ФЕРМЕНТАЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ МЕТАНАССИМИЛИРУЮЩИХ МИКРООРГАНИЗМОВ
FERMENTATION APPARATUS FOR METHANE-ASSIMILATING MICROORGANISMS

Изобретение относится к области химических, физических, физико-химических и биотехнологических процессов, реализуемых в аппаратах с аэрацией и перемешиванием жидкой среды, а именно: процессов синтеза различных биологических продуктов, при использовании углеродсодержащего субстрата, в частности метана, с применением метанассимилирующих микроорганизмов, обеспечивающих в присутствии кислорода синтез высокобелковой биомассы, и может быть использовано в пищевой, агропромышленной, медицинской, микробиологической, нефтехимической промышленности.
Использование метаносодержащего природного газа в качестве источника углерода открывает широкие перспективы для создания крупномасштабных ферментационных установок и биотехнологических производств для получения ценного питательного белкового продукта, а также широкой гаммы биопродуктов при его дальнейшей переработки.
Однако актуальной проблемой при этом является создание эффективных и экономически рациональных аппаратурных и технологических решений для реализации промышленной биотехнологии.
Известен (RU, патент 2064016, опубл. 20.07.1996) способ получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов и способ управления непрерывным процессом получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов. При реализации способа в ферментационную колонну подают, пропорционально их расходу, метаносодержащий газ, кислородсодержащий газ, стабилизирующий pH среды реагент и минеральные соли с частичным возвратом отработанных сред в процесс выращивания. Давление газовых сред устанавливают выше атмосферного, обеспечивающего оптимальную концентрацию растворения кислорода в среде выращивания.
Конструкция решает задачу оптимального управления процессом, но не обеспечивает конструктивное оформление для его осуществления в аппаратах и ферментационных установках большого объема для аэробных микроорганизмов.
Известна (US, патент 6,492,135, опубл. 10.12.2002, WO 03/016460, опубл. 27.02.2003, EP, патент 1419234, опубл. 19.05.2004) группа различных технических решений для U-образных и петлевых ферментеров с расширенной верхней частью для проведения аэробного культивирования микроорганизмов. U-образный или петлевой реактор в определенной степени уменьшают механическое перемешивание жидкой реакционной среды, хотя используемой нижней части такого ферментера насос (чаще всего осевого типа) для подъема жидкой фазы, содержащей пузыри газов, по восходящей части ферментера, по существу, также является перемешивающим устройством.
Недостатками U-образных и петлевых ферментационных установок являются:
- переменная концентрация компонентов жидкой питательной среды и вводимых газовых компонентов (метана и кислорода) по длине реактора, что значительно снижает эффективность процесса ферментации;
- невозможность обеспечения контролируемого количества и оптимального размера пузырьков газа с диаметром 2-5 мм в жидкой фазе, что снижает массоперенос от газа к жидкости по отношению к массопереносу при диаметре пузырьков свыше 2-5 мм.
Поскольку перечисленные выше недостатки U-образного, петлевого реактора, а также петлевого реактора с расширенной верхней частью являются естественными недостатками этих типов ферментеров, их преодоление весьма затруднено.
Известны разнообразные конструкции объемных аппаратов (ферментеры, биореакторы) для проведения процессов аэробной ферментации на различных средах и субстратах с применением различных микроорганизмов, в том числе метанокисляющих микроорганизмов.
Известен (Olsen A.J. "Manufacture of bakers yeast by continuous culture", Chem. Ing. 1960, 416 p.) аппарат объемного типа (ферментер) для аэробной жидкофазной ферментации на растворимых и дисперсных средах с использованием микроорганизмов, утилизирующих углеродсодержащий субстрат и предусматривающий перемешивание и аэрацию ферментационной среды. Аппарат может быть использован при ферментации метанассимилирующих микроорганизмов.
Известный аппарат содержит устройства для поддержания температуры среды, pH среды, концентрации растворенного кислорода, уровня пенообразования, уровня жидкости, а также устройства для подачи необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов компонентов углеродного питания, в частности мелассы. В аппарате предусмотрены устройства для подачи аэрирующего газа посредством его ввода в нижнюю воздушную камеру и диспергирования через воздушные трубки, а также устройство отбора ферментационной среды и патрубки для подачи компонентов минерального питания и подвода необходимых компонентов, в частности, кислоты, детергента и др. В конструкции аппарата также дополнительно предусмотрен теплообменник, выполненный в виде рубашки в нижней части цилиндрического корпуса аппарата.
Конструкция аппарата может быть использована для больших объемов, однако с увеличением размеров снижается эффективность массопередачи кислорода и турбулизации среды при перемешивании, увеличивается средний размер пузырьков воздуха. В связи с этим, эффективность и производительность процессов аэробной ферментации в таком аппарате с увеличением его объема снижается.
3
3
2
2
Достигаемые показатели в таком аппарате составляют (для объема 100 м): скорость массопередачи кислорода 2,5-3,5 кг O/м час, а удельные энергозатраты 0,6-0,7 кВт·ч/кг O, что определяет его невысокую технико-экономическую эффективность, т.к. в расчете применительно к ферментации метанассимилирующих микроорганизмов с учетом остальных энергозатрат приведет к удельным энергозатратам до 3,0-3,5 кВт·ч на 1 кг АСВ (абсолютно сухого вещества) биомассы.
С целью интенсификации массообменных процессов в процессе ферментации предложен аппарат (US, патент 4752564, опубл. 21.06.1988) для производства микробных клеток, представляющий собой закрытый сосуд с устройствами подачи минерального питания, источника кислорода, источника углерода, системой контроля и регулирования пенообразования, а также теплообменным устройством. При этом интенсификацию процесса ферментации обеспечивают за счет дополнительного введения в конструкцию аппарата вибрационного устройства, воздействующего на клетки с определенной частотой и интенсивностью. Применение аппарата для культивирования метанассимилирующих бактерий в определенных условиях возможно, но ограничено его конструктивными параметрами.
Недостатком известного аппарата следует признать его эффективность лишь для малых объемов и стерильных ферментаций и сложность масштабирования для промышленных целей.
Известен (US, патент №4204042, опубл. 20.05.1980) способ аэрации и перемешивания, реализуемый в ферментационной установке, состоящей из двух сообщающихся емкостей. При этом стерильный воздух дискретно инжектируют в форме пузырей в одну из емкостей, что обеспечивает пульсационный эффект и ускорение процесса роста микроорганизмов, в частности, можно использовать метанассимилирующие микроорганизмы.
Недостатком предложенного аппарата следует признать его эффективность только для хорошо растворимых субстратов и невозможность обеспечения рентабельной эффективности при переходе к большим объемам достаточной массопередачи в ферментационной среде, а следовательно, высокой продуктивности по биомассе.
Другой принцип аэрации и перемешивания ферментационной среды, а также конструкция ферментера известны из патента GB №1353008 (опубл 15.05.1974). Используемый при этом аппарат выполнен из двух вертикально расположенных емкостей, между которыми организована циркуляция всей ферментационной среды за счет разности плотностей аэрированной и дегазированной жидкости. При этом аэрацию осуществляют за счет барботера, расположенного в нижней части одной из емкостей, причем отработанный газ, отделенный от жидкости в результате ее дегазации, выходит через верхний патрубок, установленный на другой вертикальной емкости, по которой вниз циркулирует дегазированная жидкость, проходя теплообменное устройство. Аппарат предназначен для работы с большими объемами ферментационной среды.
К недостаткам аппарата следует отнести недостаточную турбулизацию ферментационной среды, что не позволяет эффективно использовать малорастворимые субстраты и дисперсные среды для процессов ферментации, а также сравнительно малую поверхность контакта фаз газ-жидкость, обусловленную коалесценцией поднимающихся пузырей, что приводит к снижению скорости массопередачи питательных компонентов к клеткам и снижению выхода целевого продукта в процессе биосинтеза.
Известен (US, патент №4656138, опубл. 07.04.1987) ферментер, имеющий аэратор и перемешивающее устройство, циркуляционную трубу и мембрану, а также камеру для распределения газового и жидкостного потока. Генерируемые в аппарате волны кавитации способствуют интенсификации процесса при выращивании, например, метанассимилирующих бактерий.
Однако предложенный аппарат сложен в реализации и, кроме того, он мало эффективен для больших объемов. В нем также не решены вопросы пеногашения.
3
Известна конструкция колонного ферментера струйного типа (DD, экономический патент 59549, опубл. 19.04.1978), имеющего расположенные по высоте аппарата секции, соединенные сливными трубками, в которые подведены газовводные патрубки, обеспечивающие за счет эжекции подвод свежего воздуха на аэрацию. Также может быть организован подвод метана при ферментации метанассимилирующих микроорганизмов. Интенсивное перемешивание среды в аппарате осуществляют путем внешнего циркуляционного контура с насосом. Аппарат может быть реализован на большие объемы 300 м и более.
2
Недостатком известного ферментера следует признать наличие значительных энергозатрат, связанных с перекачкой жидкости в вертикальном сосуде высоконапорным насосом. При этом удельные энергозатраты на 1 кг O в нем составляют не менее 0,7-0,9 кВт·ч, что приводит к высоким энергозатратам при расчете процесса получения биомассы метанассимилирующих микроорганизмов. Кроме того, в нем не решены проблемы с пенообразованием, характерном для многих ферментационных сред, в том числе при выращивании бактерий на метане как источнике углерода.
Известен биореактор для аэробной жидкофазной ферментации (RU, патент 2236451, 20.09.2004), выполненный с возможностью перемешивания и аэрации ферментационной среды и имеющий устройства для поддержания температуры среды, pH среды, концентрации растворенного кислорода, уровня пенообразования, уровня жидкости, а также устройства для подачи необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов компонентов углеродного и минерального питания, аэрирующего газа, отбора ферментационной среды и пеногашения. Указанный биореактор представляет собой корпус с крышкой и днищем, снабженный патрубками для подвода и отвода необходимых компонентов процесса жидкофазной аэробной ферментации и теплообменным устройством, причем в центральной части корпуса аппарата, имеющего цилиндрическую форму, выполнено углубление, у стенок которого тангенциально расположены одна или более труб, входы которых сообщены с объемом корпуса, а выходы соединены с дополнительно введенными побудителями перекачки жидкости, причем выходы указанных побудителей жидкости соединены патрубками с входами эжектирующих устройств, при этом каждое эжектирующее устройство имеет в своем входном сечении более одного конфузора и снабжено патрубком для подачи аэрирующего газа. Конструкция аппарата позволяет проводить выращивание метанассимилирующих микроорганизмов.
К недостаткам аппарата следует отнести сложность конструкции и технологической обвязки ферментера, а также высокую энергоемкость, связанную с работой эжекторов при использовании двух газообразных источников питания микроорганизмов при культивировании метанокисляющих культур.
Известный (RU, патент 2352626, опубл. 10.10.2007) аппарат для выращивания микроорганизмов состоит из 2-х емкостей, оснащенных жидкоструйными эжекторами гравитационного типа. Подача жидкости в каждый из эжекторов зависит от производительности одного насоса, который осуществляет циркуляцию жидкости между емкостями. Однако вследствие малого значения коэффициента эжекции (К≈0,1-0,2) для эжекторов гравитационного типа возрастают затраты энергии на циркуляцию большого количества жидкости между емкостями, а размещение насоса внутри емкости с приводом, расположенным на крышке этой емкости, представляется проблематичным.
ср
Основным недостатком аппарата является низкая степень диспергирования труднорастворимых газов воздуха (кислорода), метана в водной среде, (при размере пузырьков d=8-15 мм), достигаемая в эжекторах гравитационного типа. В связи с этим невысокая скорость массопередачи труднорастворимых газов и связанная с этим низкая производительность по биомассе не позволяет достаточно эффективно использовать этот аппарат в промышленности для получения биомассы метанассимилирующих бактерий.
Известен (RU, патент 2144952, опубл. 27.01.2000) аппарат для выращивания микроорганизмов. Известный аппарат состоит из 2-х горизонтально расположенных емкостей, каждая из которых разделена на зоны переливными перегородками. Эти зоны соединения трубами с клапанами для переключения потоков среды, а также стерильного воздуха. В каждой секции установлен барботер для подачи и диспергирования воздуха. Вследствие относительно низкой скорости абсорбции газов в барботажных аппаратах, реальной коалесценцией пузырей в барботажном слое, а, следовательно, низкого выхода биомассы, рассматриваемый аппарат не может быть рекомендован в качестве оптимального для производства биомассы метанокисляющих микроорганизмов.
Известен (US, патент 3957585, 18.05.1976) биореактор с центрально расположенным диффузором и находящимся внутри диффузора перемешивающим устройством в виде аэрационной турбины, аппарат снабжен трубчатым теплообменником, расположенным в верхней части диффузора, и механическим устройством для пеногашения. Для дополнительной вертикальной циркуляции и лучшего перемешивания аэрационной среды биореактор снабжен циркуляционным насосом, обеспечивающим интенсивный внешний контур циркуляции. Аппарат предназначен для жидкофазных аэробных процессов ферментации и может быть использован для ферментации метанассимилирующих микроорганизмов, поскольку обеспечивает требуемый уровень массопередачи газообразных субстратов и перемешивания среды.
Известный биореактор работает следующим образом: предварительно в реакционный сосуд помещают питательную среду для развития микроорганизмов - продуцентов протеинов. Затем доводят полученную культуральную среду до условий оптимального развития микроорганизмов, включают побудитель движения культуральной среды и подачу кислородсодержащего газа к форсунке. Смешение культуральной жидкости, обогащенной при необходимости питательными веществами, необходимыми для развития микроорганизмов, с кислородсодержащим газом в форсунке, а также дополнительное насыщение за счет контакта распыленной культуральной жидкости с кислородом, находящимся над культуральной средой в реакционном сосуде, позволяет насытить культуральную жидкость кислородом.
Однако к недостаткам аппарата следует отнести достаточно ограниченную зону турбулизации ферментационной среды, что не позволяет применять данную конструкцию для больших объемов (100 м и более), а также высокие удельные затраты энергии. Так, на 1 кг переданного в ферментационную среду кислорода в таком аппарате затрачивается не менее 0,7-0,9 кВт·ч электроэнергии.
Большое количество разнообразных по конструкции ферментеров рассмотрено также в монографии «Ферментационные аппараты для процессов микробиологического синтеза» (Винаров А.Ю., и др. /под редакцией Быкова В.А./ М., изд-во «Дели», 2005, 278 с.) Однако для конкретного биотехнологического процесса культивирования метанокисляющих микроорганизмов их применение малоэффективно как с технологической, так и с экономической точек зрения, учитывая значительные энергозатраты при использовании малорастворимых газообразных субстратов и сложность конструкций.
2
Известен (RU, патент 1541260, опубл. 07.02.1990) аппарат для культивирования микроорганизмов на газообразных субстратах. Аппарат содержит ферментер, регулятор давления, регуляторы концентрации газов, контур рециркуляции газовой смеси с емкостью переменного объема, побудителем расхода смеси газов, осушителем, анализаторами газов, поглотителем CO и устройством подпитки газами. Емкость переменного объема выполнена из эластичного или упругого материала, заключена в герметичный кожух и в качестве компенсатора ее деформации по объему снабжена повторителем давления, полость задатчика повторителя давления для обеспечения некоторого запаздывания в выравнивании давлений внутри емкости переменного объема и ее кожухе связана с выходом газовой смеси из емкости переменного объема через регулируемый пневмодроссель, а исполнительная полость этого повторителя соединена с герметичным кожухом, емкость переменного объема может быть оборудована распорно-стягивающей пружиной для увеличения упругости этой емкости при нарастании отклонения ее объема от нейтрального положения, анализаторы газов подключены параллельно основному контуру рециркуляции газов, вход в них осуществлен через регулируемый пневмодроссель непосредственно из газовой полости ферментера, а выход подключен к входу в побудитель расхода.
Недостатком известного аппарата следует признать сложность конструкции, а также малую производительность по получаемой в аппарате биомассе метанокисляющих микроорганизмов, что ограничивает его применение в промышленных целях.
Данное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога.
Техническая задача, решаемая предложенным техническим решением, состоит в повышении эффективности процесса биосинтеза за счет обеспечения высокой степени диспергирования поступающих на ферментацию труднорастворимых газов (кислородсодержащего газа и метаносодержащего газа), повышение за счет этого скорости массопередачи кислорода и метана из мелкодисперсных пузырьков в жидкую ферментационную среду и далее в клетки, обеспечивая их интенсивный рост и продуктивность процесса при снижении удельных энергозатрат на получение целевого биопродукта на стадии ферментации.
3
Технический результат, получаемый при реализации разработанной ферментационной установки, состоит в уменьшении энергозатрат на процесс аэробной ферментации, что обеспечивает при заданном энергопотреблении повышении степени использования кислорода и метана, а также увеличении производительности и выхода микробиологического процесса получения биомассы метанассимилирующих микроорганизмов на единицу затраченной энергии, а также в возможности создания эффективных установок промышленного объема, в том числе до 100-400 м.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать ферментационную установку метанассимилирующих микроорганизмов разработанной конструкции. Ферментационная установка для метанассимилирующих микроорганизмов выполнена с возможностью работы под избыточным давлением 0,1-1,0 МПа при температуре 35-50°C и содержит колонный ферментер для проведения аэробных процессов культивирования и соединенные с ним трубопроводами газовых и жидкостных технологических потоков два реактора, при этом ферментер содержит корпус, в верхней части которого установлены патрубок выхода отработанного газа и патрубок подачи питательных солей и технологической воды, компонентов питания и засевной биосуспезии, в нижней части установлены патрубок ввода газожидкостного потока в ферментер из реакторов и патрубок вывода биосуспензии из ферментера в реакторы, каждый реактор содержит патрубок отбора газо-жидкостного потока в ферментер, установленный ниже уровня культуральной жидкости в реакторе, дисковую мешалку с приводом, установленную на уровне культуральной жидкости в реакторе, патрубок подачи биосуспезии из ферментера в реактор, первый реактор содержит подключенный в верхней части патрубок подачи метаносодержащего газа, второй реактор содержит подключенный в верхней части патрубок подачи кислородсодержащего газа, при этом ферментер дополнительно содержит средство поддержания температуры, средство поддержания pH среды, средство поддержания уровня растворенного кислорода, по меньшей мере, один анализатор отходящего газа, а привод мешалки в каждом реакторе снабжен датчиком измерения мощности, связанным через логическое устройство-контроллер с регуляторами расхода поступающих газовых потоков и с регулирующими клапанами подачи жидкости в каждый реактор.
Предпочтительно соотношение объемов колонного ферментера и каждого реактора составляет от 100:1 до 100:10.
В колонном ферментере могут быть дополнительно установлены внутренние элементы для организации потоков в аппарате в виде диффузоров или вертикальных перегородок на расстоянии от верхней и нижней крышек ферментера от 1/8 до 1/4 высоты аппарата, причем колонный ферментер содержит концентрично установленные один или несколько таких элементов.
В некоторых вариантах реализации дисковая мешалка в каждом реакторе выполнена диаметром от 0,6 до 0,9 диаметра реактора с оребрением, при этом она установлена на высоте от 1/6 до ¼ высоты реактора.
Для подачи в реакторы через патрубки ввода, расположенные в верхней части реакторов над уровнем жидкости, кислородсодержащего газа и метаносодержащего газа, могут быть использованы компрессоры, оснащенные регуляторами расхода газа.
На магистралях подачи кислородсодержащего газа и метаносодержащего газа могут быть дополнительно установлены регуляторы давления.
Патрубок отвода из колонного ферментера отработанного газа может быть подключен к пеноотбойному устройству, причем указанный патрубок установлен с возможностью подключения к магистрали передачи отработанного газа на сжигание или на повторную подачу газа в реакторы.
Колонный ферментер может дополнительно содержать систему теплообменников, установленных, в зависимости от особенности конструкции и осуществляемых биотехнологических процессов, внутри ферментера, снаружи ферментера или на внешнем циркуляционном жидкостном контуре.
Каждый реактор может быть дополнительно снабжен патрубками для подачи в них технологических компонентов, засевной культуры микроорганизмов, а также, находящимся в верхней части емкости, патрубком, выполненным с возможностью подключения пеноотбойника, с вентилем для сброса газа.
В предпочтительном варианте реализации установка выполнена с возможностью работы в непрерывном режиме под избыточным давлением 0,3-0,5 МПа и температуре 42-45°C с применением культур родов Methylococcus, Methylosinus, Methylomonas, Methylocystis и других метанассимилирующих микроорганизмов в периодическом или непрерывном режиме.
Установка может быть выполнена с возможностью подключения потока отработанного газа, выходящего под избыточным давлением из ферментера к турбодетандеру, обеспечивающего ферментационную установку дополнительной энергией.
Технологический процесс ферментации метанассимилирующих микроорганизмов с получением высокобелковой биомассы, реализуемый на ферментационных установках и аппаратах, представляет собой аэробное культивирование, которое осуществляют в жидкой питательной среде в объеме ферментера, причем в жидкую питательную среду дополнительно подают газообразные компоненты (например, метан, природный газ, воздух или обогащенный кислородом воздух или кислород).
Выращивание метанассимилирующих микроорганизмов как смешанных, так и чистых культур видов Methylococcus, Methylosinus, Methylomonas, Methylocystis осуществляют как в периодическом, так и непрерывном режиме в перемешиваемой аэрируемой водно-минеральной среде при температуре процесса и pH среды выращивания, оптимальных для выращиваемой культуры микроорганизмов.
В среду выращивания непрерывно подают потоки концентрированной питательной среды, содержащей источники фосфора, калия, магния и микроэлементов, метаносодержащего газа и кислорода. Азотное питание микроорганизмов обеспечивают подачей в среду выращивания водного раствора аммиака или газообразного аммиака, используемого одновременно для стабилизации pH среды выращивания.
Давление в процессе выращивания устанавливают с учетом требуемой скорости массопереноса газообразных источников питания из газовой фазы в среду выращивания. Источник кислорода и метаносодержащий газ должны подавать в среду выращивания также при повышенном давлении, т.е. предварительно компримированные. При применении в качестве метаносодержащего газа природного газа существует возможность исключить затраты на компримирование природного газа за счет использования для его подачи энергии давления природного газа в магистральных трубопроводах.
В непрерывном процессе выращивания в ферментер дополнительно подают поток технологической воды, питательные соли, а из среды выращивания в объеме ферментера непрерывно отбирают суспензию, содержащую биомассу выращиваемой культуры микроорганизмов. Для обеспечения безопасности процесса выращивания и транспортировки выходящего из среды выращивания газового потока содержание кислорода в выходящем из среды выращивания газовом потоке в зависимости от давления поддерживают на уровне не выше 7-14 об. %. Экономичным считается использование выходящего из среды выращивания газового потока в качестве топлива для получения тепловой энергии, в связи с чем количество подаваемого в процессе выращивания метаносодержащего газа задают, в частности, с учетом количества энергии, которую можно получить при сжигании выходящего из среды выращивания газового потока.
Содержание метана в отходящем газе, при котором целесообразно его использование в качестве топлива для получения энергии без использования дополнительного топлива, составляет не менее 15-20 об.% в зависимости от содержания в нем кислорода, что соответствует превышению количества подаваемого метана с потоком метаносодержащего газа относительно подаваемого кислорода с потоком источника кислорода. Для обеспечения регулируемого количества подаваемого на сжигание газового потока с учетом содержания в нем балластных газов (углекислый газ - побочный продукт биосинтеза) часть выходящего из ферментера газового потока может быть возвращена повторно в процесс, а остальную часть направляют на утилизацию в качестве газообразного топлива.
Для предотвращения избыточного пенообразования в ферментере используют пеногасящие устройства, в частности механические пеногасители, циклоны и др. оборудование. Наиболее эффективно применение центробежного пеногасителя, при этом для обеспечения безопасности производства возможно применение вместо электродвигателя газотурбинного привода, снабженного системой подачи сжатого воздуха.
При реализации процесса ферментации в аппарате возможно применение рециркуляции газовой фазы и раздельной подачи потоков метаносодержащего газа и источника кислорода в ферментер, что позволяет расширить область рациональных соотношений между потоками метаносодержащего газа и источника кислорода. Оптимальное соотношение подаваемых в процесс культивирования кислорода и метана определяется также условиями массопередачи и кинетикой потребления этих субстратов микроорганизмами, при этом для выращивания метанассимилирующих микроорганизмов на один объем метана необходимо использовать более одного объема кислорода.
Важным принципом оптимальной организации процесса в ферментационном аппарате с использованием газообразных субстратов (метана, кислорода) является обеспечение эффективного массопереноса в системе газ-жидкость. При этом эффективность процесса в ферментере оценивают также удельными энергозатратами на абсорбцию газов. Для повышения скорости массопередачи применяют повышенное давление, что способствует увеличению движущей силы абсорбции и повышают степень диспергирования газов в жидкости для увеличения поверхности контакта. Так, процесс ферментации метанассимилирующих микроорганизмов предпочтительно осуществляют при давлении в реакторе 0,3-0,5 МПа и температуре 42-45°C.
2
2
3
При оптимальном расчете конструкции и гидравлических параметров предлагаемой ферментационной установки, работающей под избыточным давлением (0,3-0,5 МПа), за счет достижения высокой степени диспергирования труднорастворимых газов в жидкости и достигаемой в колонном ферментере высокой степени утилизации кислорода и метана из мелких газовых пузырьков обеспечивается значительная скорость массопередачи при минимальных удельных энергозатратах, в частности скорость абсорбции кислорода составляет до 10 и более кг O/мчас при удельных энергозатратах 0,3-0,4 кВт·ч/кгО.
Вид варианта конструкции разработанной установки представлен на чертеже, при этом использованы следующие обозначения: колонный ферментер 1, пеноотбойник 2, патрубок 3 выхода отработанного газа из ферментера, патрубок 4 для подачи питательных солей и технологической воды, компонентов питания и засевной биосуспезии, патрубок 5 вывода жидкой среды (биосуспензии) из ферментера, патрубок 6 ввода газо-жидкостного потока в ферментер, диффузор 7 (вариант конической формы), реактор 8, мешалка 9 дисковая с приводом, патрубок 10 отвода газожидкостной среды из реактора, патрубок 11 дополнительной подачи питательных компонентов, титранта и засевной культуры в реактор, патрубок 12 ввода жидкой среды в реакторы из ферментера, теплообменник 13, регулирующий клапан 14 на линии подачи жидкости, циркуляционный насос 15, компрессор 16 на линии подачи метаносодержащего газа, регулятор 17 расхода метаносодержащего газа, датчик 18 измерения мощности мешалки, логическое устройство-контроллер 19, патрубок 20 с вентилем сброса газа, регулятор расхода 21 кислородсодержащего газа, компрессор 22 на линии подачи кислородсодержащего газа, патрубок 23 отбора ферментационной среды (биосуспензии).
В разработанной ферментационной установке, состоящей из основного колонного ферментера 1 и двух реакторов 8, достигается возможность контролируемой высокой степени диспергирования и распределения газа в жидкости за счет образования большого количества маленьких пузырьков с оптимальным диаметром в диапазоне 0,5-2 мм, что обеспечивает наилучшую массопередачу от газа к жидкости и соответственно наилучшие условия для роста микробной массы. Это достигается за счет конструктивного решения реакторов 8 и организации газо-жидкостного потока между колонным ферментером и реакторами, соединенных технологическими потоками с колонным ферментером 1, куда рециркулируется получаемая мелкодисперсная газо-жидкостная среда. Получение мелкодисперсной газо-жидкостной среды обеспечивается за счет предложенного решения по размещению в поверхностном жидкостном слое в реакторах высокоскоростной турбиной или дисковой мешалки 9 большого диаметра, преимущественно имеющей отбойные элементы, часть из которых расположена снизу. При работе такой мешалки в реакторе 8 в поверхностном слое происходит образование вихрей, кольцевых каверн, удержание аэрозоля и пенного слоя у поверхности жидкости и измельчение пузырьков газа до минимальных устойчивых размеров 0,5-2 мм.
Для отвода образующихся в поверхностном слое жидкости пузырьков газа в основной поток под дисковой мешалкой расположен патрубок для вывода 10 и последующей подачи газо-жидкостной среды в колонный ферментер 1. Расположение дисковой мешалки в поверхностном слое обеспечивает минимальные энергозатраты на создание развитой поверхности контакта газ-жидкость и на массопередачу газов в жидкость, что контролируется датчиком 18 измерения мощности и обеспечивается с помощью регуляторов расхода жидкостного и газовых потоков.
Согласно разработанному техническому решению положение мешалки в поверхностном слое жидкости в реакторе контролируется и стабилизируется путем измерения затрачиваемой на вращение мощности с использованием датчика мощности привода мешалки 18 и управлением посредством контролера 19 регуляторами расходов жидкости 14 и газов: на линии подачи метаносодержащего газа 17, подаваемого от магистрали или с использованием компрессора 16 и регулятора расхода кислородсодержащего газа 21, подаваемого от магистральной линии кислорода или с использованием компрессора 22. Мелкодисперсный газо-жидкостной поток за счет избыточного давления, создаваемого поступающим газовым потоком, непрерывно отводят через один или несколько патрубков 10, расположенных по сечению реактора, при этом газо-жидкостной поток поступает в колонный ферментер 1. Ввод газо-жидкостного потока осуществляют в нижнюю часть ферментера через патрубок 6, преимущественно тангенциально и над патрубками 5 для отбора жидкости из ферментера 1, при этом ввод может быть осуществлен через несколько патрубков ввода, расположенных по сечению ферментера. Внутри колонного ферментера 1 для лучшего распределения и организации потоков по объему ферментера могут быть расположены конструктивные элементы: диффузор или вертикальные перегородки. В частности, может быть размещен один или несколько диффузоров цилиндрической формы или конической формы с сужением и расширением кверху аппарата (вариант диффузора 7 представлен на чертеже), при этом внутри диффузора происходит подъем мелкодисперсной газо-жидкостной среды, затем в верхней части аппарата коалесценции пузырьков, циркуляция «обезгаженной» жидкости в пространстве между диффузором и стенками ферментера и выход отработанного газа через пеноотбойник на дальнейшую переработку или рециркуляцию. Также возможно для ферментеров большого объема размещение внутри аппарата вместо диффузора вертикальных, например крестообразных, перегородок, прикрепленных к стенкам аппарата и делящих объем аппарата на вертикальные сектора, причем низ перегородок расположен на высоте 1/10 - 1/6 от днища, а верх - ниже уровня слоя жидкости в аппарате. Перегородки могут быть выполнены полыми, в частности, в виде пластинчатых теплообменников, при этом подачу газо-жидкостного потока производят в каждый сектор, образованный этими перегородками. Отвод отработанного газа из ферментера осуществляют через верхний один или несколько патрубков 3, расположенных в крышке аппарата, при этом отделение жидкой фазы дополнительно обеспечивается за счет пеноотбойника 2. В качестве пеноотбойного устройства могут быть использованы механические пеногасители, циклоны, газоотделители центробежного типа и др. оборудование. Наиболее эффективно применение центробежного пеногасителя, при этом для обеспечения безопасности производства возможно применение вместо электродвигателя газотурбинного привода, снабженного системой подачи сжатого воздуха.
Отработанный газ может поступать на сжигание или на рециркуляцию в реакторы, а также поток отработанного газа, выходящий под избыточным давлением из установки, может поступать на турбодетандер, обеспечивающий дополнительной энергией ферментационную установку.
Подачу минеральной питательной среды и технологической воды в колонный ферментер осуществляют через патрубок 4, а дополнительную подачу в реактор микроэлементов и других, необходимых для роста клеток компонентов, осуществляют через патрубок 11. Отбор жидкой ферментационной среды на внешний циркуляционный контур производят через патрубок 5 с подачей на насос 15, и далее жидкая среда с охлаждением посредством теплообменника 13 поступает в реакторы 8 через патрубки 12. Для отбора готовой биосуспензии на последующие технологические стадии предусмотрен патрубок 23. В реакторах, работающих преимущественно под давлением, предусмотрен патрубок 20 для сброса газа.
Технологическую работу ферментационной установки, состоящей из колонного ферментера 1 и двух реакторов 8, осуществляют следующим образом. Ферментер 1, через патрубок 4 заполняют технологической водой, регламентным раствором минеральных питательных солей и исходной суспензией культуры метанассимилирующих микроорганизмов. Природный газ (метан) подают по линии ввода газа с использованием компрессора 16 и регулятора расхода 17 из, например, хранилища газа или непосредственно из газопровода в реактор 8. Кислород (или кислородсодержащий газ) подают по линии ввода с использованием компрессора 22 и регулятора расхода кислорода 21 во второй аналогичный реактор 8. Отбираемый из колонного ферментера 1 жидкостной поток через патрубок 5 поступает на вход циркуляционных насосов 15 с регулирующими клапанами расхода 14 и, проходя теплообменники 13, поступает через патрубки ввода жидкостного потока 12 в нижнюю часть реакторов 8, обеспечивая заполнение каждой емкости примерно на 2/3 высоты. Каждый реактор выполнен герметично, снабжен патрубком с вентилем 20 для сброса газа и обеспечивает возможность работы под избыточным давлением 0,1-1,0 МПа и температуре 42-45°C, причем предпочтительным является повышенное давление (0,3-0,5 МПа).
При технологической работе в каждом реакторе 8 за счет дисковой мешалки 9, расположенной в поверхностном слое жидкости и вращающейся с линейной скоростью вращения мешалки преимущественно 5-10 м/сек, создается газо-жидкостная мелкодисперсная эмульсия. Обороты и затрачиваемая на вращение мешалки мощность привода мешалки 9 измеряют датчиком мощности 18 и регулируют логическим устройством-контроллером 19, связанным с регулирующим клапаном расхода жидкостного потока 14, а также с регулятором расхода метаносодержащего газа 17 и регулятором расхода кислородсодержащего газа 21. Логическое устройство-контроллер 19 обеспечивает поддержание заданной оптимальной мощности, затрачиваемой мешалкой на перемешивание, и измеряемой датчиком 18. Образуемую за счет работы дисковой мешалки 9 в поверхностном слое жидкости, газо-жидкостную эмульсию из каждого реактора 8 отбирают через патрубок 10, расположенный непосредственно под мешалкой 9, при этом газожидкостная эмульсия непрерывно поступает в патрубок ввода газо-жидкостного потока 6, расположенный в корпусе ферментера 1. Ввод осуществляют через один или несколько патрубков 6, расположенных тангенциально в нижней части колонного ферментера 1. При использовании в качестве варианта внутренних распределительных элементов диффузора 7 газожидкостной поток поступает по одному или нескольким диффузорам, выполненным в цилиндрической форме или в конической форме с сужением и расширением кверху аппарата (вариант изображен на чертеже), при этом в верхней части диффузора происходит коалесценция пузырьков и дегазация потока, причем жидкая часть циркулирует по внутреннему контуру ферментера между диффузором и стенками аппарата вниз, а газовая часть попадает на пеноотбойник 2 и поступает на выход отработанного газа 3, расположенный в крышке аппарата и соединенный с пеноотбойным устройством 2, причем патрубок имеет выходы на линию сжигания отработанного газа и на компрессор для подачи отходящих газов в реакторы 8. Предпочтительно использование центробежного пеногасителя, при этом для обеспечения безопасности производства возможно применение вместо электродвигателя газотурбинного привода, снабженного системой подачи сжатого воздуха.
Поток отработанного газа 3, выходящий под избыточным давлением из ферментера, может поступать на турбодетандер, обеспечивающий установку дополнительной энергией.
Выход жидкой культуральной среды из колонного ферментера осуществляют через нижний патрубок 5, при этом часть биосуспензии поступает на циркуляцию через насос 15, а часть отбирают через патрубок 23 на последующие стадии производства для получения готового биопродукта высокобелковой биомассы метанокисляющих бактерий. Для обеспечения требуемой температуры культивирования могут быть использованы теплообменники, установленные в колонном ферментере и/или теплообменники 13, установленные на внешнем циркуляционном контуре перед каждым реактором. В каждом реакторе предусмотрен патрубок 11 для подачи технологических компонентов (раствора минеральных солей, титрующего агента и др.), а также при необходимости засевной культуры микроорганизмов. Это позволяет осуществлять в этих реакторах, при их дополнительной обвязке, накопление засевной культуры метанокисляющих микроорганизмов для последующего непрерывного ферментационного процесса. Процесс ферментации в предлагаемой установке может быть осуществлен с применением культур родов Methylococcus, Methylosinus, Methylomonas, Methylocystis и других метанассимилирующих микроорганизмов в периодическом или непрерывном режиме в диапазоне давлений 0,1-1,0 МПа и температуры 35-50°C.
Пример осуществления технологического процесса на ферментационной установке для метанассимилирующих микроорганизмов.
3
3
3
3
3
-1
3
2
Культуру Methylococcus capsulatus после засева и накопления клеток выращивали в условиях непрерывного культивирования в колонном ферментере объемом 200 м с заполнением средой на 150 м. Объем каждого реактора составляет 3 м (диаметр реактора 1,2 м, высота 2,6 м). Скорость вращения мешалки диаметром 0,9 м, расположенной на поверхности слоя жидкости в реакторе, составляет 8 м/сек. В процессе использовали природный газ, поступающий из магистрального трубопровода, содержащий 94% метана в качестве единственного источник углерода. Процесс проводили с применением технического кислорода (96,5% кислорода), получаемого на кислородной станции. Процесс ферментации осуществляли с использованием минеральной среды, включающей: хлористый калий, сульфат магния, молибдат натрия, ортофосфорную кислоту, борную кислоту, сульфат железа, сульфат меди, сульфат марганца, сульфат цинка, сульфат кобальта. Температуру в ферментере поддерживали на уровне в среднем 44°C с использованием выносного теплообменника, расположенного на контуре рециркуляции жидкой среды. pH среды поддерживали на уровне 5,7 с использованием аммиачной воды, которая одновременно является источником азота. Давление в аппарате составляло 0,35 МПа. В ходе процесса в реакторы поступают природный газ (94% метана) в количестве 1500 нм/час и кислород (96,5% O) в количестве 2000 нм/час. Выходящий из колонного ферментера газ, содержащий метана 14%, кислорода 8%, поступает на сжигание. Процесс непрерывного выращивания осуществляют при скорости протока 0,3 ч, концентрация биомассы в среде выращивания 18 г АСВ/л. Часовой отбор биосуспензии из ферментера на дальнейшие технологические стадии обработки составляет в среднем 45 м. Часовая продуктивность аппарата по биомассе составляет 810 кг АСВ. Удельные энергозатраты на стадии ферментации составляют около 1,3 кВт·ч/кг АСВ биомассы, при этом производительность ферментационной установки в расчете на АСВ биомассы составляет около 20 тонн/сутки. Выходящая из ферментационной установки биосуспензия поступает на последующие стадии, где концентрируется, инактивируется, сушится и упаковывается с получением готового продукта - белковой биомассы, содержащей 72% протеина.