Ферментационная установка для культивирования метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus
FERMENTATION PLANT FOR CULTIVATION OF METHANE-OXIDIZING BACTERIA METHYLOCOCCUS CAPSULATUS

Изобретение относится к области биотехнологии, в частности к аппаратам для культивирования биомассы метанокисляющих микроорганизов Methylococcus capsulatus.
Актуальность разработки нового эффективного биореактора применительно к газожидкостной ферментации на природном газе аэробных метанокисляющих микроорганизмов связана, с одной стороны, с повышенным экономическим интересом к использованию значительных запасов природного газа, а с другой стороны, с малоэффективным аппаратурным оформлением основной стадии производства белка -процессом ферментации.
Использование природного газа позволит создавать биотехнологические установки, обеспечивающие полноценным белковым кормом агропромышленные комплексы и рыбоводство, а также получение широкой гаммы биопродуктов, его дальнейшей переработки.
Несмотря на значительное количество отечественных и зарубежных аппаратурных решений специфика процесса с использованием двух труднорастворимых газов, кислорода и метана, не позволила к настоящему времени достаточно эффективно и энергоэкономко решить проблему ферментации и получения белка из природного газа в промышленных биореакторах (Винаров А.Ю. и др. «Ферментационные аппараты для процессов микробиологического синтеза» М., ДеЛи Принт, 2005, 275 с.).
Известно большое разнообразие конструкций биореакторов для аэробного культивирования с использованием традиционных мешалок, эжекторов, циркуляционных насосов и барботеров, которые могут быть применены для выращивания биомассы метанутилизирующих микроорганизмов, однако в большинстве случаев их конструктивные характеристики и энергозатратные показатели делают этот процесс малоэффективным, что определяет задачу разработки нового аппарата для аэробного культивирования метанутилизирующих микроорганизмов актуальной и практически важной.
В результате проведенного патентно-информационного поиска были отобраны следующие патенты.
Известен (GB, 1353008) аппарат для получения биомассы микроорганизмов, в котором применен принцип аэрации и перемешивания ферментационной среды. Известный аппарат выполнен из двух вертикально расположенных емкостей, между которыми организована циркуляция всей ферментационной среды за счет разности плотностей аэрированной и дегазированной жидкости. Аэрацию осуществляют с использованием барботера, расположенного в нижней части одной из емкостей, причем отработанный газ, отделенный от жидкости в результате ее дегазации, выходит через верхний патрубок на другой вертикальной емкости, по которой вниз циркулирует дегазированная жидкость, проходя теплообменное устройство. Аппарат предназначен для работы с большими объемами ферментационной среды.
К недостаткам данного аппарата следует отнести недостаточную степень диспергирования газовой фазы и турбулизацию ферментационной среды, что не позволяет эффективно использовать малорастворимые газообразные субстраты и дисперсные среды для процессов ферментации, а также сравнительно низкую поверхность контакта фаз газ-жидкость, обусловленную коалесценцией поднимающихся пузырей, в связи с чем в данном аппарате транспорт газообразных источников роста клеток не обеспечивает их эффективного развития и наращивание биомассы клеток.
Известен аппарат для выращивания микроорганизмов (RU, 2352626). Аппарат содержит емкость, заполняемую культуральной жидкостью до определенного уровня и снабженную патрубками для подвода жидкой минеральной питательной среды, воздуха и отвода накопленной биомассы, а также, как минимум, одну дополнительную емкость, являющуюся абсорбером газообразного субстрата. Эти емкости имеют обечайки с отбортовкой, установленные по оси емкости, служащие для разделения наполняемой жидкостью части емкости на подъемный и опускной каналы. Барботеры для подвода воздуха расположены в подъемных каналах емкостей. Емкости соединены в нижней части жидкостепроводом таким образом, что опускной канал основной емкости соединен с подъемным каналом дополнительной емкости, а опускной канал дополнительной емкости - с подъемным каналом основной емкости, а в жидкостепроводе между емкостями установлен побудитель циркуляции жидкости. Отбортовка в верхней части обечайки дополнительной емкости может быть выполнена в виде воронки, направленной вовнутрь опускного канала, симметричной оси опускного канала. По центру отбортовки может быть установлена дыхательная труба, соединяющая наджидкостную часть емкости с внутренней частью опускного канала, а ниже этой воронки и дыхательной трубы, соосно с ними, установлена другая воронка. Изобретение позволяет получать белковую массу аэробных микроорганизмов (гаприна) при использовании в качестве питания для микроорганизмов газообразного субстрата (природный газ).
Основными недостатками данного аппарата являются: высокие затраты энергии на циркуляцию большого количества жидкости между емкостями; низкая степень диспергирования труднорастворимых газов воздуха (кислорода), метана в водной среде (при размере пузырьков порядка 10 мм), достигаемая в эжекторах гравитационного типа; сложность конструкции ферментера; невысокая скорость массопередачи труднорастворимых газов и связанная с этим низкая производительность по биомассе не позволяет достаточно эффективно использовать этот аппарат в промышленности для получения биомассы метанассимилирующих бактерий.
Известна ферментационная установка для метанокисляющих бактерий (RU, №2580646), выбранная в качестве прототипа. Установка содержит колонный ферментер и два реактора. Ферментер включает корпус, патрубок выхода отработанного газа, патрубок подачи питательных солей, технологической воды, компонентов питания и засевной биосуспензии, патрубок ввода газо-жидкостного потока в ферментер из реакторов и патрубок вывода биосуспензии из ферментера в реакторы. Каждый реактор содержит патрубок отбора газо-жидкостного потока в ферментер, дисковую мешалку с приводом, патрубок подачи биосуспезии из ферментера в реактор. Первый реактор содержит патрубок подачи метаносодержащего газа, второй реактор содержит патрубок подачи кислородсодержащего газа. Ферментер дополнительно содержит средство поддержания температуры, средство поддержания рН среды, средство поддержания уровня растворенного кислорода, анализатор отходящего газа. Привод мешалки в каждом реакторе снабжен датчиком измерения мощности, связанным через логическое устройство-контроллер с регуляторами расхода поступающих газовых потоков и с регулирующими клапанами подачи жидкости в каждый реактор. Изобретение обеспечивает уменьшение энергозатрат на процесс аэробной ферментации, повышение степени использования кислорода и метана, увеличение производительности. Недостатки установки: не достаточно полное отделение газовой фазы от жидкой, нерешенность вопроса достижения в процессе ферментации мелкодисперсного состояния газовой фазы в объеме ферментера.
Техническая задача, решаемая предложенным техническим решением, состоит в повышении эффективности процесса биосинтеза за счет максимально полного отделения газовой фазы от жидкой, и как следствие, снижение потерь напора центробежного насосного оборудования по причине газонасыщения и увеличение эффективности работы эжектора типа жидкость-газ, что способствует увеличению степени насыщения возвращаемой газовой смесью жидкости, вводимой в ферментер.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного аппарата, состоит в повышении степени использования кислорода и метана, а также увеличении производительности и выхода микробиологического процесса получения биомассы метанассимилирующих микроорганизмов на единицу затраченной энергии, а также в создании эффективного аппарата простой конструкции.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать ферментационную установку для метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus, включающую ферментер для проведения аэробных процессов культивирования, снабженный патрубками подачи газовых и жидкостных технологических потоков, выходы полученной биомассы и отходящего газа, элементы для организации потоков внутри. В качестве элементов для организации потоков внутри ферментера используют два барботажных кольца, через которые осуществляют подачу природного газа и кислорода. При этом установка дополнительно содержит накопительную емкость для вывода полученной биомассы из ферментера, и соединенную с ним уравнительной газовой линией, газоотделитель, соединенный с теплообменником и центробежным насосом для возврата жидкой части потока с помощью регулирующего вентиля, и эжектор для возврата в нижнюю часть ферментера отработанного газа и жидкой части потока из газоотделителя.
На рисунке 1 представлена установка для метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus, где 1 - ферментер для выращивания бактерий, 2 - газоотделитель, 3 - накопительная емкость, 4 и 5 - барботажные кольца, 6 - эжектор типа жидкость-газ, 7 - теплообменник, 8 - центробежный насос, 9 - регулирующие вентили, 10 - регулятором давления, 11 и 12 патрубки поступления природного газа и кислорода, 13 - патрубок для вывода отработанного газа из реактора газоотделения, 14 - вывод полученной биомассы из ферментера, 15 и 16 - выход и вход охлаждающей воды для теплообменника, 17 - патрубок для подачи технологической воды в ферментер, 18 - патрубок для подачи водного раствора аммиака в ферментер, 19 - патрубок для подачи раствора питательных солей в ферментер, 20 - выход газожидкостной смеси, 21 - подача газовой смеси в эжектор, 22 - выход жидкой части потока из реактора-газоотделения, 23 - подача жидкости в эжектор, 24 - подача в ферментер газожидкостной смеси, 25 - подача выращенной биомассы в реактор успокоитель. На рисунке 2 представлено барботажное кольцо (4, 5) и патрубки поступления природного газа и кислорода (11, 12).
Предложенная установка состоит из трех основных узлов: ферментера (1), газоотделителя (2) и накопительной емкости (3). В ферментер (1) через патрубки ввода (11) и (12) поступают природный газ и кислород, пройдя слои барботажных колец (4 и 5). Для обеспечения роста биомассы в ферментер через патрубок (19) подается рабочий раствор питательных солей. Для поддержания рН в ферментере (1) через патрубок (18) подается водный раствор аммиака. Так же в ферментер (1) подается через патрубок (17) технологическая вода для организации протока в ферментере. Газожидкостная смесь из нижней части ферментера через патрубок (20), за счет разницы давлений поступает в газоотделитель (2). Откуда часть отработанного газа (абгаза) выводится из процесса через патрубок (13), а оставшееся количество газа через патрубок (21) поступает в эжектор (6) и вводится обратно в ферментер (1). Давление в газоотделителе (2) поддерживается регулятором давления (10). Жидкая часть потока из газоотделителя (2) выходит через патрубок (22), проходит через теплообменик (7) для поддержания требуемой температуры жидкости и с помощью центробежного насоса (8) под напором поступает в эжектор (6). Вход охлаждающей воды в теплообменник (7) происходит через патрубок (16), выход - через патрубок (15).
Из газоотделителя (2) через патрубок (21) выводится регулируемое количество газовой смеси и поступает в эжектор (6). Туда же насосом (8) постоянно подается из газоотделителя (2) через патрубок (23) и жидкость. В эжекторе (6) образуется газожидкостная смесь с заданным распределением пузырей газа в жидкости. И через патрубок (24) полученная смесь поступает под напором в ферментер (1) обеспечивая вращение потока внутри его.
Выравнивание скоростей движения газожидкостного потока из ферментера (1) в газоотделитель (2) и жидкостного потока из газоотделителя (2) в теплообменник (7) происходит с помощью регулирующего вентиля (9) установленного на линии возврата части жидкости с нагнетательной линии на всасывающую линию центробежного насоса (8). При закрытии вентиля (9) происходит возрастание величины жидкостного потока от насоса (8) к эжектору (6), что способствует также увеличению потока газа из газоотделителя (2) через патрубок (21) в эжектор (6) и, как следствие, повышает степень газонасыщения рабочей среды в ферментере (1). При открытии вентиля (9) происходит уменьшение величины жидкостного потока от насоса (8) к эжектору (6), что приводит к уменьшению потока газа из газоотделителя (2) через патрубок (21) в эжектор (6).
Полученная биомасса из ферментера (1) поступает через патрубок (25) в накопительную емкость (3), где происходит ее накопление и вывод из системы ферментации через патрубок (14). Выравнивание давления в накопительной емкости (3) и ферментере (1) происходит за счет соединения их уравнительной газовой линией в верхней части ферментера (1) и накопительной емкости (3).
Принципиальное преимущество приведенной ферментационной установки для культивирования метанокисляющих микроорганизмов по сравнению с ранее известными - максимально полное отделение газовой фазы от жидкой в газоотделителе (2) с помощью принудительного забора ее эжектором типа жидкость-газ (6). Как следствие, происходит снижение потерь напора центробежного насосного оборудования по причине газонасыщения и увеличение эффективности работы эжектора типа жидкость-газ (6), что способствует увеличению степени насыщения возвращаемой газовой смесью (абгазом) жидкости, вводимой в ферментер (1).
Пример технологического режима культивирования
Культуру Methylococcus capsulatus выращивают в ферментере (1). Процесс выращивания осуществляется в непрерывном режиме при избыточном давлении. Для проведения процесса культивирования ферментер (1) заполняется технологической водой и раствором минеральных питательных солей. В качестве основного технологического сырья процесса выращивания используется природный газ с содержанием метана не менее 90% об. Процесс осуществляют в среде насыщенной кислородом. В качестве источника кислорода для подачи в ферментер (1) может быть использован как чистый газ, так и обогащенный кислородом воздух.
В ферментере (1) поддерживается рН среды, устанавливаемый в диапазоне 5,6-5,8 ед. Данный интервал рН в аппарате поддерживается подачей в систему аммиачной воды, которая одновременно является источником азота. Рабочая температура процесса поддерживается в диапазоне 42-45°С, посредством охлаждения циркулирующей биомассы в выносном теплообменнике. Рабочее давление в аппарате составляет 0,5 МПа.
-1
Средняя рабочая концентрация клеток в отбираемой биомассе составляет 18÷21 г/л (АСВ), при удельной скорости протока среды через аппарат не менее 0,2 ч.
В газоотделителе (2) происходит отделение не менее 95% (по объему) газовой фазы из газожидкостной смеси, что позволяет сохранить эффективность работы центробежного насоса, т.е обеспечить сохранение его основных харатеристик - производительности и напора.
Организация принудительного отбора газа из газоотделителя (2) с помощью эжектора (6) и введение его в составе газожидкостной смеси в ферментер (1) позволяет обеспечить высокую степень диспергирования газовой фазы в жидкости внутри аппарата и увеличить степень использования природного газа.