Способ и устройство получения гаприна
METHOD AND DEVICE FOR OBTAINING HAPRIN

Изобретение относится к области микробиологии, в частности к производству биомассы микроорганизмов (МО) для кормовых и других целей при использовании в качестве органического сырья газообразных углеводородов, в частности метансодержащего газа, получаемого в процессе утилизации углеродсодержащих отходов методом сверхкритической технологии (производство гаприна).
Гаприн - биомасса дрожжей, полученная при культивировании на метансодержащем газе, выращиваемая на корм сельскохозяйственным животным, пушным зверям, птицам и рыбам. Гаприн используют при производстве комбикормов, а также в качестве биодобавки в кормовые рационы.
Известен (RU, патент 2021253, опубл. 15.10.1994) способ культивирования микроорганизмов в водоминеральной питательной среде, предусматривающий циркулирование среды между зоной, в которой осуществляют введение газового питания, и зоной, в которой осуществляют потребление введенных газов и рост микроорганизмов, причем введение газов питания осуществляют через поверхность диффузионной мембраны, при этом в зависимости от скорости роста микроорганизмов регулируют скорость введения газов путем изменения парциального давления каждого из них.
Для реализации способа предложено использовать разработанную установку для культивирования микроорганизмов. Разработанная установка содержит 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 полостей, сообщенных с источником газового питания.
Указанное техническое решение предназначено для получения гаприна. Его недостатками следует признать сложность установки, отсутствие блока получения конечного продукта, а также привязанность к магистралям подачи метансодержащего газа.
Известен также (RU, патент 2053016, опубл. 20.07.1996) способ получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов, включающий их непрерывное выращивание на водно-минеральной питательней среде со стабилизацией температуры и pH среды выращивания с использованием метансодержащего газа и газа, содержащего свободный кислород, концентрирование и сушку биомассы, а также энергетическую утилизацию отходящих газов процесса выращивания, частично или полностью используемых для сушки биомассы. Процесс выращивания микроорганизмов осуществляют при давлении в среде выращивания выше атмосферного с частичным использованием в процессе выращивания отработанной среды после концентрирования биомассы, при этом скорость подачи компонентов питания микроорганизмов в процесс и отбора суспензии, содержащей биомассу, из процесса непрерывного выращивания микроорганизмов устанавливают пропорционально потоку, подаваемому для стабилизации pH среды выращивания, а отношение потока возвращаемой в процесс выращивания отработанной среды после концентрирования к потоку отбираемой из процесса суспензии устанавливают так, чтобы обеспечить максимальное значение потока, подаваемого для стабилизации pH среды выращивания, а давление в среде выращивания устанавливают на уровне, минимальном для обеспечения оптимальной концентрации растворенного кислорода в среде выращивания, но не ниже давления, необходимого для транспортировки и энергетической утилизации отходящих из процесса газовых потоков.
Для реализации предложенного способа разработана установка выращивания биомассы метанокисляющих микроорганизмов. Разработанная установка включает в себя ферментер, в который по различным 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 pH среды выращивания (аммиачная вода), выполняющий в процессе также роль источника азота для культуры микроорганизмов, отработанную среду выращивания, подаваемую со стадии концентрирования биомассы, хладагент в теплообменное устройство ферментера для стабилизации температуры среды выращивания. По одному из трубопроводов из ферментера непрерывно выводят на последующую обработку суспензию, содержащую биомассу, а по другому трубопроводу выводят поток отработанного газа. Трубопроводы для подачи сред, а также вывода биомассы снабжены расходомерами. На всех трубопроводах установлены регулирующие клапаны. Ферментер оснащен анализаторами 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 pH, 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 pH с соответствующим регулятором.
Приведенное техническое решение может быть использовано для получения гаприна.
Недостатком известного технического решения следует признать его сложность, а также привязанность к магистрали подачи метансодержащего газа.
Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать (RU, патент 2322488, опубл. 20.04.2008) способ производства биомассы аэробных микроорганизмов, включающий культивирование микроорганизмов в условиях непрерывной циркуляции культуральной жидкости по замкнутому контуру и непрерывного насыщения газообразными углеводородами и аэрирующим агентом, при подаче питательной минеральной среды и удалении накопленной биомассы, причем насыщение газообразными углеводородами и аэрирующим агентом производят раздельно, причем насыщение аэрирующим агентом проводят при однократном его контакте с культуральной жидкостью и последующем удалении, а насыщение газообразными углеводородами проводят при многократном их контакте с культуральной жидкостью за счет рециркуляции газообразных углеводородов по замкнутому контуру до полного их растворения.
Для реализации выше приведенного способа предложено использовать разработанную установку, в которую входят: корпус (емкость) и корпус-сателлит (вторая емкость). Корпусов-сателлитов может быть несколько. Оба корпуса соединены между собой жидкостепроводами, внутри одного из которых находится устройство для принудительной циркуляции жидкости по замкнутому контуру (насос). В отдельных случаях циркуляция может обеспечиваться и за счет аэрлифта 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 отбойник и отбортовка необязательны). Воздуховод от дутьевого вентилятора подведен к коллектору. В корпусе-сателлите имеется обечайка с отбортовкой в сторону оси корпуса, сужающая опускной канал в верхней части и увеличивающая скорость опускания культуральной жидкости и ее способность эжектировать газообразный субстрат. Ниже воронки, внутри обечайки находится вторая воронка, служащая гравитационным эжектором. Причем отбортовка может быть выполнена с наклоном вверх, или с наклоном 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 каналами могут быть установлены отбойники (при принудительной циркуляции культуральной жидкости они необязательны). В верхней части корпуса сателлита установлен сбросной предохранительный клапан (или гидрозатвор) и выходной трубопровод (продувочный газопровод) с запорным органом. Он служит для вентиляции корпуса при остановах (опорожнении от культуральной жидкости) и при освобождении от воздуха при пуске.
Недостатком данного технического решения следует признать отсутствие возможности получения конечного продукта, сложность конструкции и способа, а также необходимость располагать установку вблизи источника метансодержащего газа (т.е. около магистрали природного газа или добывающей скважины).
Техническая задача, решаемая посредством разработанных способа и устройства, состоит в расширении географической области производства гаприна.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного технического решения, состоит в обеспечения возможности производства гаприна без природного газа при одновременном упрощении способа и установки для реализации способа.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ получения гаприна. Согласно разработанному способу древесную щепу измельчают и гомогенизируют с водой, полученную пульпу перемещают в реактор переработки древесины по методу сверхкритической технологии, полученный по сверхкритичной технологии газ поступает в производственный ферментер, в который так же поступают компоненты питательной среды и ростовые факторы и посевной материал из посевного ферментера, где при аэрировании выращивают культуру метанокисляющих микроорганизмов, на сепараторе выделяют концентрированный раствор гаприна, подвергают его плазмолизу с последующим выделением гаприна.
Щепу предпочтительно измельчают до муки, фракция не более 100 мкр.
Желательно, чтобы пульпа содержала не менее 10% а.б.с.
Процесс культивирования происходит непрерывно с отбором культуральной жидкости по мере накопления в ней биомассы микроорганизмов.
Отходящие газы процесса выращивания направляются на энергетическую утилизацию, частично или полностью используемые для сушки биомассы из получаемой культуральной жидкости.
Вторичные продукты ферментации после сепарации смешиваются в гомогенизаторе с древесной мукой для утилизации в СКТ процессе.
Состав подаваемой питательной среды: аммиачная вода (источник азота и средство регулирования РН), ростовые факторы - микроэлементы (оксид калия, закись железа и др.), кислоты (ортофосфорная, борная, серная), смесь солей (фосфор, калий, медь и др.), вода технологическая. Конкретный состав подаваемой питательной среды зависит от используемой культуры микроорганизмов.
Ввод газа, полученного по методу сверхкритической технологии в ферментер, осуществляют в ферментационный раствор.
Предпочтительно для микробиологического синтеза гаприна по данной технологии используют штамм Methylococcus capsulatus всб-874-продуцент биомассы. (Хранится в музее культур института ВНИИгенетика под коллекционным номером ЦМПМ В-1743). (http://www.findpatent.ru/patent/77/770200.html). Однако может быть использована любая непатогенная метаноокисляющая культура бактерий.
Процесс культивирования предпочтительно проводят непрерывно при повышенном давлении с отбором культуральной жидкости по мере накопления в ней биомассы микроорганизмов.
Плазмолиз предпочтительно осуществляют при температуре примерно 135°C, время выдержки - 12 минут острым паром.
Сушку целевого продукта осуществляют в кипящем слое при температуре 90°C. Размер гранул гаприна - 1-6 мм.
Также для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанное устройство получения гаприна. Разработанное устройство содержит последовательно установленные блок измельчения и гомогенизации пульпы из древесной муки, выход которого подключен к реактору для переработки древесины методом сверхкритической технологии, выход которого по газовой фазе подключен к входу в ферментер, к другим входам которой подключены источник сжатого воздуха, источник питательной среды и источник посевного материала, выход ферментера по культуральной жидкости через сепаратор подключен к входу блока плазмолиза, выход которого через средство сушки и грануляции подключен к сборнику готового продукта.
Блок-схема разработанного устройства приведена на рисунке, при этом использованы следующие обозначения: мельница 1, гомогенизатор 2, ферментер 3, качалка 4, сепаратор 5, блок проведения плазмолиза 6,сушка в кипящем слое 7.
Все блоки устройства выпускаются промышленно, не требуют модификации при использовании их в разработанной установке.
Сверхкритические технологии с использованием воды в качестве растворителя достаточно хорошо изучены (http://fluidolit.ucoz.ru/publ/publikacii/sverkhkriticheskaja_voda/2-1-0-7).
Установлено, что при температуре выше 374,2°C и давлении более 217,6 атм вода переходит в сверхкритическое состояние, которое называется флюидом. При этих условиях вода приобретает особые свойства, отличные от свойств жидкой и газообразных фаз. Вода из полярной жидкости превращается в неполярную среду и способна растворять гидрофобные химические соединения, но при этом не растворяет многие неорганические соли.
Сверхкритическая вода обладает неограниченной термодинамической совместимостью с органическими соединениями и кислородом, скорость диффузии возрастает, а ее окисляющая способность резко увеличивается.
При обработке водных смесей органических и углеродных соединений в сверхкритической воде без доступа кислорода, температуре 400-600°C и давлении 220-250 атм (т.е. выше критической точки воды) не менее 99,99% органических соединений в исходной смеси превращаются в экологически безопасные воду и горючие газы.
Азотсодержащие органические соединения и аммонийные вещества разлагаются с выделением газообразного азота. Скорость реакций при сверхкритических параметрах водной среды соизмерима со скоростью аналогичных реакций при горении топлив на воздухе, но оксиды азота практически не образуются.
Хлор, фтор, фосфор и сера из органических веществ образуют кислотные остатки и легко выделяются в виде неорганических кислот или солей при добавлении в раствор соответствующих катионов. Металлы выделяются в виде неорганических солей или окислов. Большинство устойчивых в этих условиях неорганических соединений мало растворимы в сверхкритической воде и выпадают в осадок или выделяются в виде газа при охлаждении и сбросе давления.
Полнота химических превращений и их высокие скорости в процессах СКТ связаны как с уникальными свойствами сверхкритической воды, так и с тем, что реакции протекают в условиях молекулярной дисперсности реагентов, находящихся в гомогенном высокотемпературном флюиде невысокой плотности.
Реакции окисления органики экзотермичны, что позволяет эффективно использовать тепло самих реакций как для поддержания температурного режима самого процесса, так и для компенсации энергозатрат на разогрев реагентов.
В процессе разработки данного технического решения, что при обработке в условиях сверхкритических реакций пульпы щепы древесных отходов содержание метана составляет от 45 до 94% (по объему) от получаемой газовой фазы. Такое содержание метана в газовой составляющей продуктов обработки пульпы древесных отходов при обработке в условиях сверхкритической реакции позволяет использовать указанную газовую фазу в качестве компонента питательной среды при культивировании метанокисляющих микроорганизмов с промышленным получением гаприна.
Способ осуществляют следующим образом. Древесные отходы (некондиционную древесину, отходы деревообработки и т.д.) на мельнице превращают в древесную муку, которая затем поступает в гомогенизатор, где, смешиваясь с водой, образует пульпу. Пульпу перекачивают в реактор проведения сверхкритической реакции, где при температурах 400-600°C и давлении 220-250 атм происходит переход органических и углеродных соединений в экологически безопасные воду и горючие газы. Часть полученного метансодержащего газа подают в блок выращивания засевной культуры, а основную часть подают в ферментер. Также в ферментер подают раствор питательных солей, ростовые вещества, засевную культуру и воздух. В колонне микробиологического синтеза непрерывно идет наработка культуральной жидкости, которая по мере наработки продуктов культивирования поступает в виде биомассы через блок сепарации, где происходит отделение жидкой фазы от биомассы микроорганизмов, в блок плазмолиза, где происходит разрушение клеток микроорганизмов. Продукт плазмолиза поступает на стадию сушки и гранулирования.