ФЕРМЕНТЕР И ФЕРМЕНТАЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
FERMENTER AND FERMENTATION UNIT FOR CONTINUOUS CULTIVATION OF MICROORGANISMS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к биотехнологии, а именно, к способам и устройствам для культивирования микроорганизмов, в том числе метилотрофных и метанотрофных бактерий, и может быть использовано для получения широкой гаммы биопродуктов. Более конкретно, изобретение относится к петлевым биореакторам и способам их эксплуатации.
Уровень техники
Из уровня техники известно устройство для проведения ферментации, представляющее собой U-образный биореактор (ЕР 0418187 А1), в котором один или несколько газов смешиваются с ферментационной жидкостью. Устройство содержит насос, обеспечивающий циркуляцию газосодержащей жидкости в биореакторе и повторное диспергирование газа после U-образной части биореактора. Устройство содержит средства подачи газа, воды, пищевых солей и микроорганизмов, средства отбора полученной биомассы, а также средства контроля и регулирования процесса ферментации.
2
2
2
3
3
Однако известное устройство характеризуется повышенными энергозатратами и ограниченными возможностями стабилизации растворенного СО. При прохождении U-образного изгиба пузырьки газовой смеси всплывают за счет архимедовой силы и вытесняются жидкостью за счет центробежного эффекта к верхней поверхности изгиба. У верхней поверхности U-образного изгиба происходит интенсивное слияние пузырьков. Чтобы разбить газовую фазу в восходящем потоке U-образного биореактора на пузырьки, эквивалентные по размерам пузырькам в нисходящем потоке, в восходящей части должно быть больше статических смесителей, что ведет к увеличению энергозатрат на циркуляцию газосодержащей жидкости. Кроме того, в биореакторе СО образуется как продукт метаболизма клетки и растворяется в культуральной жидкости (КЖ), ингибируя рост микроорганизмов. При высокой продуктивности в крупнотоннажном биореакторе объемом от 50 м с одной точкой дегазации, как правило, невозможно обеспечить концентрацию СО в оптимальном диапазоне по всему контуру циркуляции КЖ, что ведет к снижению скорости роста биомассы. Кроме того, процесс культивирования метанотрофов сопровождается высоким выделением тепла. Это накладывает ограничение на диаметр трубы восходящего и нисходящего потоков. Ограничения на диаметр делают практически нереализуемой конструкцию ферментера объемом более 50 м.
Из уровня техники известен U-образный ферментер (US 6492135 В1), включающий два преимущественно вертикальных участка - для нисходящего и восходящего потоков, и U-образный изгиб, соединяющий нижние концы вертикальных участков. Ферментер содержит встроенный насос, размещенный в U-образном изгибе для циркуляции ферментационной жидкости, статические смесительные элементы (статические миксеры), размещенные в вертикальных участках и предназначенные для измельчения пузырьков газов, вводимых в жидкость для ферментации, средства подачи газа, воды, микроорганизмов и питательных солей, а также средства отбора полученной биомассы. Ферментер снабжен средствами измерения (датчиками) температуры, рН и концентрации компонентов газожидкостной ферментационной смеси, а также средствами управления процессом ферментации.
Однако данное устройство обладает теми же недостатками, что и устройство, раскрытое в публикации ЕР 0418187.
Наиболее близким к заявляемому является U-образный ферментер (US 2011244543), включающий два вертикальных участка для нисходящего и восходящего потоков; U-образный изгиб, имеющий горизонтальный соединительный участок; верхнюю часть в виде цилиндра, расположенного над U-образной частью и соединяющего верхние концы вертикальных участков; при этом диаметр цилиндра существенно больше диаметра труб U-части. В U-части ферментера предусмотрены средства циркуляции жидкости. Отвод ферментационной жидкости осуществляют через выпускное отверстие, расположенное в верхней части или горизонтальном соединительном участке U-образной части ферментера. Ферментер снабжен средствами подачи газа, статическими перемешивающими элементами, средствами подачи воды и питательных солей, датчиками или анализаторами температуры, рН, датчиками определения концентраций компонентов ферментационной газожидкостной смеси, устройствами регулирования давления.
2
2
2
2
2
3
В отличие от аналогов в ферментере предусмотрена возможность уменьшения концентрации растворенного СО в культуральной жидкости за счет создания области остаточного давления. Однако, как правило, концентрация растворенного СО, при которой начинается падение продуктивности процесса ферментации значительно ниже, чем максимально возможная концентрация растворенного СО в рабочих диапазонах температур и атмосферном давлении, поэтому снижение концентрации СО до оптимального диапазона требует давления, значительно ниже атмосферного, и даже в этом случае не позволяет обеспечить уровень растворенного СО в оптимальном диапазоне по всему контуру циркуляции, что ведет к снижению скорости роста биомассы и затрудняет его использование в промышленных масштабах. В случае культивирования микроорганизмов с высоким тепловыделением объем ферментера ограничен возможностями термостатирования. Ферментер характеризуется высоким энергопотреблением, требуемым для обеспечения массообмена между газовой и жидкой фазами, необходимого для высокопродуктивного процесса ферментации; для обеспечения работы дополнительных смесителей для получения в восходящем потоке U-образного биореактора пузырьков, эквивалентных по размерам пузырькам в нисходящем потоке; для циркуляции газосодержащей жидкости. Ферментер известной конструкции накладывает ограничения на использование метанотрофных бактерий, процесс культивирования которых сопровождается высоким тепловыделением, и для которых необходимо использовать трубы для восходящего и нисходящего потоков ограниченного диаметра, что делает практически нереализуемой конструкцию ферментера объемом более 50 м.
2
Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является преодоление недостатков, присущих аналогам и прототипу, а именно, создание энергоэффективного высокопродуктивного промышленного ферментера и ферментационной установки (с получением уровня растворенного в культуральной жидкости СО в пределах, оптимальных для роста культуры).
2
Заявляемое изобретение позволяет оптимизировать (снизить) уровень СО, растворенного в культуральной жидкости, по всему контуру циркуляции, снизить энергозатраты, необходимые для обеспечения массообмена между газовой и жидкой фазами в восходящем потоке культуральной жидкости, увеличить рабочий объем ферментера, удовлетворяя требуемым характеристикам термостатирования КЖ в процессе культивирования микроорганизмов.
Раскрытие сущности изобретения
2
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является обеспечение поддержания концентрации растворенного СО в культуральной жидкости в ферментере при производстве биомассы метанотрофов на уровне, обеспечивающем высокую продуктивность процесса культивирования, обеспечение массообмена между газовой и жидкой фазами в восходящем потоке КЖ при снижении потребляемой энергии и увеличении рабочего объема ферментера.
Достижение заявляемого результата особенно актуально в крупнотоннажном промышленном производстве биопродукта.
Технический результат достигается за счет создания ферментера, включающего, по меньшей мере, четыре блока, соединенные между собой с образованием замкнутого контура для движения культуральной жидкости (КЖ), где первый 1 и третий 3 блоки, предназначенные для нисходящего и восходящего потоков КЖ, соответственно, выполнены преимущественно вертикально ориентированными, каждый из которых включает, по меньшей мере, одну трубу для КЖ, выполненную с возможностью термостатирования КЖ; второй 2 - нижний, и четвертый 4 - верхний блоки, выполнены преимущественно горизонтально ориентированными, и включают емкости, выполненные с возможностью дегазации КЖ; по меньшей мере, один насос 6, подключенный к замкнутому контуру с возможностью обеспечения циркуляции КЖ по замкнутому контуру; а также, по меньшей мере, два барботера 7, выполненные с возможностью подачи газовой смеси в КЖ; статические миксеры 8 для перемешивания КЖ; средства подачи компонентов КЖ 9, 10, отбора КЖ 12, удаления остаточных и образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов газов (абгазов) 11, подачи и отвода теплоносителя 21, средства измерения параметров КЖ 13, 14, 15, 16, 17.
В качестве средств удаления остаточных и образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов газов использованы, по меньшей мере, два выхода или патрубка, один из которых расположен в емкости второго блока, а второй в емкости четвертого блока.
Барботеры расположены на входах для подачи газовых сред и выполнены с возможностью формирования пузырьков газа в КЖ диаметром не более 5 мм. Статические миксеры расположены в зонах соединения второго и третьего блоков, первого и четвертого блоков. Предпочтительно статические миксеры расположены по длине вертикальных блоков на расстоянии друг от друга с обеспечением возможности формирования пузырьков газа диаметром от 1 до 5 мм.
В качестве средств измерения параметров КЖ могут быть использованы средства измерения температуры, включающие термодатчики, связанные через управляющий контроллер с клапанами подачи теплоносителя; средства измерения рН среды, включающие рН датчики, связанные через управляющий контроллер с насосом, подающим титрующий агент; датчики измерения концентраций входящих и выходящих газовых сред, связанные через управляющий контроллер с регуляторами расходов вводимых в ферментер газов и объема газовой смеси, подаваемой на абсорбер; датчики уровня, расположенные в емкости второго и/или четвертого блоков, связанные через управляющий контроллер с насосами подачи питательной среды и средствами отвода КЖ из ферментера; регуляторы давления.
В качестве средств подачи компонентов КЖ могут быть использованы, по меньшей мере, два входа или патрубка для подачи жидких сред, один из которых выполнен в емкости четвертого блока, а второй - в емкости второго блока; по меньшей мере, два входа или патрубка для подачи газовых сред, расположенные в первом и третьем блоках вблизи соединения с четвертым и вторым блоками, соответственно.
В качестве средства отбора КЖ использован, по меньшей мере, один выход или патрубок, расположенный в емкости второго блока.
Для обеспечения возможности дегазации второй и четвертый блок содержат соответствующую емкость 5, имеющую большую площадь поперечного сечения по сравнению с площадью поперечного сечения трубы диаметром ДУФ. При этом в одном из вариантов осуществления изобретения емкость дегазации может быть выполнена в виде циклона (Фиг. 2). В другом варианте осуществления изобретения емкость дегазации может включать три части (расположенные по ходу движения КЖ) - боковую часть 27, центральную часть с отверстием для слива КЖ 26 и конфузор 28, примыкающий к отверстию для слива центральной части, боковая часть и конфузор выполнены с возможностью соединения через переходники с соответствующими вертикальными блоками, при этом центральная часть емкости имеет изменяющуюся площадь поперечного сечения по направлению движения КЖ, которая увеличивается на входном участке емкости, а боковая часть емкости выполнена с изменяющейся высотой и шириной при обеспечении постоянной площади ее поперечного сечения. При этом средство удаления остаточных и образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов газов выполнено в виде клапана дегазации 11, размещенного в верхней точке центральной части емкости 5. Минимальная длина центральной части емкости дегазации может определяться по формуле  где h - высота потока КЖ в центральной части емкости дегазации, u=0,2 м/с-0,3 м/с - скорость всплытия пузырьков (длина центральной части емкости должна обеспечивать возможность всплытия и разрыва пузырьков диаметром от 1 мм со скоростью 0,2 м/с-0,3 м/с), v - скорость движения потока КЖ в центральной части емкости Второй и четвертый блоки выполнены с возможностью циркуляции КЖ с продольным перемешиванием и снабжены ультразвуковым пеногасителем, например, производства Pusonics (https://www.pusonics.es/ultrasonic-defoaming).
В предпочтительном варианте осуществления изобретения насос 6 расположен на входе в первый или третий блоки, которые состоят, по меньшей мере, из двух соединенных между собой секций теплообменных аппаратов 20, при этом секции выполнены многотрубными. При промышленной реализации ферментера первый и третий блоки содержат трубы диаметром не менее 50 мм, в количестве не менее 3, длиной не менее 10 м.
Соединение первого и четвертого блоков и/или второго и третьего блоков, как правило, реализовано с переходным участком Г-образной или ступенчатой формы или U образной формы для установки насоса.
2
Технический результат достигается также за счет создания ферментационной установки для непрерывного культивирования микроорганизмов, включающей ферментер описанной выше конструкции, а также следующие устройства, соединенные в технологической последовательности с обеспечением замкнутого цикла культивирования микроорганизмов: линию водоподготовки 32, подключенную к линии приготовления питательной среды (ПС) 33 и к линии подготовки титрующего агента (ТА) 34, выходы которых соединены с соответствующими входами ферментера и с линией подготовки посевного материала (ПМ) 35; линию подготовки газовой среды (ГС) 36, которая подключена к соответствующему входу ферментера и линии подготовки ПМ, при этом выходы ферментера, предназначенные для удаления остаточных и образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов газов (абгазов) 11, расположенные во втором и четвертом блоках, соединены с линией очистки абгазов от СО 37, выход которой в свою очередь соединен со входами ферментера для подачи газовой среды 9, а выход из ферментера, предназначенный для отбора КЖ 12 соединен с линией сепарации 38, которая в свою очередь соединена с линией стерилизации 39 и линией приготовления ПС 33, а линия стерилизации 39 соединена с линией сушки 40.
2
Линия водоподготовки (ВП) 32 включает фильтрационную установку 41, обеспечивающую обработку поступающей воды для приведения ее качества в соответствие с технологическими требованиями, включая механическую отчистку, биологическую очистку, обессоливание. Линия приготовления питательной среды (ПС) 33 включает, по меньшей мере, две емкости 42, выполненные с возможностью термостатирования приготовляемой питательной среды и снабженные перемешивающим устройством. Линия приготовления посевного материала (ПМ) 35 включает, по меньшей мере, четыре биореактора 43. Линия подготовки титрующего агента (титранта) (ТА) 34 включает емкость 44, выполненную с возможностью термостатирования приготовляемого раствора титранта, и снабженную перемешивающим устройством. Линия подготовки газовой среды (ГС) 36 включает компрессоры 45, устройства подготовки природного газа и кислорода 46, для получения газа или газовой смеси требуемого качества в соответствии с технологическими требованиями, включая удаление воды и нежелательных примесей. Линия очистки абгазов от СО 37 включает абсорбер 47, обеспечивающий очистку абгазов ферментера от углекислого газа и возврат очищенных абгазов в ферментер, емкость дегазации 48, выполненную с возможностью нагрева, компрессор 49. Линия сепарации 38 включает емкость для газоотделения 50, сепаратор для концентрирования КЖ до 85-87% влажности 51, емкость для сбора фильтрата 52. Линия стерилизации 39 включает установку непрерывной стерилизации 53 и ультрафильтрационную установку 54. Линия сушки 40 включает распылительную сушилку кипящего слоя 55.
Отличительными от прототипа признаками ферментера являются выполнение нижнего блока с возможностью дегазации (за счет использования емкости/камеры дегазации), наличие дополнительного средства введения газовой среды, размещенного после емкости дегазации перед/на входе в третий блок, а также использование для вертикальных блоков средств термостатирования КЖ с увеличенным отношением площади поверхности теплообмена к объему, занятому КЖ.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Как правило, концентрация СО, при которой начинается падение продуктивности процесса ферментации в промышленном ферментере, значительно ниже, чем максимально возможная концентрация растворенного СО в рабочих диапазонах температур и атмосферном давлении, поэтому в заявляемом изобретении решение задачи по оптимизации концентрации СО базируется на использовании средств дегазации в верхней и нижней частях ферментера, в отличие от известных аналогов, в которых удаление СО из культуральной жидкости осуществляется в верхней части ферментера. В процессе ферментации КЖ наполняется растворенным СО, образующимся как продукт метаболизма клетки. Высокая концентрация СО в культуральной жидкости (КЖ) ингибирует рост микроорганизмов. Газовая смесь, введенная в ферментер в верхней части первого блока, в соответствии с законом Генри по мере прохождения первого блока наполняется углекислым газом, замедляя рост концентрации растворенного СО. В камере дегазации второго блока газовая смесь с СО удаляется из КЖ. После чего «свежую» газовую смесь (не содержащую СО) подают на входе в третий блок, которая диспергируется в КЖ с образованием пузырьков субмиллиметрового диапазона и не требует дополнительных статических смесителей для разрыва пузырей. В известных конструкциях U-образного ферментера, чтобы разбить крупные пузыри после U-образной части на пузыри диаметром 1 мм используют статический миксер значительной длины с малым гидравлическим диаметром, что требует большого падения давления на миксере и больших энергозатрат. Таким образом, использование средства дегазации в нижней части ферментера в комплексе с дополнительным средством введения газовой среды, расположенным после емкости дегазации, обеспечивает снижение энергозатрат на диспергирование газовой фазы в жидкой фазе, которое в известном аналоге реализуется посредством использования большего количества статических миксеров.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично представлена конструкция заявляемого ферментера, на фиг. 2 схематично представлен вариант выполнения четвертого блока в виде циклона, включая переходные участки в зонах соединения четвертого блока с первым и третьим блоками, вид сбоку и сверху, соответственно, на фиг. 3, 4 схематично представлены варианты выполнения второго блока, включая переходные участки в зонах соединения второго блока с первым и третьим блоками, вид сбоку и сверху, соответственно; на фиг. 5 представлен пример выполнения вертикального блока в виде кожухотрубного теплообменного аппарата с одним контуром для теплоносителя (внешним); на фиг. 6 представлен пример выполнения вертикального блока в виде теплообменного аппарата с двумя контурами теплоносителя (внешним и внутренним), между которыми размещены каналы (трубы) для культуральной жидкости; на фиг. 7 представлена технологическая схема примера реализации заявляемой ферментационной установки, на фиг. 8 схематично представлен реализованный лабораторный петлевой ферментер, на фиг. 9 представлен вариант выполнения промышленного ферментера.
Позициями на фигурах обозначены:
1 - первый блок (преимущественно вертикальный для нисходящего потока)
2 - второй блок (нижний, имеющий горизонтальный участок)
3 - третий блок (преимущественно вертикальный для восходящего потока)
4 - четвертый блок (верхний, имеющий горизонтальный участок)
5 - емкости дегазации
6 - насос
7 - барботер
8 - статические миксеры
9 - входы для подачи газовых сред
10 - входы для подачи жидких сред (питательной среды, посевного материала (инокулянта), титрующего агента)
11 - выходы для удаления остаточных и образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов газов (абгазов)
12 - выход для отбора КЖ
13 - термодатчики
14 - рН датчики
15 - датчики измерения концентраций, входящих и выходящих газовых сред
16 - датчики уровня
17 - регуляторы давления
18 - вход для подачи высокотемпературного пара
19 - трубы первого и третьего блоков
20 - секции первого и третьего блоков (секции теплообменных аппаратов)
21 - входы и выходы для подачи теплоносителя
22 - внешний контур теплообмена теплообменного аппарата (или внешний проточный тракт для теплообменной жидкости)
23 - внутренний контур теплообмена теплообменного аппарата (внутренний проточный тракт для теплообменной жидкости)
24 - каналы теплообменных аппаратов для подачи теплоносителя во внутренний и внешний контуры
25 - проточные тракты для КЖ, разделенные радиальными перегородками теплообменного аппарата
26 - центральная часть (камера) емкости дегазации
27 - боковая часть (камеры) емкости дегазации
28 - конфузор емкости дегазации
29 - переходник
30 - переходной участок для установки насоса
31 - ультразвуковой пеногаситель
32 - линия водоподготовки (ВП)
33 - линия приготовления питательной среды (ПС)
34 - линия подготовки титрующего агента (ТА)
35 - линия подготовки посевного материала (ПМ)
36 - линия подготовки газовой среды (ГС)
2
37 - линия очистки абгазов от CO
38 - линия сепарации
39 - линия стерилизации
40 - линия сушки
41 - фильтрационная установка
42 - емкости линия приготовления питательной среды (ПС)
43 - биореакторы линии приготовления посевного материала (ПМ)
44 - емкость линии подготовки титрующего агента (титранта) (ТА)
45 - компрессоры линии подготовки газовой среды (ГС)
46 - устройства подготовки природного газа, кислорода,
2
47 - абсорбер линии очистки абгазов от СО
2
48 - емкость дегазации линии очистки абгазов от СО
2
49 - компрессор линии очистки абгазов от СО
50 - емкость для газоотделения линии сепарации,
51 - сепаратор для концентрирования КЖ линии сепарации
52 - емкость для сбора фильтрата линии сепарации
53 - установка непрерывной стерилизации
54 - ультрафильтрационная установка
55 - распылительная сушилка кипящего слоя
Зоны поддержания давления:
1
56 - ΔР= от 2,8 до 5,8 кПа
2
57 - ΔР= от 1,5 до 5,3 кПа
3
58 - ΔР= от 2,5 до 10 кПа
4
59 - ΔР= от 4 до 12кПа
5
60 - ΔP= от 2 до 6 кПа
6
61 - ΔР= от 2,4 до 4,6 кПа
7
62 - ΔР= от 2,5 до 4,5 кПа
8
63 - ΔР= от 18 до 48 кПа
9
64 - ΔР= от 0,6 до 1,4 кПа
65 - Диффузоры для соединения труб или отводов круглого сечения с проточными трактами теплообменных аппаратов, при этом площадь сечения потока и, соответственно, скорость потока сохраняются.
66 - Конфузоры для соединения проточных трактов теплообменных аппаратов с трубами или отводами круглого сечения, при этом площадь сечения потока и, соответственно, скорость потока сохраняются.
Осуществление изобретения
В изобретении использованы следующие термины, определения и сокращения.
Культуральная жидкость (КЖ) - представляет собой двухфазную газожидкостную питательную (или ферментационную) среду с микроорганизмами.
Объем ферментера (ОФ) - максимальный объем жидкой фазы, при котором обеспечивается циркуляция жидкой фазы в ферментере в штатном режиме без подачи газа.
Время перемешивания жидкой фазы КЖ - время, за которое вещество, введенное в ферментер точечно, перемешивается со всем объемом жидкой фазы КЖ, так что концентрация вещества в любой точке жидкой фазы будет отличаться не более чем на 5% от среднего значения по всему объему ферментера.
Скорость разбавления (коэффициент разбавления, скорость протока) - соотношение объемной скорости поступающего потока питательной среды и рабочего объема ферментера. При непрерывной ферментации мера скорости, с которой существующая среда заменяется свежей средой, является обратной величиной времени гидравлического удержания, т.е. среднего времени, в течение которого растворимое вещество остается в объеме ферментера
АСВ - абсолютно сухое вещество.
САР - система автоматического регулирования.
АСУ ТП - автоматизированная система управления технологическим процессом.
ПЛК - программируемый логический контроллер.
ДУФ - диаметр условного прохода вертикальных блоков ферментера, представляет собой диаметр условной круглой трубы, площадь сечения которой равна суммарной площади поперечного сечения труб секции вертикального блока.
КИПиА - контрольно-измерительные приборы и автоматика.
Ниже представлено более подробное описание заявляемого изобретения, демонстрирующее возможность достижения заявленного технического результата.
2
Настоящее изобретение может подвергаться различным изменениям и модификациям, понятным специалисту на основе прочтения настоящего описания. Такие изменения не ограничивают объем притязаний. Например, может изменяться конструкция второго и четвертого блоков с реализацией различных методов дегазации, удаления пены и перемешивания КЖ, второго блока также с использованием различных подходов к автоматическому поддержанию давления в камере дегазации, первого и третьего блоков с изменением отношения площади поверхности теплообмена к объему, занятому КЖ, а также с использованием вместо статических миксеров различных турболизаторов, в том числе динамических, место расположения насоса для циркуляции КЖ, количество насосов, технология очистки отводимых из ферментера абгазов от СО, и т.д.
Заявляемый ферментер представляет собой устройство, предназначенное для реализации ферментационных процессов, например, с метилотрофными и метанотрофными бактериями.
Ферментер выполнен в виде нескольких блоков, соединенных с образованием замкнутого контура, внутри которого обеспечивается циркуляция КЖ с целью получения биомассы. Замкнутый контур организован посредством последовательного соединения первого 1, второго 2, третьего 3 и четвертого 4 блоков, при этом 1 и 3 блоки ориентированы преимущественно вертикально, а 2 и 4 - горизонтально или могут иметь в своем составе горизонтально ориентированные части (фиг. 1, 8, 9).
3
Вертикально ориентированные блоки 1 и 3 могут быть выполнены в виде трубы большего диаметра (или внешней трубы), представляющей собой теплообменник, внутри которой размещена, по меньшей мере, одна труба меньшего диаметра (внутренняя труба) для перемещения КЖ, вокруг которой могут быть размещены средства для циркуляции теплоносителя (фиг. 5, 6). Внутри трубы меньшего диаметра также могут быть установлены средства для циркуляции теплоносителя. Количество труб меньшего диаметра определяется необходимым рабочим объемом ферментера. Для крупнотоннажного производства могут быть использованы следующие параметры вертикально ориентированного блока ферментера: диаметр внутренних труб блоков 1 и 3 составляет 0,2-0,4 м, количество труб определяется требуемым рабочим объемом ферментера и для рабочего объема, например, 50 м может достигать нескольких десятков, высота труб может составлять 20 м и более. Габариты такого ферментера могут достигать 10 м в ширину и 25 м в высоту.
В зависимости от длины вертикальных блоков они могут быть разделены на несколько секций (например, от двух до десяти), соединенных последовательно соединительными элементами (например, трубами или патрубками). Площадь сечения соединительной трубы предпочтительно должна быть равной ДУФ. В соединительной трубе последовательно по ходу движения КЖ могут быть размещены средство подачи газовой среды и статический миксер, обеспечивающий равномерное распределение пузырьков поступающего газа по сечению трубы и, как следствие, равномерное распределение пузырьков газа по трубам следующей секции. Циркуляция теплоносителя в межтрубном пространстве 1-го и 3-го блоков необходима для поддержания постоянной температуры КЖ в случае, когда культивируемые микроорганизмы осуществляют цепь химических экзотермических реакций.
В одном из вариантов реализации секция 20 может представлять собой теплообменный аппарат, состоящий из внешнего 22 и внутреннего 23 контуров теплоносителя (Фиг. 6). КЖ течет по проточному тракту (каналам) 25 между двумя контурами теплоносителя. Проточная часть поделена на равные секции, например, вертикальными радиально расположенными перегородками. Подача теплоносителя во внутренний и внешний контуры выполняется по каналам 24 для подачи теплоносителя. Барботеры 7 установлены на входе потока в теплообменный аппарат и через каждые 3-4 м равномерно по сечению потока.
В другом варианте реализации секция может представлять собой кожухотрубный теплообменный аппарат, в котором во внешней трубе размещены несколько внутренних труб с зазором друг относительно друга для свободной циркуляции теплоносителя в межтрубном пространстве (Фиг. 5). Барботеры 7 установлены на входе потока в теплообменный аппарат и через каждые 3-4 м равномерно по сечению потока.
Горизонтально ориентированные блоки 2 и 4 выполнены с возможностью дегазации КЖ (удаления остаточных и образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов газов). При этом горизонтальные блоки могут иметь различную конструктивную реализацию, включающую емкость дегазации 5, обеспечивающую упомянутую функцию дегазации, которая также может иметь различное конструктивное исполнение. Емкость дегазации имеет большую площадь поперечного сечения по сравнению с площадью трубы диаметром ДУФ. В одном из вариантов осуществления изобретения (Фиг. 3) емкость дегазации 5 включает три части (камеры) - первую по ходу движения КЖ - боковую часть 27, выполненную с возможностью соединения с вертикальным блоком через трубу, расположенную под 45 градусов; вторую - центральную часть 26, с выходом 12 для отбора КЖ (или отверстием для слива КЖ), и третью - конфузор 28, примыкающий к отверстию для слива и соединенный со смежным вертикальном блоком U образной или L образной или вертикальной трубой. Существенным в реализации конструкции центральной части емкости дегазации горизонтально ориентированных блоков является ее выполнение с выходом 11 для удаления остаточных и образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов газов (или выходом/патрубком/клапаном для дегазации), в которой расстояние между боковой частью и отверстием для слива является достаточным для всплытия пузырей на поверхность потока КЖ, при этом конструкция емкости предпочтительно имеет изменяющуюся площадь поперечного сечения по направлению движения КЖ, которая увеличивается на входном участке емкости (см. фиг. 3). Боковая часть 27 емкости выполнена с возможностью изменения формы сечения потока на уплощенную и обеспечения требуемого времени перемешивания жидкой фазы КЖ. Уплощенный поток позволяет пузырькам быстрее достичь поверхности потока, поскольку скорость всплытия пузырька диаметром от 1 мм в КЖ, близкой по характеристикам к воде, является постоянной величиной, которая ограничена диапазоном 0,2-0,3 м/с. Время перемешивания сокращается за счет турбулентности, которая возникает при расширении боковой части 27 в горизонтальной плоскости и за счет возможного неравенства входного диаметра боковой части и выходного диаметра конфузора 28.
Боковая часть 27 может иметь также различные варианты конструктивного выполнения, при этом возможен вариант реализации изобретения с обеспечением постоянной площади поперечного сечения боковой части по ее длине, которая может быть равна ДУФ и площади поперечного сечения конфузора со стороны его выхода, которая также может быть равна ДУФ (при котором скорость КЖ в емкости дегазации будет приблизительно равной скорости КЖ в вертикальных блоках). При уменьшении площади поперечного сечения боковой части реализуется ускорение потока и усиление центробежных сил между боковой и центральной частями емкости, что способствует повышению эффективности процесса дегазации. При такой реализации конструкции емкости нижнего блока поток КЖ перед входом в центральную часть второго блока приобретает уплощенную форму с небольшой высотой. Высота уплощенного потока для крупнотоннажного ферментера может составлять от 0,5 до 1 м. Высота центральной части емкости, которая может составлять более 2 м (для промышленного ферментера), плавно увеличивается к центру, обеспечивая свободное пространство для дегазации.
В другом варианте осуществления изобретения (Фиг. 4) емкость дегазации 5 включает три части (камеры) - центральную часть 26, сопряженную с боковыми частями 27, которые в свою очередь выполнены с возможностью соединения через переходники с соответствующими вертикальными блоками. Конструкция центральной части 26 емкости дегазации предпочтительно имеет изменяющуюся площадь поперечного сечения по направлению движения КЖ, которая увеличивается на входном участке емкости, и уменьшается на выходном участке. Боковые части 27 емкости выполнены по аналогии с фиг. 3, с возможностью изменения формы сечения потока на уплощенную и обеспечения требуемого времени перемешивания жидкой фазы КЖ. В конкретном варианте реализации второй блок может иметь симметричную относительно центральной поперечной плоскости конструкцию.
Во втором блоке предусмотрена САР давления 17, которая включает клапан с пропорциональным электронным управлением, датчики уровня КЖ и датчики давления, расположенные во втором и четвертом блоках. САР контролирует перепад давления между вторым и четвертым блоками, а также уровень свободной поверхности во втором и четвертом блоках. С помощью пропорционального клапана САР поддерживает перепад давления таким, чтобы уровень свободной поверхности во втором блоке держался на постоянном заданном уровне. Пузыри, прибывающие в камеру дегазации второго блока с потоком КЖ, увеличивают давление, которое выравнивается выводом абгазов через пропорциональный клапан.
2
Четвертый блок может быть выполнен в виде циклона и тангенциально входящей в него горизонтальной трубы (Фиг. 2, 9). В состав четвертого блока также может входить САР давления 17, состоящая из вакуумного насоса, подключенного к блоку через клапан дегазации. Вакуумный насос поддерживает уровень разрежения, необходимый для снижения концентрации растворенного СО в блоке до заданного уровня.
Ферментер снабжен средствами подачи (или входами) компонентов КЖ - жидких 10 и газовых 9 сред, средствами перемешивания компонентов КЖ (статическими миксерами) 8, средствами отбора (или выходами) КЖ 12 и газов 11, а также системой КИПиА, которая включает в себя следующие измерительные и контролирующие приборы:
- датчик расхода циркулирующей КЖ и регулятор частоты вращения осевого насоса;
- датчики температуры КЖ внутри ферментера и теплоносителя на входе и выходе каждого из теплообменников, а также регулятор температуры и расхода теплоносителя;
- датчики уровня КЖ во втором и четвертом блоках ферментера;
- датчики давления в камере дегазации второго и четвертого блоков;
- средства измерения состава газовой смеси на входе и на выходе из ферментера (газоанализаторы);
- датчики рН и измерители расхода титрующего агента (водного раствора аммиака);
- измерители концентрации растворенных газов (кислород, углекислота);
- датчики-анализаторы концентрации ионов (фосфаты, аммоний, калий, кальций, магний, железо, медь, сульфаты и т.д.);
- измерители расхода питательной среды и сливаемой КЖ;
- измерители расхода газов;
- датчики наличия пены;
- средства измерения оптической плотности КЖ, и т.д.
Данные с КИПиА обрабатываются при помощи АСУ ТП ферментера, представляющей собой комплекс программируемых логических контроллеров и персональных компьютеров.
Входы для подачи жидких сред 10 могут быть расположены в емкости четвертого и/или второго блока; входы для подачи газовых сред 9 могут быть расположены, по меньшей мере, в зонах соединения (переходниках) второго и третьего блоков, первого и четвертого блоков и, дополнительно, могут быть расположены в соединительных трубах перед каждой секцией или непосредственно в секциях первого и третьего вертикальных блоков; выходы для удаления остаточных и образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов газов 11 расположены в центральной емкости второго и четвертого блока; выход для отбора (КЖ) 12 расположен в емкости четвертого и/или второго блока.
Статические миксеры 8 для перемешивания КЖ размещены на определенном расстоянии друг от друга. Статические миксеры могут быть размещены в соединительных трубах вертикальных секций 20 или непосредственно в вертикальных секциях 20. Статический миксер представляет собой турбулизатор или завихритель 2-х фазного потока КЖ. В качестве статических миксеров могут быть использованы устройства, разработанные для газожидкостных сред: Sulzer SMV, SPX FLOW Lightnin Inliner.
На входах для подачи газовых сред размещены барботеры 7, выполненные с возможностью формирования пузырьков газовой смеси в КЖ диаметром не более 2 мм. Барботер может быть выполнен в виде перфорированной стальной цилиндрической трубки, расположенной соосно трубе для КЖ, с диаметром отверстий 50-200 мкм и расстоянием между отверстиями не менее 2 мм. Длина трубки (барботера) и количество отверстий определяется необходимым расходом ГС. Диаметр трубки (барботера) составляет не более 3/5 диаметра трубы, в которой размещен барботер. Возможен вариант выполнения барботера в виде трубчатого полимерного аэратора с перфорацией или трубки из пористой керамики.
Ферментер также снабжен насосом 6, установленным на входе в первый блок, соосно с ним. В одном из вариантов осуществления изобретения насос может быть расположен перед входом в третий блок.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Ферментер выполнен с возможностью циркуляции КЖ под давлением до 1 МПа. Источниками создания необходимого давления в замкнутом контуре ферментера могут являться насос, гидростатический столб КЖ, компрессор и/или источник газа (например, скважина или газопровод среднего давления). Перепад давления на насосе для крупнотоннажных ферментеров может достигать нескольких сотен кПа. Карта распределения давления зависит от расположения насоса. Карта распределения давления в лабораторном ферментере представлена на Фиг. 8. Давление измерено последовательно на 8 участках лабораторного ферментера и дополнительно на входе и выходе циклона второго блока при различных расходах жидкости и различных потоках газа (воздух). Минимальные значения падений давления на каждом участке достигались при максимальном потоке газа (30 л/мин); максимальные - при отсутствии газа и включают следующие значения: ΔP= от 2,8 до 5,8 кПа, ΔР= от 1,5 до 5,3 кПа, ΔР= от 2,5 до 10 кПа, ΔР= от 4 до 12 кПа, ΔР= от 2 до 6 кПа, ΔР= от 2,4 до 4,6 кПа, ΔР= от 2,5 до 4,5 кПа ΔР= от 17,7 до 48,2 кПа, ΔР= от 0,6 до 1,4 кПа.
Заявляемое изобретение также относится к ферментационной установке, содержащей ферментер описанной выше конструкции. Ферментационная установка представляет собой совокупность устройств и агрегатов, соединенных в технологической последовательности, обеспечивающей полноценный замкнутый цикл культивирования метанотрофных микроорганизмов.
Ферментационная установка включает:
Линию водоподготовки 32, включающую фильтрационную установку 41, обеспечивающую обработку воды, поступающую из водоисточника для приведения ее качества в соответствии с технологическими требованиями (включая механическую отчистку, биологическую очистку, обессоливание, и т.д.);
линию приготовления питательной среды (ПС) 33, включающую, по меньшей мере, две емкости 42, снабженные перемешивающим устройством, с возможностью термостатирования (например, нагрева) приготовляемой питательной среды;
линию приготовления посевного материала (ПМ) 35, включающую, по меньшей мере, четыре биореактора 43 (для варианта промышленной реализации установки);
линию подготовки титрующего агента (титранта) (ТА) 34, включающую емкость 44, снабженную перемешивающим устройством, с возможностью термостатирования (например, нагрева) приготовляемого раствора титранта;
линию подготовки газовой среды (ГС) 36, включающую компрессоры 45, устройства подготовки природного газа, кислорода, и т.д. 46, для получения газа или газовой смеси требуемого качества в соответствии с технологическими требованиями (включая удаление воды и нежелательных примесей и т.д.)
ферментер;
2
линию очистки абгазов от СО 37, включающую абсорбер 47, обеспечивающий очистку абгазов ферментера от углекислого газа и возврат очищенных абгазов в ферментер, емкость дегазации 48, компрессор 49;
линию сепарации 38, включающую емкость для газоотделения 50, сепаратор 51, концентрирующий КЖ до 85-87% влажности, емкость для сбора фильтрата 52;
линию стерилизации 39, включающую установку непрерывной (высокотемпературной) стерилизации 53 и ультрафильтрационную установку 54;
линию сушки 40, включающую распылительную сушилку (кипящего слоя) 55.
2
При этом линия водоподготовки подключена к линии приготовления ПС, к линии подготовки ТА, выходы которых соединены с соответствующими входами ферментера и с линией подготовки ПМ. Линия подготовки газовой среды также подключена к соответствующему входу ферментера и линии подготовки ПМ. Выход из ферментера, предназначенный для удаления абгазов, расположенный во втором блоке, соединен с линией очистки абгазов от СО, выход которой соединен со входом ферментера для подачи газовой среды, а выход из ферментера, предназначенный для отбора КЖ соединен с линией сепарации, которая в свою очередь соединена с линией стерилизации и линией приготовления ПС. Линия стерилизации соединена с линией сушки.
Заявляемые ферментер и установка работают следующим образом.
Приготовление питательной среды происходит путем растворения основных солей и микроэлементов в воде с линии водоподготовки, а также смешением полученного раствора с фильтратом с линии сепарации. Растворение солей в воде происходит при нагреве и перемешивании. Возможен вариант приготовления раствора основных солей (например, MgSO4⋅7H2O, KCl и K2SO4) в одной емкости, раствора микроэлементов (например, CuSO4⋅5H2O, FeSO4⋅7H2O, MnSO4⋅5H2O, Н3ВО3, ZnSO4⋅7H2O, NiSO4⋅7H2O, CoSO4⋅7H2O, Na2MoO4⋅2H2O, H3PO4 - 85% p-p) в другой емкости, с последующим их перемешиванием, например, в третьей емкости. Объем емкостей и концентрации растворов определяются требованиями технологического регламента в зависимости от стадий технологического процесса и используемых микроорганизмов.
3
При организации промышленного производства приготовление питательной среды может происходить попеременно в одной из двух емкостей с перемешивающим устройством, объемом 100 м с коэффициентом заполнения 0,75. При первоначальном запуске ферментера в емкости подаются определенные количества приготовленных растворов солей и микроэлементов и объем доводится до заданного подготовленной водой, после чего происходит процесс перемешивания и нагрев среды до рабочей температуры (42°С). Далее среда перекачивается в ферментер и на линию подготовки посевного материала.
Приготовление посевного материала происходит путем последовательного наращивания клеточной суспензии в посевных биореакторах с рабочими объемами, возрастающими десятикратно таким образом, чтобы весь объем КЖ с каждого предыдущего биореактора составил 10% ОФ последующего биореактора и служил для него посевным материалом. Наращивание клеточной суспензии происходит при использовании такой же питательной среды, природного газа и кислорода; при таких же условиях, что и основной процесс культивирования: при перемешивании, термостатировании, постоянном уровне рН. Питательная среда для посевных биореакторов подается с линии приготовления ПС, природный газ и кислород поступают с линии подготовки ГС, а титрующий агент с линии подготовки ТА. Для биореактора с самым маленьким объемом на линии приготовления ПС, посевным материалом является клеточная суспензия, выращенная в колбе Эрленмейера. Клеточная суспензия, полученная в биореакторе с самым большим объемом на линии приготовления ПС поступает на линию ферментации.
2
Ферментер, выполненный в соответствии с описанными ранее конструктивными особенностями, заполняют питательной средой, поступающей с линии приготовления ПС до 90% от ОФ. Затем включают систему КИПиА и встроенным насосом 6 запускают циркуляцию КЖ. Далее устанавливают температуру и рН среды до рабочих значений, предусмотренных технологическим регламентом, рН среды поддерживается путем внесения титранта с линии подготовки ТА. В питательную среду вносят посевной материал с линии подготовки ПС в виде бактериальной суспензии метанотрофных бактерий в объеме 10% ОФ с концентрацией около 20 г/л, так что стартовая концентрация бактерий в ферментере достигает порядка 2 г/л. После чего начинают подачу ГС через соответствующие входы. В качестве газовой смеси, как правило, используют смесь природного газа (метана), кислорода и очищенных абгазов с линии очистки абгазов от СО. В зависимости от расположения ввода ГС в ферментер подают кислород и природный газ вместе или раздельно. В верхней части первого блока и в нижней третьего вводят смесь природного газа, кислорода и очищенных абгазов. Далее добавляют раздельно кислород и метан.
3
При включении насоса, культуральная жидкость начинает перемещаться вниз по внутренним трубам первого блока. В первом блоке в КЖ через барботер вводят газовую смесь, что приводит к формированию пузырей диаметром порядка 0,5-2 мм. По ходу движения смеси по трубам первого блока пузыри сливаются, увеличиваясь в размерах. Для предотвращения образования слишком больших пузырей (диаметром более 5 мм) по длине первого и третьего блоков установлены статические миксеры, которые дробят пузыри по мере их продвижения по потоку. Расстояние между статическими миксерами и характеристики миксеров выбраны с обеспечением поддержания размера пузырей в диапазоне 1-5 мм. Например, для крупнотоннажного ферментера объемом 50 м, длина вертикального блока 20 м, а расстояние между статическими миксерами составляет 1-2 м. Кислород и метан из пузырей переходят в жидкую фазу и становятся доступными для ассимиляции бактериями. Скорость ассимиляции микроорганизмами кислорода выше, чем метана и для поддержания баланса по мере продвижения КЖ, кислород и природный газ подают раздельно через вводы ГС.
Углекислый газ, как продукт метаболизма бактерий, накапливается в жидкой фазе и переходит в газовую фазу. Обогащенная газовой смесью питательная среда поступает во второй блок, где осуществляется дегазация КЖ. Дегазированную КЖ направляют в третий блок, конструктивно аналогичный первому блоку. При продвижении по третьему блоку вверх также обеспечивают дробление пузырей больших размеров посредством статических миксеров, а также подачу природного газа и кислорода в поток.
2
Далее КЖ поступает в четвертый блок, функционально аналогичный второму блоку. Таким образом, контур циркуляции КЖ замыкается. Образующиеся в емкостях для дегазации абгазы поступают на линию очистки абгазов от СО.
-1
После достижения биомассы определенной концентрации, заданной технологическим регламентом, начинают отвод КЖ из второго блока и подачу питательной среды с общей скоростью разбавления от 0,05 до 0,28 ч. Отведенная КЖ поступает на линию сепарации.
Культуральная жидкость с содержанием биомассы 2-3% на линии сепарации сначала поступает в емкость для дегазации, где происходит переход растворенных газов из жидкой фазы в газовую с последующим их отводом и утилизацией. Из емкости для дегазации КЖ перекачивается в центробежный сепаратор, где происходит концентрирование до 13-15% АСВ с отделением фильтрата, представляющего собой водный раствор остаточных компонентов ПС и растворимых продуктов метаболизма бактерий. Образующийся фильтрат собирается в емкости, откуда частично поступает на линию приготовления питательных сред, остальная часть поступает на очистные сооружения и сброс в канализацию. Полученный концентрат перекачивается на линию стерилизации.
Стерилизация концентрата клеточной суспензии происходит в установке непрерывной стерилизации, где происходит его нагрев до 130-140°С с выдержкой в течение 5-15 минут. После стерилизации концентрат поступает на ультрафильтрационную установку, где происходит дополнительное концентрирование биомассы до 18-20% АСВ. Получившийся концентрат поступает на линию сушки, а фильтрат на очистные сооружения.
Сушка биомассы осуществляется путем распыления концентрата 18-20% АСВ на распылительной сушилке кипящего слоя, где биомасса распыляется и высушивается горячим воздухом, а узел кипящего слоя позволяет агломерировать частицы в готовый к упаковке не пылящий порошок 4-8% влажности.
2
Очистка образующихся абгазов от СО происходит в колонном абсорбере на основе стандартной технологии с использованием 30% водного раствора моноэтаноламина (МЭА) в качестве абсорбента, подаваемого в абсорбер в противотоке с газовой фазой. Насыщенный углекислым газом МЭА после абсорбера проходит регенерацию в дегазаторе, после чего снова используется в качестве абсорбента по замкнутому контуру (очистка может быть реализована по аналогии с технологией, описанной в патенте RU 2483784 C2).
В установке предусмотрена емкость для газоотделения, поскольку КЖ в ферментере насыщена растворенными газами под повышенным давлением. В емкости для газоотделения давление снижается до атмосферного и растворенные газы выходят. Данная емкость может иметь конструкцию, описанную в патенте RU 2186607 C2.
Для концентрирования КЖ до 13-15% АСВ предполагается использовать стандартный в биотехнологической промышленности центробежный сепаратор, конструкция которого может быть выполнена аналогично решению, представленному в патенте RU 2436637 C2.
Установка непрерывной стерилизации является стандартным оборудованием в пищевой промышленности и позволяет за несколько секунд разогревать непрерывно подаваемую жидкую среду до 130-140°С с выдержкой до 10 минут. Такой обработки достаточно, чтобы инактивировать микроорганизмы и споры.
В изобретении может быть использована ультрафильтрационная установка (УФ) мембранного типа, широко использующаяся в биотехнологической промышленности, в том числе для концентрации или очистки жидкостей (см., например, патент RU 2567319 C1). УФ концентрирует КЖ после стерилизации до 18-20% АСВ.
Распылительная сушка кипящего слоя распыляет биомассу и высушивает горячим воздухом. Узел кипящего слоя в составе сушки агломерирует частицы в не пылящий порошок с влажностью 4-8% (см., например, патент RU 2327088 C1).
Подача и рецикл газов, питательной среды, средства регулирования рН могут осуществляться в автоматическом режиме с использованием систем КИПиА на основе измерений растворенного кислорода, рН, температуры, давления, концентрации компонентов КЖ, анализа состава абгазов в контуре ферментера и измерений химического состава супернатанта в рецикле.
Процесс получения бактериальной биомассы с использованием метанотрофных бактерий, например, с использованием Methylococcus capsulatus (М. capsulatus), проходит в аэробных условиях с использованием природного газа, содержащего метан в качестве источника углерода и энергии. Для создания аэробных условий может быть использован как атмосферный воздух, так и чистый кислород. В качестве источника азота используют водный раствор аммиака, в качестве источника фосфора фосфорную кислоту. Также в составе питательной среды для культивирования метанотрофных бактерий должны присутствовать микро и макроэлементы: магний, кальций, калий, железо, медь, цинк, марганец, кобальт, никель, бор и молибден, вносимые в виде солей, преимущественно сульфатов. Процесс культивирования проходит при поддержании значения рН на уровне 5.7±0.5 путем добавления водного раствора аммиака, поддерживающего одновременно необходимую концентрацию азота в среде. Все химические вещества могут быть класса «Т» (вещества, изготовляемые в больших количествах и применяемые для технологических целей, ГОСТ 13867 - 68). Температуру в ферментере поддерживают на уровне 42±0,3°С.
В составе природного газа, помимо метана, метаболизируемого метанотрофными бактериями Methylococcus capsulatus (М. capsulatus) с образованием бактериальной биомассы и углекислого газа, часто содержится 5-10% гомологов метана, окисляющихся M. capsulatus до спиртов, альдегидов и кислот. Высокие концентрации этих веществ оказывают ингибирующее воздействие на рост М. capsulatus, и поэтому для обеспечения высокой продуктивности процесса необходимо использование дополнительных гетеротрофных бактерий, способных утилизировать образующиеся в процессе окисления гомологов органические соединения. Предпочтительными гетерогенными бактериями являются: Cupriavidus gilardii, Brevibacillus sp., Paenibacillus sp.
Ниже представлен пример конкретной реализации и описание работы ферментера и ферментационной установки.
Заявляемый ферментер был реализован в качестве лабораторных образцов, один из которых представлен на фиг. 8. Устройство было изготовлено для культивирования метанотрофных бактерий Methylococcus capsulatus с использованием питательной среды следующего состава:
Ферментер включал первый и третий блоки, каждый из которых состоял из вертикальной трубы длиной 3000 м диаметром 50 мм, каждая из которых содержала по два теплообменника. Второй блок был выполнен в виде вертикального циклона, горизонтальной трубы диаметром 50 мм и импеллерного насоса Liverani Major 900, модифицированного для работы с давлением до 4 атм. К циклону была подведена система отвода газов с функцией автоматического поддержания давления. Общая длина второго блока составляла 1050 мм. Четвертый блок был выполнен в виде горизонтальной трубы, диаметром 50 мм входящей тангенциально в вертикальный циклон. В качестве барботеров были использованы трубы, выполненные из материала, инертного к КЖ, запаянные с одного конца, длиной 100 мм, диаметром 40 мм, имеющие лазерную перфорацию с диаметром отверстий 0,2 мм и количеством около 2000 шт. Барботеры в количестве 2 шт. были установлены в верхней части первого блока и в нижней части третьего блока. В качестве статических миксеров использованы миксеры SMV в количестве 10 шт., которые установлены внутри первого и третьего блоков.
-1
Культивирование проводили с рабочим объемом 15 л, при непрерывной подаче свежей ПС с переменной концентрацией микро и макроэлементов таким образом, чтобы обеспечить культуру бактерий всеми необходимыми элементами в достаточном количестве. При максимальном уровне продуктивности концентрация солей в ПС увеличивалась шестикратно по сравнению с составом, указанным выше. Значение рН среды в ферментере поддерживалось на уровне 5,6 путем внесения 5%-раствора аммиака в качестве ТА. При этом общая скорость разбавления за счет внесения ПС и ТА составила 0,23 ч. Температура поддерживалась на уровне 42,2°С и избыточное давление в первом блоке ферментера 3 атм. Скорость циркуляции КЖ в ферментере составила 2 л/мин, расход метана 14 л/мин и воздуха 54 л/мин. При таком режиме удалось достичь продуктивности 5 г/(л*ч).
2
2
2
Для демонстрации работы нижней емкости дегазации проведены измерения концентрации растворенного СО с емкостью дегазации и без нее. При скорости циркуляции КЖ 0,8-1,2 л/мин, давлении 3-4 бар и продуктивности ферментера 1,5-2 г/л/ч уровень растворенного СО с емкостью дегазации во втором блоке в 1,5-2 раза ниже, чем уровень растворенного СО без такой емкости.
Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает энергоэффективное высокопродуктивное крупнотоннажное промышленное производство биопродуктов культивированием метанотрофных бактерий.