РЕАКТОР ДЛЯ ФЕРМЕНТАЦИИ И ПРОЦЕСС ФЕРМЕНТАЦИИ
FERMENTATION REACTOR AND PROCESS OF FERMENTATION

Техническая область изобретения
Настоящее изобретение относится к реактору для ферментации и процессу ферментации для культивирования организма. В частности, настоящее изобретение относится к реактору для ферментации, подходящему для усовершенствованного культивирования метанотрофных бактериальных клеток, предоставляющих белок отдельных клеток.
Предпосылки изобретения
Петлевые реакторы содержат циркуляционные насосы, имеющие лопасти пропеллера, разработанные для прокачивания смеси жидкости и газа. Газы вводят в различных местоположениях на всем протяжении петлевой части, но обычно их подают на верхнем конце нисходящей части петлевой части. Посредством введения газов на верхнем конце нисходящей части петли можно достигать почти несжатой инжекции, поскольку газы должны преодолеть только гидростатическое давление в несколько метров. Желательно предоставлять тонкую дисперсию газов в среде для ферментации, поскольку можно усовершенствовать коэффициент газожидкостного массообмена. На тонкую дисперсию газов в жидкости традиционно влияют пассивные или неактивные статичные смесительные элементы, размещаемые непосредственно под газовыми инжекторами. Поток жидкости в нисходящей части петли должен быть достаточно сильным с тем, чтобы уносить весь впрыскиваемый газ вместе с потоком вниз через статичные смесители. Здесь происходит распыление газа с тем, чтобы получать большое число маленьких пузырьков газа, которые диспергируют единообразно в жидкости. Пузырьки переносят вместе с потоком жидкости вниз через нисходящую часть петли к ее нижнему концу и дальше через горизонтальную часть к вертикальной части петли с тем, чтобы повторно диспергировать пузырьки газа (например, посредством статичных смесительных элементов) несколько раз в жидкости.
В основном известный уровень техники описывает, что циркуляционный насос в линии помещают в горизонтальной части или близко к горизонтальной части реактора для ферментации, поскольку считают, что тогда он способствует получению повторной дисперсии газа в жидкости, и отчасти потому, что практично иметь его размещенным на дне ферментера.
Однако пузырьки газа в жидкостях имеют склонность сливаться вместе в более крупные объемы (коалесцировать). Эта склонность является нежелательной, поскольку она делает газожидкостный массообмен менее эффективным, что имеет негативные последствия для производительности по биомассе. На коалесценцию газа в жидкости также может влиять снижение гидростатического давления. Этому снижению гидростатического давления можно противодействовать, обеспечивая давление в петлевой части.
В WO 2010/069313 описан ферментер и способ ферментации в U–образном ферментере и/или ферментере с соплами и U–петлей, содержащем U–часть, имеющую по существу вертикальную часть нисходящего потока, по существу вертикальную часть восходящего потока и по существу горизонтальную соединительную часть, которая соединяет нижние концы части нисходящего потока и части восходящего потока, верхнюю часть, которая предусмотрена над U–частью и имеет диаметр, который по существу более, чем диаметр U–части, средство для создания циркуляции жидкости в U–части ферментера и одну или несколько точек инжекции газа для введения и диспергирования газа(ов) в жидкости для ферментации. Давлением можно управлять в петлевой части, помещая циркуляционный насос в верхней части в части нисходящего потока и клапан в верхней части в части восходящего потока, что ведет к созданию зоны под давлением между циркуляционным насосом и клапаном.
Таким образом, будут благоприятны усовершенствованный реактор для ферментации и процесс, и, в частности, будет благоприятен более эффективный, более стабильный и надежный процесс, ведущий к более высокой производительности.
Сущность изобретения
Таким образом, цель настоящего изобретения относится к реактору для ферментации, подходящему для усовершенствованного культивирования организмов, в частности, метанотрофных бактериальных клеток, предоставляющих белок отдельных клеток.
В частности, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить реактор для ферментации и процесс для культивирования организма, который решает указанные выше проблемы известного уровня техники и более эффективен, боле стабилен и надежен и ведет к более высокой производительности.
Соответственно, один аспект изобретения относится к реактору для ферментации, содержащему петлевую часть, имеющую циркуляционный насос, бак дегазирования и выпуск жидкости для ферментации для отведения жидкости для ферментации из реактора для ферментации, указанный бак дегазирования содержит:
(i) первый выпуск, соединяющий бак дегазирования с первой ногой петлевой части и позволяющий жидкости для ферментации, присутствующей в баке дегазирования, течь в петлевую часть;
(ii) первый впуск, соединяющий бак дегазирования со второй ногой петлевой части, позволяющий жидкость для ферментации, присутствующей в петлевой части, течь в бак дегазирования; и
2
(iii) вентиляционную трубу для отведения отходящих газов из бака дегазирования, таких как CO;
где применимы один или несколько из следующих критериев;
(a) где первый выпуск и/или первую ногу петлевой части снабжают противовихревым устройством для того, чтобы избегать захлебывания циркуляционного насоса;
3
3
(b) где соотношение между объемом (внутренний объем, который определяют в м) бака дегазирования по отношению к объему (внутренний объем, который определяют в м) петлевой части находится в диапазоне от 0,25:1 до 20:1; например, в диапазоне от 0,5:1 до 15:1; например, в диапазоне от 1:1 до 12:1; например, в диапазоне от 2:1 до 10:1; например, в диапазоне от 3:1 до 8:1; например, в диапазоне от 4:1 до 6:1;
3
2
(c) где численное соотношение между объемом (внутренний объем, который определяют в м) бака дегазирования по отношению к площади поперечного сечения первой ноги и/или площади поперечного сечения (определяют в м) второй ноги находится в диапазоне от 10:1 до 250:1; например, в диапазоне от 20:1 до 200:1, например, в диапазоне от 30:1 до 150:1, например, в диапазоне от 40:1 до 100:1, например, приблизительно 50:1;
2
2
(d) где площадь поперечного сечения первой ноги (определяют в м) на 10% или более больше чем площадь поперечного сечения второй ноги (определяют в м), например, на 20% больше или более; например, на 30% больше или более, например, на 40% больше или более; например, на 50% больше или более, например, на 60% больше или более; например, на 70% больше или более, например, на 80% больше или более; например, на 90% больше или более, например, на 100% больше или более; например, на 125% больше или более, например, на 150% больше или более; например, на 200% больше или более.
2
2
(e) где площадь поперечного сечения второй ноги (определяют в м) на 10% или более больше чем площадь поперечного сечения первой ноги (определяют в м), например, на 20% больше или более; например, на 30% больше или более, например, на 40% больше или более; например, на 50% больше или более, например, на 60% больше или более; например, на 70% больше или более, например, на 80% больше или более; например, на 90% больше или более, например, на 100% больше или более; например, на 125% больше или более, например, на 150% больше или более; например, на 200% больше или более; или
любая комбинация критериев (a)–(e).
Другой аспект настоящего изобретения относится к процессу ферментации для получения биомассы посредством культивирования организма, способ включает стадию:
(1) подачи среды для ферментации в реактор для ферментации;
(2) добавления организма в реактор для ферментации в соответствии с настоящим изобретением;
(3) предоставления организму, присутствующему в среде для ферментации, возможности ферментировать, предоставляя жидкость для ферментации; и
(4) извлечения жидкости для ферментации из реактора для ферментации, предоставляя биомассу.
Подробное описание изобретения
Авторы настоящего изобретения к удивлению обнаружили, что введение различных физических признаков конструкции петлевого реактора, по сравнению с общедоступным петлевым реактором, ведет к более эффективному, стабильному и надежному процессу, обеспечивающему более высокую производительность по биомассе.
Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения относится к реактору для ферментации, содержащему петлевую часть, имеющую циркуляционный насос, бак дегазирования и выпуск жидкости для ферментации для отведения жидкости для ферментации из реактора для ферментации, указанный бак дегазирования содержит:
(i) первый выпуск, соединяющий бак дегазирования с первой ногой петлевой части и позволяющий жидкости для ферментации, присутствующей в баке дегазирования, течь в петлевую часть;
(ii) первый впуск, соединяющий бак дегазирования со второй ногой петлевой части, позволяющий жидкости для ферментации, присутствующей в петлевой части, течь в бак дегазирования; и
2
(iii) вентиляционную трубу для отведения отходящих газов из бака дегазирования, таких как CO;
где применимы один или несколько следующих критериев;
(a) где первый выпуск и/или первую ногу петлевой части снабжают противовихревым устройством для того, чтобы избегать захлебывания циркуляционного насоса;
3
3
(b) где соотношение между объемом (внутренний объем, который определяют в м) бака дегазирования по отношению к объему (внутренний объем, который определяют в м) петлевой части находится в диапазоне от 0,25:1 до 20:1; например, в диапазоне от 0,5:1 до 15:1; например, в диапазоне от 1:1 до 12:1; например, в диапазоне от 2:1 до 10:1; например, в диапазоне от 3:1 до 8:1; например, в диапазоне от 4:1 до 6:1;
3
2
(c) где численное соотношение между объемом (внутренний объем, который определяют в м) бака дегазирования по отношению к площади поперечного сечения первой ноги и/или площади поперечного сечения (определяют в м) второй ноги находится в диапазоне от 10:1 до 250:1; например, в диапазоне от 20:1 до 200:1, например, в диапазоне от 30:1 до 150:1, например, в диапазоне от 40:1 до 100:1, например, приблизительно 50:1;
2
2
(d) где площадь поперечного сечения первой ноги (определяют в м) на 10% или более больше чем площадь поперечного сечения второй ноги (определяют в м), например, на 20% больше или более; например, на 30% больше или более, например, на 40% больше или более; например, на 50% больше или более, например, на 60% больше или более; например, на 70% больше или более, например, на 80% больше или более; например, на 90% больше или более, например, на 100% больше или более; например, на 125% больше или более, например, на 150% больше или более; например, на 200% больше или более.
2
2
(e) где площадь поперечного сечения второй ноги (определяют в м) на 10% или более больше чем площадь поперечного сечения первой ноги (определяют в м), например, на 20% больше или более; например, на 30% больше или более, например, на 40% больше или более; например, на 50% больше или более, например, на 60% больше или более; например, на 70% больше или более, например, на 80% больше или более; например, на 90% больше или более, например, на 100% больше или более; например, на 125% больше или более, например, на 150% больше или более; например, на 200% больше или более.
(f) где петлевая часть реактора для ферментации содержит одно или несколько активных устройств для распределения газа в жидкости для ферментации;
3
3
(g) где объем (внутренний объем, который определяют в м) бака дегазирования составляет 25% или больше от объема (внутренний объем, который определяют в м) петлевой части, например, 50% или больше, например, 100% или больше, например, 200% или больше, например, 300% или больше, например, 400% или больше, например, 300% или больше, например, 500% или больше, например, 600% или больше, например, 700% или больше, например, 800% или больше, например, 900% или больше;
3
2
2
(h) где численный объем (внутренний объем, определяемый в м) бака дегазирования по меньшей мере в 20 раз больше чем площадь поперечного сечения (определяют в м) первой ноги и/или площадь поперечного сечения (определяют в м) второй ноги, например, по меньшей мере в 30 раз больше, например, по меньшей мере в 50 раз больше, например, по меньшей мере в 75 раз больше, например, по меньшей мере в 100 раз больше, например, по меньшей мере в 125 раз больше, например, по меньшей мере в 150 раз больше, например, по меньшей мере в 200 раз больше;
3
(i) где численный объем (внутренний объем, определяемый в м) петлевой части по отношению к численной длине (определяют в метрах) петлевой части находится в диапазоне 0,01–10, например, в диапазоне 0,05–8, например, в диапазоне 0,1–6, например, в диапазоне 0,5–4, например, в диапазоне 1–2;
3
(j) где численный объем (внутренний объем, определяемый в м) петлевой части по меньшей мере в 2 раза меньше чем численная длина (определяют в метрах) петлевой части, например, по меньшей мере в 5 раз меньше, например, по меньшей мере в 10 раз меньше, например, по меньшей мере в 25 раз меньше, например, по меньшей мере в 50 раз меньше, например, по меньшей мере в 75 раз меньше, например, по меньшей мере в 100 раз меньше, например, по меньшей мере в 150 раз меньше, например, по меньшей мере в 200 раз меньше;
(k) где соотношение между длиной (определяют в метрах) горизонтальной части петлевой части и длиной (определяют в метрах) вертикальной части находится в диапазоне от 0,5:1 до 1:20; в диапазоне от 1:1 до 1:15; например, в диапазоне от 1:2 до 1:12, например, в диапазоне от 1:3 до 1:10, например, в диапазоне от 1:5 до 1:8; и/или
3
2
(l) где численное соотношение между объемом (внутренний объем, определяемый в м) бака дегазирования по отношению к площади поперечного сечения (определяют в м) первого впуска или первого выпуска находится в диапазоне от 10:1 до 200:1; например, в диапазоне от 20:1 до 100:1, например, в диапазоне от 30:1 до 80:1; например, в диапазоне от 40:1 до 60:1, например, приблизительно 50:1.
3
2
2
(m) где численный объем (внутренний объем, определяемый в м) бака дегазирования по меньшей мере в 20 раз больше чем численная площадь поперечного сечения (определяют в м) первого впуска и/или площадь поперечного сечения (определяют в м) первого выпуска, например, по меньшей мере в 30 раз больше, например, по меньшей мере в 50 раз больше, например, по меньшей мере в 75 раз больше, например, по меньшей мере в 100 раз больше, например, по меньшей мере в 125 раз больше, например, по меньшей мере 150 раз больше; или
любая комбинация критериев (a)–(m).
В частности, предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения относится к реактору для ферментации, содержащему петлевую часть, имеющую циркуляционный насос, бак дегазирования и выпуск жидкости для ферментации для отведения жидкости для ферментации из реактора для ферментации, указанный бак дегазирования содержит:
(iv) первый выпуск, соединяющий бак дегазирования с первой ногой петлевой части и позволяющий жидкости для ферментации, присутствующей в баке дегазирования, течь в петлевую часть;
(v) первый впуск, соединяющий бак дегазирования со второй ногой петлевой части, позволяющий жидкости для ферментации, присутствующей в петлевой части, течь в бак дегазирования; и
2
(vi) вентиляционную трубу для отведения отходящих газов из бака дегазирования, таких как CO;
где применимы один или несколько следующих критериев;
(a) где первый выпуск и/или первую ногу петлевой части снабжают противовихревым устройством для того, чтобы избегать захлебывания циркуляционного насоса;
3
3
(b) где соотношение между объемом (внутренний объем, который определяют в м) бака дегазирования по отношению к объему (внутренний объем, который определяют в м) петлевой части находится в диапазоне от 0,25:1 до 20:1; например, в диапазоне от 0,5:1 до 15:1; например, в диапазоне от 1:1 до 12:1; например, в диапазоне от 2:1 до 10:1; например, в диапазоне от 3:1 до 8:1; например, в диапазоне от 4:1 до 6:1;
3
2
(c) где численное соотношение между объемом (внутренний объем, который определяют в м) бака дегазирования по отношению к площади поперечного сечения первой ноги и/или площади поперечного сечения (определяют в м) второй ноги находится в диапазоне от 10:1 до 250:1; например, в диапазоне от 20:1 до 200:1, например, в диапазоне от 30:1 до 150:1, например, в диапазоне от 40:1 до 100:1, например, приблизительно 50:1;
2
2
(d) где площадь поперечного сечения первой ноги (определяют в м) на 10% или более больше чем площадь поперечного сечения второй ноги (определяют в м), например, на 20% больше или более; например, на 30% больше или более, например, на 40% больше или более; например, на 50% больше или более, например, на 60% больше или более; например, на 70% больше или более, например, на 80% больше или более; например, на 90% больше или более, например, на 100% больше или более; например, на 125% больше или более, например, на 150% больше или более; например, на 200% больше или более.
2
2
(e) где площадь поперечного сечения второй ноги (определяют в м) на 10% или более больше чем площадь поперечного сечения первой ноги (определяют в м), например, на 20% больше или более; например, на 30% больше или более, например, на 40% больше или более; например, на 50% больше или более, например, на 60% больше или более; например, на 70% больше или более, например, на 80% больше или более; например, на 90% больше или более, например, на 100% больше или более; например, на 125% больше или более, например, на 150% больше или более; например, на 200% больше или более; или
любая комбинация критериев (a)–(e).
В контексте настоящего изобретения, термин «внутренний объем» относится к открытой полости внутри бака или внутри трубы, окруженной стенками трубы бака.
Вышеуказанные критерии предусматривают оптимизированный бак для ферментации, содержащий петлевую часть, которая оптимизирована с учетом практической работы с использованием бака для ферментации; стабильность; эффективность; надежность и стоимость (как стоимость производства, так и организационные расходы).
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения применимы по меньшей мере два из вышеуказанных критериев, например, применимы по меньшей мере 3 из критериев, например, применимы по меньшей мере 4 из критериев, например, применимы по меньшей мере 5 из критериев, например, применимы по меньшей мере 6 из критериев, например, применимы по меньшей мере 7 из критериев, например, применимы по меньшей мере 8 из критериев, например, применимы по меньшей мере 9 из критериев, например, применимы по меньшей мере 10 из критериев.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения применимы по меньшей мере критерии (a). Предпочтительно, критерии (a) применимы в комбинации с одним или несколькими из критериев (b)–(m). В другом дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения применимы по меньшей мере критерии (f). Предпочтительно, критерии (f) применимы в комбинации с одним или несколькими из критериев (a)–(e) или (g)–(m). В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения, критерии (a) и/или критерии (f) применимы в комбинации с одним или несколькими из критериев (b)–(e) и/или (g)–(m), например, применимы в комбинации с двумя или больше из критериев (b)–(e) и/или (g)–(m), например, применимы в комбинации с 3 или больше из критериев (b)–(e) и/или (g)–(m), например, применимы в комбинации с 4 или больше из критериев (b)–(e) и/или (g)–(m), например, применимы в комбинации с 5 или больше из критериев (b)–(e) и/или (g)–(m), например, применимы в комбинации с 6 или больше из критериев (b)–(e) и/или (g)–(m), например, применимы в комбинации с 7 или больше из критериев (b)–(e) и/или (g)–(m).
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения бак дегазирования предпочтительно может представлять собой верхний бак, размещаемый поверх петлевой части. Предпочтительно длина (метры, м) бака дегазирования больше диаметра (метры, м) бака дегазирования.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения бак дегазирования может представлять собой бак цилиндрической формы или призматической формы. Предпочтительно, бак дегазирования призматической формы имеет треугольные торцы, квадратные торцы, пятиугольные торцы или гексагональные торцы.
В зависимости от конструкции реактора для ферментации, выпуск жидкости для ферментации можно помещать в различных местах. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения выпуск жидкости для ферментации для отведения жидкости для ферментации из реактора для ферментации помещают в бак дегазирования и/или в петлевую часть, предпочтительно выпуск жидкости для ферментации помещают
В контексте настоящего изобретения, термин «циркуляционный насос» относится к насосу, размещаемому в петлевой части и отвечающему за приведение в движение жидкости для ферментации в реакторе для ферментации, из бака дегазирования через петлевую часть и обратно в бак дегазирования. Термин «циркуляционный насос» относится к насосу, перекачивающему жидкость для ферментации в по существу параллельном направлении относительно направления потока жидкости для ферментации в петлевой части.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения циркуляционный насос в соответствии с настоящим изобретением можно помещать в части верхней половины первой ноги. Предпочтительно, циркуляционный насос можно помещать в первой ноге близко к первому выпуску. Даже более предпочтительно, циркуляционный насос можно помещать рядом с противовихревым устройством и ниже него по потоку.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения циркуляционный насос может представлять собой пропеллерный насос, лопастной насос или турбинный насос.
Реактор для ферментации предпочтительно может содержать средство для обеспечения повышенного давления в реакторе для ферментации. Польза от воздействия на жидкость для ферментации повышенным состоит в том, что возрастает коэффициент газо–жидкостного массообмена субстратных газов и возрастает производительность и/или эффективность.
От размещения рециркуляционного насоса в верхней половине первой ноги коэффициент газо–жидкостного массообмена может даже дополнительно выигрывать за счет гидростатического давления, создаваемого по мере того, как жидкость для ферментации двигается из бака дегазирования через первый выпуск в первую ногу и через циркуляционный насос, который можно помещать в верхней половине первой ноги, как раскрыто в настоящем описании, и дальше ниже первой ноги, где гидростатическое давление продолжает возрастать по мере движения жидкости для ферментации вниз.
Для того чтобы генерировать повышенное давление в петлевой части, необходимо обеспечивать противодавление, против увеличенного потока, например, обеспечиваемого циркуляционным насосом. Таким образом, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения можно вставлять уменьшающее поток устройство. Предпочтительно, уменьшающее поток устройство можно помещать выше по потоку от первого впуска и во второй ноге.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения уменьшающее поток устройство может представлять собой корректируемое уменьшающее поток устройство.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения уменьшающее поток устройство может представлять собой активное уменьшающее поток устройство.
Предпочтительно, уменьшающее поток устройство может представлять собой клапан, гидроциклон, насос или пропеллерный насос, предпочтительно клапан.
В контексте настоящего изобретения уменьшающее поток устройство не представляет собой неактивное или статичное устройство, такое как статичный смеситель.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения реактор для ферментации в соответствии с настоящим изобретением может содержать одну или несколько точек инжекции газа. Предпочтительно, за одной или несколькими точками инжекции газа может следовать одно или несколько активных устройств для распределения газа в процессе ферментации и/или один или несколько неактивных смесительных элементов.
В ходе работы газы можно вводить в петлевую часть, как описано ранее, чтобы быть способным вводить газы в реактор для ферментации в ходе работы давление газа может составлять приблизительно на 2–3 бар выше давления внутри U–петли. Таким образом, из–за создаваемого гидростатического давления, чем выше в петлевой части вводят газы, тем ниже нужно давление на газовом инжекторе.
Один или несколько неактивных смесительных элементов могут представлять собой статичный смеситель, эти статичные смесители предпочтительно могут непосредственно следовать за одной или несколькими точками инжекции газа для того, чтобы помогать размельчать пузырьки газа и/или избегать или ограничивать коалесценцию пузырьков газа, в жидкости для ферментации.
При нахождении внутри реактора для ферментации и петлевой части, пузырьки газа можно подвергать двум конкурирующим процессам, разрушение пузырьков и коалесценция пузырьков. Конечный усредненный размер пузырьков зависит от более преобладающего или более быстрого процесса из этих двух. Если коалесценция пузырьков является очень медленной по сравнению с разрушением пузырьков, усредненный диаметр пузырьков определяет процесс разрушения, однако, если пузырьки, выходящие из газового впуска, меньше максимального стабильного диаметра пузырька, усредненный диаметр пузырька определяет процесс формирования пузырьков. С другой стороны, если коалесценция происходит быстро, пузырьки, выходящие из газового впуска, могут коалесцировать и вырастать до тех пор, пока они не превысят максимальный стабильный размер пузырьков, после чего происходит разрушение пузырьков. Поскольку разрушение пузырьков газа зависит от локальных скоростей завихрений/локальных турбулентностей, имеет место локальное равновесие коалесценции–разрушения, что ведет к вариации размера пузырьков на всем протяжении петлевой части.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения реактор для ферментации может содержать датчик или анализатор ионов для определения содержания ионов одного или нескольких типов в жидкости для ферментации. Предпочтительно, ионы одного или нескольких типов можно выбирать из фосфата, кальция, водорода, нитрата и/или аммония, предпочтителен нитрат.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения реактор для ферментации; один или несколько датчиков или анализаторов; один или несколько газовых впусков; один или несколько впусков воды; один или несколько впусков среды для ферментации сопрягают с компьютером.
Предпочтительно, одним или несколькими газовыми впусками; одним или несколькими впусками воды; одним или несколькими впусками среды для ферментации управляют на компьютере на основе данных, получаемых от одного или нескольких датчиков или анализаторов.
Реактор для ферментации дополнительно может содержать по меньшей мере один впуск воды. Вода, подаваемая через по меньшей мере один впуск воды, может представлять собой водопроводную воду или деминерализованную воду, предпочтительно деминерализованную воду, чтобы избегать влияния компонентов, присутствующих в водопроводной воде, на композицию среды для ферментации.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения реактор для ферментации может содержать по меньшей мере один впуск среды для ферментации.
2
2
Длина петлевой части реактора для ферментации может влиять на производительность реактора для ферментации и процесса ферментации, поскольку организм абсорбирует вводимые питательные газы и происходит рост, образование биомассы при прохождении через петлевую часть ферментера. В ходе образования биомассы и роста организма можно получать отработанные газы, такие как CO. Эти получаемые отработанные газы, например, CO, нужно транспортировать в бак дегазирования, где отработанные газы можно высвобождать и выгружать из реактора для ферментации.
2
Таким образом, петлевая часть реактора для ферментации может иметь длину, которой достаточно для того, чтобы сделать возможными достаточный рост биомассы и/или достаточное использование добавляемых питательных газов, однако, длина петлевой части не должна быть такой большой, чтобы можно было ингибировать рост из–за высокого содержания отработанных газов, например, CO, в жидкости для ферментации.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения петлевая часть реактора для ферментации может иметь длину по меньшей мере 10 м, например, по меньшей мере 20 м, например, по меньшей мере 30 м, например, по меньшей мере 40 м, например, по меньшей мере 50 м, например, по меньшей мере 75 м, например, по меньшей мере 100 м, например, по меньшей мере 125 м, например, по меньшей мере 150 м.
В данном контексте длину петлевой части реактора для ферментации можно определять на основе линии центров петлевой части.
Настоящее изобретение относится к реактору для ферментации как описано в п. (i)–(iii) и необязательно в другом месте в этом описании, где петлевая часть реактора для ферментации содержит одно или несколько активных устройств для распределения газа в жидкости для ферментации.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения одно или несколько активных устройств для распределения газа в жидкости для ферментации могут представлять собой микронанорассеиватель для введения и/или распределения газа в жидкости для ферментации; и/или динамическое двигающееся устройство, такое как динамический смешиватель.
Микронанорассеиватели можно предусматривать в реакторе для ферментации в соответствии с настоящим изобретением для того, чтобы создавать очень маленькие пузырьки, впрыскиваемые в петлевую часть. Таким образом, этот активный (а не пассивный) путь для того, чтобы создавать пузырьки может обеспечивать организм внутри петлевой части пузырьками меньшего размера, которые иначе не существовали бы, если использовать только рассеиватель. Пузырьки газа, создаваемые с использованием микронанорассеивателя, будут иметь диаметр меньше чем 50 мкм, например, меньше чем 40 мкм, например, меньше чем 30 мкм, например, меньше чем 20 мкм, например, меньше чем 15 мкм.
В качестве альтернативы или в качестве дополнения к микронанорассеивателю можно предусматривать динамическое двигающееся устройство. Динамическое двигающееся устройство можно запускать с помощью прямой или опосредованной подачи энергии, т. е. с использованием динамического смешивателя вместо статичного смесителя. Динамический смешиватель в соответствии с настоящим изобретением может быть предназначен для того, чтобы, в частности, усиливать смешивание газа/жидкости. Использование динамического смешивателя позволяет передавать больше энергии в культуру внутри U–петлевого реактора наиболее оптимальным путем для достижения более хорошего смешивания газа/жидкости.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения динамический смешиватель может быть в первой ноге и/или во второй ноге петлевой части. Это размещение динамических смешивателей обеспечивает возможность усиливать смешивание еще больше за счет использования близости динамического смешивателя ко внутренней стенке петлевой части. Например, пузырьки газа, выходящие из динамического смешивателя можно направлять наружу, а не параллельно пути потока жидкости для ферментации, вдоль ноги, для соударения со внутренней стенкой петлевой части. Полагают, что дополнительные завихрения, обусловленные столкновениями между пузырьками газа в жидкости для ферментации и внутренней стенкой ноги дополнительно усиливают смешивание и уменьшают размер пузырьков.
Можно использовать смешиватель, приводимый в действие непосредственно или опосредованно.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения в линии в петлевую часть реактора для ферментации можно помещать одно или несколько активных устройств для распределения газа в жидкости для ферментации, которые способны усиливать смешивание газа и жидкости для ферментации.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, одно или несколько активных устройств для распределения газа в жидкости для ферментации можно помещать в линии в петлевую часть ферментера и помещать под непараллельным углом относительно потока жидкости для ферментации.
Одно или несколько активных устройств для распределения газа в жидкости для ферментации можно помещать в линии в петлевой части ферментера в или около нижней части первой ноги; нижней части второй ноги; и/или горизонтальной части петлевой части.
Например, когда циркуляционный насос можно располагать в верхней части первой ноги, как описано выше, и вблизи первого выпуска бака дегазирования, может иметь место риск вихря. Вихрь может возникать, когда скорость насоса становится высокой для данного уровня поверхности. Недостатки вихря могут состоять в том, что газ может подходить близко к насосу, что ведет к кавитации и сниженной эффективности насоса и поврежденным лопастям насоса или корпуса в качестве последующего эффекта.
Настоящее изобретение относится к реактору для ферментации как описано в п. (i)–(iii) и необязательно в другом месте в этом описании, где первый выпуск и/или первую ногу петлевой части снабжают противовихревым устройством для того, чтобы избегать захлебывания циркуляционного насоса.
Противовихревое устройство можно устанавливать в баке дегазирования; в первом выпуске или в первой ноге.
Противовихревое устройство может представлять собой устройство, которое формируют и/или устанавливают для разрушения потока и/или канализирования вихря.
Настоящее изобретение относится к реактору для ферментации как описано в п. (i)–(iii) и необязательно в другом месте в этом описании, где:
3
3
– соотношение между объемом (внутренний объем, который определяют в м) бака дегазирования по отношению к объему (внутренний объем, который определяют в м) петлевой части находится в диапазоне от 0,25:1 до 20:1; например, в диапазоне от 0,5:1 до 15:1; например, в диапазоне от 1:1 до 12:1; например, в диапазоне от 2:1 до 10:1; например, в диапазоне от 3:1 до 8:1; например, в диапазоне от 4:1 до 6:1;
3
3
– объем (внутренний объем, который определяют в м) бака дегазирования составляет 25% или больше от объема (внутренний объем, который определяют в м) петлевой части, например, 50% или больше, например, 100% или больше, например, 200% или больше, например, 300% или больше, например, 400% или больше, например, 300% или больше, например, 500% или больше, например, 600% или больше, например, 700% или больше, например, 800% или больше, например, 900% или больше; и/или
3
3
– объем (внутренний объем, который определяют в м) бака дегазирования находится в диапазоне 25%–1500% от объема (внутренний объем, который определяют в м) петлевой части, например, 50%–1200%, например, 100%–1000%, например, 200%–800%, например, 400%–600%.
3
3
Преимущество этого соотношения между объемом (внутренний объем, который определяют в м) бака дегазирования по отношению к объему (внутренний объем, который определяют в м) петлевой части может быть таким, что можно получать усовершенствованный порционный процесс ферментации с подпиткой; усовершенствованное дегазирование в баке дегазирования.
Настоящее изобретение относится к реактору для ферментации как описано в п. (i)–(iii) и необязательно в другом месте в этом описании, где:
3
2
– численное соотношение между объемом (внутренний объем, который определяют в м) бака дегазирования по отношению к площади поперечного сечения первой ноги и/или площади поперечного сечения (определяют в м) второй ноги находится в диапазоне от 10:1 до 250:1; например, в диапазоне от 20:1 до 200:1, например, в диапазоне от 30:1 до 150:1, например, в диапазоне от 40:1 до 100:1, например, приблизительно 50:1; и/или
3
2
2
– численный объем (внутренний объем, определяемый в м) бака дегазирования по меньшей мере в 20 раз больше чем площадь поперечного сечения (определяют в м) первой ноги и/или площадь поперечного сечения (определяют в м) второй ноги, например, по меньшей мере в 30 раз больше, например, по меньшей мере в 50 раз больше, например, по меньшей мере в 75 раз больше, например, по меньшей мере в 100 раз больше, например, по меньшей мере в 125 раз больше, например, по меньшей мере в 150 раз больше, например, по меньшей мере в 200 раз больше.
3
2
2
Преимущество этого соотношения между численным объемом (внутренний объем, определяемый в м) бака дегазирования по отношению к площади поперечного сечения (определяют в м) первой ноги и/или площади поперечного сечения (определяют в м) второй ноги может состоять в том, что можно наблюдать меньший фонтан и можно достигать сниженного риска попадания газа вблизи насоса и сниженного риска кавитации.
В данном контексте термин «фонтан» относится к всплескам жидкости для ферментации при попадании в бак дегазирования через первый впуск.
В данном контексте термин «кавитация» относится к формированию паровых или газовых полостей в жидкости (т. е. небольшие зоны, свободные от жидкости, такие как пузырьки). Это может представлять собой последствие сил, действующих на жидкость. «Кавитация» может представлять собой значимую причину износа в некоторых инженерных контекстах. Сжатие пузырьков, которые схлопываются около металлической поверхности, вызывает циклическое напряжение через повторное схлопывание. Это ведет к поверхностной усталости металла, вызывая износ по типу, называемому «кавитация».
Настоящее изобретение относится к реактору для ферментации как описано в п. (i)–(iii) и необязательно в другом месте в этом описании, где:
3
– численный объем (внутренний объем, определяемый в м) петлевой части по отношению к численной длине (определяют в метрах) петлевой части находится в диапазоне 0,01–10, например, в диапазоне 0,05–8, например, в диапазоне 0,1–6, например, в диапазоне 0,5–4, например, в диапазоне 1–2;
3
– численный объем (внутренний объем, определяемый в м) петлевой части по меньшей мере в 2 раза меньше чем численная длина (определяют в метрах) петлевой части, например, по меньшей мере в 5 раз меньше, например, по меньшей мере в 10 раз меньше, например, по меньшей мере в 25 раз меньше, например, по меньшей мере в 50 раз меньше, например, по меньшей мере в 75 раз меньше, например, по меньшей мере в 100 раз меньше, например, по меньшей мере в 150 раз меньше, например, по меньшей мере в 200 раз меньше.
3
Преимущество этого соотношения между численным объемом (внутренний объем, определяемый в м) петлевой части по отношению к численной длине (определяют в метрах) петлевой части может состоять в том, что можно достигать усовершенствованного смешивания жидкости для ферментации и питательных газов; усовершенствованной производительности; более длительного времени удержания.
Настоящее изобретение относится к реактору для ферментации как описано в п. (i)–(iii) и необязательно в другом месте в этом описании, где:
– соотношение между длиной (определяют в метрах) горизонтальной части петлевой части и длиной (определяют в метрах) вертикальной части находится в диапазоне от 0,5:1 до 1:20; в диапазоне от 1:1 до 1:15; например, в диапазоне от 1:2 до 1:12, например, в диапазоне от 1:3 до 1:10, например, в диапазоне от 1:5 до 1:8.
Преимущество этого соотношения между длиной (определяют в метрах) горизонтальной части петлевой части по отношению к длине (определяют в метрах) вертикальной части может состоять в том, что можно достигать достаточного увеличения растворимости газа из–за гидростатического давления и/или можно пренебрегать возможной потерей газов из жидкости в возможно присутствующее пустое пространство над жидкостью, текущей в горизонтальной части U–петли.
Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения относится к процессу ферментации для получения биомассы посредством культивирования организма, способ включает стадию:
(1) подачи среды для ферментации в реактор для ферментации;
(2) добавления организма в реактор для ферментации в соответствии с настоящим изобретением;
(3) предоставления организму, присутствующему в среде для ферментации, возможности ферментировать, предоставляя жидкость для ферментации; и
(4) извлечения жидкости для ферментации из реактора для ферментации, предоставляя биомассу.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения организм представляет собой по меньшей мере один метанотрофный организм или комбинацию организмов, содержащую по меньшей мере один метанотрофный организм.
Предпочтительно, микроорганизм представляет собой бактерию или дрожжи. Предпочтительно, бактерии содержат по меньшей мере одну метанотрофную бактерию или комбинацию организмов, содержащую по меньшей мере одну метанотрофную бактерию.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения метанотрофные бактерии выбирают из Methylococcus. Предпочтителен Methylococcus capsulatus.
Для того чтобы обеспечивать достаточно минералов и/или ионов в жидкости для ферментации, ионы одного или нескольких типов из жидкости для ферментации можно анализировать в ходе процесса ферментации. Предпочтительно, ионы одного или нескольких типов выбирают из фосфата, кальция, водорода, нитрата и/или аммония.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения датчик или анализатор можно использовать для того, чтобы анализировать ионы одного или нескольких типов, предпочтительно, датчик или анализатор представляет собой датчик в линии или анализатор в линии.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения посредством компьютера можно управлять одним или несколькими датчиками или анализаторами; одним или несколькими газовыми впусками; одним или несколькими впусками воды; одним или несколькими впусками среды для ферментации.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения можно контролировать и/или приводить в действие один или несколько газовых впусков; один или несколько впусков воды; один или несколько впусков среды для ферментации посредством компьютера на основе данных, получаемых от одного или нескольких датчиков или анализаторов.
Процесс ферментации в соответствии с настоящим изобретением может представлять собой порционную ферментацию, порционную ферментацию с подпиткой или непрерывный процесс ферментации. Предпочтительно процесс ферментации представляет собой непрерывный процесс ферментации (производственный процесс).
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения давление внутри петлевой части и в нижней части петлевой части может находиться в диапазоне от 0 до 6 бар g, например, в диапазоне 1–5,5 бар g, например, в диапазоне 2–5 бар g, например, в диапазоне 2,5–4,5 бар g, например, в диапазоне 3–4 бар g.
В контексте настоящего изобретения, термин «бар g» относится к давлению выше окружающего давления в 1 бар. Таким образом, 0 бар g является таким же, как полное давление 1 бар, 1 бар g является таким же, как полное давление 2 бар, и т. д.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения давление внутри петлевой части и в верхней части первой ноги и ниже циркуляционного насоса может быть в диапазоне от 0 до 6 бар g выше окружающего, например, в диапазоне 1–5,5 бар g, например, в диапазоне 2–5 бар g, например, в диапазоне 2,5–4,5 бар g, например, в диапазоне 3–4 бар g.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения давление внутри бака дегазирования может быть в диапазоне 0–1 бар g, например, в диапазоне 0,1–0,75 бар g, например, в диапазоне 0,2–0,5 бар g.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения реактор для ферментации может содержать один или несколько из вышеуказанных критериев в комбинации с базовым реактором для ферментации, как описано в WO 2010/069313 и/или как описано в WO 2000/70014, обе они включены, таким образом, посредством ссылки.
Примеры конструкции реактора для ферментации; использования датчиков и анализаторов; и управления реактором для ферментации описаны в WO 2010/069313; и/или WO 2000/70014, обе они включены, таким образом, посредством ссылки.
Настоящее изобретение далее описано более подробно в дальнейшем неограничивающем предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
2
Настоящее изобретение относится к реактору для ферментации, содержащему петлевую часть, имеющую циркуляционный насос, бак дегазирования и выпуск жидкости для ферментации для отведения жидкости для ферментации из реактора для ферментации, указанный бак дегазирования содержит первый выпуск, соединяющий бак дегазирования с первой ногой петлевой части и позволяющий жидкости для ферментации, присутствующей в баке дегазирования, течь в петлевую часть. Реактор для ферментации дополнительно содержит первый впуск, соединяющий бак дегазирования со второй ногой петлевой части, позволяющий жидкости для ферментации, присутствующей в петлевой части, течь в бак дегазирования, и вентиляционную трубу для отведения отходящих газов из бака дегазирования, таких как CO. Первая нога имеет верхнюю половину, где можно помещать циркуляционный насос. Вторая нога имеет верхнюю половину, содержащую уменьшающее поток устройство. Область между циркуляционным насосом, ниже по потоку от указанного циркуляционного насоса, и уменьшающим поток устройством, выше по потоку от указанного циркуляционного насоса, может содержать повышенное давление относительно давления в баке дегазирования.
Для того чтобы усовершенствовать газо–жидкостный массообмен и, таким образом, усовершенствовать производительность процесса ферментации, одно или несколько активных устройств для распределения газа в жидкости для ферментации можно вводить в петлевую часть. Предпочтительно, одно или несколько активных устройств для распределения газа в жидкости для ферментации можно помещать в горизонтальную часть петлевой части. Одно или несколько активных устройств для распределения газа в жидкости для ферментации также можно помещать в вертикальную часть петлевой части, предпочтительно в первую ногу, но некоторые активные устройства для распределения газа в жидкости для ферментации также можно помещать в вертикальную вторую ногу. Реактор для ферментации также может содержать противовихревое устройство для того, чтобы избегать захлебывания циркуляционного насоса. Это противовихревое устройство можно помещать в первый выпуск или между первым выпуском и циркуляционным насосом. Противовихревое устройство можно предусматривать для того, чтобы избегать засасывания воздуха из бака дегазирования в циркуляционный насос, что будет значительно влиять на производительность процесса и в худшем случае разрушать циркуляционный насос.
2
Реактору для ферментации можно придавать геометрическую форму различными путями; в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения реактор для ферментации содержит вертикальную часть, которая значительно длиннее чем горизонтальная часть, предпочтительно вертикальная часть по меньшей мере в 5 раз длиннее чем горизонтальная часть. Эффект наличия более длинной вертикальной части, чем горизонтальная часть, состоит в том, что чем ближе к дну петлевой части поступает жидкость для ферментации, тем выше давление, гидростатическое давление, которое действует на жидкость для ферментации. Когда давление растет вниз через первую ногу реактора для ферментации, будет расти коэффициент газо–жидкостного массообмена. Другие дополнительные преимущества использования этого гидростатического давления можно обеспечивать, если циркуляционный насос помещают в верхней половине первой ноги. Дополнительная информация об этих и дополнительных признаках для управления и обеспечения давления в петлевой части также может быть подходящей в настоящем изобретении и описана в WO 2010/069313, которая, таким образом, включена посредством ссылки. Тот же феномен применим, когда жидкость для ферментации движется из горизонтальной части вверх через вторую ногу, где гидростатическое давление снижается и коэффициент газожидкостного массообмена будет снижаться и меняться на жидкостно–газовый коэффициент массообмена CO, выделяемого организмом, и последующее дегазирование в баке дегазирования может проходить легче. В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения геометрическая форма реактора для ферментации может содержать горизонтальную часть, которая значительно длиннее, чем вертикальная часть, предпочтительно горизонтальная часть по меньшей мере в 5 раз длиннее чем вертикальная часть.
В ходе работы, в реакторе для ферментации можно предоставлять организм, предпочтительно бактериальную клетку, в частности, метанотрофную бактериальную клетку, способную превращать метан в биомассу. Когда начинают непрерывную ферментацию организма, жидкость для ферментации можно получать из выпуска жидкости для ферментации для отведения жидкости для ферментации из реактора для ферментации, при этом среду для ферментации одновременно добавляют в реактор для ферментации, через впуск среды для ферментации. Элементы подачи питательного газа; элементы подачи воды; элементы подачи кислоты/основания и/или элементы подачи среды для ферментации можно предусматривать для того, чтобы сделать возможной непрерывную подачу питательных газов, воды и среды для ферментации в ходе процесса ферментации (включая начальную порционную ферментацию, последующую порционную ферментацию с подпиткой и непрерывную ферментацию). Предпочтительно, реактор для ферментации содержит один или несколько датчиков/анализаторов для определения концентрации ионов по меньшей мере одного типа, ионов фосфата, аммония, нитрата и водорода; датчик/анализатор газа для определения концентрации газа (например, концентрации метана и/или кислорода) и по меньшей мере один датчик/анализатор температуры. Датчики/анализаторы предпочтительно могут подавать сигналы в систему обработки данных (компьютер), где обрабатывают принимаемые сигналы и вычисляют и оптимизируют дозу питательных газов, воды, минералов и кислоты/оснований для корректировки pH через элементы подачи исходя из предварительно запрограммированных количеств в связи с измеряемыми результатами. Дополнительные подробности о процессе ферментации, датчиках/анализаторах и управлении процессом с использованием компьютера описаны в WO 00/70014, которая, таким образом, включена посредством ссылки.
Следует отметить, что варианты осуществления и признаки, описанные в контексте одного из аспектов настоящего изобретения, также применимы к другим аспектам изобретения.
Все патентные и непатентные источники, цитируемые в настоящей заявке, включены, таким образом, посредством ссылки в полном объеме.
Источники
WO 2010/069313
WO 00/70014