ИНЖЕКТОР С ИЗМЕНЯЕМОЙ ПЛОЩАДЬЮ СЕЧЕНИЯ КОНФУЗОРА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ГАЗОВОЙ ЭМУЛЬСИИ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ МИКРОБНОГО БЕЛКА НА ОСНОВЕ МЕТАНОКИСЛЯЮЩИХ БАКТЕРИЙ

Полезная модель относится к устройствам типа струйных аппаратов, в частности к вихревым и водовоздушным инжекторам. Может быть использована в микробиологической промышленности для создания газовой эмульсии при получении микробной белковой массы штамма метанокисляющих бактерий, являющихся продуцентом микробной белковой массы, и используемых в сельском хозяйстве для кормления животных.
На сегодняшний день в России имеется дефицит кормовых продуктов.
Основным источником белкового продукта является соевый шрот. Однако природные условия России не благоприятны для выращивания сои в достаточных количествах и оптимальным решением является поиск других способов производства кормового белка.
Одним из перспективных путей получения полноценного белкового кормового продукта являются метанотрофные бактерии, продуцирующие белок. Метанотрофные бактерии в подходящих условиях активно перерабатывают природный газ, быстро размножаются и наращивают свою биомассу, богатую ценным белком, витаминами и иными биологически активными веществами.
В настоящее время в качестве таких бактерий используют штаммы: Pseudomonas methanica, Methylococcus capsulatus BKM B-2116, Methylocystis parvus BKM B-2129, Methylosinus sporium BKM B-2123, Methylosinus trichospohum BKM B-2117, Methylobacter acidophilus, Methylomonas rubra ВСБ-90, Methylococcus sp. ЧМ-9, Methylococcus capsulatus ВСБ-874, Methylococcus minimus, Methylomonas methanica, Methylomonas agile.
К недостаткам указанных штаммов относится невысокая скорость роста и нестабильное содержание белка, которое в большинстве случаев ниже 70%, а также потребность в повышенных количествах биостимулятора, в частности автолизата, которая проявляется при выращивании штамма в асептических лабораторных условиях.
Известен патент RU2613365, опубл.: 16.03.2017., в котором описан способ получения микробного белка на основе метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus ГБС-15 в непрерывном режиме в ферментере эжекционного типа объемом 40 л (рабочий объем - 25 л) с непрерывной подачей питательной среды содержащей следующие компоненты (на 1 л среды):
3
4
Фосфорная кислота HРО (70%) - 0,35 мл
Хлористый калий KCl - 0,125 г
4
2
Сульфат магния MgSO×7HО - 0,105 г
4
2
Сульфат железа FeSO×7HО - 10,75 мг
4
2
Сульфат меди CuSO×5HО - 10 мг
2
Сульфат марганца MnSO4×5HО - 9,5 мг
3
3
Борная кислота HВО - 6,25 мг
4
2
Сульфат цинка ZnSO×7HО - 1,5 мг
4
2
Сульфат кобальта CoSO×7HО - 0,25 мг
2
4
2
Натрий молибденовокислый NaМоO×2HО - 0,25 мг
Процесс выращивания осуществляли при температуре 42°С и рН среды выращивания 5,6-5,8. Значение рН поддерживали 10%-ным раствором аммиачной воды. Регулирование температуры процесса осуществляли подачей охлаждающей воды в теплообменник аппарата.
Расход природного газа и воздуха на 1 л культуральной среды составляли 15 и 45 л/час соответственно.
Культуру выращивали при атмосферном давлении, температуре 42°С и при перепаде температур от 40° до 45°С, величине рН 5,6 и при коэффициенте скорости протока 0,25 ч-1, концентрация биомассы в ферментере составляла 10-11 г/л.
Известен способ получения микробного белка на основе метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus ГБС-15 (патент RU 2720121, опубликовано:   2020.04.24), который предусматривает приготовление питательной среды, состоящей из калия, магния, железа (II), меди, марганца, цинка, кобальта и молибдата натрия заданной концентрации с добавлением фосфорной кислоты, ферментацию бактериальных культур с постоянной подачей культуральной жидкости, раствора аммиака и газовой смеси при температуре 40-45°С в непрерывном протоке 0,2-0,3 объема ферментера в час. Затем осуществляют сепарацию с получением готового продукта. При этом отработанную культуральную жидкость после сепарации возвращают через накопительную емкость на стадию ферментации в объеме от 10 до 95% от общего количества используемой воды, обогащают недостающими минеральными солями до заданных концентраций в культуральной жидкости с последующим продолжением ферментации бактериальной культуры.
Получение микробного белка на основе природного газа представляет ферментативный процесс на минеральной питательной среде. Процесс приготовления питательной среды состоит из нескольких стадий:
приготовление индивидуальных растворов минеральных солей заданной концентрации на подготовленной воде (сульфаты калия, магния, железа (II), меди, марганца, цинка, кобальта, борной кислоты и молибдата натрия);
приготовление концентрированного раствора солей путем дозирования в отдельную емкость расчетного количества готовых индивидуальных растворов минеральных солей, фосфорной кислоты и подготовленной воды;
подготовку воды осуществляют путем очистки ее от механических примесей, отдельных нежелательных компонентов и микроорганизмов.
Засев ферментера осуществляют штаммом культуры Methylococcus capsulatus ГБС-15 ассоциацией микроорганизмов, которые позволяют утилизировать органические продукты метаболизма основной культуры.
Процесс ведут в протоке (0,2-0,3 объема ферментера в час) с непрерывной подачей раствора минеральных солей и фосфорной кислоты, раствора аммиака, растворов солей кальция, натрия и газовой смеси при температуре 40-45°С.
Образующуюся в процессе ферментации суспензию сепарируют, разделяя биомассу и отработанную культуральную жидкость, состоящую из непотребленных элементов минерального питания, продуктов жизнедеятельности бактерий, таких как пептиды, аминокислоты, растворимые углеводы и др.
В аналоге разработан процесс возврата отработанной культуральной жидкости от 10 до 95% в процесс ферментации вместо воды. При этом контролируется как подача отработанной культуральной жидкости, так и подача концентрированного раствора солей для сбалансированности состава минерального питания. Кроме того, оставшаяся после сепарации живая микрофлора, состоящая как из основной культуры, так и спутников, перерабатывающих метаболиты основной культуры, позволяют повысить продуктивность процесса на 10-30%. Качество получаемого продукта соответствует всем требованиям, предъявляемым к микробному белку на основе углеводородного сырья, производимого с использованием очищенной воды.
Культуру выращивали при атмосферном давлении, при коэффициенте скорости протока 0,25 ч-1, концентрация биомассы в ферментере составляла 10-11 г/л.
При использовании такого режима культивирования в течение длительного времени, с использованием природного газа различного состава (с содержанием метана от 85% об. до 99,9% об.) процесс шел стабильно и качество получаемой биомассы соответствовало по составу биомассе, получаемой при культивировании без возврата отработанной культуральной жидкости.
Технической проблемой аналога при получении микробного белка на основе метанокисляющих бактерий является невозможность подбора оптимальных условий перемешивания суспензии и газовой фазы в инжекторе, обеспечивающих дробление газовой составляющей с образованием мелкодисперсной газовой эмульсии, что снижает площадь контакта фаз газ-жидкость и как следствие - снижает массообмен (меньше газа может быть поглощено бактериями). Все это уменьшает количество выработки культуры на единицу времени.
Наиболее близким аналогом является патент RU 2111386, опубликовано: 20.05.1998, в котором описан инжектор, имеющий приемную камеру, конфузор и ввод для обеспечения подачи газа в конфузор, причем корпус инжектора представляет собой вытянутую трубку с цилиндрической головной частью и утолщенным наконечником, где головная цилиндрическая часть изнутри имеет сужение в форме усеченного конуса.
Технической проблемой прототипа является невозможность менять площадь сечения конфузора, что не позволяет использовать его для получения мелкодисперсной газовой эмульсии при изменяемом потоке суспензии при получении микробного белка на основе метанокисляющих бактерий.
При подборе оптимальных условий культивирования метанокисляющих бактерий, в зависимости от получаемого белка, от исходных растворов, от используемых штаммов метанокисляющих бактерий необходимо регулировать скорость потока внутри инжектора при установленных расходах жидкостного и газового потоков, для обеспечения образования устойчивой мелкодисперсной газовой эмульсии. В прототипе данная задача невыполнима.
Задача полезной модели - обеспечить за счет использования инжектора устойчивое образование мелкодисперсной газовой эмульсии при получении микробного белка на основе метанокисляющих бактерий; создание инжектора, применимого при получении микробного белка на основе метанокисляющих бактерий.
Технический результат: возможность менять в инжекторе площадь сечения конфузора.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен инжектор для образование газовой эмульсии при получении микробного белка на основе метанокисляющих бактерий, имеющий приемную камеру, конфузорно-диффузорный переход и ввод для обеспечения подачи газа в конфузор, причем корпус инжектора представляет собой вытянутую трубку с цилиндрической головной частью, где головная цилиндрическая часть изнутри имеет сужение в форме усеченного конуса, отличающийся тем, что вход в приемную камеру инжектора расположен тангенциально оси цилиндрической головной части, а конфузорно-диффузорный переход образован сменными шайбами разных диаметров с внутренним отверстием в форме усеченного конуса.
Допустимо, что форма наконечника ввода выполнена гидродинамической.
Допустимо, что вход в приемную камеру инжектора расположен радиально относительно оси цилиндрической головной части.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан схема установки для получения микробной белковой массы, в которой используется заявленный инжектор.
На фиг. 2 показан пример конструктивного исполнения инжектора.
Осуществление полезной модели
Полезная модель заявленного устройства инжектора может быть использована на примере системы, схема которой показана на фиг. 1.
Исходные растворы, необходимые для жизнедеятельности бактерий, дозируются из емкостей 5.1-5.9 перистальтическими насосами 11.1-11.8 в промежуточную емкость 5.10, откуда насосом 8 подаются в блок ферментера.
Блок ферментера состоит из трубного ферментера 1, газоотделителя 2, инжектора 3, теплообменника 4 и циркуляционного насоса 7. В блок ферментера подводятся: питательные растворы, природный газ и воздух, необходимые для жизнедеятельности бактерий.
Перед началом работы стенд засевается рабочим штаммом бактерий.
В процессе работы стенда циркуляционный насос 7 забирает суспензию из газоотделителя 2 и подает ее на теплообменник 4 и инжектор 3. Инжектор 3 предназначен для насыщения суспензии природным газом и образования газовой эмульсии с сильно развитой поверхностью раздела фаз, способствующей увеличению массообмена газ-жидкость. Из инжектора 3 газовая эмульсия подается в длинную трубу - трубный ферментер 1.
В трубном ферментере 1 природный газ из газовых пузырьков переходит в жидкую фазу, а углекислый газ, образовавшийся в процессе жизнедеятельности бактерий, из жидкой фазы в газовую. Бактериальная суспензия из трубного ферментера 1 распыляется форсункой газоотделителя 2.
Природный газ переходит в жидкую фазу за счет разности концентраций природного газа в газовой фазе и жидкости, поскольку в жидкости он постоянно поглощается бактериями. Углекислый газ так же переходит из жидкой фазы в газовую из-за разности концентраций, так как в жидкость выделяется бактериями, удаляется из газовой фазы вместе с абгазами в газоотделителе.
В газоотделителе 2 уровень жидкости поддерживается на минимальном значении, достаточном для устойчивой работы циркуляционного насоса 7.
В блок ферментора подаются питательный раствор (насосом 8), воздух компрессором 6 и природный газ через инжектор 3. Газовая фаза из блока ферментора выводится через газоотделитель 2. Жидкая фаза (бактериальная суспензия) выводится насосом 10. Регулировка уровня жидкости осуществляется регулированием подачи насосом 8 и отвода насосом 10.
В нижнюю часть газоотделителя 2 подводится воздух.
В газоотделителе 2 при распылении суспензии образуются струи и капли обеспечивающие большую поверхность массообмена. Струи образуются за счет центробежных сил, возникающих при закручивании потока жидкости в форсунке. А при выходе из форсунки на большой скорости центробежные силы разрывают сплошной поток и образуются капли.
Суспензия насыщается кислородом, а накопившийся углекислый газ удаляется. Кратность циркуляции суспензии в блоке ферментора может быть установлена от 50 до 250 в час. Готовая бактериальная суспензия отводится из блока ферментера насосом 10.
Функциональная роль газоотделителя - удаление из газовой эмульсии углекислого газа и насыщение ее кислородом.
Функциональная роль блока приготовления питательных растворов - создание ионного раствора необходимого для жизнедеятельности (питания) бактерий и подача его в блок ферментора. В блок входят емкости 5.1-5.10, насосы 11.1-11.8, насос 8, система трубопроводов 16 вплоть до крана 15.
Функциональная роль блока теплообмена - поднятие температуры системы в начале до температуры максимальной активности бактерий (40-45°С), а затем отвод избыточного тепла, выделяемого бактериями при жизнедеятельности, с поддержанием оптимальной температуры (40-45°С). Блок теплообмена состоит из теплообменника 4, калорифера-охладителя 12, нагревателя 13, буферной емкости 14 и циркуляционного насоса 9, соединительные трубопроводы (на чертеже отрисованы, но не обозначены). В блоке теплообмена 4 циркулирует вода, поддерживая заданную температуру бактериальной суспензии.
Функциональная роль блока ферментора - поддержание установленного объема бактериальной массы, обеспечение равномерного снабжения этой массы питательным раствором, природным газом, кислородом, отвод образовавшегося в процессе жизнедеятельности бактерий углекислого газа. В данный блок входит все не вошедшее в блоки приготовления питательных растворов и теплообмена.
Принцип использования заявленного инжектора в работе системы по производству микробного белка на основе метанокисляющих бактерий состоит в следующем.
4
2
4
2
4
2
4
4
3
4
4
2
4
2
4
2
4
2
3
3
4
2
4
2
2
4
2
Исходные растворы, необходимые для жизнедеятельности бактерий дозируются из емкостей 5.1-5.9 перистальтическими насосами 11.1-11.8 в промежуточную емкость 5.10, откуда насосом 8 подаются в блок ферментера. В качестве растворов могут использоваться NaOH, CaCl, (NH)SO, NaSO, HSO, NHOH, минеральное питание (раствор солей HРО, KCl, MgSO×7HО, FeSO×7HО, СuSО×5HО, MnSO×5HО, HВО, ZnSO×7HО, CoSO×7HО, NaMoO×2HО.
4
В блок ферментера подводятся: питательные растворы природный газ (метан CH) и воздух, необходимые для жизнедеятельности бактерий.
Компоненты питательных растворов, необходимые для жизнедеятельности бактерий дозируются из емкостей 5.1-5.9 перистальтическими насосами 11.1-11.8 в промежуточную емкость 5.10, откуда насосом 8 подаются в блок ферментера.
Попадая в промежуточную емкость 5.10 растворы смешиваются. В зависимости от подачи насосов 11.1-11.8 можно получить заданную концентрацию итогового питательного раствора по необходимым компонентам. Готовый питательный раствор из промежуточной емкости 5.10 насосом 8 подается в блок ферментера.
Перед началом работы стенд засевается рабочим штаммом бактерий, например, штаммом метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus ГБС-15 или любым другим штаммом метанотрофных (потребляющих метан как основной источник питания) бактерий.
Суспензия насыщается кислородом, а накопившийся углекислый газ удаляется за счет разности концентраций кислорода и углекислого газа в распыляемой суспензии и газовой фазе. Происходит абсорбция кислорода и десорбция углекислого газа.
Кратность циркуляции суспензии в блоке ферментора опытным путем проверялась при работе системы в диапазонах от 50 до 250 в час, но может быть скорректирована.
Сепарацию образующейся в процессе ферментации суспензии углекислого газа осуществляют через газоотделитель 2, в нижнюю часть которого подводят воздух, а через верхнюю насосом подают бактериальную суспензию из ферментора 1.
Суспензию подают в газоотделитель 2 из трубного ферментора 1, затем из газоотделителя с помощью циркуляционного насоса через теплообменник направляют на инжектор 3.
Реализовано это может быть за счет того, что к нижней части газоотделителя подключен патрубок подачи воздуха и выходные патрубки для отвода готовой бактериальной суспензии, а к верхней части газоотделителя подключены: канал отвода абгазов, выходной канал ферментора и выходной канал промежуточной емкости с исходными растворами, входной канал которой является общим выходным каналом емкостей с исходными растворами, необходимых для жизнедеятельности бактерий.
Выходной патрубок газоотделителя подключен через циркуляционный насос ко входу теплообменника и через дополнительный насос к выпускному каналу.
Выход теплообменника подключен ко входу инжектора, а выход инжектора подключен ко входу в трубный ферментер.
Из инжектора газовая эмульсия подается в трубный ферментер, после которого бактериальную суспензию распыляют форсункой газоотделителя и отводят из блока ферментера насосом, а абгазы из ферментора выводится через газоотделитель.
Инжектор 3 для насыщения бактериальной суспензии природным газом и/или кислородом и/или воздухом может быть выполнен, например, следующим образом.
Корпус инжектора 3 представляет собой вытянутую трубку с цилиндрической головной частью 24. Головная цилиндрическая часть 24 изнутри имеет сужение 28 в форме усеченного конуса. Вход в приемную камеру 17 инжектора расположен тангенциально оси цилиндрической головной части 24, что обеспечивает тангенциальный вход потока суспензии и, как следствие, закручивание потока жидкости в инжекторе и более равномерное распределение газовых пузырьков в суспензии.
В средней части корпуса инжектора 3 выполнен конфузорно-диффузорный переход 19 в виде сужения потока до горловины 30 с последующим плавным расширением. Начало сужения 29 потока конфузора 19 по диаметру соответствует диаметру малого основания усеченного конуса сужения 28 головной цилиндрической части 24. При их совмещении возникает плавное сужение от головной цилиндрической части до горловины.
Сужение и расширение в конфузорно-диффузорном переходе 19 образовано шайбами 19.1-19.13 разных диаметров с внутренним отверстием в форме усеченного конуса, подбор которых можно регулировать и менять скорость и давление в месте сужения в зависимости от изменяемых в разных экспериментов объемных и массовых потоков жидкости и газа.
Конфузор 19 инжектора 3 нужен для перемешивания потоков жидкости и газа. При прохождении через сужение и последующий диффузор происходит дробление крупных пузырей газа на мелкие с образованием газовой эмульсии с высокой площадью контакта фаз.
Благодаря наличию сменных шайб 19.1-19.13 площадь сужения конфузорно-диффузорного перехода 19 можно установить меньше основного проходного сечения инжектора в х2, х4, х8, х16, х32, х64 раза и соответственно увеличить на тоже самое значение скорость.
Через ввод 18 осуществляется подача газа в конфузор инжектора 3.
Наконечник 21 является съемным и обеспечивает возможность смены шайб 19.1-19.13 в инжекторе и подключения инжектора к технологическим трубопроводам.
Ввод 18 имеет наконечник 23 для обеспечения подачи газа в конфузор 19 инжектора при большой начальной скорости, снижающей вероятность образования крупных пузырей. Форма наконечника 23, предпочтительно, выполнена гидродинамической для снижения сопротивления потоку жидкости и исключения образования «карманов» завихрения потока или накопления газа.
Ввод 18 фиксируется на корпусе инжектора в его головной части 24 с помощью крышки 22, которая фиксируется к головной части 24 винтами 20. К самой крышке 22 ввод фиксируется с помощью винтов 25. Для герметичности фиксации крышки 22 к головной части 24 предпочтительно использовать уплотнительное резиновое кольцо 27, установленное на крышке 22 в кольцевой канавке.
Два резиновых кольца уплотнения 26 расположены вокруг ввода и обеспечивают герметичность при возможности смещения ввода 18 в осевом направлении для подбора лучших условий смешения.
Принцип работы инжектора 3 заключается в следующем.
Циркуляционный насос подает суспензию в приемную камеру 17 инжектора тангенциально, благодаря чему происходит завихрение потока суспензии. Завихрение потока сохраняется и на выходе из инжектора, что обеспечивает перемешивание суспензии и более равномерное распределение пузырьков газа. Через ввод 18 в конфузор 19 инжектора подается газ. Газовые пузыри увлекаются потоком суспензии в конфузоре 19, дробятся при прохождении сужения и диффузора на маленькие пузыри обеспечивающие большую площадь контакта фаз газ-жидкость.
Инжектор 3 обеспечивает смешение газа с жидкостью таким образом, чтобы площадь контакта фаз газ-жидкость была максимальной. Чем больше площадь контакта фаз, тем быстрее идет массообмен, больше газа растворяется в жидкости в единицу времени и может быть поглощено бактериями.
Инжектор может быть также применим для насыщения суспензии воздухом и образования газовой эмульсии с сильно развитой поверхностью раздела фаз, способствующей увеличению массообмена газ-жидкость.
Заявленный инжектор обеспечивает эффективное образование газовой эмульсии и более равномерное распределение пузырьков газа при получении микробного белка на основе метанокисляющих бактерий, что увеличивает площадь контакта фаз газ-жидкость и как следствие - повышает массообмен (больше газа может быть поглощено бактериями). Все это увеличивает количество выработки культуры на единицу времени.