УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОРМОВОЙ БИОМАССЫ ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА
INSTALLATION FOR OBTAINING FEED BIOMASS FROM NATURAL GAS

Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к установкам для выращивания микроорганизмов и может найти применение при выращивании микроорганизмов на природном газе.
Предшествующий уровень техники
Для крупнотоннажного производства кормового белка (БВК) из природного газа во всем мире в основном используются два типа аппаратов это петлевые и струйные ферментеры.
Известна заявка WO 2010/069313 «Аппарат  для выращивания микроорганизмов», патент США № 6.492.135 «Ферментер с U-образной формой и/или соплом с U-образной петлей и способ проведения процесса ферментации» и патент США № 10.184.103 «U-образная форма и/или сопло Ферментер с U-образной петлей и способ ферментации». Предлагаемые аппараты выполнены в виде петлевых ферментеров имеют довольно простую конструкцию в виде вертикальной петли образованной двумя контурами - восходящим и нисходящим контурами газожидкостного потока.
Известны патенты  на изобретение СССР № 1613484 «Аппарат для выращивания микроорганизмов»,  патент СССР № 1271061 «Аппарат для выращивания микроорганизмов» и патент СССР №  745930 «Установка для выращивания микроорганизмов», предлагаемые аппараты струйные и быть могут оснащены аэраторами (эжекторами) сливного типа.
в замкнутом объеме такая смесь не горит и не взрывоопасна.
Метан в смеси с воздухом способен образовывать взрывоопасные смеси. Газовоздушная смесь, в которой содержится газа меньше нижнего предела воспламеняемости, не горит и не взрывается. Смесь, в которой содержание природного газа больше верхнего предела воспламеняемости, можно заставить гореть в свободном факеле, поджигая струю этой смеси при ее истечении в атмосферу воздуха, но  Пределы взрываемости метанокисляющих смесей, забаллостированных инертными газами, приведены на треугольной диаграмме Гиббса-Розебума (рисунок 1).
Недостатком  вышеописанных устройств является  то, что для  работы петлевых ферментеров разработчики технологии выбрали область безопасной работы системы горючее-окислитель-инертный компонент область концентраций, находящуюся выше линии МА, с максимальной концентрацией метана 6%. Таким образом, при избытке кислорода процесс культивирования в данном случае всегда ведется при лимите природного газа и скорость роста метанокисляющих микроорганизмов лимитируется скоростью растворения метана. Отработанная газовоздушная смесь с содержанием метана до 3% выбрасывается в атмосферу, что не позволяет достигнуть высокой степени утилизации природного газа и способствует загрязнению окружающей среды.
В противоположность этому при работе на струйных аппаратах область безопасной работы находится ниже линии МБ, но область безопасной работы, во избежание любых нештатных ситуаций и неполадок, ограничивают 8-ю % кислорода во всем диапазоне ниже линии ГВ. Таким образом, при избытке метана процесс культивирования в данном случае всегда ведется при лимите кислорода и скорость роста метанокисляющих микроорганизмов лимитируется скоростью растворения кислорода. Отработанная газовоздушная смесь с содержанием природного газа до 30%,  кислорода 8% (остальное азот и диоксид углерода) поступает на стадию сушки в качестве топлива или котлы-утилизаторы.
Таким образом,  недостатком работы этих аппаратов является то, что в обоих случаях один из компонентов газовой смеси находится в лимите, а на другой тратится неоправданно большое количество энергии на его растворение, но потребление которого лимитирует другой компонент.
В 80-е и начале 90-х годов прошлого века в СССР для крупнотоннажного производства кормового белка использовали технологии  при работе на воздухе и на чистом кислороде под давлением. Если при работе на воздухе процесс ферментации шел достаточно стабильно во  всем диапазоне рабочего давления, то при работе на чистом кислороде при достижении парциального давления диоксида углерода порядка 1атм процесс ферментации ухудшался, а при дальнейшем увеличении парциального давления диоксида углерода резко падал. Это связано с ингибирующими свойствами диоксида углерода нарост микроорганизмов.
В своё время были предложены технические решения очистки от диоксида углерода, например, по авторскому свидетельству СССР №1306942, которое было реализовано на Светлоярском заводе БВК.
Недостатком струйных аппаратов, используемых в Советском Союзе, являлась работа аппаратов при низких концентрациях кислорода в газовой фазе, которая обуславливалась безопасностью ведения технологического процесса и не обеспечивала высокие массообменные параметры ферментеров, в виду того, что система ферментер – трубопроводы – горелка сушилки или котла-утилизатора не является замкнутым объемом и, что при нештатном режиме работы горелки в случае работы при концентрации кислорода в газовой фазе более 12%, пламя от горелки по трубопроводу может распространиться в ферментер и взрыв газовой фазы будет неизбежен.
Задачей предлагаемого изобретения является создание установки  для получения кормовой биомассы из природного газа, обеспечивающей увеличение производительности ферментеров, входящих в установку, снижении энергозатрат на единицу готовой продукции и увеличение степени использования компонентов газовой среды (природного газа и кислорода), обеспечение полностью замкнутого цикла использования технологической воды.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в увеличении производительности ферментеров, входящих в установку, снижении энергозатрат на единицу готовой продукции и увеличение степени использования компонентов газовой среды (природного газа и кислорода), обеспечение полностью замкнутого цикла использования технологической воды.
Данный технический результат достигается тем, что установка для выращивания микроорганизмов состоит из двух и более последовательно установленных ферментеров, причем, система газообеспечения установки выполнена таким образом, что все газовые компоненты питательной среды (природный газ и кислород), рассчитанные на всю установку, подаются в первый  ферментер через штуцера  подачи  кислорода и природного газа, установленные на контуре рециркуляции газовой фазы,  а отработанная газовая смесь из предыдущего ферментера подается в последующий по трубопроводу в контур рециркуляции газовой фазы последующего ферментера, а последний ферментер имеет  штуцер выхода отработанной газовой смеси в боокислитель, который работает под тем же давлением, что и ферментеры. Между ферментерами в линии газообеспечения устанавливается система очистки от диоксида углерода, которая может быть основана на сорбции диоксида углерода холодной водой, щелочным раствором или этаноламинами. Вывод отработанной газовой смеси из установки может осуществляться только из биоокислителя на утилизацию в котлы-утилизаторы или на сушилку в качестве низкокалорийного топлива, а может возвращаться полностью в первый ферментер. Штуцера подачи  газовой смеси из предыдущего ферментера в последующий  подключены к контуру рециркуляции газовой фазы последующего ферментера. Ввод всей технологической воды и биологически очищенной воды в установку также осуществляется в первый ферментер, при этом переток культуральной жидкости из первого ферментера в последний осуществляется последовательно циркуляционными насосами, а  отбор культуральной жидкости из установки осуществляется только из последнего ферментера на стадию сеперации, где происходит сгущение культуральной жидкости и подача сгущенной биомассы на плазмолиз и сушку гототового продукта, а отработанная культуральная жидкость подается в биоокислитель. Каждый ферментер содержит корпус с технологическими патрубками подачи растворов минеральных солей, титрующих агентов, струйный аэратор, расположенный вертикально в верхней части корпуса и подключенный к системе рециркуляции жидкой фазы, причем система включает теплообменник, побудитель расхода жидкости и трубопроводы, выполненные с возможностью отвода жидкой фазы из нижней части корпуса и подачи ее через струйный аэратор в верхнюю часть корпуса, и трубопровод, соединяющий боковую сторону корпуса с верхней частью корпуса аэратора для обеспечения рециркуляции газовой фазы. Биоокислитель выполнен аналогично ферментерам, но имеет значительно меньшие массообменные характеристики. Узел биоокисления также включает вторичный отстойник, где происходит отстаивание микробной биомассы активного ила, которая частично подается на рециркуляцию и на центрифугирование с дальнейшей подачей её на сушку с получением дополнительного протеинового продукта, а биологически очищенная вода (БОВ) подается в первый ферментер.
Описание изобретения
На фиг. 1  изображена диаграмма Гиббса – Розебума.
На фиг. 2  изображена схема работы и элементов установки для получения кормовой биомассы.
Установка  для получения кормовой биомассы 1из природного газа (см. фиг. 2) состоит из двух и более последовательно установленных ферментеров 2, каждый ферментер включает корпус 3, струйный аэратор 4, подключенный к системе рециркуляции жидкой фазы 5, которая  включает теплообменник 6, побудитель  расхода жидкости 7 и трубопровод 8. Внутри корпуса 3 в нижней его части соосно установлен отбойник 9 в виде конуса,  направленного вверх. Так же струйный аэратор 4 подключен к системе рециркуляции газовой фазы трубопроводом 10. Ввод всех элементов газового питания (кислорода и природного газа) в установку предусмотрен на трубопроводе рециркуляции газовой фазы  первого ферментера по ходу движения газовой фазы через штуцера 11 и 12. На всасывающей линии побудителя расхода жидкости7 установлен штуцер подачи питательных солей 13, технологической воды 14 и титрующего раствора 15, в верхней крышке корпуса последнего ферментера предусмотрен штуцер отвода отработанной газовой смеси 16. В нижней точке каждого ферментера на трубопроводе 8 установлен штуцер для слива и отбора культуральной жидкости  17. Штуцер отбора газовой смеси 18 из предыдущего ферментера в последующий по трубопроводу 19 подключен к контуру рециркуляции газовой фазы последующего ферментера. На трубопроводе 19 между ферментерами установлена система очистки  от диоксида углерода37. Биоокислитель 20 по своей конструкции аналогичен ферментерам. Так же в установку входит сепаратор 21, плазмолизатор 22, сушилка 23 и трубопроводы 24, 25 и 26. В состав оборудования для биологической очистки входят вторичный отстойник 27, центрифуга 28, сушилка 29, трубопроводы  30, 31, 32, 33 и 34. Для вывода отработанной газо-кислородной смеси из боокислителя предусмотрены трубопроводы 35 и 36.
Установка для получения кормовой биомассы работает следующим образом.
о
В каждом из ферментеров 2 (Ф--1, Ф-2, Ф-3) в установке для получения кормовой биомассы 1 из природного газа побудитель расхода жидкости (циркуляционный насос)7 забирает  из-под отбойника в виде конуса 9 культуральную жидкость по трубопроводу 8 и подает её через теплообменник 6, где происходит термостатирование, по системе  рециркуляции жидкой фазы (трубопроводу) 5 в струйный аэратор 4. За счет падения жидкостной струи в аэраторе 4 происходит подсос газовой фазы из верхней части корпуса ферментера 2 по трубопроводу 10. Газожидкостная смесь из струйного аэратора 4 с большой скоростью падает на поверхность жидкости и за счет высокой потенциальной энергии пробивает весь слой до отбойника 9. Происходит интенсивное перемешивание газожидкостной смеси и интенсивный массообмен между газовыми потоками и культуральной средой. Отразившись от отбойника 9 газожидкостная смесь поднимается вверх, где вновь засасывается падающей струей и вновь направляется вниз. Часть газожидкостной смеси из корпуса 3 подсасывается побудителем расхода жидкости (циркуляционным насосом) 7 под отбойник 9, где происходит частичная дегазация культуральной жидкости. Ввод питательных солей, технологической воды и титрующего агента осуществляется через штуцера 13, 14 и 15. Отбор культуральной жидкости на сепарацию осуществляется из последнего ферментера  2 по трубопроводу 24. Слив ферментеров 2  осуществляется через штуцер (штуцер для слива и отбора культуральной жидкости) 17. Ввод  кислорода и природного газа, необходимых для всей установки производится через штуцера 11 и 12, которые установлены на трубопроводе10 ферментера  2 (Ф-1) по ходу движения газовой фазы в установке. Газовая смесь из каждого предыдущего ферментера  2 поступает в последующий через штуцер 18 по трубопроводу 19 в трубопровод 10 последующего ферментера 2, за исключением последнего ферментера 2 (Ф-3), из которого газовая фаза через штуцер 16 направляется в биоокислитель 20.  На трубопроводе 19 между ферментерами в линии газообеспечения,  установлена система очистки  от диоксида углерода 37, которая может быть основана на сорбции диоксида углерода холодной водой, щелочным раствором или этаноламинамии которая позволяет на 90-95% очистить газовую смесь от диоксида углерода.  Количество ферментеров, которое необходимо установить в установке, рассчитывается заранее исходя из требования по содержанию остаточных количеств метана, кислорода и углекислого газа на выходе из установки, необходимых для безопасной работы установки. Поступившая на сепаратор 21 культуральная жидкость под действием центробежных сил сгущается до концентрации сухих веществ 18-20%. Сгущенная биомасса по трубопроводу 25 поступает в плазмолизатор 22, где инактивируется при температуре 130С. Отработанная культуральная жидкость по трубопроводу 26 поступает в биоокислитель 20. Из плазмолизатора 22 биомасса по трубопроводу 26 поступает на распылительную сушилку 23, где высушивается до влажности готового продукта не более 10%. Отработанная культуральная жидкость,  поступившая в биоокислитель 20 (БО), подвергается очистке активным илом до требуемых значений по возврату её на ферментацию. Кислородом для процесса биоокисления служит отработанная газовая смесь из последнего ферментера 2 (Ф-3). Из биоокислителя20 суспензия активного ила направляется во вторичный отстойник 27. Осветленная биологически очищенная вода (БОВ) по трубопроводу 33 поступает в первый ферментер  2 (Ф-1) в качестве технологической воды, а сгущенная суспензия идет на рециркуляцию активного ила по трубопроводу 31 в биоокислитель 20 и  по трубопроводу 30 на центрифугу 28, где происходит его дальнейшее сгущение до 50-60%. Сгущенный ил по трубопроводу 34 поступает в сушилку 29, где высушивается до влажности 8-10%, и который также можно использовать в качестве протеинового корма, а осветленная жидкость по трубопроводу 32 поступает во вторичный отстойник 27. Отработанная газовоздушная смесь с содержанием кислорода не более 12% и содержанием метана до 70% из боокислителя 20 через штуцер 16 отводится по трубопроводу 35 в систему утилизации в котлах-утилизаторах (на схеме не показаны) или сушилку 23, или по трубопроводу 36 возвращается в первый ферментер  2 (Ф-1). Поскольку природный газ содержит гомологи метана и другие примеси, которые не могут быть использованы метанокисляющими микроорганизмами, а технический кислород может также содержать аналогичные примеси, при замкнутой системе газообеспечения эти примеси могут накапливаться, о чем будут свидетельствовать газоанализаторы и тогда необходимо будет произвести сброс газовой фазы установки в систему утилизации (на схеме не показано).
Пример работы установки для выращиваниямикроорганизмов на природном газе
Исходные данные
Расходные коэффициенты
(принимаем средние значения):
CH4
4
3
α = 1,3 кг CH/кг АСВ или 1,83 нм/ кг АСВ
O2
2
3
α = 3,7 кг О/ кг АСВ или 2,58 нм/ кг АСВ
CO2
2
3
α = 1,7 кг СО/ кг АСВ или 0,867 нм/ кг АСВ
Плотности газов
входящих в состав газовой смеси:
СН4
О2
СО2
N2
3
3
3
3
ρ= 0,71 кг/м ; ρ= 1,43 кг/м  ; ρ= 1,96 кг/м ; ρ= 1,25 кг/м
Характеристики ферментеров
, входящие в состав установки
3
Объем геометрический – 100 м;
3
Рабочий объем – 70 м;
Рабочее давление – 0,4 МПа;
Количество ферментеров на установке – 3
Количество биоокислителей - 1
-1
Объемный коэффициент массопередачи ферментеров – 1500 ч;
Скорость роста метанокисляющей культуры – 4 часа.
В установку непрерывно подаем:
3
- кислород  3000 нм/ч;
3
- метан 4000 нм/ч;
При этом начальная концентрация  кислорода составит 42,85%, а метана - 57,15%.
Принимаем, что коэффициент использования кислорода будет составлять 50% в каждом ферментере.
Основные параметры работы установки представлены в таблице 1.
Количество кислорода, пошедшее на процесс биоокисления, рассчитывали по уравнению:
O2
вх
вых
ж
потр.
Q  = α (БПК – БПК) х Q,   (1)
вх
вых
ж
3
где α – коэффициент дыхания (для нашего случая 1,5), БПК,БПК – биологическое потребления кислорода на входе и выходе из биоокислителя, соответственно, Q– ОКЖ, м/ч.
вх
2
вых
2
БПК = 1500 мг О/л (по данным с действующей установки Светлоярского завода) БВК, БПК = 100 мг О/л (по требованиям к качеству биологически очищенной воды для производства кормовой биомассы из природного газа), тогда
O2
2
потр.
Q  = 1,5 (1500 – 100) х 52,5 = 110,25 кг О/ч.
При этом степень использования кислорода по всей установке составляет 91,17% , метана  - 100%,  при полном его возврате из биоокислителя в первый ферментер. Концентрация диоксида углерода в отходящем газе 19,3% при давлении 0,4 МПа   не приводит к ингибированию процесса биосинтеза метанокисляющих микроорганизмов. Кроме того, газовоздушная смесь выходящая из биоокислителя не взрыво-пожароопасна, а кислородо-метановая смесь в ферментерах также не взрывоопасна, т.к. находится в замкнутом объеме, куда ни искра ни открытое пламя попасть не могут.
Если рассматривать классический вариант получения микробной биомассы метанокисляющих микроорганизмов при  равных условиях по массообмену, рабочему давлению и рабочему объему, то производительность ферментеров составит
La
раб
O2
Q = (К × Δ С) × V   / α,                      (2)
La
раб
-1
3
где  К – объемный коэффициент массопередачи, ч; Δ С – движущая сила процесса массопередачи, мг/л; V– рабочий объем ферментеров, м.
Движущая сила процесса массопередачи  определяется по уравнению:
х
вых
Р
О2
р
Δ С = С – С = (Р × Н × y ) - С,(3)
2
-1
вых
О2
р
где Р – давление системы, кг/м , Н – константа Генри, атм(для нашего случая примерно 29) , y – объемная концентрация кислорода на выходе из аппарата, С – рабочая концентрация кислорода в жидкости, мг/л (для нашего случая примерно 1,0).
Тогда:  Δ С = (4  × 29  × 0,08) – 1,0 = 8,28 мг/л,
а              Q = (1500 × 8,28)/1000 × 210 / 3,7  = 702,4 кг/ч.
Как видно из приведенных расчетов, предлагаемая схема выращивания микроорганизмов на природном газе обеспечивает производительность более чем на 40%  большую, чем при классической схеме выращивания микроорганизмов.
Предлагаемое техническое решение позволяют обеспечить безопасную работу, повысить производительность более чем в 1,4 раза и как следствие снизить энергозатраты на единицу готовой продукции, увеличить степени использования кислорода до 91% а метана до 100 %  при полном его возврате из биоокислителя в первый ферментер  и обеспечить полностью замкнутый цикл использования технологической воды.
Все вышеизложенное говорит о промышленной применимости предлагаемой установки для получения кормовой биомассы из природного газа.
Источники информации
1. IZ-Strahlfermentor.Techn.Inform.VEBChemieanlagenbaukombinat. Leipzig-Grimma, 1983.
2. У.Э. Виестур, А.М. Кузнецов, В,И, Савенков. Системы ферментации. Рига, «Зинатне», 1986.
Перечень позиций
1. Установка  для получения кормовой биомассы
2. Ферментер  (Ф-1, Ф-2, Ф-3)
3. Корпус ферментера,
4. Струйный аэратор
5. Система рециркуляции жидкой фазы
6. Теплообменник
7. Побудитель расхода жидкости
8. Трубопровод
9. Отбойник в виде конуса
10. Трубопровод
11. Штуцер движения газовой фазы
12. Штуцер движения газовой фазы
13. Штуцер подачи питательных солей
14. Штуцер подачи технологической воды
15. Штуцер подачи титрующего раствора
16.  Штуцер отвода отработанной газовой смеси
17. Штуцер отбора культуральной жидкости
18. Штуцер отбора газовой смеси
19. Трубопровод
20. Биоокислитель
21. Сепаратор
22. Плазмолизатор
23. Сушилка
24. Трубопровод
25. Трубопровод
26. Трубопровод
27. Вторичный отстойник
28. Центрифуга
29. Сушилка
30. Трубопровод
31. Трубопровод
32. Трубопровод
33. Трубопровод
34. Трубопровод
35. Трубопровод вывода отработанной газо-кислородной смеси
36. Трубопровод вывода отработанной газо-кислородной смеси
37. Система очистки от диоксида углерода.