УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОМАССЫ АЭРОБНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
INSTALLATION FOR PRODUCING BIOMASS OF AEROBIC MICROORGANISMS

Изобретение относится к области микробиологии, например к производству биомассы и микроорганизмов для кормовых и других целей при использовании в качестве органического сырья газообразных углеводородов, в частности метансодержащего газа, получаемого в процессе утилизации углеводородсодержащих отходов методом сверхкритической технологии (производство гаприна).
Гаприн используют при производстве комбикормов, а также в качестве биодобавки в кормовые рационы в виде биомассы дрожжей, полученной при культивировании на метансодержащем газе.
Известно устройство (RU, патент №2021253, опубликован 15.10.1993) в котором для реализации способа культивирования микроорганизмов в водоминеральной питательной среде, разработана установка, содержащая блок выращивания и блок переноса газов питания в жидкую питательную среду, соединенные друг с другом системой трубопроводов с циркуляционным насосом, причем блок переноса газов питания представляет собой группы параллельных диффузионных мембранных гидрофобных элементов, с образованием между их рядами, сообщенных с источником газового питания.
Недостатком такого решения являются сложность установки и отсутствие блока получения конечного продукта (гаприна), а также зависимость от подачи метансодержащего газа, поступающего от магистрального трубопровода.
Известно техническое решение (RU, патент №2053016, опубликован 20.07.1996 г.), реализующее способ получения биомассы метаноокисляющих микроорганизмов в установке выращивания биомассы, которая включает ферментер, в который по системным трубопроводам подают поток, содержащий свободный кислород (воздух, технологический кислород), метансодержащий газ (в частности, природный газ), технологическую воду, концентрированный раствор источников минерального питания, сбалансированный по удельным потребностям в них выращиваемой культуры микроорганизмов, раствор для стабилизации рН среды выращивания (аммиачная вода), выполняющий в процессе также роль источника азота для культуры микроорганизмов, отработанную среду выращивания, подаваемую со стадии концентрирования биомассы, хладагент в теплообменном устройстве ферментера для стабилизации температуры среды выращивания. По одному из трубопроводов ферментера непрерывно выводят на последующую обработку суспензию, содержащую биомассу, а по другому трубопроводу выводят поток отработанного газа.
Трубопроводы для подачи среды, а также вывода биомассы снабжены расходомерами. На всех трубопроводах установлены регулирующие клапаны. Ферментер оснащен анализатором содержания в газовой фазе среды выращивания (отходящем потоке газовой фазы) кислорода и метана, а также датчиками уровня содержания одного из компонентов минерального питания в среде выращивания, величины рН, давления, концентрации растворенного кислорода и температуры. Расходомеры связаны с соответствующими регуляторами расходов. Датчик температуры связан с регулятором температуры, датчик давления - с регулятором давления, датчик концентрации метана в отходящем газе - с регулятором подачи метана, датчик уровня - с регулятором уровня, датчик содержания одного из компонентов минерального питания в среде выращивания - с соответствующим регулятором, датчик рН - с соответствующим регулятором.
Недостатком данного технического решения следует признать его сложность, а также привязанность к трубопроводу подачи метансодержащего газа.
Известен способ производства биомассы аэробных микроорганизмов (RU, патент №2322488, опубликован 20.04.2008), реализуемый с помощью
установки, в которую входят: корпус (емкость) и корпус-сателлит (вторая емкость). Корпусов-сателлитов может быть несколько. Оба корпуса соединены между собой трубопроводами для жидкости, внутри одного из которых находится устройство для принудительной циркуляции жидкости по замкнутому контуру (насос).
В отдельных случаях циркуляция может обеспечиваться за счет эрлифта воздуха и газа. Внутри корпуса установлена обечайка (кольцевая пластина) с отбортовкой, направленной к оси корпуса. Эта обечайка является опускным каналом. Кольцевое пространство между корпусом и обечайкой образует подъемный канал, внутри которого установлены барботажные аэрирующие устройства (барботеры), присоединенные к воздушному коллектору, а над ним имеется отбойник (при принудительной циркуляции культуральной жидкости (КЖ) отбойник и отбортовка необязательны). Воздуховод от дутьевого вентилятора подведен к коллектору. В корпусе-сателлите имеется обечайка с отбортовкой в верхней части увеличивающая скорость опускания культуральной жидкости и ее способность образовывать газообразный субстрат.
Ниже воронки, внутри обечайки, находится вторая воронка с наклоном или вверх, или вниз, в виде воронки, что предпочтительней. Кольцевой зазор между корпусом и обечайкой является подъемным каналом, внутри которого установлены барботеры для барботажа природного газа. Барботеры природного газа присоединены к распределительному газовому коллектору природного газа (газообразного субстрата).
К этому коллектору может быть присоединен и газопровод чистого кислорода. Коллектор присоединен к газопроводу. На котором установлен регулятор давления газа, снижающий давление газа до расчетного. Датчик давления сигнализирует регулятору о давлении внутри корпуса, по сигналу которого указанный регулятор прикрывает или приоткрывает регулирующий клапан.
Устройства для отвода биологического тепла могут быть выполнены в виде змеевиков внутри или снаружи обечайки, или установлены в виде отдельного агрегата на жидкостепроводе.
Над подъемными клапанами могут быть установлены отбойники (при принудительной циркуляции культуральной жидкости они необязательны).
В верхней части корпуса-сателлита установлен сбросный предохранительный клапан (или гидрозатвор) и выходной трубопровод (противоточный газопровод) с запорным органом. Он служит для вентиляции корпуса при остановках (опорожнении культуральной жидкости) и при освобождении от воздуха при пуске.
Данное техническое решение имеет ряд недостатков технического и технологического характера. В частности, сложность конструкции отдельных технических решений, что снижает возможность получения конечного продукта. Применение барботажа не снижает массовую скорость массообменного процесса, так как сплошной контакт газовых частиц с жидкостью, находящейся в неподвижном состоянии, снижает скорость диффузионных процессов, что снижает производительность установки.
Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать патент «Способ и устройство для получения гаприна» (RU, патент №2626592, опубликован 21.06.2017 г.)
Существенным недостатком способа и устройства получения гаприна является применение сверхкритической технологии, требующей больших затрат энергии и затрат на разработку и эксплуатацию оборудования.
Техническая задача, решаемая посредством разработанной установки, состоит в обеспечении высокой эффективности процесса получения белковой биомассы метанутилизирующих микроорганизмов.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является осуществление способа культивирования аэробных микроорганизмов в условиях непрерывной циркуляции культуральной жидкости по замкнутому контуру при непрерывном насыщении газообразными углеводородами и
аэрирующим агентом, при подаче питательной минеральной среды и удалении накопленной биомассы
Для достижения технического результата предложено использовать разработанную установку для получения биомассы аэробных микроорганизмов. Установка включает совокупность отдельных функциональных узлов и деталей, объединенных в цилиндрическом корпусе следующим образом: в верхней части корпуса на оси подшипника, который закреплен в крестовине, установлено колесо вентилятора и смеситель, на котором закреплен коллектор для подачи в аэраторную вихревую камеру культуральной жидкости с водой через отверстия в коллекторе, который соединен с напорным трубопроводом посредством струйного эжектора, для подачи засевного материала, при этом смеситель выполнен с возможностью вращения за счет воздействия высоконапорной вихревой струи, образующейся на входе в аэраторную вихревую камеру, в нижней части камеры роста культуральной жидкости установлен завихритель, к которому присоединена перфорированная осевая труба, а напорный трубопровод установлен тангенциально к образующей поверхности верхней части цилиндрического корпуса, и подключен к насосу, при этом на напорном трубопроводе, установлены струйный эжектор для подачи газа в вихревой смеситель и аэраторную вихревую камеру, и струйный эжектор для транспортировки засевного материала.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид установки, на фиг. 2 - смеситель с приемниками ковшового типа, на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1, на фиг. 4 - завихритель с перфорированной осевой трубой и разрез Б-Б.
Разработанная установка содержит совокупность отдельных функциональных узлов и деталей, объединенных в цилиндрическом корпусе 25: аэраторную вихревую камеру 1, колесо вентилятора 2, установленное на оси подшипника 3, который закреплен на крестовине 20. На нижней части оси подшипника закреплен смеситель 4, содержащий два симметрично
установленных, тангенциально к образующей трубы смесителя 4, приемника ковшового типа 17, обеспечивающие вращение смесителя 4 при подаче вихревого потока жидкости напорным трубопроводом 5 на приемники ковшового типа 17. Перфорация 18 обеспечивает последовательный контакт культуральной жидкости с газообразным субстратом и воздухом. Струйный эжектор 24 подает засевной материал в коллектор 19 подачей воды напорным трубопроводом 5.
Камера роста культуральной жидкости 6 соединена с аэраторной вихревой камерой 1 через смеситель 4 и содержит на выходе завихритель 15, соединенный с перфорированной осевой трубой 16.
Для обеспечения циркуляции культуральной жидкости по замкнутому контуру установлен насос 11, на всасывающей части которого находятся клапаны 12, 13, 14.
На напорном трубопроводе 5 насоса 11 установлены клапан 9, струйный эжектор 8 с клапаном 22 для подачи в вихревой смеситель 7 газа и жидкости, в том числе культуральной жидкости с газом.
Для непрерывного отвода биомассы микроорганизмов из камеры роста культуральной жидкости 6 к напорной части насоса 11 подключен трубопровод 10.
Сброс отработанного аэрирующего агента (воздуха) и продуктов метаболизма производится по трубе 21 (фиг. 1).
Описанная установка работает следующим образом:
1. Возможна раздельная подача воздуха, а затем газа. В этом случае клапаны 22 и 13 закрыты. Клапаны 12 и 14 открыты, клапан 23 закрыт.
Насос 11 питается водой, которая поступает по напорному трубопроводу 5 через открытый клапан 9, струйный эжектор 8, вихревой смеситель 7, струйный эжектор подачи засевного материала 24 в коллектор 19, обеспечивающий распыление и контакт с кислородом воздуха, поступающего от колеса вентилятора 2 при его вращении совместно со
смесителем 4, который получает энергию от вихревого потока жидкости напорного трубопровода 5, установленного тангенциально к образующей диаметра аэраторной вихревой камеры 1.
При работе установки в данном режиме камера роста культуральной жидкости 6 заполняется до определенного уровня. Затем закрывается клапан 14 (на заданную величину). Открывается клапан 13 и клапан 22 для подачи газа в систему для питания микроорганизмов. Расход газа контролируется расходомером.
При работе установки соли (азота и фосфора) и другие минеральные элементы (ростовой фактор (ВР1 и ВР2)) подаются непрерывно в процессе всей работы.
Подача воды насосом 11 регулируется клапаном 14 с управляющим приводом.
Культуральная жидкость абсорбирует газообразный субстрат, а также может десорбировать азот, растворенный в культуральной жидкости, и углекислоты, непрерывно выделяемой микроорганизмами.
Отработанный воздух, частично насыщенный продуктами метаболизма и углекислотой, отводится через трубу 21 в атмосферу или на утилизацию.
Абсорбция культуральной жидкости происходит при контакте частиц культуральной жидкости, образующихся при выходе из отверстий коллектора 19, с воздушным потоком от вентилятора 2.
2. При совместной подаче аэрирующего атмосферного воздуха и газообразного субстрата (газа) клапаны 9, 12, 13, 14, 22 открыты. Последовательность контакта культуральной жидкости устанавливается системой клапанов, обеспечивающих необходимое время контакта КЖ с атмосферным воздухом и газообразным субстратом, а при необходимости и порядок контакта.
При этом производится контроль и регулирование давления путем изменения проходного сечения клапанов, изменение температуры, образующейся при
выделении биологического тепла и охлаждение биомассы до заданной температуры в зависимости от применяемой культуры микробактерий, а также контроль и поддержание рН среды в заданных пределах для обеспечения наиболее интенсивного роста данного штамма.
Установка характеризуется тем, что смеситель 4 (фиг. 2 и фиг. 3) приводится во вращение за счет воздействия высоконапорной вихревой струи, образующейся на входе в аэраторную вихревую камеру.
В установке, в нижней части камеры роста культуральной жидкости 6, установлен завихритель 15, к которому присоединена перфорированная осевая труба 16 для создания разряжения в камере роста культуральной жидкости (фиг. 4).
Преимущество разработанной установки заключается в том, что процессы абсорбции основаны на использовании энергии жидкости, регулируемой системой клапанов, которую вырабатывает один насос независимо от режимов функционирования отдельных элементов установки, что обеспечивает установление оптимальных условий их работы с целью достижения максимального экономического и экологического эффекта при непрерывном удалении биомассы на сепарирующее устройство.