УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБРАЖИВАНИЯ УГЛЕВОДСОДЕРЖАЩИХ СРЕД

Настоящая полезная модель относится к микробиологической промышленности и касается устройств для сбраживания углеводсодержащих сред с помощью бактерий, продуцирующих органические растворители - бутанол, ацетон и этанол.
Известные микробиологические способы получения бутанола и других органических растворителей предусматривают сбраживание раствора Сахаров в ферментере с использованием различных штаммов бактерий с последующим выделением органических растворителей и газов, образующихся в процессе ферментации.
Выделение растворителей из ферментационных сред является самой энергоемкой и, как следствие, самой дорогостоящей стадией в ферментационном процессе получения растворителей. Так, например, среднее количество энергии, необходимое для выделения литра этанола, продуцируемого Saccharomyces cerevisiae, составляет 2446 ккал. Количество энергии для выделения бутанола, продуцируемого Clostridium acetobutilicum, в три раза больше, поскольку ферментационная среда содержит только 2% бутанола, по сравнению с 6% содержанием этанола в дрожжевой ферментационной среде (Andrei G. Fadeev et al., Opportunities for ionic liquids in recovery of biofuels, Chem. Commun., 2001, 295-296). Обычно этанол выделяют дистилляцией. Однако процесс выделения бутанола из ферментационной среды дистилляцией не является экономичным.
Альтернативные известные устройства выделения растворителей из ферментационных сред включают стриппинг-колонну (US 2005/0089979 A1, 28.04.2005), экстракционную колонну (US 5215902 А, 01.06.1993), модуль с твердой мембраной из частиц цеолита, нанесенных на матрицу из полидиметилсилоксана или ацетата целлюлозы (US 5755967, 26.05.1998) и прочие.
В настоящее время ведутся интенсивные разработки энергосберегающих методов разделения, в том числе мембранных.
Мембраны - твердый или жидкий селективно-проницаемый барьер между двумя различными фазами.
Используемые в настоящее время мембраны изготавливают из органических (в том числе полимерных) и неорганических (металлических, керамических, стеклянных и пр.) материалов. Мембраны могут быть твердые и жидкие.
Под жидкими мембранами понимают мембраны с жидкостью, иммобилизованной внутри пор микропористой подложки. Если мембрана смачивается жидкостью, то последняя может удерживаться в порах за счет капиллярных сил, поэтому при достаточно малых порах жидкость удерживается на подложке при разнице давлений под и над мембраной в несколько атмосфер.
Известна жидкая мембрана, иммобилизованная внутри пор микропористого носителя, в частности, полипропилена, полиамида, полиимида (WO 0156933, 09.08.2001) для выделения целевых соединений, в частности, пенициллина и органических кислот (фенилаланин, молочная кислота, уксусная кислота). Раствор, содержащий целевое соединение, проходит с одной стороны мембраны, с другой стороны мембраны для выделения соединений применяют дисперсную систему, которую формируют при смешивании водного раствора для реэкстракции с органической жидкостью.
Известно (RU 2044773, 27.09.1995) устройство для сбраживания углеводсодержащих сред с помощью бактерий, продуцирующих бутанол, ацетон, этанол, содержащее два последовательно соединенных реактора и внешним контуром для выделения из сброженной среды целевого продукта, внешний контур содержит стриппинг-колонну или пердиффузионный модуль с мембраной, например, из силиконового материала.
Все вышеописанные известные устройства обладает следующими недостатками:
- сложностью конструкции, которая требует нескольких отдельно стоящих аппаратов;
- низкой экономичностью процесса за счет высокоэнергоемкой стадии выделения;
Таким образом, существует необходимость в недорогом и достаточно простом в применении устройстве для сбраживания углеводсодержащих сред и выделения органических растворителей из ферментационных сред.
Технической задачей настоящей полезной модели является создание устройства для сбраживания углеводсодержащих сред, свободного от вышеперечисленных недостатков.
Техническим результатом полезной модели является снижение энергоемкости процесса при одновременном упрощении конструкции.
Для решения данной задачи предложено устройство для сбраживания углеводсодержащих сред с помощью бактерий, продуцирующих органические растворители - бутанол, ацетон и этанол, включающее ферментер и узлы подачи сырья и отвода целевых продуктов отличающееся тем, что оно содержит мембрану для выделения органических растворителей из сброженной среды.
В качестве мембраны возможно использование ультрафильтрационной мембраны.
В качестве мембраны возможно использование жидкой мембраны.
В качестве жидкой мембраны предпочтительно использовать слой гидрофобной жидкости.
В качестве гидрофобной жидкости можно использовать синтетические масла, например, силиконовое, парафиновое масло; растительные масла, например, кукурузное, соевое масло; некоторые высшие спирты или высшие жирные кислоты.
Одним из вариантов выполнения предлагаемого устройства является выполнение его с отдельной емкостью, связанной с ферментером контуром циркуляции, при этом, мембрана для выделения органических растворителей размещена в емкости.
В качестве мембраны возможно использование ультрафильтрационной мембраны.
В качестве мембраны возможно использование жидкой мембраны.
В качестве жидкой мембраны предпочтительно использовать слой гидрофобной жидкости.
В качестве гидрофобной жидкости можно использовать синтетические масла, например, силиконовое, парафиновое масло; растительные масла, например, кукурузное, соевое масло; некоторые высшие спирты или высшие жирные кислоты.
Предложенное устройство представлено на чертежах, где на Фиг.1 показан общий вид ферментера с размещенной в нем мембраной, а на Фиг.2 представлен вариант выполнения устройства с мембраной, размещенной вне ферментера.
Устройство, изображенное на Фиг.1, содержит ферментер 1, снабженный узлом для подачи субстрата (исходных компонентов для сбраживания) 2, патрубком слива твердого осадка после ферментации 3, узлом отвода целевых продуктов 4, содержащим вакуумный насос, патрубком отвода ферментационного газа 5. В ферментере 1 размещена мембрана 6.
В случае выполнения предложенного устройства, как показано на Фиг.2, оно содержит ферментер 1, снабженный узлом для подачи субстрата (исходных компонентов для сбраживания) 2, патрубком отвода ферментационного газа 5. Мембрана 6 размещена в отдельной емкости 7, снабженной узлом отвода целевых продуктов 4, содержащим вакуумный насос. Ферментер 1 соединен с отдельной емкостью 7 контуром циркуляции 8, имеющим запорно-регулирующие вентили (на чертеже не показаны), насос 9. Ферментер 1 в данном случае снабжен мешалкой 10.
Устройство, представленное на Фиг.1, работает следующим образом:
Ферментер 1 через узел подачи 2 заполняют рабочей средой (раствор минеральных солей, необходимый набор витаминов и один из источников углерода; вносят инокулят микроорганизмов продуцентов бутанола, ацетона и этанола, задают параметры процесса (температура, давление, рН). Начинается процесс брожения, интенсивный синтез органических растворителей достигает максимума к 28-36 часу.
Затем давление в ферментере 1 с помощью вакуумного насоса понижают и начинают процесс вывода паров растворителей (ацетона, этанола, бутанола) через мембрану 6, которая препятствует попаданию паров воды в вакуумную магистраль. Отобранная газовая среда направляется в холодильное устройство (на чертеже не показано), где растворители конденсируются и перетекают в накопительный объем.
Если процесс осуществляют непрерывно, то через узел подачи 2 в ферментер 1 периодически вводят раствор углеводов и минеральных солей, поддерживая концентрацию углеводов в ферментере в пределах 0,8-1,2%. Слив рабочей среды из ферментера производят через патрубок 3.
В описанном устройстве вакуумированию необходимо подвергать весь объем сбраживаемой среды в ферментере 1, вследствие чего расход энергии для понижения давления (создания вакуума) является значительным.
Для снижения затрат энергии на стадии выделения возможно выполнение устройства для сбраживания, дополнительно содержащее отдельную емкость, связанную с ферментером контуром циркуляции, при этом, мембрана для выделения органических растворителей из сброженной среды размещена в ней.
Согласно варианту на Фиг.2 устройство работает следующим образом:
Ферментер 1 через узел подачи 2 заполняют рабочей средой, вносят инокулят микроорганизмов продуцентов бутанола, ацетона и этанола, задают параметры процесса (температуру, давление, рН). Начинается процесс брожения, интенсивный синтез органических растворителей достигает максимума к 28-36 часу.
Затем рабочую жидкость из ферментера 1 подают в отдельную емкость 7. Давление в емкости 7 понижают и начинают процесс вывода паров растворителей (ацетона, этанола, бутанола) через мембрану 6, которая препятствует попаданию паров воды в вакуумную магистраль. Отобранная газовая среда направляется в холодильное устройство (на чертеже не показано), где растворители конденсируются и перетекают в накопительный объем.
После эвакуации растворителей вакуумный насос отключают, и по контуру циркуляции 8 с помощью насоса 9 обедненную органическими растворителями культуральную жидкость из емкости 7, перекачивают обратно в ферментер 1. При работе мешалки 10 поступившая среда из емкости 7 перемешивается с основным объемом культуральной жидкости в ферментере 1 и процесс повторяется. Затем новую порцию культуральной жидкости с повышенным содержанием бутилового спирта и других продуктов брожения из ферментера 1 перекачивают насосом в отдельную емкость 7 и цикл повторяется.
Преимущества предложенного устройства, прежде всего, заключаются в возможности выделения органических растворителей из ферментационного раствора с помощью мембраны в процессе ферментации, что наряду с получением целевых продуктов, позволяет создать оптимальные условия для процесса брожения.
По сравнению с другими устройствами для выделения мембранное выделение позволяет обеспечить малую энергоемкость, высокую эффективность при сверхнизких концентрациях извлекаемых веществ, высокую селективность и избирательность.