насос-дозатор к ферментеру

Формула изобретения

НАСОС-ДОЗАТОР К ФЕРМЕНТЕРУ, содержащий корпус, выполненный в виде коллектора крестообразной формы с двумя соосными и двумя параллельными каналами, клапан к ферментеру с эластичной манжетой и патрубком для подключения к внешним устройствам, а также патрубки с размещенными в них клапанами для подвода и отвода пара, герметичный зажим с гибким шлангом и штуцером для подачи культуральной жидкости, электропневмопреобразователи, сообщенные трубопроводами с клапанами, и устройство управления, соединенное цепями управления с электропневмопреобразователями, отличающийся тем, что насос-дозатор к ферментеру снабжен дополнительным клапаном с запорным элементом, установленным в едином корпусе с клапаном к ферментеру, при этом корпус снабжен общей эластичной манжетой, герметично перекрытой штоками клапанов с образованием между ними полости фиксированного объема, и штуцером для подачи сжатого воздуха, расположенным между клапанами, причем дополнительный клапан и штуцер соединены трубопроводами с соответствующими электропневмопреобразователями, управляемые цепи которых связаны с устройством управления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к устройствам для реализации управляемого протока рабочих сред в ферментерах с сохранением асептических условий проводимого процесса и может быть использовано в медицинской и пищевой промышленности, а также в научно-исследовательской практике.

Известен насос (дозатор) к ферментеру, входящий в состав аппаратов для культивирования микроорганизмов АК-203, АК-210 выпускаемых НПО Биологического приборостроения РАН с 1983 г. Конструктивно насос представляет собой набор элементов, закрепленных на панели. В состав насоса входит рабочая камера, сообщенная посредством резиновых трубок с клапаном для ввода и клапаном для вывода рабочей жидкости, а через штуцер с пневмореле, которое обеспечивает подачу газа под избыточным давлением в газовую полость рабочей камеры для вытеснения прокачиваемой жидкости. Указанные клапаны имеют пневмопривод и управляются сигналами, поступающими с электропневмопреобразователей. Насос (дозатор) используется для выполнения технологических операций, связанных с вводом в ферментер титранта, пеногасителя или других добавок. Для выполнения работ в асептических условиях насос стерилизуют в автоклаве, после чего под пламенем горелки подключают к ферментеру.

Недостатком насоса (дозатора) является трудоемкость выполнения операций по автоклавированию и подключению этого устройства к ферментеру. Указанные операции проводятся вручную с участием нескольких человек в неконтролируемых условиях. При этом, исходя из опыта эксплуатации, проведение таких работ часто связано с нарушением асептики процесса и, как следствие, потерей или снижением качества получаемого продукта. Конструкция насоса (дозатора) не предусматривает промывку мерной емкости в процессе эксплуатации, что не позволяет, используя одно устройство, производить ввод в ферментер растворов с разными свойствами. Этот недостаток значительно усложняет аппаратурное оформление биотехнологических процессов, так как для внесения в ферментер различных добавок необходимо использовать не одно, а несколько аналогичных устройств, включая системы электронного управления.

Известен паростерилизуемый разъем к ферментеру [2] содержащий корпус со штуцером и размещенными в нем запорными элементами клапанов, патрубки для подвода и отвода культуральной жидкости, соответственно, к пробоприемнику и из ферментера и устройство управления клапанами. Корпус данного устройства представляет коллектор крестообразной формы, внутри которого выполнены два параллельных и перпендикулярно им расположенные два соосных канала. Соосные каналы через управляемые клапаны подключены к магистрали для протока пара, а параллельные каналы с одной стороны через управляемый клапан подключены к ферментеру, а с другой через пережимное устройство к внешней емкости.

Использование данного устройства с ферментером позволяет реализовать практически все технологические операции по вводу в ферментер различных жидкостей, отбор проб и проток культивационных сред и культуральных суспензий в асептических условиях.

Однако все указанные операции осуществляются с использованием дополнительных биотехнологических систем, включающих насосы, дозаторы, пульсаторы жидкости или сливные устройства, которые стерилизуются отдельно от паростерилизуемого разъема в автоклаве. Отсутствие единого комплекса значительно усложняет технологию осуществляемых операций, снижает надежность и качество выполняемых работ.

В основу изобретения положена задача создания полифункционального устройства, обладающего свойствами насоса, дозатора, пульсатора и паростерилизуемого разъема, работа которого должна осуществляться по соответствующим программам. Объединение указанных функций в одном устройстве позволит не только унифицировать его применительно к различным конструкциям ферментеров, значительно упростить эксплуатацию, повысить надежность работы и качество получаемого продукта, но и расширить сферу использования нового прибора.

Эта задача решается тем, что насос-дозатор к ферментеру, содержащий корпус, выполненный в виде коллектора крестообразной формы с двумя соосными и двумя параллельными каналами, клапан к ферментеру с эластичной манжетой и патрубком для подключения к ферментеру, а также патрубки с размещенными в них клапанами для подвода и отвода пара и герметичным зажимом с штуцером и гибким шлангом для подачи культуральной жидкости, электропневмопреобразователи и устройство управления, соединенное с цепями управления электропневмопреобразователей, в соответствии с изобретением снабжен дополнительным клапаном с запорным элементом, установленным в едином корпусе с клапаном к ферментеру, при этом корпус снабжен общей эластичной манжетой, герметично перекрытой штоками клапанов с образованием между ними полости фиксированного объема и штуцером для подачи сжатого воздуха, расположенным между клапанами, причем дополнительный клапан и штуцер соединены трубопроводами с соответствующими электропреобразователями, управляемые цепи которых связаны с устройством управления.

Новая конструкция насоса-дозатора обеспечивает проведение проточных ферментаций, введение в ферментер различных добавок, отбор достоверных проб и подключение к ферментеру различных внешних систем без нарушения стерильности исследуемого процесса. Все указанные операции выполняются в автоматическом режиме по отдельным программам, имеют высокую воспроизводимость и надежность при использовании, что обеспечивает экологическую чистоту проводимых процессов и, как следствие, улучшает качество получаемого продукта.

На фиг. 1 изображена функциональная схема насоса-дозатора к ферментеру; на фиг. 2 функциональная схема подключения насоса-дозатора к ферментеру; на фиг. 3 функциональная схема устройства управления; на фиг.4 и 5 представлен насос-дозатор к ферментеру в разных вариантах конструкторского исполнения, общий вид.

Насос-дозатор к ферментеру, представленный на фиг.1, содержит корпус 1, представляющий собой коллектор крестообразной формы, в одном из каналов которого установлена перегородка 2, образующая два параллельно расположенных канала 3, заканчивающихся с одной стороны фланцем 4, а с другой штуцером 5 с заглушкой 6, корпус 7, клапан к ферментеру 8 и клапан 9, эластичную манжету 10 с фиксированной полостью 11, штуцер 12 и фланцы 13 и 14, клапаны 15 и 16 для протока пара, электропневмопреобразователи 17 и устройство управления 18.

На фиг.2 представлена функциональная схема подключения насоса-дозатора к ферментеру, включающая ферментер 19, емкость 20 с бактериальным фильтром 21, шлангом 22 с зажимом 23 и источник 24 пара.

В качестве источника пара может быть использован генератор-паростерилизатор.

Устройство управления, представленное на фиг.3, содержит процессор 25, построенный, например на микропроцессоре серии К-580 и снабженного клавиатурой 26. Процессор через выходное устройство 27, содержащее усилители мощности, обеспечивает реализацию алгоритмов и программ управления насосом-дозатором к ферментеру в соответствии с заданными с клавиатуры 26 параметрами.

Электропневмопреобразователи через распределительный коллектор сообщены с источником сжатого воздуха, а каждый электропневмопреобразователь соединен трубопроводом с клапаном, которым он управляет. Управляющие цепи каждого электропневмопреобразователя шиной управления 28 соединены с выходным устройством 27 устройства управления 18.

Многофункциональное использование насоса-дозатора обеспечивается выполнением следующих программ: "Паростерилизуемый разъем", "Насос", "Пульсатор", "Дозатор", "Пробоотборник".

Работа устройства по программе "Паростерилизуемый разъем".

До включения программы "Паростерилизуемый разъем", необходимо со штуцера 5 снять заглушку 6 и подсоединить к нему шланг 22, герметично закрытый зажимом 23 и принадлежащий одному из внешних устройств, например, другому ферментеру, емкости для сбора продукта, дезинтегратор и др. После выполнения этих операций с помощью клавиатуры 26, устройства управления 18 производят ввод параметров процесса стерилизации и включение программы "Паростерилизуемый разъем".

В процессе выполнения программы "Паростерилизуемый разъем" включаются соответствующие электропневмопреобразователи 17, по сигналу которых открываются клапаны 15 и 16. Пар из источника 24 в соответствии с заданными параметрами стерилизации поступает в коллектор 1 через клапан 15, обтекает перегородку 2 по параллельным каналам 3 и через клапан 16 может возвращаться обратно в источник 24 пара или сбрасываться в устройстве сбора конденсата. Непрерывный проток пара через коллектор 1 обеспечивает качественную стерилизацию полостей стыков параллельных каналов 3, образованных фланцем 4 с одной стороны и частью шланга 22, ограниченной зажимом 23 с другой. После истечения времени стерилизации клапаны 15 и 16 и соответствующие им электропневмо-преобразователи 17 принимают исходное положение, и программа "Паростерилизуемый разъем" считается завершенной.

Работа устройства по программе "Насос".

Для реализации указанной программы необходимо к штуцеру 5 подключить шланг 22 с зажимом 23, принадлежащий, например, емкости 20 с бактериальным фильтром 21. Для обеспечения стерильности в случае необходимости выполняют программу "Паростерилизуемый разъем", вышеописанным способом и по окончании ее открывают зажим 22. Затем с помощью клавиатуры 26 устройства управления 18 производят ввод параметров режима работы насоса, направление движения прокачиваемой жидкости и включают программу "Насос".

С прохождением программы "Насос" открывается клапан 8, и полость 11 эластичной манжеты 10 заполняется культивационной средой из ферментера 19. Затем клапан 8 закрывается, открывается клапан 9 и одновременно через штуцер 12 от соответствующего электропневмопреобразователя 17 в корпус 7 подается сжатый воздух, который сжимает эластичную манжету 10 и вытесняет находящуюся в ней культивационную среду по каналам 3 и шлангу 22 в емкость 20, воздух из которой выходит в атмосферу через бактериальный фильтр 21. Далее клапан 9 закрывается, открывается клапан 8, сжатый воздух из корпуса 7 через штуцер 12 и соответствующий электропневмопреобразователь 17 вытесняется в атмосферу, а манжета 10 вновь заполняется культивационной средой из ферментера 19. При протоке жидкости из емкости 20 в ферментер 19 алгоритм срабатывания клапанов 8, 9 осуществляется в обратной последовательности.

Работа устройства по программе "Пульсатор".

Указанная программа используется для промывки полости 11 и выполняется при замене жидкости, протекаемой через устройство или для ликвидации зон застоя исследуемой жидкости в коммуникационных трубопроводах устройства.

При выполнении программы "Пульсатор" устройство управления 18 в соответствии с вводимыми с клавиатуры 26 параметрами обеспечивает поступление на соответствующий электропневмопреобразователь блока 17 сигнала, посредством которого с заданной чистотой в корпус 7 через штуцер 12 производится подача и сброс сжатого воздуха. Эластичная манжета 10, размещенная в корпусе 7, при прохождении импульсов сжатого воздуха уплощается и восстанавливает свою форму, что способствует активному перемешиванию среды. При открытом клапане 8, культивационная среда активно перемешивается в полости манжеты 10, ограниченной закрытым клапаном 9. Аналогично происходит перемешивание среды в полости, образованной манжетой 10 параллельными каналами 3 и шлангом 22. Для выполнения этой операции клапан 8 закрывается и открывается клапан 9.

Работа устройства по программе "Дозатор".

Перед началом реализации программы "Дозатор" необходимо провести работу по программе "Паростерилизуемый разъем". После выполнения указанной программы с помощью клавиатуры 26 устройства управления 18 вызывают программу "Дозатор" и вводят в нее параметры режима работы, включающие направление протока, частоту и количество доз, и открывают зажим 23. В программу "Дозатор" составной частью входит программа "Пульсатор". При запуске программы "Дозатор", открывается клапан 9, дозируемая среда поступает в полость манжеты 10, а в корпус 7 через штуцер 12 поступают импульсы сжатого воздуха, обеспечивающие активное перемешивание жидкости, подлежащей дозированию по программе "Пульсатор". Через определенное программой "Дозатор" время, клапан 9 закрывается, открывается клапан 8 и одновременно через штуцер 12 в корпус 7 поступает импульс сжатого воздуха, который сжимает эластичную манжету 10 и выдавливает из нее дозируемую жидкость фиксированного объема. Далее, клапан 8 закрывается и описанный цикл работы дозатора повторяется.

Работа устройства по программе "Пробоотборник".

В качестве пробоприемника можно использовать любую емкость, например, емкость 20, оснащенную бактериальным фильтром 21, шлангом 22 с зажимом 23. Наиболее рационально вместо емкости 20 в качестве пробоприемника использовать стеклянную пробирку, так как для анализа не требуется больших объемов исследуемой жидкости. Пробоприемник предварительно автоклавируют, а затем подключают к штуцеру 5. В программу "Пробоотборник" вводят параметры режима стерилизации паром места стыка и количество доз пробы. Работа по программу "Пробоотборник" осуществляется посредством последовательного выполнения программ "Паростерилизуемый разъем" "Дозатор" "Паростерилизуемый разъем". При включении программы "Пробоотборник" сначала реализуется программа "Паростерилизуемый разъем", которая обеспечивает стерилизацию паром каналов 3 и полости, образованной шлангом 22 с зажимом 23. После выполнения этой операции программа "Пробоотборник" прерывается. В период остановки программы открывают зажим 23 на шланге 22, после чего включают продолжение программы "Пробоотборник", которая выполняется по программе "Дозатор". С прохождением этой части программы культивационная среда из ферментера 19 заполняет полость 11 эластичной манжеты 10, перемешивается при пульсации давления сжатого воздуха, воздействующего на эластичную манжету 10 через штуцер 12 и затем перемещается по каналам 3 и шлангу 22 в емкость 20 пробоприемника. После выполнения этой операции программа "Пробоотборник" вновь прерывается. В период остановки программы закрывают зажим 23 на шланге 22, после чего включают продолжение программы "Пробоотборник". Последняя часть программы выполняется для смыва паром следов культивационной среды, остающихся на стенке полости насоса-дозатора после отбора пробы, что обеспечивает экологическую чистоту проводимой операции. После завершения программы "Пробоотбоpник" шланг 22 снимают со штуцера 5, а на его место возвращают заглушку 6.

Новая конструкция насоса-дозатора адаптирована к любым ферментационным аппаратам, обеспечивает асептические условия проводимых работ, многофункциональна, в связи с чем найдет широкое применение в биотехнологии, медицине, пищевой промышленности и в научно-ис-следовательской практике.