z poziomego odcinka rury w osi, której umieszczono wał z rozmieszonym po długości układem mieszadeł. Strefa oddziaływania mieszadła w płynie znajduje się w bezpośrednim oddziaływaniu pola magnetycznego wywołanego poprzez przepływający przez cewki prąd trójfazowy. Zastosowane wirującego pola magnetycznego napędza umieszczone na wale mieszadła, generując obszary o zwiększonej intensywności burzliwości, których występowanie pozwala na przyspieszenie szybkości reakcji. Zgłoszenie wzoru użytkowego CN 202576087 zawiera opis bioreaktora z zastosowaniem indukcji elektromagnetycznej do prowadzenia procesu beztlenowego utleniania amoniaku przeprowadzonego przez bakterie (proces anammox). Wielosekcyjny aparat wyposażono w układ generujący pole magnetyczne i elektryczne wraz z systemem sterowania. Aparat stosowany jest do aktywacji bakterii cechujących się obniżoną aktywnością biologiczną lub będących w fazie inaktywacji. Zastosowanie tego typu oddziaływań fizycznychThe application description of the invention CA 2727665 relates to a mixing device for suspending a solute in a solvent using a magnetic core as an energy source to move the medium. The mixing process is caused by the electromagnetic field generated outside the tank. The use of this type of field allows to equalize the temperature and concentration gradients in the mixed fluid, causing the dissolution process to be accelerated. A mixer with the use of a static magnetic field, known from the description of the application of the invention CN 101655054, is used to support the fuel combustion process in an internal combustion engine. The strong magnetic field enables the intensification of the mixing process in gas-gas, gas-liquid and liquid-liquid two-phase systems and increases the combustion rate by more efficient supply of oxygen to the combusted fuel. This improves engine power and saves significant amounts of fuel. The magnetic mixing device presented in the CN application 102847477 consists of windings (made of three pairs of Helmholz coils and a pair of Maxwell coils), a power source and solid nanoparticles. The winding system generates a magnetic field gradient in different time sequences, which is associated with the movement of solid particles with magnetic properties in a mixed medium. In the description of the application for the design of the invention CN 103240016 a continuously operating mixing device is presented. The mixer consists of a horizontal section of a pipe along the axis with a shaft with a system of agitators distributed along its length. The area of influence of the liquid stirrer is in the direct influence of the magnetic field caused by the three-phase current flowing through the coils. The applied rotating magnetic field drives the agitators placed on the shaft, generating areas of increased intensity of turbulence, the presence of which allows for faster reaction speed. The utility model application CN 202576087 describes a bioreactor with the use of electromagnetic induction for the anaerobic oxidation of ammonia carried out by bacteria (anammox process). The multi-section apparatus is equipped with a system generating a magnetic and electric field together with a control system. The device is used to activate bacteria with reduced biological activity or in the inactivation phase. Application of this type of physical interactions

PL 233 632 B1 pozwala na zwiększenie aktywności biologicznej materii ożywionej oraz zintensyfikowanie realizowanych procesów enzymatycznych. Z publikacji międzynarodowego zgłoszenia WO 2011/112601 znany jest sposób ciągłej hodowli komórek i produktów komórkowych przy zastosowaniu magnetycznie stabilizowanej hodowli tkankowej. Do hodowli stosuje się przepływowy kolumnowy aparat, podzielony na trzy sekcje: komorę wlotową, część z zewnętrznym zastosowaniem oddziaływania pola magnetycznego (pole magnetyczne generowane jest przez pierścienie wykonane z magnesów neodymowych) oraz komory do przyrostu biomasy. Silne pole magnetyczne umożliwia przestrzenne oddziaływanie na hodowany materiał biologiczny oraz zastosowanie nośników magnetycznych do immobilizacji enzymów lub realizacji procesu separacji magnetycznej.It allows to increase the biological activity of living matter and to intensify the enzymatic processes. From the publication of the international application WO 2011/112601, a method of continuous cultivation of cells and cell products using magnetically stabilized tissue culture is known. A flow-through column apparatus is used for cultivation, divided into three sections: an inlet chamber, a part with external application of a magnetic field (the magnetic field is generated by rings made of neodymium magnets), and a biomass growth chamber. The strong magnetic field enables spatial influence on the biological material being cultured and the use of magnetic carriers for enzyme immobilization or the implementation of the magnetic separation process.

Opis zgłoszenia patentowego DE 102004026448 dotyczy mieszalnika wyposażonego w magnes stały oraz cząstki magnetyczne, stosowane w celu immobilizacji materiału biologicznego lub enzymów. Reaktor może być stosowany do: reakcji uwodornienia, reakcji katalitycznych (katalizator jest w tym przypadku unieruchomiony na nośnikach magnetycznych); procesach konwersji realizowanych w zadaniach biomedycznych, biologicznych, farmaceutycznych, spożywczych; w reakcjach z wymianą jonową; reakcjach polimeryzacji.Patent application DE 102004026448 relates to a mixer equipped with a permanent magnet and magnetic particles for the immobilization of biological material or enzymes. The reactor can be used for: hydrogenation reactions, catalytic reactions (in this case the catalyst is immobilized on magnetic supports); conversion processes carried out in biomedical, biological, pharmaceutical and food tasks; in reactions with ion exchange; polymerization reactions.

Przedstawiony w opisie wynalazku UA 55792 C2 aparat do mieszania płynów wyposażony jest w zewnętrzny generator pola magnetycznego oraz zbiornik wykonany z materiału niepos iadającego właściwości magnetycznych. W objętości roboczej mieszalnika umieszczono elementy posiadające właściwości ferromagnetyczne, które są podatne na oddziaływanie zewnętrznie przyłożonego stacjonarnego pola magnetycznego. Utworzony w ten sposób przestrzenny układ umożliwia intensyfikację burzliwości w przepływającym przez aparat płynie. Publikacja międzynarodowego zgłoszenia WO 2007032472 dotyczy mieszalnika wyposażonego w trzy uzwojenia, umieszczone wokół cylindrycznego zbiornika. Przepływający przez uzwojenia prąd elektryczny generuje wirujące pole magnetyczne, które oddziałując na płyn cechujący się przewodnością elektryczną wywołuje jego ruch i przepływ przez aparat.The apparatus for mixing fluids described in the description of the invention UA 55792 C2 is equipped with an external magnetic field generator and a container made of a non-magnetic material. The working volume of the mixer contains elements having ferromagnetic properties, which are susceptible to the influence of an externally applied stationary magnetic field. The spatial arrangement created in this way makes it possible to intensify turbulence in the fluid flowing through the apparatus. International application WO 2007032472 relates to a mixer provided with three windings arranged around a cylindrical vessel. Electric current flowing through the windings generates a rotating magnetic field, which, by affecting the electrically conductive fluid, causes it to move and flow through the apparatus.

Znany z opisu patentowego PL 219386 mieszalnik magnetyczny zawiera zbiornik, zewnętrzne trójfazowe uzwojenie elektryczne generujące wirujące pole magnetyczne, łopatki, elementy mocujące oraz wewnętrzne uzwojenia elektryczne usytuowane na dyfuzorach magnetycznych zamontowanych współosiowo w zbiorniku oraz pionowe przegrody umieszczone przy ściance zbiornika, które wyposażono w turbinki.The magnetic stirrer known from the patent description PL 219386 comprises a tank, an external three-phase electric winding generating a rotating magnetic field, blades, mounting elements and internal electric windings located on magnetic diffusers coaxially mounted in the tank, and vertical partitions located at the wall of the tank, which are equipped with turbines.

W polskim zgłoszeniu patentowym P. 394335 opisano mieszalnik magnetyczny zawierający zbiornik, zewnętrzne uzwojenie elektryczne oraz układ mieszadeł. Aparat charakteryzuje się tym, że jest wyposażony w wewnętrzne uzwojenia elektryczne usytuowane na dyfuzorach magnetycznych, zamocowanych współosiowo w zbiorniku oraz pionowe przegrody z turbinkami, umieszczone przy ściance zbiornika. Wytwarzane przez trójfazowe uzwojenie elektryczne wirujące pole magnetyczne napędza mieszadła (wykonane z materiału podatnego na tego typu oddziaływania) oraz wywołuje cyrkulację płynu wewnątrz aparatu.The Polish patent application P. 394335 describes a magnetic mixer containing a tank, external electric winding and a system of stirrers. The apparatus is characterized in that it is equipped with internal electric windings situated on magnetic diffusers coaxially mounted in the tank and vertical baffles with turbines located at the wall of the tank. The rotating magnetic field generated by the three-phase electric winding drives the stirrers (made of a material susceptible to this type of impact) and causes the fluid to circulate inside the apparatus.

Z opisu polskiego zgłoszenia patentowego P. 412174 znany jest dwukomorowy reaktor do magnetycznego wspomagania procesów chemicznych, w których mogą brać udział gazy, ciecze i ciała stałe oraz reakcji chemicznych lub biochemicznych prowadzonych z zastosowaniem mikroorganizmów, wyposażony w dwie komory mieszania, generator wirującego pola magnetycznego, obudowę, pokrywę i dno z króćcami. Reaktor ten wyróżnia się tym, że ma centralną cylindryczną przegrodę, która tworzy wewnątrz reaktora dwie komory cylindryczną i pierścieniową, przymocowaną do stożkowego dna. Reaktor ma zewnętrzną cylindryczną obudowę, w której jest generator wirującego pola magnetycznego, umieszczoną pomiędzy pokrywą a stożkowym dnem. Zewnętrzna cylindryczna obudowa ma króciec wlotowy i króciec wylotowy czynnika termicznego. Stożkowe dno ma centralny króciec wylotowy. Pokrywa ma króciec wlotowy, służący do doprowadzania dodatkowych substancji chemicznych do wnętrza reaktora. Reaktor, pod generatorem ma co najmniej jeden króciec wlotowy na medium reakcyjne.From the description of the Polish patent application P. 412174, there is known a two-chamber reactor for magnetic support of chemical processes in which gases, liquids and solids may take part, as well as chemical or biochemical reactions carried out with the use of microorganisms, equipped with two mixing chambers, a rotating magnetic field generator, housing, cover and bottom with connectors. This reactor is distinguished by the fact that it has a central cylindrical baffle that forms inside the reactor two cylindrical and annular chambers, attached to a conical bottom. The reactor has an outer cylindrical casing in which there is a rotating magnetic field generator, placed between the cover and the conical bottom. The outer cylindrical housing has an inlet port and a thermal medium outlet port. The conical bottom has a central outlet connection. The cover has an inlet port for feeding additional chemicals into the reactor. The reactor underneath the generator has at least one inlet port for the reaction medium.

Opis zgłoszenia patentowego US 5342781 ujawnia konstrukcję bioreaktora typu air-lift z zewnętrzną pętlą cyrkulacyjną do hodowli mikroorganizmów, komórek roślinnych, zwierzęcych w celu pozyskiwania cennych metabolitów. Rurę opadową wyposażono w komorę w kształcie ściętego stożka, tworząc w ten sposób strefę odpadania. Na wewnętrznych ściankach stożka umieszczono pofalowane powierzchnie w celu zwiększenia efektywności oddzielania komórek materii ożywionej od medium hodowlanego.The description of the patent application US 5342781 discloses the construction of an air-lift bioreactor with an external circulation loop for the cultivation of microorganisms, plant cells, animal cells in order to obtain valuable metabolites. The downpipe is provided with a truncated-cone-shaped chamber, thus creating a fall-off zone. Undulating surfaces were placed on the inner walls of the cone in order to increase the efficiency of separating living matter cells from the culture medium.

Opis zgłoszeniowy wzoru użytkowego CN 202157075 dotyczy bioreaktora typu air-lift z zastosowanym zewnętrznym generatorem pola magnetycznego. Urządzenie składa się z przepływowego bioreaktora z wewnętrzną cyrkulacją płynu fermentacyjnego, wyposażonego w króćce wlotowy i wylotowy.The application description of the utility model CN 202157075 concerns an air-lift bioreactor with an external magnetic field generator. The device consists of a flow bioreactor with an internal circulation of the fermentation fluid, equipped with inlet and outlet connections.

PL 233 632 B1PL 233 632 B1

Króciec wylotowy podłączony jest do rurociągu, na którym zamontowano kolejno generator pola magnetycznego, wymiennik ciepła (w celu kondycjonowania temperaturowego pożywki hodowlanej) oraz pompę cyrkulacyjną. Zastosowanie stacjonarnego lub zmiennego pola magnetycznego umożliwia poprawę rozpuszczania tlenu w medium hodowlanym w celu poprawienia warunków procesowych w zbiorniku bioreaktora. W opisie zgłoszenia patentowego US 5728577 omówiono bioreaktor wyposażony w wykonujący ruchy obrotowe wał z przymocowaną do niego konstrukcją, na której możliwe jest umieszczenie elementów służących do unieruchamiania mikroorganizmów. Proponowane rozwiązanie konstrukcyjne zapewnia większą efektywność transportu masy pomiędzy mikroorganizmami a medium hodowlanym wzbogacanym w gaz.The outlet stub pipe is connected to a pipeline on which a magnetic field generator, a heat exchanger (for temperature conditioning of the culture medium) and a circulation pump are installed. The use of a stationary or alternating magnetic field makes it possible to improve the dissolution of oxygen in the culture medium to improve the process conditions in the bioreactor vessel. Patent application US 5,728,577 describes a bioreactor provided with a rotating shaft with a structure attached to it, on which it is possible to place elements for immobilizing microorganisms. The proposed design solution ensures greater efficiency of mass transport between microorganisms and the gas-enriched culture medium.

Opis zgłoszeniowy wynalazku US 5955326 dotyczy sposobu produkcji celulozy bakteryjnej z zastosowaniem bioreaktora z obrotowymi dyskami. Wynalazek umożliwia prowadzenie procesu produkcji celulozy, w postaci jednolitych błon, z wysoką wydajnością.Patent application US 5,955,326 relates to a method for the production of bacterial cellulose using a rotating disc bioreactor. The invention enables the cellulose production process to be carried out in the form of uniform films with high efficiency.

Podsumowując powyższy stan techniki, można wyciągnąć następujące wnioski dotyczące zastosowania w bioprocesach omawianych rozwiązań konstrukcyjnych: i) proponowane rozwiązania konstrukcyjne nie zapewniają właściwych warunków operacyjnych przy wzrastającej lepkości medium hodowlanego; ii) możliwość występowania w medium hodowlanym tzw. martwych stref, wpływających na jakość i ilość otrzymywanego produktu; iii) niewystarczająca wymiana masy na granicy faz gaz-ciecz; iv) niedostateczne rozprowadzenie składników odżywczych wewnątrz medium hodowlanego; v) w przypadku zastosowania zewnętrznego oddziaływania siłowego w postaci pola magnetycznego, pole może cechować się silną niejednorodnością oraz zmiennością w czasie i/lub przestrzeni, powodując występowanie w objętości roboczej obszarów o obniżonej wartości natężenia pola magnetycznego.Summarizing the above state of the art, the following conclusions can be drawn regarding the application of the discussed design solutions in bioprocesses: i) the proposed design solutions do not provide proper operating conditions with increasing viscosity of the culture medium; ii) the possibility of the so-called dead zones that affect the quality and quantity of the product obtained; iii) insufficient mass transfer at the gas-liquid interface; iv) insufficient distribution of the nutrients inside the culture medium; v) in the case of application of an external force interaction in the form of a magnetic field, the field may be highly heterogeneous and vary in time and / or space, resulting in regions of reduced magnetic field strength in the working volume.

Uwzględniając powyższe uwagi celowym jest opracowanie aparatu umożliwiającego otrzymanie produktu o żądanym stopniu czystości oraz realizację procesu z zadawalającą wydajnością. Głównym celem wynalazku jest opracowanie wspomaganego magnetycznie bioreaktora hybrydowego, łączącego główne zalety kolumn typu air-lift oraz aparatów wykorzystujących mieszadła mechaniczne.Taking into account the above remarks, it is advisable to develop an apparatus that allows to obtain a product with the desired degree of purity and to carry out the process with satisfactory efficiency. The main objective of the invention is to develop a magnetically assisted hybrid bioreactor that combines the main advantages of air-lift columns and apparatuses using mechanical stirrers.

Wspomagany magnetycznie bioreaktor, według wynalazku, zawiera reaktor air-lift z generatorami pola magnetycznego, kolumny i charakteryzuje się tym, że ma wznoszącą kolumnę i opadającą kolumnę, połączone od góry z komorą (kołnierzowo z dnem komory), która ma kształt prostopadłościanu o cylindrycznym dnie (taka konstrukcja komory umożliwia pracę dysków w pobliżu dna komory aparatu.), a od dołu z łącznikiem, który składa się z rurowej części środkowej i dwóch bocznych trójników (3), przy czym kolumny umieszczone są w obudowie (np. prostopadłościennej) z osobnymi dla każdej kolumny generatorami wirującego pola magnetycznego (po jednym dla każdej kolumny). Kolumny stanowią przewody rurowe o równej długości, korzystnie kolumny są równoległe do siebie. Komora ma wał, na którym osadzone są obrotowe dyski (mieszadła tarczowe) w postaci krążka lub stożka. Dyski obrotowe osadzone są na wale i obracają się wraz z nim. Korzystnie dyski wykonane są z materiału (tworzywa sztucznego np. polietylen lub metalu np. stali nierdzewnej) umożliwiającego tworzenie się na nich biofilmu. Bioreaktor w łączniku, poniżej wznoszącej kolumny ma bełkotkę, np. toroidalną, która umożliwia doprowadzanie do medium hodowlanego gazu np. powietrza, powietrza wzbogaconego o tlen. W reaktorze stosunek przekroju poprzecznego wznoszącej kolumny do opadającej kolumny jest nie większy niż 1.The magnetically assisted bioreactor according to the invention comprises an air-lift reactor with magnetic field generators, columns and is characterized in that it has a rising column and a falling column connected at the top to a chamber (flanged to the bottom of the chamber) which is shaped like a cuboid with a cylindrical bottom (such a construction of the chamber allows the disks to work near the bottom of the chamber of the apparatus.), and from the bottom with a connector, which consists of a tubular middle part and two side tees (3), with the columns placed in a housing (e.g. rectangular) with separate rotating magnetic field generators for each column (one for each column). The columns are pipes of equal length, preferably the columns are parallel to each other. The chamber has a shaft on which rotating disks (disk agitators) in the form of a disk or a cone are mounted. Rotary discs sit on the shaft and rotate with it. Preferably, the discs are made of a material (plastic, e.g. polyethylene or metal, e.g. stainless steel) that allows the formation of a biofilm on them. The bioreactor in the connector below the riser column has a bubbler, e.g. toroidal, which allows the culture medium to be fed with gas e.g. air, oxygen-enriched air. In the reactor, the ratio of the cross section of the rising column to the falling column is not more than 1.

Korzystnie w trójnikach łącznika rozmieszczono króćce umożliwiające operacje technologiczne podczas prowadzenia bioprocesu takie jak np. doprowadzenie czynnika sterylizującego aparat, wprowadzenie pożywki itd.Preferably, stub pipes are arranged in the tees of the connector, enabling technological operations during the bioprocess, such as e.g. feeding the device sterilizing agent, feeding the nutrient solution, etc.

Korzystnie obrotowy dysk jest perforowany, co zwiększa jego powierzchnię oraz ułatwia utrzymanie się biofilmu. Korzystnie perforacja ma kształt otworów o równej średnicy. W celu osadzenie na wale korzystnie obrotowe dyski mają centralne otwory przelotowe.Preferably the rotating disc is perforated, which increases its surface area and facilitates the maintenance of the biofilm. Preferably, the perforation has the shape of holes of equal diameter. Preferably, the rotatable disks have central through-holes for mounting on the shaft.

Korzystnie stożkowe obrotowe dyski rozmieszczone są parami zwróconymi do siebie ściętymi wierzchołkami.Preferably, the conical rotating discs are arranged in pairs of truncated peaks facing each other.

Korzystnie komora wyposażona jest w pokrywę.Preferably, the chamber is provided with a lid.

Korzystnie reaktor ma w łączniku zasuwę, która umożliwia regulowanie strumienia płynu przepływającego z jednej kolumny do drugiej.Preferably, the reactor has a gate valve in the connector which allows the flow of fluid to be regulated from one column to the other.

Korzystnie generatory pola magnetycznego mają średnicę wewnętrzną zbliżoną do zewnętrznej średnicy kolumn. Korzystnie szczelina pomiędzy wewnętrzną średnicą statora a zewnętrzną średnicą kolumny jest jak najmniejsza. Korzystnie generatory wirującego pola magnetycznego są umieszczone względem siebie równolegle oraz na tej samej wysokości. Generator wirującego pola magnetycznego ma postać statora indukcyjnego silników klatkowych.Preferably, the magnetic field generators have an inside diameter similar to the outside diameter of the columns. Preferably, the gap between the inside diameter of the stator and the outside diameter of the column is as small as possible. Preferably, the rotating magnetic field generators are arranged parallel to each other and at the same height. The rotating magnetic field generator is in the form of an induction stator for squirrel-cage motors.

PL 233 632 B1PL 233 632 B1

Uzwojenie generatora wirującego pola magnetycznego jest zasilane prądem trójfazowym wywołującym w przestrzeni reakcyjnej wirujące pole magnetyczne (we wnętrzu statora), pole cechujące się niejednorodnością w przestrzeni indukcji magnetycznej oraz stałością w czasie. Korzystnie obudowa ma króciec wlotowy i króciec wylotowy czynnika termicznego (obudowa ta wypełniona cieczą termostatuje reaktor oraz uzwojenia generatorów), dzięki czemu istnieje płaszcz, który służy do zapewnienia stabilnych warunków temperaturowych dla przepływającego przez wznoszącą kolumnę i opadającą kolumnę medium hodowlanego.The winding of the rotating magnetic field generator is powered by a three-phase current that causes a rotating magnetic field in the reaction space (inside the stator), a field characterized by heterogeneity in the magnetic induction space and constancy over time. Preferably, the housing has an inlet port and an outlet port for the thermal medium (this liquid-filled housing thermostats the reactor and generator windings), so that there is a jacket that serves to provide stable temperature conditions for the culture medium flowing through the rising column and the falling column.

Reaktor pracuje w sposób okresowy. Do wnętrza reaktora wprowadza się sterylne medium hodowlane oraz zaszczepia odpowiednim inokulum. Cyrkulacja wewnątrz bioreaktora wywoływana jest poprzez wprowadzenie do niego przez bełkotkę strumienia gazu w dolnej części wznoszącej kolumny. Unoszące się pęcherzyki gazu (we wznoszącej kolumnie) wprawiają również w ruch ciecz, następnie w komorze dochodzi do rozdzielenia gazu od cieczy, jednocześnie następuje zassanie cieczy przez opadającą kolumnę, zamknięcie pętli cyrkulacyjnej dokonuje się poprzez przepływ cieczy łącznikiem z jednej kolumny do drugiej. Wywołany w ten sposób przepływ medium we wznoszącej kolumnie, przepływa przez strefę oddziaływania magnetycznego, komorę z układem obrotowych dysków- mieszadeł, opadającą kolumnę oraz strefę oddziaływania magnetycznego w opadającej kolumnie. Następnie medium powraca do wznoszącej kolumny poprzez poziomy łącznik, pomiędzy obiema kolumnami, gdzie zasilane jest nową porcją gazu. Objętość strumienia recyrkulowanego może być sterowana poprzez odpowiednie przymykanie i otwieranie znajdującej się na łączniku zasuwy. Korzystnie maksymalny stopień zapełnienia aparatu medium hodowlanym jest równy połowie wysokości obrotowego dysku.The reactor works batchwise. Sterile culture medium is introduced into the reactor and the appropriate inoculum is inoculated. Circulation inside the bioreactor is caused by introducing a gas stream into it through a bubbler at the bottom of the rising column. The rising gas bubbles (in the rising column) also set the liquid in motion, then the gas is separated from the liquid in the chamber, at the same time the liquid is sucked through the falling column, the circulation loop is closed by flowing the liquid through a connector from one column to another. The resulting flow of the medium in the rising column flows through the magnetic interaction zone, the chamber with the rotary disk-stirrer system, the descending column and the magnetic interaction zone in the descending column. The medium then returns to the rising column via the horizontal connector between the two columns where it is fed with a new portion of gas. The volume of the recirculated stream can be controlled by appropriate closing and opening of the gate valve located on the connector. Preferably, the maximum degree of filling the apparatus with the culture medium is equal to half the height of the rotating disc.

Kolumnowa budowa bioreaktora wiąże się z brakiem obszarów o wysokich naprężeniach ścinających oraz umożliwia pracę w szerokich zakresach przepływu medium hodowlanego. W komorze, poprzez zastosowanie dysków obrotowych, uzyskuje się obszary cechujące się dodatkowym rozwinięciem powierzchni, lepszym natlenieniem z zachowaniem dobrej cyrkulacji mieszanego medium. Rozwiązanie umożliwia regulację prędkości obrotowej dysków. W przypadku realizacji procesu z udziałem materii ożywionej, główną zaletą oddziaływania wirującego pola magnetycznego jest fizyczne zintensyfikowanie zjawisk transportu masy, pędu i energii pomiędzy pożywką a mikroorganizmami lub bezpośredni wpływ tego typu oddziaływania fizycznego na mikroorganizmy, co wpływa na jakość i ilość wytworzonej biomasy oraz bioproduktu. Rozwiązanie umożliwia regulację natężenia uzyskiwanych pól magnetycznych. Bioreaktor według wynalazku w znaczący sposób poprawia efektywność realizowanych procesów, zapewniając odpowiednią: intensywność mieszania, ilość dostarczonego gazu, oraz odpowiednią powierzchnię zajmowaną przez mikroorganizmy. Zastosowanie połączenia kolumny air-lift, z dyskami oborowymi w jednym aparacie oraz mieszalnia magnetycznego zapewnia właściwy przebieg procesów kinetycznych z udziałem materii ożywionej, jak również możliwość elastycznego dostosowywania warunków hodowli.The column structure of the bioreactor is associated with the lack of areas with high shear stresses and enables operation in a wide flow range of the culture medium. In the chamber, thanks to the use of rotating disks, areas are obtained with additional surface development, better oxygenation while maintaining good circulation of the mixed medium. The solution allows you to adjust the speed of rotation of the disks. In the case of the implementation of the process with the participation of living matter, the main advantage of the effect of the rotating magnetic field is the physical intensification of the phenomena of mass, momentum and energy transport between the medium and microorganisms, or the direct impact of this type of physical interaction on microorganisms, which affects the quality and quantity of biomass and bioproduct. The solution allows you to adjust the intensity of the magnetic fields obtained. The bioreactor according to the invention significantly improves the efficiency of the processes carried out, ensuring the appropriate: mixing intensity, the amount of gas supplied, and the appropriate surface area occupied by microorganisms. The use of a combination of an air-lift column with cowshed discs in one apparatus and a magnetic mixing room ensure the proper course of kinetic processes with the participation of living matter, as well as the possibility of flexible adjustment of breeding conditions.

Wspomagany magnetycznie bioreaktor hybrydowy według wynalazku przedstawiony jest w przykładach wykonania oraz na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia wspomagany magnetycznie bioreaktor w przekroju wzdłużnym, Fig. 2 przedstawia bioreaktor w przekroju bocznym, Fig. 3 przedstawia krążkowy obrotowy dysk z perforacją w widoku z przodu, Fig. 4 przedstawia krążkowy obrotowy dysk z perforacją w przekroju poprzecznym, Fig. 5 przedstawia parę dysków stożkowych obrotowych z perforacją połączonych wierzchołkami w widoku.The magnetically assisted hybrid bioreactor according to the invention is shown in the exemplary embodiments and in the drawing, in which Fig. 1 is a longitudinal sectional view of the magnetically assisted bioreactor, Fig. 2 is a side sectional view of the bioreactor, Fig. 3 is a front view of a perforated circular disk. Fig. 4 shows a perforated circular disk in cross section, Fig. 5 shows a pair of perforated circular taper disks connected by their peaks in view.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Wspomagany magnetycznie bioreaktor zawiera kolumny wykonane z materiału niewykazującego właściwości magnetycznych: wznoszącą 1 i opadającą 2, wprowadzone dolnymi końcami w odrębne trójniki 3, połączone rurową częścią środkową, które razem stanowią łącznik 4. Trójniki 3 zaopatrzono w króćce, niezbędne do poprawnej realizacji procesu hodowlanego. Od góry kolumny 1 i 2 połączone są z komorą 5, w której umieszczono wał 6, na którym umieszczono obrotowe dyski 7. Dyski 7 mają kształt krążków. Pomiędzy łącznikiem 4 i komorą 5 bioreaktor ma obudowę 8, w której umieszczono, osadzone na kolumnach 1 i 2, generatory 9 wirującego pola magnetycznego. W trójniku 3, pod wznoszącą kolumną 1, jest króciec, do którego wprowadzono bełkotkę 10. Generatory 9 zasilane są prądem jednofazowym. Reaktor ma w łączniku 4 zasuwę 11.The magnetically assisted bioreactor comprises columns made of non-magnetic material: rising 1 and falling 2, inserted at their lower ends into separate tees 3, connected by a tubular middle part, which together constitute a connector 4. The tees 3 are provided with stub pipes necessary for the proper implementation of the breeding process. At the top, columns 1 and 2 are connected to the chamber 5, in which the shaft 6 is placed, on which the rotating discs 7 are placed. The discs 7 have the shape of discs. Between the connector 4 and the chamber 5, the bioreactor has a housing 8 in which there are mounted on columns 1 and 2 generators 9 of a rotating magnetic field. In the tee 3, under the rising column 1, there is a stub pipe into which a bubbler 10 has been introduced. The generators 9 are powered by single-phase current. The reactor has a damper 11 in the connector 4.

Zasada działania opiera się na wywołaniu cyrkulacji wewnątrz reaktora poprzez wprowadzenie do jego wnętrza za pomocą bełkotki 10 strumienia gazu. Unoszące się pęcherzyki gazu we wznoszącej kolumnie 1 wprawiają w ruch ciecz, następnie w komorze 5 dochodzi do rozdzielenia gazu od cieczy. Jednocześnie następuje zassanie cieczy do opadającej kolumny 2. We wznoszącej kolumnie 1, mieszanina ciecz-gaz przepływa przez strefę oddziaływania generatora 9 wirującego pola magnetycznego,The principle of operation is based on creating a circulation inside the reactor by introducing a gas stream into it with the help of a bubbling 10. The rising gas bubbles in the rising column 1 set the liquid in motion, and the gas is separated from the liquid in the chamber 5. At the same time, the liquid is sucked into the falling column 2. In the rising column 1, the liquid-gas mixture flows through the interaction zone of the generator 9 of the rotating magnetic field,

PL 233 632 B1 natomiast w opadającej kolumnie 2, przez strefę oddziaływania magnetycznego (drugiego generatora 9) przepływa wyłącznie ciecz. W komorze 5 zamontowano obrotowe dyski 7 z perforacją, które osadzone są na poziomym obrotowym wale 6. Wykonano perforacje na całej powierzchni kontaktu obrotowego dysku 7 z cieczą. Perforacja wykonana jest w postaci otworów umożliwiających przepływ cieczy na drugą stronę dysku 7, oraz ułatwiających utrzymanie się biofilmu.In contrast, in the falling column 2, only liquid flows through the magnetic interaction zone (of the second generator 9). In the chamber 5 rotating disks 7 with perforation are mounted, which are mounted on a horizontal rotating shaft 6. Perforations were made on the entire contact surface of the rotating disk 7 with the liquid. The perforation is made in the form of holes allowing the liquid to flow to the other side of the disk 7 and facilitating the maintenance of the biofilm.

P r z y k ł a d IIP r z x l a d II

Reaktor vu konam analogicznie jak w przykładzie I, przy czym, w komorze 5 umieszczono stożkowe obrotowe dyski 7, 7', które rozmieszczone są parami zwróconymi do siebie wierzchołkami. Oś stożkowego dysku obrotowego 7, 7' pokrywa się z osią wału 6. Łącznik 4 wykonany jest w postaci monolitu. Generatory 9 zasilane są prądem trójfazowym i mają postać statorów indukcyjnych silników klatkowych. Obudowa 8 ma wlotowy króciec i wylotowy króciec czynnika termicznego.The reactor vu konam in the same way as in example 1, but in the chamber 5 there are conical rotating disks 7, 7 ', which are arranged in pairs with vertices facing each other. The axis of the conical rotating disc 7, 7 'coincides with the axis of the shaft 6. The connector 4 is made in the form of a monolith. The generators 9 are powered by a three-phase current and are in the form of induction squirrel-cage motor stators. The housing 8 has an inlet port and an outlet port for the thermal medium.

Claims

Patent claims

1. Magnetically assisted bioreactor, comprising an air-lift reactor with magnetic field generators, columns, characterized in that it has a rising column (1) and a falling column (2) connected at the top to a chamber (5) which has the shape of a cylindrical cuboid at the bottom, and at the bottom with a connector (4), which consists of a tubular middle part and two side tees (3), the columns (1,2) are placed in the housing (8) with separate columns for each column (1,2 ) by rotating magnetic field generators (9), the chamber (5) has a shaft (6) on which rotating discs (7) in the form of a disk or cone are mounted, and in the connector (4), below the rising column (1), it has a bubbler ( 10), with the ratio of the cross-sectional area of the rising column (1) to the falling column (2) not greater than 1.

2. A magnetically assisted bioreactor according to claim 1 The method of claim 1, characterized in that the rotatable disk (7) is perforated.

3. The magnetically assisted bioreactor according to claim 1, The device as claimed in claim 1, characterized in that the conical rotating discs (7, 7 ') are arranged in pairs with vertices facing each other.

4. The magnetically assisted bioreactor of claim 1 A bolt according to claim 1, characterized in that it has a bolt (11) in the connector (4).

5. The magnetically assisted bioreactor of claim 1 The method of claim 1, characterized in that the rising column (1) and the falling column (2) are made of a material that does not exhibit magnetic properties and does not suppress an externally applied magnetic field.

6. The magnetically assisted bioreactor of claim 1 A method according to claim 1, characterized in that the rotating magnetic field generators (9) are in the form of stators of cage induction motors.

7. A magnetically assisted bioreactor according to claim 1 The method of claim 1, characterized in that the winding of the rotating magnetic field generator (9) is supplied with a three-phase current.

8. A magnetically assisted bioreactor according to claim 1, The process of claim 1, characterized in that the housing (8) has an inlet port and an outlet port for the thermal medium.