СИСТЕМА И СПОСОБ (ВАРИАНТЫ) ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА БИОМАССЫ
SYSTEM AND METHOD (VERSIONS) FOR INTENSIFYING BIOMASS PRODUCTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к реакторам, системам и способам, пригодным при ферментации, в частности, системам ферментации с использованием газообразного субстрата.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ввиду постоянно растущего истощения залежей ископаемого топлива, увеличивающейся выработки парниковых газов и современных проблем с изменениями климата особое внимание в промышленности уделяется замене ископаемых топлив биотопливами (этанол, биодизель). Однако биотоплива, создаваемые в настоящее время, имеют определенные недостатки и проблемы. Биотоплива первого поколения получают из растений (например, крахмала, тростникового сахара, а также различных растительных масел, таких как кукурузное, рапсовое, соевое, пальмовое и пр.), но с этими топливными культурами конкурируют культуры, выращиваемые для употребления в пищу человеком и животными. Количества глобально доступных сельскохозяйственных угодий недостаточно для удовлетворения возрастающих потребностей в пище и топливе. Для снижения требований к производителям продовольствия в отношении зерновых культур для получения биотоплив, в настоящее время разрабатываются биотоплива второго поколения с использованием альтернативных биоматериалов, таких как целлюлоза или водоросли. Однако возникающие в процессе производства технические трудности, а также высокие производственные затраты не позволяют сделать биотоплива второго поколения достаточно доступными или экономически выгодными.
Также производятся биотоплива третьего и следующих поколений с использованием альтернативного углеродного сырья на непродовольственной основе. В рамках этой работы все чаще используются альтернативные типы сырья небиологического происхождения для получения соединений на основе высших углеводородов, включая топлива, смазочные материалы и пластмассы. В качестве примеров такого сырья можно привести одно или более углеродсодержащих соединений или смесей соединений, содержащих и не содержащих углерод, в число которых входят, среди прочих, метан и синтетический газ. Метан, например, сравнительно широко распространен, он встречается в естественной среде и во многих местах по всему миру.
2
2
Метан также образуется в ходе многих процессов биологического распада и, таким образом, может быть получен из установок по переработке отходов и с площадок для их хранения. Ввиду своей относительной распространенности метан является активным парниковым газом, создающим парниковый эффект в 23 раза больше, чем СО. По началу метан рассматривали как не очень ценный побочный продукт, который трудно преобразовать в более ценные продукты или транспортировать на рынок из отдаленных или труднодоступных мест, таких как отдаленные газовые месторождения или морские эксплуатационные платформы. Метан из таких источников и метан, вырабатываемый в ходе процессов биологического разложения, происходящих в канализационных очистных сооружениях и на площадках для хранения отходов, обычно выбрасывают в атмосферу или сжигают. Возможность экономичного и эффективного преобразования метана и аналогичных углеродсодержащих газов в один или более высококачественных продуктов на основе С или высших углеводородов позволит производителям получить преимущество использования относительно распространенного сырья, произведенного с применением небиологических технологий, с получением в то же время значительных экологических преимуществ.
Увеличение уровня внутреннего производства метана способствует большей доступности метана на отечественном рынке. Местный природный газ получают, главным образом, с использованием технологии гидравлического разрыва, но метан можно также получать из других источников типа площадок для хранения отходов и канализационных очистных сооружений. Однако летучесть метана делает проблематичным его транспортировку и/или непосредственное использование в качестве топлива.
По этим причинам существует значительная потребность в преобразовании метана в один или более жидких продуктов, например моторных топлив, для облегчения транспортировки к месту использования или продажи. В настоящее время существуют два основных подхода: сжижение, в результате которого получают сжиженный природный газ (СПГ), и химическое превращение газа в жидкость (метод ГВЖ) (Patel, 2005, 7-ой Всемирный конгресс по химической технологии, Глазго, Шотландия, Соединенное Королевство). В настоящее время наиболее распространенным подходом в технике преобразования больших объемов метана в углеводороды высшего порядка является процесс Фишера-Тропша (Ф-Т) (Patel, 2005). Следует отметить, что в процессе Ф-Т в качестве сырьевого компонента используют синтетический газ. Этот синтетический газ получают из природного газа методом парового риформинга (он может быть также получен путем газификации угля в ходе высокотемпературной реакции с водой и кислородом). Процесс Ф-Т позволяет получать нефтепродукты, совместимые с современными технологиями топливоснабжения, но имеет ряд недостатков, среди которых низкий выход, недостаточная селективность (что усложняет работу на установках, находящихся низ по потоку), а также необходимость значительных капиталовложений и масштаба работ для достижения экономичного производства (Spath and Dayton, December 2003 NRELITP-510-34929). Крупный масштаб, требуемый для установок с использованием процесса Ф-Т (обычно более двух миллиарда долларов в капитальных затратах [Patel, 2005]), тоже является существенным ограничивающим фактором, учитывая большое количество метанового сырья, необходимого для возмещения огромных капитальных затрат на проведение процесса Ф-Т. Поскольку в большинстве случаев транспортировка метана требует слишком больших затрат, такая установка должна располагаться по соседству с устойчивым, надежным и экономически эффективным источником метана, обычно в виде крупного месторождения метана или трубопровода с метаном. Еще один фактор, определяющий затраты и масштаб работ, состоит в экономических характеристиках технологий очистки газа (Spath and Dayton, 2003), поскольку катализаторы Ф-Т очень чувствительны к обычным загрязнителям, обнаруживаемым в природном газе, которые проходит безо всякого воздействия на них по всей технологической линии превращения синтетического газа.
Из-за необходимости в легком доступе к большим объемам относительно чистого метансодержащего газа, в сочетании с большими капиталовложениями, эксплуатация установок на природном газе с использованием процесса Ф-Т ограничивается в настоящее время успешной и экономичной работой лишь в нескольких местах в мире (Spath and Dayton, 2003). Требование же к обработке с соблюдением минимального предела вносимого капитала, предъявляемое к процессу превращения газа в жидкость или к установке сжижения природного газа, в сочетании с высокой стоимостью транспортировки, является следствием факта, что остается все меньше источников метана в виде труднодоступных газовых месторождений. В числе таких труднодоступных газов можно назвать (но ими возможный перечень не ограничивается) природный газ, добываемый из морских нефтяных скважин, или отходящий метан с площадок для хранения отходов. Из-за отсутствия в настоящее время эффективных маломасштабных конверсионных технологий такие труднодоступные источники газа обычно выбрасывают газ в атмосферу или сжигают, поскольку скопление метана чревато серьезной угрозой безопасности. Установки превращения газа в жидкость с использованием процесса Фишера-Тропша находятся в полунепрерывной эксплуатации, начиная с 1938 года. В настоящее время несколько компаний занимаются изучением возможности внедрения новых установок с учетом имеющейся на сегодняшний день наличности и цены метана, о чем говорилось выше. Однако, несмотря на то, что в последние 70 с лишним лет были проведены значительные научные исследования и опытно-конструкторские разработки, некоторые недостатки технологии Фишера-Тропша мешают широкому внедрению процессов превращения газа в жидкость в коммерческих масштабах.
В последние несколько десятилетий отмечаются достижения в эффективном использовании кормов для животных благодаря применению кормовых добавок. Благодаря этим дополнительным веществам повышаются содержание питательных элементов и калорийность и/или улучшаются свойства композиций кормов, помогающие бороться с заболеваниями. Производители промышленных кормов для животных сталкиваются с такой трудностью, как растущая стоимость зерна. Это повышение стоимости частично обусловлено конкурирующими потребностями в зерне для целей использования в качестве биотоплива и пищи для людей. Учитывая ситуацию с ростом стоимости зерна и белковых добавок в сочетании с нехваткой земель для производства кормов, назрела потребность в разработке альтернативных недорогих пищевых продуктов с полезными питательными свойствами и свойствами, помогающими бороться с заболеваниями.
Был предложен целый ряд разнообразных протеинсодержащих материалов в качестве заместителей более традиционных источников белков типа рыбной муки, соевых продуктов и плазмы крови с целью использования в пище для людей и кормах для животных. Такие протеинсодержащие материалы включают в себя одноклеточные микроорганизмы типа грибов, дрожжей и бактерий с большим содержанием белков. Эти микроорганизмы можно выращивать на углеводородных или иных субстратах.
1
2
1
2
2
2
1
С учетом сказанного выше, биологическая ферментация с использованием C-субстратов в качестве источника углерода оказывается привлекательным решением в отношении современной конкуренции между источниками пищи и ферментацией для получения химикатов/топлив, потребности в альтернативных недорогих животных кормов, а также отсутствия хороших возможностей для использования природного газа. Однако ферментация газообразных субстратов, таких как метан, СО или СО, сопряжена со значительными трудностями из-за требования, заключающегося в том, чтобы углеродный субстрат переводился из газовой фазы в водную для обеспечения поглощения и метаболизма метаболизирующими нефотосинтетическими C-микроорганизмами при культивировании. Одновременно с этим может потребоваться, чтобы и другие газы, такие как О или Н, тоже переводились из газовой фазы для обеспечения развития клеточного метаболизма (соответственно, аэробного или анаэробного). Такие побочные продукты, как СО в случае аэробного метаболизма, следует изолировать от микроорганизмов для обеспечения эффективного микробного роста. Кроме того, учитывая наличие сильного тепловыделения от метаболизма C-субстратов, необходимо предусмотреть охлаждение системы с целью поддержания оптимальных условий для микробного роста.
Конвективный массоперенос из жидкой фазы в паровую может быть описан с помощью коэффициента массопереноса. Поток равен произведению коэффициента массопереноса, площади поверхности и разности концентраций (Поток = k⋅А⋅ΔС).
На коэффициент массопереноса влияют самые разнообразные факторы, в том числе размер передаваемой молекулы, ее растворимость в водной фазе и размер пограничного слоя между фазами (в системах ферментации они регулируются, как правило путем изменения скорости и турбулентности). Площадь поверхности между газовой и жидкой фазами ограничена в большинстве систем ферментации, главным образом, размером пузырьков в нагнетаемом газе. Размер пузырьков можно регулировать введением газа через небольшие поры, а также увеличением усилий сдвига для разбиения пузырьков и предотвращения их слипания. В качестве разности концентраций можно рассматривать разность концентраций по толщине пограничного слоя газовой фазы, разность концентраций по толщине пограничного слоя жидкой фазы, разность концентраций между основной массой пара и паром, который должен быть в равновесии с основной массой жидкости, или разность концентраций между основной массой жидкости и жидкостью, которая должна быть в равновесии с основной массой пара. В большинстве систем ферментации регулирование разности концентраций осуществляется с помощью давления газовой фазы.
В традиционных системах ферментации (биореакторах) смешивание газа осуществляется с использованием одного из двух способов: перемешивания или с помощью потока газа снизу. В ферментерах с мешалкой смешивание достигается с помощью перемешивающих лопастей, помещаемых обычно по центру в отдельном большом ферментере. Лопасти мешалки создают турбулентность и напряжение сдвига в жидкости при введении пузырьков газа у основания ферментера, препятствуя тем самым продвижению пузырьков по мере их перемещения вверх по ферментеру и разбивая эти пузырьки со снижением при этом тенденции к их слипанию в ферментере. Преимущество такого ферментера состоит в быстром и относительно однородном перемешивании, а также в диспергировании газовых пузырьков, что становится возможным благодаря высокой скорости перемешивающих лопастей. Однако в таких ферментерах могут возникать трудности с масштабированием, поскольку при увеличении объема требования к энергопотреблению для получения такой же степени перемешивания и массопереноса могут быть неприемлемыми. Кроме того, для энергичного перемешивания требуется значительный нагрев ферментируемой жидкости, а при использовании отдельного большого ферментера уменьшается имеющаяся площадь поверхности, необходимая для охлаждения посредством теплообмена.
При работе с ферментерами с потоком газа снизу следует избегать использования механических мешалок, поэтому предусматривают для жидкости специальную траекторию потока. В ферментерах с потоком газа снизу имеются секция нисходящего потока и секция восходящего потока, соединенные друг с другом на обоих концах. Эти секции могут быть выполнены либо как отдельные узлы (они называются петельными ферментерами), либо как концентрические узлы (эрлифтные ферментеры). В эрлифтных ферментерах газы вводят у основания секции восходящего потока через специальное устройство для генерации пузырьков. Пузырьки смешиваются с жидкостью, в результате чего плотность жидкости уменьшается, что приводит к подъему газожидкостной смеси через секцию восходящего потока. Поднимающаяся смесь вытесняет жидкость в верхней части реактора, вследствие чего она перемещается вниз по секции нисходящего потока, замещая жидкость у основания, при этом в ферментере создается круговой поток. Для достижения большого времени пребывания пузырьков газа в жидкости эрлифтные ферментеры выполняют обычно высокими и с небольшой площадью поперечного сечения. Для это необходимо, чтобы подача газа осуществлялась с относительно высоким давлением, что позволит преодолеть гидростатическое давление, создаваемое столбом находящейся в ферментере жидкости. Кроме того, происходит существенное увеличение размера пузырьков по всему ферментеру по мере уменьшения давления с высотой. Увеличение диаметра пузырьков сопровождается пропорциональным уменьшением коэффициента массопереноса между пузырьками газа и жидкой фазой с последующим уменьшением отношения площади пузырька газа (пропорциональной квадрату радиуса пузырька) к объему пузырька (пропорционального кубу радиуса газового пузырька), через который может происходить массоперенос. Расходы потока и усилия сдвига в эрлифтных ферментерах значительно ниже, чем в ферментерах с механическим перемешиванием, что также способствует более сильному слипанию пузырьков и уменьшению эффективности охлаждения ферментера. Наконец, могут возникнуть проблемы с выделением неиспользуемых и отработанных газов из смеси, выходящей из секции восходящего потока ферментера, до возвращения жидкости в секцию нисходящего потока.
В патенте США №7575163 описаны петлевые реакторы, предназначенные для ферментации микроорганизмов, и в частности, для получения биомассы или приготовления материалов, вырабатываемых микроорганизмами.
На фиг. 1 показан один петлевой реактор 1, имеющий зону 2 удаления выходящего газа, которая проходит в вертикальную зону 3 нисходящего потока. Зона 2 удаления выходящего газа включает в себя выпуск и аварийное вентиляционное отверстие. Зона 3 вертикального нисходящего потока включает в себя впуск 15 для питательного газа. Циркуляции жидкой питательной среды через петлевой реактор содействует крыльчатка 10 с приводом от двигателя 11. Выше по потоку от крыльчатки 10 имеется выход 12 для удаления материала из петлевого реактора. Ниже по потоку от крыльчатки 10 имеются впуски 17 и 18 для аммиака и минеральных веществ. Жидкая питательная среда 9 проходит через множество статических смесителей 14 в горизонтальной секции 4 петлевого реактора. В этой же горизонтальной секции имеется ряд впусков 13 для питательного газа. Ниже по потоку от последнего смесителя 14 в петлевом реакторе расположена вертикальная секция 5 восходящего потока. Верхний конец вертикальной секции 5 восходящего потока сообщается по текучей среде с горизонтальной зоной 6 выходящего потока. Ниже по потоку от впуска 16 для питательного газа расположен впуск 19 для приводного газа, через который приводной газ подается в жидкую питательную среду. В упомянутом выше патенте…163 указано, что в петлевом реакторе с фиг. 1 вертикальный перепад высот между поверхностью раздела газа и жидкости на конце зоны 6 выходящего потока и центральной линией петли в горизонтальной секции составляет, по меньшей мере, 10 метров.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1
1
В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предложены системы, способы и устройства для эффективного массопереноса газообразных субстратов с целью проведения микробной ферментации. Кроме того, в описании раскрыты системы, способы и устройства для ферментации газообразного углеродсодержащего сырья с использованием культуры, содержащей преимущественно метаболизирующий нефотосинтезирующий C-микроорганизм. В соответствии с другими аспектами раскрыты системы, способы и устройства для ферментации газообразного сырья, содержащего газообразные субстраты, с использованием другого(их) метаболизирующего(их) нефотосинтезирующего(их) С-микроорганизма(ов). В соответствии с еще одним аспектом раскрыты различные конструкции масштабируемого ферментера для обеспечения массопереноса из газовой фазы в жидкую с высокой плотностью потока в сочетании с эффективным теплообменом и удалением отходящего газа. Также раскрыты системы и способы ферментации, решающие недостатки известных систем и использующие новые способы и устройства для оптимального производства разнообразных продуктов.
1
В таких системах ферментации можно использовать один или более видов микроорганизмов, способных метаболизировать газообразные соединения, например, типа С1. В число этих микроорганизмов входят такие прокариоты или бактерии, как Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium, Methanomonas, Methylophilus, Methylobacillus, Methylobacterium, Hypho micro bium, Xanthobacter, Bacillus, Paracoccus, Nocardia, Arthrobacter, Rhodopseudomonas или Pseudomonas. В ряде случаев метаболизирующие C-микроорганизмы могут включать в себя метанотрофы, метилотрофы или их комбинации. К числу предпочтительных метанотрофов относятся Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium, Methanomonas или их комбинации. Типовые метанотрофы включают в себя Methylomonas sp.16а (АТСС [Американская коллекция типовых культур] РТА 2402), Methylosinus trichosporium (NRLL [Северная региональная исследовательская лаборатория] В-II, 196), Methylosinus sporium (NRRL В-II, 197), Methylocystis parvus (NRRL B-II, 198), Methylomonas methanica (NRRL B-5 11, 199), Methylomonas alb us (NRRL B-II, 200), Methylobacter capsulatus (NRRL B-11, 201), Methylobacterium organophilum (ATCC 27, 886), Methylomonas sp.AJ-3670 (FERM [Научно-исследовательский институт ферментации] P-2400), Methylomicrobium alcaliphilum, Methylocella silvestris, Methylacidiphilum infernorum, Methylibium petroleiphilum, Methylosinus trichosporium OB3b, Methylococcus capsulatus Bath, Methylomonas sp.16a, Methylomicrobium alcaliphilum 20Z или их быстрорастущие варианты. К числу предпочтительных метилотрофов относятся Methylobacterium extorquens, Methylobacterium radiotolerans, Methylobacterium populi, Methylobacterium chloromethanicum, Methylobacterium nodularis или их комбинации.
1
1
Микроорганизмы, способные к метаболизации C-соединений, обнаруживаемых в синтетическом газе, включают в себя (перечень не исчерпывающий) Clostridium, Moorella, Pyrococcus, Eubacterium, Desulfobacterium, Carboxydothermus, Acetogenium, Acetobacterium, Acetoanaerobium, Butyribacterium, Peptostreptococcus или их комбинации. Типовые метилотрофы включают в себя Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahli, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxydivorans, Butyribacterium methylotrophicum, Clostridium woodii, Clostridium neopropanologen или их комбинации. В ряде случаев метаболизирующие C-микроорганизмы представляют собой эукариоты, такие как дрожжи, в том числе Candida, Yarrowia, Hansenula, Pichia, Torulopsis или Rhodotorula.
1
1
1
В других случаях метаболизирующий не фото синтезирующий микроорганизм C представляет собой облигатный метаболизирующий нефотосинтезирующий C-микроорганизм, такой как облигатный метанотроф, облигатный метилотроф или их комбинации. В ряде случаев метаболизирующий нефотосинтезирующий C-микроорганизм представляет собой рекомбинантный микроорганизм, содержащий гетерологичный полинуклеотид, который кодирует фермент, продуцирующий жирную кислоту, фермент ассимиляции формальдегида или их комбинации.
Дополнительно или альтернативно согласно изобретению предложены нижеследующие варианты его осуществления. Первый вариант осуществления относится к системе интенсификации производства биомассы, содержащей петлевой реактор, включающий в себя: газожидкостный сепарационный резервуар для разделения многофазной смеси газа и жидкой питательной среды на газовую фазу и жидкую фазу, причем газожидкостный сепарационный резервуар имеет выпуск и впуск; петлевую секцию, включающую в себя впуск, сообщающийся по текучей среде с выпуском газожидкостного сепарационного резервуара, и выпуск, сообщающийся по текучей среде с впуском газожидкостного сепарационного резервуара, при этом петлевая секция имеет центральную линию петлевой секции; первую невертикальную зону снижения давления, включающую в себя первое устройство снижения давления, причем первая невертикальная зона снижения давления расположена между впуском петлевой секции и выпуском петлевой секции, при этом вертикальное расстояние между центральной линией петлевой секции на впуске газожидкостного сепарационного резервуара и центральной линией петлевой секции на впуске петлевой секции меньше 8 метров.
Описанный здесь второй вариант осуществления относится к системе по первому варианту, причем устройство снижения давления представляет собой клапан или расширительный стык.
Описанный здесь третий вариант осуществления относится к системе по первому и второму вариантам, дополнительно содержащей вторую зону снижения давления, находящуюся ниже по потоку от первой невертикальной зоны снижения давления.
Описанный здесь четвертый вариант осуществления относится к системе по вариантам с первого по третий, в которой вторая зона снижения давления является второй невертикальной зоной снижения давления.
Описанный здесь пятый вариант осуществления относится к системе по вариантам с первого по четвертый, в которой вертикальное расстояние между центральной линией петлевой секции на впуске газожидкостного сепарационного резервуара и центральной линией петлевой секции на впуске петлевой секции меньше 6 метров.
Описанный здесь шестой вариант осуществления относится к системе по вариантам с первого по пятый, в которой вертикальное расстояние между центральной линией петлевой секции на впуске газожидкостного сепарационного резервуара и центральной линией петлевой секции на впуске петлевой секции меньше 5 метров.
Описанный здесь седьмой вариант осуществления относится к системе по вариантам с первого по шестой, в которой петлевой реактор дополнительно содержит впуск для десорбционного газа, причем впуск для десорбционного газа расположен в невертикальной части петлевой секции петлевого реактора.
Описанный здесь восьмой вариант осуществления относится к системе по вариантам с первого по седьмой, в которой первое вертикальное устройство снижения давления является устройством, выполненным с возможностью снижения давления вне зависимости от изменения гидростатического давления.
Описанный здесь девятый вариант осуществления относится к способу интенсификации производства биомассы, включающему в себя этапы, на которых: обеспечивают поток многофазной смеси газа и жидкой питательной среды через петлевую секцию петлевого реактора, которая имеет центральную линию; вводят в многофазную смесь питательные вещества; вводят в многофазную смесь метан и кислород; пропускают многофазную смесь газа и жидкой питательной среды через первую невертикальную зону снижения давления петлевого реактора, причем первая невертикальная зона снижения давления петлевого реактора включает в себя в себя первое устройство снижения давления; разделяют многофазную смесь газа и жидкой питательной среды на газовую фазу и жидкую фазу ниже по потоку от первого устройства снижения давления; направляют газовую фазу и жидкую фазу, отделенные от многофазной смеси газа и жидкой питательной среды, через впуск газожидкостного сепарационного резервуара в газожидкостный сепарационный резервуар, причем впуск газожидкостного сепарационного резервуара имеет центральную линию; и удаляют жидкую фазу из выпуска газожидкостного сепарационного резервуара и подают удаленную жидкую фазу к впуску петлевой секции, при этом вертикальное расстояние между центральной линией петлевой секции на впуске петлевой секции и центральной линией впуска газожидкостного сепарационного резервуара меньше 8 метров.
Описанный здесь десятый вариант осуществления относится к способу по девятому варианту, причем этап пропускания многофазной смеси газа и жидкой питательной среды в первую невертикальную зону снижения давления включает в себя этап пропускания многофазной смеси газа и жидкой питательной среды через клапан, расширительный стык, статический смеситель или колено трубопровода.
Описанный здесь одиннадцатый вариант осуществления относится к способу по девятому и десятому вариантам, который дополнительно включает в себя этап пропускания многофазной смеси газа и жидкой питательной среды через вторую зону снижения давления ниже по потоку от первой невертикальной зоны снижения давления.
Описанный здесь двенадцатый вариант осуществления относится к способу по вариантам с девятого по одиннадцатый, причем вертикальное расстояние между центральной линией петлевой секции на впуске петлевой секции и центральной линией впуска газожидкостного сепарационного резервуара меньше 6 метров.
Описанный здесь тринадцатый вариант осуществления относится к способу по вариантам с девятого по двенадцатый, причем вертикальное расстояние между центральной линией петлевой секции на впуске петлевой секции и центральной линией впуска газожидкостного сепарационного резервуара меньше 5 метров.
Описанный здесь четырнадцатый вариант осуществления относится к способу по вариантам с девятого по тринадцатый, дополнительно включающему в себя этап введения десорбционного газа в невертикальную часть петлевой секции петлевого реактора.
Описанный здесь пятнадцатый вариант осуществления относится к способу по вариантам с девятого по четырнадцатый, дополнительно включающему в себя этап пропускания многофазной смеси газа и жидкой питательной среды через первую невертикальную зону снижения давления и включающему в себя этап пропускания многофазной смеси газа и жидкой питательной среды через устройство, выполненное с возможностью снижения давления вне зависимости от изменения гидростатического давления.
Описанный здесь шестнадцатый вариант осуществления относится к способу интенсификации производства биомассы в петлевом реакторе, включающему в себя этапы, на которых: пропускают многофазную смесь газа и жидкой питательной среды через первую невертикальную зону снижения давления петлевого реактора, причем первая невертикальная зона снижения давления петлевого реактора включает в себя первое устройство снижения давления; разделяют многофазную смесь газа и жидкой питательной среды на газовую фазу и жидкую фазу ниже по потоку от первого устройства снижения давления; пропускают газовую фазу и жидкую фазу, отделенные от многофазной смеси газа и жидкой питательной среды, в газожидкостный сепарационный резервуар через впуск газожидкостного сепарационного резервуара, причем впуск газожидкостного сепарационного резервуара имеет центральную линию; и удаляют жидкую фазу из выпуска газожидкостного сепарационного резервуара и подают удаленную жидкую фазу к впуску петлевой секции петлевого реактора, при этом вертикальное расстояние между центральной линией петлевой секции на впуске петлевой секции и центральной линией впуска газожидкостного сепарационного резервуара меньше 8 метров.
Описанный здесь семнадцатый вариант осуществления относится к способу по шестнадцатому варианту, причем вертикальное расстояние между центральной линией петлевой секции на впуске петлевой секции и центральной линией впуска газожидкостного сепарационного резервуара меньше 6 метров.
Описанный здесь восемнадцатый вариант осуществления относится к способу по шестнадцатому и семнадцатому вариантам, причем вертикальное расстояние между центральной линией петлевой секции на впуске петлевой секции и центральной линией впуска газожидкостного сепарационного резервуара меньше 5 метров.
Описанный здесь девятнадцатый вариант осуществления относится к способу по вариантам с шестнадцатого по восемнадцатый, причем первое устройство снижения давления является устройством, выполненным с возможностью снижения давления вне зависимости от изменения гидростатического давления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На чертежах размеры и относительные положения компонентов не обязательно представлены в масштабе. Так, например, различные компоненты и углы даны не в масштабе, причем некоторые из этих компонентов произвольно увеличены и размещены для большей наглядности. Кроме того, отдельные формы представленных на чертежах компонентов не предназначены для предоставления какой-либо информации о фактической форме конкретных компонентов и выбраны только для облегчения чтения чертежа.
На фиг. 1 представлен схематический вид петлевого реактора, известного из предшествующего уровня техники, который имеет вертикальную секцию восходящего потока, находящуюся выше по потоку от зоны выходящего потока, где происходит дегазирование.
На фиг. 2 представлена блок-схема примерного петлевого реактора для интенсификации производства биомассы с опциональными подсистемами согласно одному или более описанных и проиллюстрированных вариантов осуществления.
На фиг. 3 представлен схематический вид примерной системы интенсификации производства биомассы, которая подходит для ферментации газообразного субстрата, и которая имеет первую зону снижения давления и вторую зону снижения давления согласно одному или более описанных и/или проиллюстрированных вариантов осуществления.
На фиг. 4 представлен схематический вид примерной системы интенсификации производства биомассы, которая подходит для ферментации газообразного субстрата, и которая имеет первую зону снижения давления согласно одному или более описанных и/или проиллюстрированных вариантов осуществления.
На фиг. 5 показана высокоуровневая блок-схема ферментации, включающая в себя этап потока многофазной смеси через первую зону снижения давления петлевого реактора, согласно одному или более описанных и/или проиллюстрированных вариантов осуществления.
На фиг. 6 приведена высокоуровневая блок-схема ферментации, включающая в себя этап потока многофазной смеси через первую зону снижения давления и вторую зону снижения давления петлевого реактора, согласно одному или более описанных и/или проиллюстрированных вариантов осуществления.
На фиг. 7А представлен схематический вид сбоку части невертикального устройства снижения давления согласно одному или более описанных и/или проиллюстрированных вариантов осуществления.
На фиг. 7В представлен схематический вид сбоку другой части невертикального устройства снижения давления согласно одному или более описанных и/или проиллюстрированных вариантов осуществления.
На фиг. 7С представлен схематический вид сбоку части невертикального устройства снижения давления согласно одному или более описанных и/или проиллюстрированных вариантов осуществления.
На фиг. 7D представлен схематический вид сбоку невертикального устройства снижения давления, образованного путем соединения частей невертикального устройства снижения давления с фиг. 7А, 7В и 7С.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В нижеследующем описании для лучшего понимания различных вариантов осуществления даны специфические детали. Однако, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что изобретение может быть реализовано и без этих деталей. В других случаях конструкции, детали конструкции стандартных резервуаров, подробные конструктивные параметры имеющихся компонентов, таких как устройства распределения жидкости или газа, насосы, турбины и т.п., детали, касающиеся проектирования и конструирования резервуаров высокого давления по стандартам Американского общества инженеров-механиков (ASME), теории систем управления, конкретных этапов одного или более процессов ферментации и т.п.не показаны или не описаны подробно, чтобы не затруднять понимание описанных вариантов осуществления. Если контекст не требует иного, по всему тексту описания и формулы изобретения слово «содержать» и его вариации, такие как «содержит» и «содержащий», следует толковать в «открытом, инклюзивном» смысле, то есть как «включающий в себя, но не ограничивающийся этим». Кроме того, используемые здесь рубрики используются исключительно для удобства и не влияют на объем или сущность заявленного изобретения.
По всему тексту данного описания термин «один вариант осуществления» или «один из вариантов осуществления» означает, что отдельный признак, конструкция или характеристика, описываемые применительно к данному варианту осуществления, включены, по меньшей мере в один вариант. Таким образом, появляющиеся в описании словосочетания типа «согласно одному варианту осуществления» или «согласно одному из вариантов осуществления» не обязательно имеют отношение к одному и тому же варианту осуществления. Кроме того, отдельные признаки, конструкции или характеристики могут комбинироваться любым подходящим способом в одном или более вариантов осуществления. Следует также отметить, что употребляемые в настоящем описании и формуле формы единственного числа также относятся к множеству объектов, если контекст явно не указывает на иное. Следует также отметить, что «или» здесь употребляется обычно в смысле, включающем в себя «и/или», если контекст явно не указывает на иное.
2
1
1
2
2
Для ферментера обычно используют определение «любой резервуар, в котором происходит процесс ферментации». Учитывая большое количество процессов ферментации и широкое разнообразие поддающихся ферментации субстратов, ферментеры могут быть как простыми реакторы непрерывного действия с механическим перемешиванием, используемыми алкогольной промышленности, так и чрезвычайно сложными специальными резервуарами, снабженными устройствами распределения газа и внутренними системами, рассчитанными на конкретный субстрат и/или конкретный биологический вид. В ферментерах, пригодных для превращения углеродсодержащих газов, таких как метан и синтетический газ (смесь СО и Н), в газообразные и жидкие углеводороды с более длинной цепью, обычно происходит диспергирование газообразного субстрата, содержащего углеродное C-соединение, в жидкой среде, содержащей одно или более питательных веществ, с целью получения многофазной смеси. Эту многофазную смесь подают в одну или более микробиологических колоний, обеспечивающих превращение части углеродного(ых) С-соединения(ий) в газовом субстрате в более предпочтительные соединения с более длинной цепью типа С или более высокоуглеродные соединения. Состав субстрата, питательные вещества и микробиологические организмы, образующие колонию (то есть биомассу в ферментере), можно по разному регулировать или адаптировать до получения нужной конечной матрицы соединений типа С или более высокоуглеродных соединений, которые могут быть в виде жидкого, газообразного или внутриклеточного материала.
2
1
1
В ферментерах, пригодных для использования углеродсодержащих газов типа метана и синтетического газа (смеси СО и Н) в качестве субстрата для выращивания одноклеточных микроорганизмов типа грибов, дрожжей и бактерий с высокими содержаниями белков, обычно происходит диспергирование газового субстрата, содержащего углеродное C-соединение, в жидкой среде с одним или более питательных веществ с целью получения многофазной смеси. Эту многофазную смесь приводят в контакт с одной или более микробиологических колоний, которые превращают часть углеродного(ых) С-соединения(ий) в газовом субстрате в белки. Состав субстрата, питательные вещества и микробиологические организмы, образующие колонию (то есть биомассу в ферментере), можно различными способами регулировать или адаптировать до получения нужной конечной матрицы протеинсодержащей биомассы.
С точки зрения массопереноса в ферментерах газообразного субстрата приходится сталкиваться со специфической трудностью, которая состоит в том, что субстрат захватывается в газовый пузырек, поэтому для микробиологического поглощения газового субстрата он должен сначала перейти из газового пузырька к микробиологическим организмам либо непосредственно, либо посредством растворения в жидких средах. Таким образом, подобные процессы ферментации часто ограничиваются лишь способностью системы облегчить и/или поддержать нужный высокий уровень массопереноса субстрата из газовых пузырьков к микробиологическим организмам внутри ферментера. Необходимо, как минимум, чтобы скорость массопереноса из газового пузырька в окружающие жидкие среды или к микробиологическим организмам зависела от давления газа в газовом пузырьке, отношения объема газового пузырька к его площади поверхности и времени контакта газового пузырька с окружающей жидкостью или микробиологическими организмами. При увеличении давления в газовом пузырьке или времени контакта газового пузырька с окружающей жидкостью или микробиологическими организмами имеет место более высокая эффективная скорость массопереноса между субстратом и микробиологическими организмами. При уменьшении отношения объема газового пузырька к его площади поверхности (то есть уменьшении диаметра газовых пузырьков) наблюдается более высокая эффективная скорость массопереноса между газовым пузырьком и окружающей жидкостью. Таким образом, в предпочтительном с точки зрения массопереноса ферментере должно присутствовать большое количество газовых пузырьков относительно малого диаметра с относительно высоким давлением, которые будут удерживаться в тесном или непосредственном контакте с окружающей жидкостью или микробиологическими организмами в течение длительного периода времени.
1
2
Здесь описано множество систем, способов и устройств ферментации, способных создавать пузырьки газа относительно малого диаметра и с относительно высоким давлением. Также описано множество систем, способов и устройств ферментации, обеспечивающих увеличенное время контакта с окружающей жидкостью и/или биологическим(и) организмом(ами). Такие системы, способы и устройства ферментации позволяют получить высокоэффективную систему ферментации газового субстрата, которая может оказаться особенно полезной при преобразовании C-соединений в более предпочтительные газообразные, жидкостные и внутриклеточные соединения типа С или более высокоуглеродные соединения.
1
1
1
Употребляемые здесь термины «C-субстрат» или «C-соединение» относятся к любой углеродсодержащей молекуле или соединению, в которых отсутствует углерод-углеродная связь. К числу типовых C-молекул или соединений можно отнести метан, метанол, формальдегид, муравьиную кислоту или ее соли, моноксид углерода, диоксид углерода, синтетический газ, метиламины (например, монометиламин, диметиламин, триметиламин), метилтиолы или метилгалогены.
Употребляемый здесь термин «микроорганизм» относится к любому микроорганизму, который способен использовать газообразный субстрат в качестве источника энергии или своего единственного источника энергии и биомассы и который либо может или не может использовать другие углеродные субстраты (такие, как сахара и сложные углеводы) для получения энергии и биомассы. Приводимые здесь примеры микроорганизмов включают в себя гетеротрофные бактерии Ralstonia sp. (ранее Alcaligenes acidovorans) DB3 (штамм NCIMB [Национальные коллекции промышленных, пищевых и морских бактерий] 13287), Brevibacillus agri (ранее Bacillus firmus) DB5 (штамм NCIMB 13289) и Aneurinibacillus sp. (ранее Bacillus brevis) DB4 (штамм NCIMB 13288), каждая из которых демонстрирует оптимальный рост при температуре порядка 45°С. Ralstonia sp.DB3 представляет собой грамотрицательную аэробную подвижную палочку, относящуюся к семейству Pseudomonadaceae, которая может использовать для роста этанол, ацетат, пропионат и бутират. Aneurinibacillus sp.DB4 представляет собой образующую эндоспоры грамотрицательную аэробную палочку, относящуюся к роду Bacillus, которая может использовать ацетат, D-фруктозу, рибозу, D-маннозу и D-тагатозу. Brevibacillus agri DB5 представляет собой образующую эндоспоры грамотрицательную подвижную аэробную палочку рода Bacillus, которая может использовать ацетат, N-ацетилглюкозамин, цитрат, глюконат, D-глюкозу, глицерин и маннитол. Дрожжи, пригодные для использования в предлагаемых согласно изобретению процессах, могут быть выбраны из группы, состоящей из Saccharomyces и Candida.
При необходимости описанные здесь процессы могут проводиться с использованием бактерий (или дрожжей), генномодифицированных таким образом, чтобы получить нужное химическое соединение, которое можно будет затем экстрагировать из межклеточной жидкости или биомассы, собранной в реакторе. В научной и патентной литературе имеется множество примеров таких генномодифицированных микроорганизмов, которыми могут быть, в числе прочих, метанотрофные бактерии.
1
1
1-
По меньшей мере, в некоторых случаях согласно описанным здесь вариантам осуществления микробиологическое организмы, применяемые для ферментации газообразного углеродсодержащего сырья, используют культуру, содержащую, главным образом, метаболизирующий нефотосинтезирующий C-микроорганизм. В таких системах ферментации могут применяться один или более видов метаболизирующих C-микроорганизмов, каковыми являются прокариоты или бактерии, такие как Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium, Methanomonas, Methylophilus, Methylobacillus, Methylobacterium, Hyphomicrobium, Xanthobacter, Bacillus, Paracoccus, Nocardia, Arthrobacter, Rhodopseudomonas или Pseudomonas. В ряде случаев метаболизирующие Сбактерии могут включать в себя метанотроф или метилотроф. К числу предпочтительных метанотрофов относятся Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium, Methanomonas или их комбинации. Типовые метанотрофы включают в себя Methylomonas sp.16а (АТСС РТА 2402), Methylosinus trichosporium (NRLL В-II, 196), Methylosinus sporium (NRRL B-II, 197), Methylocystis parvus (NRRL B-II, 198), Methylomonas methanica (NRRL B-5 11, 199), Methylomonas alb us (NRRL B-II, 200), Methylobacter capsulatus (NRRL B-11, 201), Methylobacterium organophilum (ATCC 27, 886), Methylomonas sp.AJ-3670 (FERM P-2400), Methylomicrobium alcaliphilum, Methylocella silvestris, Methylacidiphilum infernorum, Methylibium petroleiphilum, Methylosinus trichosporium OB3b, Methylococcus capsulatus Bath, Methylomonas sp.16a, Methylomicrobium alcaliphilum 20Z или их быстрорастущие варианты. К числу предпочтительных метилотрофов относятся Methylobacterium extorquens, Methylobacterium radiotolerans, Methylobacterium populi, Methylobacterium chloromethanicum, Methylobacterium nodulans или их комбинации.
1
1
Микроорганизмы, способные к метаболизации C-соединений, обнаруживаемых в синтетическом газе, включают в себя (перечень не исчерпывающий) Clostridium, Moorella, Pyrococcus, Eubacterium, Desulfobacterium, Carboxydothermus, Acetogenium, Acetobacterium, Acetoanaerobium, Butyribacterium, Peptostreptococcus или их комбинации. Типовые метилотрофы включают в себя Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahli, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxydivorans, Butyribacterium methylotrophicum, Clostridium woodii, Clostridium neopropanologen или их комбинации. В ряде случаев метаболизирующие C-микроорганизмы представляют собой эукариоты, такие как дрожжи, в том числе Candida, Yarrowia, Hansenula, Pichia, Torulopsis или Rhodotorula.
1
1
1
В других случаях метаболизирующий нефотосинтезирующий C-микроорганизм представляет собой облигатный метаболизирующий нефотосинтезирующий C-микроорганизм, такой как облигатный метанотроф или метилотроф. В ряде случаев метаболизирующий нефотосинтезирующий C-микроорганизм представляет собой рекомбинантный микроорганизм, содержащий гетерологичный полинуклеотид, который кодирует фермент, продуцирующий жирную кислоту, фермент ассимиляции формальдегида или их комбинации.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Употребляемый здесь термин «метаболизирующий C-микроорганизм» или «метаболизирующий нефотосинтезирующий C-микроорганизм» относится к любому микроорганизму, который способен использовать одноуглеродный (C) субстрат в качестве источника энергии или своего единственного источника энергии и биомассы и который либо может или не может использовать другие углеродные субстраты (такие, как сахара и сложные углеводы) для получения энергии и биомассы. Так, например, метаболизирующий C-микроорганизм может окислять C-субстрат типа метана или метанола. Метаболизирующие C-микроорганизмы включают в себя бактерии (например, метанотрофы и метилотрофы) и дрожжи. По меньшей мере в некоторых случаях метаболизирующий C-микроорганизм не включает в себя фотосинтезирующий микроорганизм, например, водоросли. Согласно некоторым вариантам осуществления метаболизирующий C-микроорганизм представляет собой «облигатный метаболизирующий C-микроорганизм», то есть его единственными источниками энергии являются C-субстраты и ничто иное.
1
Употребляемый здесь термин «метилотрофная бактерия» относится к любым бактериям, способным к окислению органических соединений, не содержащих углерод-углеродной связи. Согласно некоторым вариантам осуществления в качестве метилотрофной бактерии может выступать метанотроф. Так, например, термин «метанотрофные бактерии» может относиться к любым метилотрофным бактериям, которые обладают способностью окислять метан в качестве их основного источника углерода и энергии. Примерные метанотрофные бактерии включают в себя Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium или Methanomonas. Согласно некоторым другим вариантам осуществления, метилотрофная бактерия представляет собой «облигатную метилотрофную бактерию», которая относится к бактериям, чье использование ограничено использованием C-субстратов для выработки энергии.
Согласно одному специфическому варианту осуществления изобретения процесс реализуется с использованием бактерий типа, описанного в WO 02/18617, для получения каротиноидов, например, антераксантина, адониксантина, астаксантина, кантаксантина, зеаксантина и иных каротиноидов, упомянутых на стр. 39 и 40 цитированного документа WO 02/18617. Особенно подходящей для этого может оказаться метанотрофная бактерия Methylomonas 16а (АТСС РТА 2402). Производимые таким способом каротиноиды могут отделяться от жидкой питательной среды способами, описанными в документах WO 02/18617, WO 02/20728 и WO 02/20733.
2
2
2
Употребляемый здесь термин «синтетический газ» относится к смеси, включающей в себя, по меньшей мере, моноксид углерода (СО) и водород (Н). По меньшей мере, в некоторых случаях синтетический газ может также включать в себя СО, метан и другие газы в меньших количествах по сравнению с СО и Н. Синтетический газ может изготавливаться с использованием любого существующего метода, включая, но без ограничения, конверсию водяного газа или процесс газификации угля.
Употребляемый здесь термин «рост» определяется как любое увеличение клеточной массы. Он может происходить в результате деления клетки (репликации) и формирования новых клеток в процессе «сбалансированного роста» или «несбалансированного роста», при увеличении клеточной массы вследствие накопления одного или более внутриклеточных или межклеточных полимеров, таких как некоторые липиды. В последнем случае рост может проявляться в виде увеличения размера клетки вследствие накопления биополимера внутри клетки. В процессе «сбалансированного роста клеток» все сырье (доноры и акцепторы электронов) и все питательные вещества присутствуют в пропорциях, требуемых для создания всех макромолекулярных компонентов клетки. Другими словами, сырье или питательное вещество не ограничивают синтез белков, сложных углеводных полимеров, жиров или нуклеиновых кислот. И наоборот, в процессе «несбалансированного роста клеток» сырье или питательное вещество, требуемые для создания одной или более макромолекул клетки, не присутствуют в количестве или пропорции, требуемых для сбалансированного роста. Соответственно, это сырье или питательное вещество становится ограничивающим фактором, а потому их называют «лимитирующими питательными веществами».
Тем не менее, некоторые клетки могут демонстрировать четкий рост в неравновесных условиях, однако рост будет при этом несбалансированным, так что будет иметь место накопление полимеров, которые могут быть синтезированы в отсутствие лимитирующего сырья или питательного вещества. Эти полимеры включают в себя липиды или внутриклеточные запасные вещества, такие как полигидроксиалканоаты (ПГА), в том числе полигидроксибутират (ПГБ), полигидроксивалерат (ПГВ) и полигидроксигексаноат (ПГГ)-гликоген, или секретируемые материалы, такие как внеклеточный полисахарид. Такие масляные составы пригодны для производства био пластиков.
Типовые условия сбалансированного и несбалансированного роста могут различаться содержанием азота в средах. Так, например, азот составляет примерно 12% сухого веса клетки, то есть для выращивания клетки сухим весом 100 мг/л необходима подача 12 мг/л азота (наряду с сырьем и другими питательными веществами в нужных стехиометрических соотношениях). Если другое сырье и другие питательные вещества присутствуют в количествах, необходимых для получения сухого веса клетки, равного 100 мг/л, но азот подается в количестве менее 12 мг/л, то может произойти несбалансированный рост клеток с накоплением полимеров, не содержащих азота. Если после этого будет выполнена подача азота, то запасенный полимер может послужить сырьем для клетки, с обеспечением сбалансированного роста с репликацией и производством новых клеток.
Термин «ростовой цикл», употребляемый здесь применительно к клетке или микроорганизму, относится к метаболическому циклу, в ходе которого происходит перемещение клетки или микроорганизма в условиях культивирования. Так, например, цикл может включать в себя различные стадии, такие как лаг-фаза, экспоненциальная фаза, конец экспоненциальной фазы и стационарная фаза.
Употребляемые здесь термины «экспоненциальная фаза роста», «рост в экспоненциальной фазе», «логарифмическая фаза» или «рост в логарифмической фазе» относятся к скорости, с которой растут и делятся микроорганизмы. Так, например, в логарифмической фазе микроорганизмы растут с максимальной скоростью с учетом их генетического потенциала, характера среды и условиями, в которых происходит рост. Скорость роста микроорганизмов в экспоненциальной фазе является постоянной, при этом происходят деление и удвоение количества микроорганизмов с регулярными интервалами. «Активный рост» демонстрируют те клетки, которые растут в логарифмической фазе. И наоборот, «стационарная фаза» соответствует той точке ростового цикла, в которой рост клеток культуры замедляется или даже прекращается.
1
1
Употребляемый здесь термин «быстрорастущая разновидность» относится к организму, микроорганизму, бактерии, дрожжам или клетке, способным к росту с C-субстратом, таким как метан или метанол, в качестве единственного источника углерода и энергии и демонстрирующим скорость роста в экспоненциальной фазе, которая больше скорости роста родительского, эталонного или дикого типа организма, микроорганизма, бактерии, дрожжей или клетки, то есть, быстрорастущая разновидность характеризуется меньшим временем удвоения и, следовательно, высокой скоростью роста и выходом биомассы на грамм метаболизируемого C-субстрата по сравнению с родительской клеткой (см., например, патент США №6689601).
Употребляемый здесь термин «биотопливо» относится к топливу, по меньшей мере, частично получаемому из «биомассы».
1
1
1
1
1
1
Употребляемый здесь термин «биомасса» или «биоматериал» относится к органическому материалу биологического происхождения, который может включать в себя одну или более целых клеток, разрушенных клеток, внеклеточного материала и т.п. Так, например, материал, выделенный из культивированного микроорганизма (типа бактериальной или дрожжевой культуры), считается биомассой, при этом она может включать в себя клетки, клеточные мембраны, клеточную цитоплазму, внутриклеточные тельца, продукты, секретируемые или экскретируемые в питательную среду, или их любые комбинации. Согласно некоторым вариантам осуществления биомасса содержит метаболизирующие C-микроорганизмы, рассматриваемые в данном описании, в сочетании со средами культуры, в которой были выращены этими метаболизирующими C-микроорганизмами согласно настоящему описанию. Согласно другим вариантам осуществления биомасса содержит метаболизирующие C-микроорганизмы (целые, разрушенные или те и другие), рассматриваемые в данном описании, которые были экстрагированы из культуры, выращенной на C (например, природном газе, метане). Согласно другим вариантам осуществления биомасса содержит истощенный супернатант среды или газы, экскретированные или секретированные из культуры метаболизирующего C-микроорганизма, культивированного на C-субстрате. Такую культуру можно считать возобновляемым ресурсом.
Употребляемый здесь термин «биопереработка» относится к переработке, в которой объединены конверсионные процессы и оборудование для получения топлив из биомассы.
Употребляемый здесь термин «масляный состав» относится к липидному содержимому биомассы (например, бактериальной культуры), включая жирные кислоты, сложные эфиры жирных кислот, триглицериды, фосфолипиды, полигидроксиалканоаты, изопрены, терпены или аналогичные соединения. Масляный состав биомассы может быть экстрагирован из остальной части материала биомассы, например, посредством экстракции гексана или хлороформа. Кроме того, «масляный состав» можно обнаружить в одном или более местах культуры, включая клеточную мембрану, клеточную цитоплазму, внутриклеточные тельца, секретируемые или экскретируемые в питательную среду, или их любые комбинации.
Употребляемый здесь термин «переработка» относится к переработке нефти или его частям, где может проводиться обработка масляных составов (например, биомассы, биотоплива или ископаемых видов топлива, таких как сырая нефть, уголь или природный газ). Примерные процессы, осуществляемые при такой переработке, включают в себя крекинг, переэтерификацию, риформинг, перегонку, гидропроцессинг, изомеризацию или любую их комбинацию.
Употребляемые здесь термины «рекомбинантный» или «искусственный» относятся к организму, микроорганизму, клетке, молекуле нуклеиновой кислоты или вектору, в которых произошло, по меньшей мере, одно генетическое изменение или которые были модифицированы посредством введения гетерологичной молекулы нуклеиновой кислоты, или же относятся к клетке, которая была изменена таким образом, чтобы можно было регулировать экспрессию эндогенной молекулы нуклеиновой кислоты или гена. Термин «рекомбинантная» относится также к клетке, полученной из клетки с одной или более таких модификаций. Так, например, рекомбинантные клетки могут экспрессировать гены или другие молекулы нуклеиновой кислоты, которые не были обнаружены в идентичной форме в нативной клетке (то есть в немодифицированной клетке или клетке дикого типа), или могут создавать измененный профиль экспрессии эндогенных генов, то есть генов, которые могут оказаться в противном случае сверхэкспрессированными, недоэкспрессированными, минимально экспрессированными или вообще не экспрессированными. Другой пример касается ситуации, когда генетические модификации молекул нуклеиновой кислоты, кодирующих ферменты или их функциональные фрагменты, способны приводить к биохимической(им) реакции(ям) или обеспечивать возможность метаболического пути для рекомбинантного микроорганизма или клетки, которые являются новыми или измененными по сравнению с их естественным состоянием.
Термин «гетерологичная», употребляемый здесь применительно к молекуле нуклеиновой кислоты, структуре или последовательности, относится к молекуле нуклеиновой кислоты или части последовательности молекулы нуклеиновой кислоты, которая не является нативной для клетки, в которой имеет она экспрессируется или является молекулой нуклеиновой кислоты с измененной экспрессией по сравнению с уровнями нативной экспрессии в подобных условиях. Так, например, гетерологичную регуляторную последовательность (например, промотор, энхансер) можно использовать для регулирования экспрессии гена или молекулы нуклеиновой кислоты иным способом, нежели в случаях, когда ген или молекула нуклеиновой кислоты обычно экспрессируется в природных условиях или при культивировании. Гетерологичные молекулы нуклеиновой кислоты, как правило, не являются эндогенными по отношению к клетке или части генома, в которой они присутствуют. Они были добавлены к клетке посредством конъюгации, трансформации, трансфекции, электропорации и т.п.
Употребляемое здесь выражение «вертикальный» относится к направлению, выровненному с гравитационным вектором в данном конкретном месте.
Употребляемое здесь выражение «горизонтальный» относится к направлению, перпендикулярному к гравитационному вектору в данном конкретном месте.
Употребляемое здесь выражение «невертикальный» относится к направлению, которое является горизонтальным (то есть перпендикулярным к вертикали) или отклонено от вертикали на 20° или более, например, больше, чем на 20°, 25°, 30°, 35°, 40°, 45°, 50°, 55°, 60°, 65°, 70°, 75°, 80° или 85°.
1
1
Описываемые в настоящем изобретении системы ферментации могут включать в себя отдельные блоки (например, блоки или системы обработки, расположенные либо в непосредственной близости или рядом друг с другом, либо нет) или интегрированные блоки, либо сама система может быть взаимосвязанной и интегрированной. В системах согласно изобретению может использоваться, по меньшей мере, одно сырье в газовой фазе, в том числе одно или более C-соединений, кислород и/или водород. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, в системе ферментации в качестве основного микроорганизма ферментационной культуры используется метаболизирующий C-микроорганизм (например, метанотроф типов Methylosinus trichosporium OB3b, Methylococcus capsulatus Bath, Methylomonas sp.16a, Methylomicrobium alcaliphilum 20Z либо их быстрорастущие разновидности или комбинации).
1
Для описываемых здесь микроорганизмов, бактерий и дрожжей могут быть применены самые разнообразные методики культивирования. Так, например, метаболизирующие C-микроорганизмы, такие как метанотрофные или метилотрофные бактерии, могут быть выращены с использованием методов периодического и непрерывного культивирования. Как правило, в некоторых системах за массовое производство целевого продукта или интермедиата часто отвечают клетки в логарифмической фазе, тогда как в других системах может быть осуществлено производство в стационарной или постэкспоненциальной фазе.
Один из традиционных способов периодического культивирования состоит в использовании замкнутой системы, в которой состав среды задается в момент начала культивирования и не меняется на протяжении всего процесса культивирования. Говоря иначе, в начале процесса культивирования осуществляют инокуляцию среды одним или более предпочтительными микроорганизмами, после чего происходит процесс выращивания, при этом новые микроорганизмы в систему не добавляются. Под употребляемым здесь термином «периодическое культивирование» имеется в виду, что количество первоначально добавленного конкретного источника углерода не меняется, тогда как в процессе культивирования может осуществляться мониторинг и изменение в регулировании таких факторов, как рН и концентрация кислорода и/или водорода. В системах периодического действия составы метаболита и биомассы постоянно изменяются вплоть до истечения времени культивирования. В периодических культурах клетки (например, бактерии типа метилотрофов) переходят обычно из статической лаг-фазы в фазу логарифмического роста с высокой скоростью и далее в стационарную фазу, в которой скорость роста уменьшается или он совсем прекращается (что может привести в итоге, если не изменятся условия, к гибели клеток).
Существуют также системы с периодической загрузкой, представляющие собой одну из разновидностей стандартной системы периодической ферментации, когда нужный углеродсодержащий субстрат добавляют последовательными партиями по мере продвижения процесса культивирования. Такие системы с периодической загрузкой могут быть полезны в тех случаях, когда существует вероятность ингибирования метаболизма клетки вследствие катаболитной репрессии и когда желательно работать с небольшими количествами субстрата в среде. Поскольку измерение фактической концентрации субстрата в системах с периодической загрузкой представляет определенные трудности, выполняют специальную оценку на основе изменений таких измеримых факторов, как рН, количество растворенного кислорода и парциальное давление отходящих газов. Методы периодического культивирования и культивирования с периодической загрузкой довольно широко распространены и известны специалистам в данной области (см., например, Tomas D..Brock, Biotechnology: A Textbook of Industrial Microbiology [Биотехнология: Руководство по промышленной микробиологии], 2nd Ed. (1989) Sinauer Associates, Inc., Sunderland, MA; Deshpande, 1992, Appl. Biochem. Biotechnol. 36:227).
Системы непрерывного культивирования представляют собой так называемые «открытые» системы открытые в том смысле, что в биореактор непрерывно добавляют заданные питательные среды и одновременно с этим выводят такое же количество использованной («кондиционированной») среды для дальнейшей обработки. В системах непрерывного культивирования поддерживается, как правило, постоянная высокая плотность клеток в жидкой фазе, при этом клетки находятся главным образом, в фазе логарифмического роста. В соответствии с одним из альтернативных решений, непрерывное культивирование может осуществляться с использованием иммобилизированных клеток (например, биопленки), при этом непрерывно добавляют углерод и питательные вещества, а ценные продукты, побочные продукты и отходы непрерывно удаляют из биомассы. Иммобилизации клеток можно достичь с помощью самых разных твердых подложек, состоящих из природных материалов, синтетических материалов или их комбинаций.
Непрерывное или полунепрерывное культивирование обеспечивает возможность изменения одного или более факторов, влияющих на рост клеток или концентрацию конечного продукта. Так, например, в соответствии с одним из способов, можно поддерживать некоторый фиксированный уровень небольшого количества питательного вещества (например, источника углерода, азота) и обеспечивать возможность изменения с течением времени всех других параметров. В соответствии с другими вариантами осуществления, можно непрерывно изменять некоторые факторы, влияющие на рост, тогда как концентрация биомассы, определяемая через мутность среды, будет поддерживаться на постоянном уровне. Назначение системы непрерывного культивирования состоит в поддержании условий стационарного роста с одновременным уравновешиванием потери клеток, вызванной отводом среды, скоростью роста клеток. Способы изменения питательных веществ и факторов роста в рамках технологий и методов непрерывного культивирования с целью максимизации скорости формирования продукта известны специалистам в данной области (см. Brock, 1992).
1
1
1
1
1
1
1
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, питательные среды содержат углеродсодержащий субстрат в качестве источника энергии для метаболизирующего C-микроорганизма. Пригодные для этих целей субстраты включают в себя C-субстраты, такие как метан, метанол, формальдегид, муравьиная кислота (формиат), моноксид углерода, диоксид углерода, метилированные амины (метиламин, диметиламин, триметиламин и пр.), метилированные тиолы или метилгалогены (бромметан, хлорметан, йодметан, дихлорметан и пр.). В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, питательные среды могут включать в себя одиночный C-субстрат в качестве единственного источника углерода для метаболизирующего C-микроорганизма или же могут включать в себя смесь двух или более C-субстратов (смешанный состав C-субстратов) в качестве множественных источников углерода для метаболизирующего C-микроорганизма.
1
1
2
3
4
1
1
Кроме того, известны некоторые метаболизирующие C-организмы, использующие субстраты, отличные от C-субстрата, такие как сахар, глюкозамин или разнообразные аминокислоты, для получения метаболической деятельности. Так, например, некоторые виды Candida могут метаболизировать аланин или олеиновую кислоту (Suiter et al., Arch. Microbiol. 153:485-489, 1990). Methylobacterium extorquens AMI способна расти на небольшом количестве С-, С- и С-субстратов (Van Dien et al., Microbiol. 149:601-609, 2003). В других случаях метаболизирующий C-микроорганизм может представлять собой рекомбинантную разновидность, способную использовать альтернативные углеродные субстраты. Следовательно, можно полагать, что источник углерода в питательных средах может включать в себя смесь углеродных субстратов с одноуглеродными или многоуглеродными соединениями, в зависимости от вида выбранного метаболизирующего C-микроорганизма.
1
1
1
1
1
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, предложен способ получения топлива, включающий в себя этапы превращения биомассы из культуры, содержащей, главным образом, метаболизирующий нефотосинтезирующий C-микроорганизм, в масляный состав и переработки этого масляного состава в топливо. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, метаболизирующий нефотосинтезирующий C-микроорганизм представляет собой облигатный метаболизирующий нефотосинтезирующий C-микроорганизм, такой как облигатный метанотроф или метилотроф. В соответствии с другими вариантами, метаболизирующий нефотосинтезирующий C-микроорганизм представляет собой рекомбинантный микроорганизм, содержащий гетерологичный полинуклеотид, который кодирует фермент, продуцирующий жирную кислоту, фермент ассимиляции формальдегида или какую-либо их комбинацию. В соответствии с еще некоторыми вариантами осуществления, масляный состав получают или экстрагируют из клеточной мембраны метаболизирующего нефотосинтезирующего C-микроорганизма, такого как метилотроф или метанотроф.
1
1
1
1
1
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, предложен способ получения топлива посредством переработки масляного состава в блоке переработки с целью получения топлива, причем масляный состав получают из метаболизирующего C нефотосинтезирующего микроорганизма, такого как метилотроф или метанотроф. В соответствии с другими вариантами, способ дополнительно включает в себя использование блока обработки для экстрагирования масляного состава из метаболизирующего C нефотосинтезирующего микроорганизма. В соответствии с еще некоторыми вариантами осуществления, способ включает в себя следующие этапы: (а) культивируют метаболизирующие C-бактерии в присутствии сырья, содержащего C-субстрат, в блоке управляемого культивирования, причем культивируемые бактерии вырабатывают масляный состав; (b) экстрагируют масляный состав из культивируемых бактерий в блоке обработки; и (с) очищают экстрагированный масляный состав в блоке очистки с целью получения топлива. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, в качестве сырьевого C-субстрата используют метан, метанол, формальдегид, муравьиную кислоту, моноксид углерода, диоксид углерода, метиламин, метилтиол или метилгалоген.
1
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, предложен способ получения натуральных продуктов, таких как этанол, ацетат, бутанол, одноклеточный белок, сахара или другие метаболиты или клеточные продукты, при этом натуральный продукт получают из метаболизирующего C нефотосинтезирующего микроорганизма типа метилотрофа или метанотрофа.
1
В соответствии с другими вариантами осуществления, способ дополнительно включает в себя использование блока обработки для экстрагирования натурального продукта из метаболизирующего C нефотосинтезирующего микроорганизма.
1
1
1
В соответствии с еще некоторыми другими вариантами, способ включает в себя следующие этапы: (а) культивируют метаболизирующие C-бактерии в присутствии сырья, содержащего C-субстрат в блоке управляемого культивирования, при этом культивируемые бактерии вырабатывают натуральный продукт; (b) экстрагируют натуральный продукт из культивируемых бактерий в блоке обработки; и (с) очищают натуральный продукт с целью получения товарного продукта. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, сырьевой C-субстрат представляет собой метан, метанол, формальдегид, муравьиную кислоту, моноксид углерода, диоксид углерода, метиламин, метилтиол или метилгалоген.
1
1
1
1
1
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, предложен способ получения натуральных или искусственных продуктов, таких как этанол, ацетат, бутанол, изопрен, пропилен, фарнезен, ферменты или другие метаболиты или клеточные продукты, причем продукт получают из генномодифицированного метаболизирующего нефотосинтезирующего C-микроорганизма типа метилотрофа или метанотрофа, который был трансформирован с помощью гетерологичной нуклеотидной последовательности. В соответствии с другими вариантами осуществления, способ дополнительно включает в себя использование блока обработки для экстрагирования продукта из генномодифицированного метаболизирующего нефотосинтезирующего C-микроорганизма. В соответствии с еще некоторыми еще другими вариантами осуществления, способ включает в себя следующие этапы: (а) культивируют генномодифицированные метаболизирующие C-бактерий в присутствии сырья, содержащего C-субстрат в блоке управляемого культивирования, причем культивируемые бактерии вырабатывают натуральный продукт; (b) экстрагируют натуральный продукт из культивируемых бактерий в блоке обработки; и (с) очищают натуральный продукт с целью получения товарного продукта. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, сырьевой C-субстрат представляет собой метан, метанол, формальдегид, муравьиную кислоту, моноксид углерода, диоксид углерода, метиламин, метилтиол или метилгалоген.
1
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, предложен способ получения натуральных или искусственных продуктов, таких как этанол, ацетат, бутанол, изопрен, пропилен, фарнезен, ферменты либо другие метаболиты или клеточные продукты, причем продукт получают из метаболизирующего микроорганизма не типа C, такого как Escherichia coli, Saccaromyces cerevisiae или какого-либо другого распространенного производственного микроорганизма. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, сырьевой субстрат представляет собой глюкозу, сахарозу, глицерин, целлюлозу или другое многоуглеродное сырье.
3
2
На фиг. 1 показан петлевой реактор из патента США 7579163, имеющий по существу вертикальную зону 3 нисходящего потока и по существу вертикальную зону 5 восходящего потока, которые разделены по существу горизонтальной зоной 4, которая начинается у основания по существу вертикальной зоны 3 нисходящего потока и заканчивается у начала по существу вертикальной зоны 5 восходящего потока. Вследствие наличия по существу вертикальной зоны 3 нисходящего потока и по существу вертикальной зоны 5 восходящего потока образовано вертикальное расстояние между поверхностью 22 газа и жидкости на конце зоны 6 выходящего потока и центральной линией петлевого реактора в горизонтальной зоне 4. В патенте…163 упомянуто, что данное вертикальное расстояние составляет по меньшей мере или около 10 метров. Расстояние, по которому жидкость течет вверх через вертикальную секцию 5 восходящего потока к месту, где она поступает в горизонтальную секцию 6 раздела выходящего газа/жидкой реакционной среды, зависит от подъема в по существу горизонтальной секции 4 петли и подъема в по существу горизонтальной секции 6 раздела выходящего газа/жидкой реакционной среды. Благодаря наличию по существу вертикальной зоны нисходящего потока и по существу вертикальной зоны восходящего потока с длиной, достаточной для вмещения вертикального перепада высот порядка 10 метров между поверхностью газа и жидкости на конце зоны 6 выходящего потока и центральной линией петлевого реактора в горизонтальной зоне 4, существенно снижаются суммарные затраты на конструирование и изготовление петлевого реактора с этими зонами. Например, стоимость работ, связанных с конструированием и изготовлением конструкций, необходимых для физической поддержки вертикальных зон нисходящего и восходящего потоков с высотой, достаточной для вмещения вертикальных расстояний порядка 10 метров между поверхностью 22 газа и жидкости на конце зоны 6 выходящего потока и центральной линией петлевого реактора в горизонтальной зоне 4, такова, что существенно снижаются суммарные затраты на конструирование, построение и поддерживание петлевого реактора с такими зонами. Для петлевых реакторов с вертикальными зонами нисходящего и восходящего потоков высотой порядка 10 метров требуется, чтобы сооружения, в которые помещают реакторы, имели запас высоты, позволяющий вместить указанные вертикальные зоны нисходящего и восходящего потоков такой высоты. В петлевом реакторе типа, описанного в патенте… 163 с вертикальным расстоянием, равным по меньшей мере 10 метров, между поверхностью 22 газа и жидкости на конце зоны 6 выходящего потока и центральной линией петлевого реактора в горизонтальной зоне 4 действует статический напор или гидростатическое давление в по существу вертикальной зоне нисходящего потока, которое определяется по формуле Р=ρ g h, где Р - гидростатическое давление в паскалях, ρ - плотность жидкости в кг/м, g - ускорение свободного падения в м/с и h - расстояние в метрах между поверхностью 22 газа и жидкости на конце зоны 6 выходящего потока и центральной линией петлевого реактора в горизонтальной зоне 4. В петлевом реакторе типа, описанного в патенте …163, с вертикальным расстоянием, равным по меньшей мере 10 метров, между поверхностью 22 газа и жидкости на конце зоны 6 выходящего потока и центральной линией петлевого реактора в горизонтальной зоне 4, гидростатическое давление Р у основания по существу вертикальной зоны 6 нисходящего потока можно считать равным по меньшей мере 10 ρ g. Давление на стороне впуска крыльчатки 10 является суммой гидростатического давления Р и давления в зоне удаления выходящего газа/верхнем блоке 2.
На фиг. 2 показана примерная система 200 интенсификации производства биомассы, содержащая петлевой реактор 101 вместе с подсистемой 250 разделения, опциональной термической подсистемой 270 и опциональной подсистемой 290 управления. Хотя они показаны здесь в виде интегрированной системы 200, данные опциональные подсистемы могут быть установлены или иным образом комбинированы с петлевым реактором 101 либо по отдельности, либо в любой комбинации. В петлевой реактор 101 вводят одну или более жидкостей и один или более газовых субстратов для формирования многофазной смеси с жидкой питательной средой, проходящей через петлевой реактор 101. После прохождения через петлевой реактор 101 многофазная смесь может содержать одно или более соединений, созданных биологическими организмами в петлевом реакторе 101, неиспользованные питательные вещества и другие соединения в жидкости внутри многофазной смеси, неиспользованные газы в газовых пузырьках внутри многофазной смеси и микробиологические организмы в форме биологических твердых веществ. Избыточные микробиологические организмы могут быть удалены из петлевого реактора 101 в виде биомассы либо непрерывно, либо с перерывами. Скопления биомассы в петлевом реакторе 101 могут быть удалены с удерживанием всей находящейся в петлевом реакторе 101 биомассы в заданных пределах либо выше или ниже некоторого заданного порога. По меньшей мере в некоторых случаях удаляемая из петлевого реактора 101 биомасса может включать в себя одно или более полезных соединений. Например, находящиеся в избыточной биомассе биологические организмы могут содержать некоторое количество, один или более внутримолекулярных липидов или аналогичных соединений, пригодных для производства биотоплива типа биодизеля или протеинсодержащих продуктов.
Одна или более жидкостей могут включать в себя жидкий субстрат для удерживания или подачи одного или более питательных веществ к микробиологическим организмам в петлевом реакторе 101. Такие жидкости могут включать в себя, без ограничения, водосодержащие растворы, один или более спиртов, минеральные вещества, одно или более азотсодержащих соединений, одно или более фосфорсодержащих соединений и т.п. По меньшей мере, в некоторых случаях используют одно или более средств перемещения жидкости для подачи одной или более жидкостей в петлевой реактор 101 заданным способом и с регулируемым давлением. Указанные одно или более средств перемещения жидкости могут представлять собой любой тип насоса или другого аналогичного устройства, обеспечивающего перемещение жидкости из одного места в другое. Типовыми средствами перемещения жидкости являются, без ограничения, центробежные насосы, поршневые насосы прямого вытеснения, винтовые насосы, двухдиафрагменные насосы и т.п. В качестве других показательных примеров можно привести, без ограничения, эдукторы, эжекторы и другие аналогичные устройства. Перемещение жидкости в петлевой реактор 101 можно осуществить с регулированием по расходу, по давлению или регулированием с использованием комбинаций давления, температуры, потока, уровня, расхода, расхода на единицу сечения потока или данных по регулируемым переменным величинам композиционного анализа, собранных с одной или более точек в петлевом реакторе 101 или с одной или более точек в системе 200. По меньшей мере, в некоторых случаях перенос жидкости средством перемещения жидкости может регулироваться на основе измеренной концентрации одного или более компонентов или соединений (например, одного или более углеродсодержащего или азотсодержащего питательных веществ) в петлевом реакторе 101; например, расход жидкости, переносимой средством перемещения жидкости, можно увеличить в ответ на измеренное уменьшение концентрации питательного вещества в петлевом реакторе 101.
1
Указанные один или более газовых субстратов могут включать в себя собой любой газ, газы или комбинацию газов, пригодных для удерживания или подачи одного или более питательных веществ для микробиологических организмов в петлевом реакторе 101. Такими газами могут быть, без ограничения, один или более газов, содержащих углеродные соединения. Такими газами могут быть, без ограничения, один или более газов, содержащих углеродные C-соединения типа метана или моноксида углерода. Указанные один или более газовых субстратов могут также представлять собой один или более газов, используемых в процессах метаболизма биологических организмов в петлевом реакторе 101. Такими газами могут быть, без ограничения, кислород, кислородсодержащие соединения и водород. Указанные один или более газовых субстратов могут быть перемещены в петлевой реактор 101 в виде чистого газа или в виде газовой смеси (например, синтетического газа, смеси моноксида углерода и водорода). Указанные один или более газовых субстратов могут быть перемещены в петлевой реактор 101 по отдельности (например, метан и кислородсодержащий газ типа воздуха могут переноситься по отдельности для уменьшения вероятности формирования взрывоопасной газовой смеси в петлевом реакторе 101).
Один или более газовых субстратов могут быть опционально перемещены в петлевой реактор 101 посредством средства перемещения газа. Средства перемещения газа включают в себя, без ограничения, коловратные компрессоры, центробежные компрессоры, винтовые компрессоры и т.п. Давление подачи одного или более газовых субстратов зависит от различных факторов, в том числе рабочее давление петлевого реактора 101 и перепад давлений, связанный с газораспределителем, используемым для распределения одного или более газовых субстратов в петлевом реакторе 101. Аналогично, расход подачи одного или более газовых субстратов может вручную или автоматически регулироваться для поддерживания концентрации или уровня растворенного газа в петлевом реакторе 101 в заданных пределах (например, растворенного кислорода на уровне выше, по меньшей мере, 4 ч. на млн.), по меньшей мере частично на основе потребностей в биологических организмах, присутствующих в петлевом реакторе 101. По меньшей мере, в некоторых случаях один или более газовых субстратов могут подаваться в петлевой реактор 101 под давлением от порядка 1,5 фт/кв. дюйм до порядка 600 фт/кв. дюйм, от порядка 5 фт/кв. дюйм до порядка 600 фт/кв. дюйм, от порядка 25 фт/кв. дюйм до порядка 400 фт/кв. дюйм или от порядка 50 фт/кв. дюйм до порядка 300 фт/кв. дюйм.
Можно вводить любое количество газов через общий газораспределительный коллектор или любое количество отдельных газораспределительных коллекторов. Такие газораспределительные коллекторы обеспечивают введение всего газового субстрата в отдельное место петлевого реактора 101 или введение порций газового субстрата в различные места по всему петлевому реактору 101. По меньшей мере в некоторых случаях газовый субстрат может включать в себя, без ограничения, метан, моноксид углерода, водород или кислород. По меньшей мере, в некоторых случаях скорость подачи газового субстрата может соотноситься со скоростью подачи жидких сред. Например, метан можно вводить в качестве газового субстрата со скоростью от порядка 0,1 грамма метана на литр жидкой среды (г/л) до порядка 100 г/л; от порядка 0,5 г/л до порядка 50 г/л или от порядка 1 г/л до порядка 25 г/л. Моноксид углерода (СО) можно вводить в качестве газового субстрата 204 со скоростью от порядка 0,1 грамма СО на литр жидкой среды (г/л) до порядка 100 г/л; от порядка 0,5 г/л до порядка 50 г/л или от порядка 1 г/л до порядка 25 г/л. Кислород можно вводить в качестве газового субстрата 204 со скоростью от порядка 1 грамма кислорода на литр жидкой среды (г/л) до порядка 100 г/л; от порядка 2 г/л до порядка 50 г/л или от порядка 5 г/л до порядка 25 г/л. Водород можно вводить в качестве газового субстрата 204 со скоростью от порядка 0,01 грамма водорода на литр жидкой среды (г/л) до порядка 50 г/л; от порядка 0,1 г/л до порядка 25 г/л или от порядка 1 г/л до порядка 10 г/л.
В петлевом реакторе 101 микробиологические организмы метаболизируют по меньшей мере часть углеродсодержащих соединений, присутствующих в многофазной смеси. По меньшей мере часть этого процесса может включать в себя производство дополнительных микробиологических организмов, увеличивающих суммарное количество биомассы, находящейся в петлевом реакторе 101. Если находящаяся в петлевом реакторе 101 биомасса остается неконтролируемой, она может скапливаться до такой степени, что ухудшится один или более рабочих показателей петлевого реактора 101 (например, расход, перепад давления, производство нужных продуктов и пр.), или избыточная биомасса окажет на них негативное воздействие. В таких ситуациях желательно обеспечить возможность по меньшей мере частичного удаления биомассы, находящейся в петлевом реакторе 101. По меньшей мере, в некоторых случаях биомасса скапливается преимущественно в каком-либо месте в газожидкостном сепарационном резервуаре (102 на фиг. 3 и 4), что облегчает удаление биологических твердых веществ из петлевого реактора 101 через по меньшей мере один порт для удаления биомассы (128 на фиг. 3 и 4). Удаленную биомассу можно подавать в подсистему 250 разделения, где биомасса будет подвергнута дальнейшей обработке с извлечением из нее нужных продуктов.
По меньшей мере в некоторых случаях процесс производства всей биомассы или ее части может по меньшей мере частично автоматически регулироваться посредством подсистемы 290 управления. Данная подсистема 290 управления может собирать относящуюся к процессу информацию, предоставленную одним или более технологическими компонентами в форме сигналов, содержащих аналоговые или цифровые данные, характеризующие одну или более переменных процесса. Например, подсистема управления может собирать относящиеся к процессу сигналы посредством одного или более технологических компонентов, таких как, без ограничения, датчики массового расхода, датчики объемного расхода, температурные датчики, датчики давления, датчики уровня, аналитические датчики (например, датчики растворенного кислорода, датчики биологической потребности в кислороде (БПК), датчики рН, датчики электропроводности и т.п.) или любое другое устройство, обеспечивающее генерацию сигнала, содержащего данные, характеризующие один или более относящихся к процессу условий в петлевом реакторе 101.
Подсистема 290 управления может исполнять один или более наборов команд, управляющих, изменяющих или настраивающих один или более параметров процесса ферментации, по меньшей мере частично на основе сигналов, характеризующих переменные процесса, полученные от технологических компонентов. Исполнение таких команд позволяет подсистеме 290 управления генерировать один или более выходных управляющих сигналов. Эти выходные управляющие сигналы могут быть переданы из подсистемы 290 управления к одному или более исполнительных элементов типа блокировочных клапанов, регулировочных клапанов, двигателей, приводов с переменной скоростью и пр. Взаимодействие между исполнительными элементами и процессом ферментации может, в свою очередь, обеспечить для подсистемы 290 управления высокую степень относительно точного управления процессом производства биомассы.
Например, в ответ на прием одного или более сигналов, содержащих данные, характеризующие температуру многофазной смеси в петлевом реакторе 101, подсистема 290 управления может инициировать, изменять или останавливать поток теплопередающей среды, необходимой для работы теплообменника. Аналогично, в ответ на прием одного или более сигналов, содержащих данные, характеризующие уровень растворенного кислорода в многофазной смеси в петлевом реакторе 101, подсистема 290 управления может увеличивать, уменьшать или поддерживать поток кислородсодержащего газового субстрата в петлевой реактор 101. Хотя здесь приведены только два иллюстративных примера, подсистема 290 управления может аналогичным образом регулировать любой поток, уровень, давление, аналитическое значение и т.п., свойственные процессу ферментации, посредством одного или более участвующих в процессе соответствующих датчиков и одного или более соответствующих исполнительных элементов.
На фиг. 3 и 4 показана примерная система 100 интенсификации производства биомассы. Данная примерная система 100 содержит петлевой реактор 101, включающий в себя блок 102 газожидкостной сепарации (например, газожидкостный сепарационный резервуар или другое оборудование, способное отделить жидкости и газы от многофазной смеси жидкой питательной среды, содержащей микроорганизмы) и блок 104 управления потоком текучей среды (например, насос или другое устройство, способное перемещать текучую среду), а также петлевую секцию 106 и первую невертикальную зону 108 снижения давления. В данном контексте термин «петлевая секция 106» относится к участку петлевого реактора 101, который проходит от выхода блока 104 управления потоком текучей среды к блоку 102 газожидкостной сепарации. Данная петлевая секция 106 может иметь вертикальные участки или не иметь таковых. Когда вертикальных участков в петлевой секции 106 нет, ее называют «невертикальной петлевой секцией 106». Согласно некоторым дополнительным вариантам осуществления петлевой реактор 101 содержит вторую зону 112 снижения давления (см. фиг. 3) ниже по потоку от первой невертикальной зоны 108 снижения давления. Согласно дополнительным вариантам осуществления вторая зона 112 снижения давления может являться второй невертикальной зоной снижения давления или вертикальной зоной снижения давления.
На фиг. 3 показана вертикальная зона 147 снижения давления. Примерная система 100 согласно дополнительным вариантам осуществления включает в себя и другие подсистемы, в том числе подсистему 114 подачи питательных и/или минеральных вещества и теплообменники) 116. Примерная система 100 интенсифицирует производство биомассы путем введения газообразного(ых) субстрата(ов) в жидкую питательную среду для получения многофазной смеси из жидкой питательной среды, подаваемого(ых) газообразного(ых) субстрата(ов) и питательного(ых) вещества (веществ). Данная многофазная смесь протекает через петлевой реактор 101 посредством блока 104 управления потоком текучей среды. Жидкая питательная смесь содержит микроорганизмы, способные превращать газообразные субстраты в нужные продукты, некоторые из которых могут экстрагироваться из микроорганизмов или из газовой и/или жидкой фазы, которые формируются в блоке 102 газожидкостной сепарации. Газообразный(ые) субстрат(ы) и питательное вещество(ва) может (могут) подаваться в петлевой реактор 101 из подсистемы 114 подачи питательных веществ, при этом петлевой реактор 101 функционирует в условиях, способствующих массопереносу газообразного(ых) субстрата(ов) и питательного(ых) вещества (веществ) в питательную среду и в микроорганизмы. Питательные и минеральные вещества могут быть поданы и в иные не отмеченные подсистемой 114 подачи питательных/минеральных веществ места. Так, например, минеральные и/или питательные вещества могут быть поданы в зону блока(ов) 116 теплообмена. Газожидкостный сепарационный резервуар 102 принимает жидкую питательную среду, включая любые газы, оставшиеся в жидкой питательной среде, и газы, отделенные от жидкой питательной среды, а также разделяет их на жидкую и газовую фазы. Жидкая фаза, отделенная от газовой фазы в газожидкостном сепарационном резервуаре 102, удаляется из газожидкостного сепарационного резервуара 102 и поступает в блок 104 управления потоком текучей среды.
3
2
Примерная система 100 с фиг. 4 содержит петлевую секцию 106, в которой нет никаких вертикальных секций. Приминая система 100 с фиг. 3 имеет петлевую секцию 106, в которой есть вертикальная секция, более короткая, чем вертикальные секции в петлевых секциях традиционных петлевых реакторов. Например, петлевая секция 106 примерной системы 100 с фиг. 3 может иметь вертикальную секцию, длина которой составляет не более 50%, не более 40%, не более 30%, не более 20% или не более 10% от вертикального расстояния между центральной линией петлевой секции 106 на ее выпуске 135 (то есть на впуске блока 102 газожидкостной сепарации) и центральной линией петлевой секции 106 на выпуске 131 блока 104 управления потоком текучей среды. Как видно на фиг. 3 и 4, участок петлевого реактора между границей 118 раздела газа и жидкости в блоке 102 газожидкостной сепарации и центральной линией петлевой секции 106 на выпуске 131 блока 104 управления потоком текучей среды является по существу вертикальной зоной нисходящего потока. Вертикальное расстояние между границей 118 раздела газа и жидкости в блоке 102 газожидкостной сепарации и центральной линией петлевой секции 106 на выпуске 131 блока 104 управления потоком текучей среды равно вертикальному расстоянию между центральной линией петлевой секции 106 на ее выпуске 135 и центральной линией петлевой секции 106 на выпуске 131 блока 104 управления потоком текучей среды, когда граница 118 раздела газа и жидкости в блоке 102 газожидкостной сепарации совпадает (то есть находится на той же высоте) с центральной линией петлевой секции 106 на ее выпуске 135. Согласно другим вариантам осуществления граница 118 раздела газа и жидкости в блоке 102 газожидкостной сепарации находится ниже центральной линии петлевой секции 106 на ее выпуске 135 и не совпадает с центральной линией петлевой секции 106 на ее выпуске 135. В данных вариантах осуществления вертикальное расстояние между границей 118 раздела газа и жидкости в блоке 102 газожидкостной сепарации и центральной линией петлевой секции 106 на выпуске 131 блока 104 управления потоком текучей среды меньше вертикального расстояния между центральной линией петлевой секции 106 на ее выпуске 135 и центральной линией петлевой секции 106 на выпуске 131 блока 104 управления потоком текучей среды. Примерная система 100 отличается тем, что вертикальное расстояние между центральной линией петлевой секции 106 на ее выпуске 135 (то есть на впуске блока 102 газожидкостной сепарации) и центральной линией петлевой секции 106 на выпуске 131 блока 104 управления потоком текучей среды (и центральной линией блока 104 управления потоком текучей среды, когда центральная линия блока 104 управления потоком текучей среды находится на той же высоте, что и центральная линия петлевой секции 106 на выпуске блока 104 управления потоком текучей среды) меньше десяти метров, меньше девяти метров, меньше восьми метров, меньше семи метров, меньше шести метров, меньше пяти метров, меньше четырех метров, меньше трех метров, меньше двух метров или меньше одного метра. В данных вариантах осуществления такие петлевые реакторы обеспечивают статический напор или гидростатическое давление выше по потоку от блока 104 управления потоком текучей среды на впуске этого блока управления потоком текучей среды, что выражается формулой Р=ρ g h, где Р гидростатическое давление в паскалях, ρ - плотность жидкости в кг/м, g - ускорение свободного падения в м/с и h - величина расстояния в метрах между границей 118 раздела газа и жидкости в блоке 102 газожидкостной сепарации и центральной линией петлевой секции 106 на выпуске 131 блока 104 управления потоком текучей среды. В петлевых реакторах согласно рассмотренным выше вариантам осуществления, где вертикальное расстояние между границей 118 раздела газа и жидкости в блоке 102 газожидкостной сепарации и центральной линией петлевой секции 106 на выпуске 131 блока 104 управления потоком текучей среды меньше 10 метров, гидростатическое давление Р на впуске блока 104 управления потоком текучей среды, который находится по существу на той же высоте, что и центральная линия петлевой секции 106 на выпуске 131 блока 104 управления потоком текучей среды, можно считать меньшим, чем 10 ρ g. Гидростатическое давление Р на впуске блока 104 управления потоком текучей среды, где вертикальное расстояние между границей 118 раздела газа и жидкости в блоке 102 газожидкостной сепарации и центральной линией петлевой секции 106 на выпуске 131 блока 104 управления потоком текучей среды меньше девяти метров, меньше восьми метров, меньше семи метров, меньше шести метров, меньше пяти метров, меньше четырех метров, меньше трех метров, меньше двух метров или меньше одного метра, можно считать меньшим, чем, соответственно, 9ρg, 8ρg, 7ρg, 6ρg, 5ρg, 4ρg, 3ρg, 2ρg или ρ g. Давление на входе блока 104 управления потоком текучей среды представляет собой сумму гидростатического давления Р и давления в свободном пространстве над блоком 102 газожидкостной сепарации.
В вариантах осуществления примерной системы 100, в которых граница 118 раздела газа и жидкости находится ниже центральной линии петлевой секции 106 на ее выпуске и не совпадает с центральной линией петлевой секции 106 на ее выпуске 135, а вертикальное расстояние между границей 118 раздела газа и жидкости в блоке 102 газожидкостной сепарации и центральной линией петлевой секции 106 на выпуске 131 блока 104 управления потоком текучей среды меньше 10 метров, гидростатическое давление Р на впуске блока 104 управления потоком текучей среды можно считать меньшим, чем 10 ρ g. Г гидростатическое давление Р на впуске блока 104 управления потоком текучей среды, где вертикальное расстояние между границей 118 раздела газа и жидкости в блоке 102 газожидкостной сепарации и центральной линией петлевой секции 106 на выпуске 131 блока 104 управления потоком текучей среды меньше девяти метров, меньше восьми метров, меньше семи метров, меньше шести метров, меньше пяти метров, меньше четырех метров, меньше трех метров, меньше двух метров или меньше одного метра, можно считать меньшим, чем, соответственно, 9 ρ g, 8 ρ g, 7 ρ g, 6 ρ g, 5 ρ g, 4 ρ g, 3 ρ g, 2 ρ g или р g.
Как уже было сказано выше, давление на входе блока 104 управления потоком текучей среды представляет собой сумму гидростатического давления Р и давления в свободном пространстве блока 102 газожидкостной сепарации. Согласно описанным здесь примерным вариантам осуществления давление на впуске блока 104 управления потоком текучей среды, который находится по существу на той же высоте, что и центральная линия петлевой секции 106 на выпуске 131, меньше 9 ρ g + давление в свободном пространстве блока 102 газожидкостной сепарации, 8 ρ g + давление в свободном пространстве блока 102 газожидкостной сепарации, 7 ρ g + давление в свободном пространстве блока 102 газожидкостной сепарации, 6 ρ g + давление в свободном пространстве блока 102 газожидкостной сепарации, 5 ρ g + давление в свободном пространстве блока 102 газожидкостной сепарации, 4 ρ g + давление в свободном пространстве блока 102 газожидкостной сепарации, 3 ρ g + давление в свободном пространстве блока 102 газожидкостной сепарации, 2 ρ g + давление в свободном пространстве блока 102 газожидкостной сепарации или ρ g + давление в свободном пространстве блока 102 газожидкостной сепарации, для систем 100, в которых вертикальное расстояние между границей 118 раздела газа и жидкости в блоке 102 газожидкостной сепарации и центральной линией петлевой секции 106 на выпуске 131 блока 104 управления потоком текучей среды, соответственно, меньше девяти метров, меньше восьми метров, меньше семи метров, меньше шести метров, меньше пяти метров, меньше четырех метров, меньше трех метров, меньше двух метров или меньше одного метра. Примерные величины давления на впуске блока 104 управления потоком текучей среды меньше 0,9 бар маном., меньше 0,8 бар маном., меньше 0,7 бар маном., меньше 0,6 бар маном., меньше 0,5 бар маном., меньше 0,4 бар маном., меньше 0,3 бар маном., меньше 0,2 бар маном. или меньше 0,1 бар маном. Так, например, давление на впуске блока 104 управления потоком текучей среды может составлять от 0,55 бар маном. до 1,0 бар маном., от 0,55 бар маном. до 0,8 бар маном. или от 0,55 бар маном. до 0,7 бар маном.
Петлевые реакторы 101 согласно описанным здесь вариантам осуществления имеют отношения длины петлевой секции 106 к вертикальному расстоянию между границей 118 раздела газа и жидкости в блоке 102 газожидкостной сепарации и центральной линией петлевой секции 106 на выпуске 131 блока 104 управления потоком текучей среды, которые составляют от 20:1 до 60:1 или от 30:1 до 50:1. Петлевые реакторы согласно рассматриваемым здесь вариантам осуществления не ограничиваются петлевыми реакторами с отношениями длины петлевой секции 106 к вертикальному расстоянию между границей 118 раздела газа и жидкости в блоке 102 газожидкостной сепарации и центральной линией петлевой секции 106 на выпуске 131 блока 104 управления потоком текучей среды, равными от 20:1 до 60:1 или от 30:1 до 50:1. Петлевые реакторы согласно описанным здесь вариантам осуществления могут иметь отношения длины петлевой секции 106 к вертикальному расстоянию между границей 118 раздела газа и жидкости в блоке 102 газожидкостной сепарации и центральной линией петлевой секции 106 на выпуске 131 блока 104 управления потоком текучей среды, выходящими за пределы величин от 20:1 до 60:1 или от 30:1 до 50:1. Так, например, петлевые реакторы согласно описанным здесь вариантам осуществления могут характеризоваться отношениями длины петлевой секции 106 к вертикальному расстоянию между границей 118 раздела газа и жидкости в блоке 102 газожидкостной сепарации и центральной линией петлевой секции 106 на выпуске 131 блока 104 управления потоком текучей среды, которые меньше 20:1 или больше 60:1. Другой пример можно относиться к петлевым реакторам 101, в которых эти отношения больше 60:1, например, до 100:1 или еще больше.
Компоненты петлевого реактора 101, в числе которых, без ограничения, блок 102 газожидкостной сепарации (например, газожидкостный сепарационный резервуар или другое оборудование, обеспечивающее отделение жидкостей и газов от многофазной смеси жидкостей, газов и микроорганизмов), блок 104 управления потоком текучей среды (например, насос иди другое устройство, обеспечивающее перемещение текучей среды), петлевая секция 106 и первая невертикальная зона 108 снижения давления, могут представлять собой металлическую, неметаллическую или композитную конструкцию. Так, например, эти компоненты могут быть выполнены из одного или более металлических материалов типа нержавеющих сталей 304, 304L, 316 или 316L. В некоторых случаях можно использовать одно или более покрытий, слоев, накладных элементов, вкладышей или других материалов, которые будут наноситься, прикрепляться или выполняться за одно целое со всей металлической, неметаллической или композитной конструкцией или ее частью, что будет оказывать позитивное или негативное воздействие на способность микробиологических организмов сцепляться с ними или расти на них. Так, например, можно предусмотреть покрытие, которое ингибирует рост или прикрепление микробиологических организмов, и которое будет наноситься или выполняться за одно целое с поверхностями петлевого реактора 101, которые имеют теплопроводную связь с блоком 116 теплообмена. Согласно другому варианту можно использовать покрытие, которое ингибирует рост или прикрепление биологических организмов, и которое будет наноситься или выполняться за одно целое с теми частями петлевого реактора 101, где желательно упростить процесс удаления скопившейся биомассы.
По меньшей мере в некоторых случаях конструкция компонентов петлевого реактора 101 может иметь признаки, облегчающими стерилизацию всех или части контактных поверхностей, участвующих в процессе. Для этих целей могут быть применены методы паровой, ультрафиолетовой или химической стерилизации, а также их различные комбинации. По меньшей мере, в некоторых случаях можно использовать один или более неметаллических материалов или одно или более неметаллических покрытий во всем внутреннем или наружном объеме, или в его части, некоторых или всех компонентов петлевого реактора 101. Благодаря использованию таких неметаллических материалов удается получить, например, стерилизуемые поверхности, способные поддерживать или стимулировать рост биологических организмов.
Газожидкостный сепарационный резервуар может содержать любое количество устройств, систем или их комбинаций для разделения многофазной смеси 121 по меньшей мере на выходящий поток 123 газа и выходящий поток 125 жидкости, работающих по тем же принципам, что и газожидкостные сепарационные резервуары, применяемые в традиционных биореакторах. По меньшей мере в некоторых случаях биологические твердые вещества, содержащиеся в многофазной смеси 121, могут быть выделены в виде выходящего потока, содержащего твердые вещества. По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере часть выходящего потока, содержащего твердые вещества, которые поступают из газожидкостного сепарационного резервуара 102, может быть скомбинирована с одной или более жидкостей, а смесь возвращена в газожидкостный сепарационный резервуар или в петлевую секцию 106. По меньшей мере в некоторых случаях газожидкостный сепарационный резервуар 102 может содержать один или более газожидкостных сепарационных резервуаров, включенных параллельно или последовательно.
Газожидкостный сепарационный резервуар 102 может состоять из одного или более пассивных сепарационных резервуаров (например, одного или более циклонов или аналогичных устройств), обеспечивающих отделение газового выходящего потока 123 и жидкого выходящего потока 125 от многофазной смеси 121. По меньшей мере, в некоторых случаях пассивный сепарационный резервуар может также иметь секцию отделения твердых веществ для отделения по меньшей мере части биологических твердых веществ, содержащихся в многофазной смеси 121. В других случаях газожидкостный сепарационный резервуар 102 может включать в себя одно или более активных сепарационных резервуаров (например, трехфазных барабанных сепарационных резервуаров), обеспечивающих отделение газового выходящего потока 123, жидкого выходящего потока 125 и выходящего потока, содержащего твердые вещества, от многофазной смеси 121.
2+
По меньшей мере в некоторых случаях выходящий поток 123 газа может включать в себя смесь одного или более газовых субстратов (например, метана или моноксида углерода) и одного или более газообразных побочных продуктов (например, диоксида углерода), генерируемую в виде побочного продукта биологическими организмами, находящимися в петлевом реакторе 101. По меньшей мере, в некоторых случаях выходящий поток 123 газа может отделяться, а по меньшей мере часть одного или более газовых субстратов - возвращаться (не показано) в петлевой реактор 101, например, в виде газового субстрата. По меньшей мере, в некоторых случаях в выходящем потоке 123 газа могут содержаться одно или более полезных соединений. Так, например, в выходящем потоке 123 газа может содержаться некоторое количество одного или более газообразных углеводородных С-соединений и соединений на их основе, которые ценны в качестве либо конечного продукта, либо сырья в последующем процессе. Такие полезные соединения могут отделяться от выходящего потока 123 газа перед возвратом по меньшей мере части выходящего потока 123 газа в петлевой реактор 101.
2+
По меньшей мере в некоторых случаях выходящий поток 125 жидкости включает в себя смесь, содержащую одну или более жидкостей, питательных веществ и пр., вводимых в петлевой реактор 101 посредством подсистемы 114 подачи питательных и/или минеральных веществ. По меньшей мере, в некоторых случаях выходящий поток 125 жидкости может удаляться из петлевого реактора 101 и возвращаться в газожидкостный сепарационный резервуар 102 посредством распыления на поверхность многофазной смеси, находящейся в газожидкостном сепарационном резервуаре 102, для уменьшения вспенивания в газожидкостном сепарационном резервуаре 102. Также могут быть добавлены специальные противовспенивающие средства к выходящему потоку 125 жидкости, распыляемому в газожидкостном сепарационном резервуаре 102, или распыляемому в газожидкостном сепарационном резервуаре 102 без выходящего потока 125 жидкости. По меньшей мере в некоторых случаях выходящий поток 125 жидкости может включать в себя одно или более полезных соединений. Так, например, в выходящем потоке 125 жидкости может содержаться некоторое количество одного или более жидких углеводородных С-соединений, В том числе, без ограничения, спирты, кетоны, гликоли и иные соединения на их основе, имеющих ценность в качестве либо конечного продукта, либо сырья в последующем процессе. Такие полезные углеводородные соединения могут отделяться от выходящего потока 125 жидкости.
В некоторых случаях реактор используют для получения натуральных или искусственных продуктов типа этанола, ацетата, бутанола, изопрена, пропилена, изопрена, ферментов либо других метаболитов или клеточных продуктов, при этом нужный продукт получают из микроорганизма. В таких случаях продукты могут содержаться либо в выходящем потоке 123 газа, либо в выходящем потоке 125 жидкости, в зависимости от физических свойств продукта.
По меньшей мере в некоторых случаях дно газожидкостного сепарационного резервуара 102 может быть сформировано или сконструировано таким образом, чтобы стимулировать скопление биологического материала 127 (то есть «биологических твердых веществ» или «биомассы») в нужной зоне сепарационного резервуара 102. Так, например, дно газожидкостного сепарационного резервуара 102 может иметь коническую, вогнутую или наклонную форму, чтобы биологические твердые вещества 127, оседающие на дне сепарационного резервуара 102, собирались предпочтительно в одной или более заданных зон. Согласно варианту осуществления с фиг. 3 выходящий поток 125 жидкости и биологические твердые вещества 127 могут удаляться со дна газожидкостного сепарационного резервуара 102 и подаваться в блок 104 управления потоком текучей среды, например, насос. Выходящий поток 125 жидкости и биологические твердые вещества 127, удаленные из газожидкостного сепарационного резервуара 102, могут поступать на впуск 129 насоса 104 и выходить их выпуска 131 насоса 104. Выпуск 131 насоса 104 сообщается по текучей среде с впуском 133 петлевой секции 106 петлевого реактора 101. В качестве насосов, пригодных для перекачивания выходящего потока 125 жидкости и биологических твердых веществ 127, можно использовать насосы, обеспечивающие поток текучих сред (жидкостей или газов) и взвеси посредством механического воздействия, и способные обеспечить требуемый расход по существу без сдвигающих усилий, оказывающих негативное воздействие на биомассу, и/или кавитации. Предотвращение кавитации желательно по той причине, что она приводит к выходу газообразных субстратов и питательных веществ, находящихся в многофазной смеси, из раствора, вследствие чего они становятся менее доступными для биомассы. В качестве примеров насосов этого типа можно привести центробежные насосы, хотя возможно также использование насосов нецентробежного типа. Так, например, могут быть также использованы поршневые насосы прямого вытеснения, винтовые насосы, двухдиафрагменные насосы и т.п. Для перемещения многофазной смеси можно также использовать иные устройства, например, крыльчатки с приводом от двигателя типа крыльчаток и двигателей, описанных в патенте США 7579163, вместо насоса или в комбинации с ним.
Как показано на фиг. 3 и 4, выпуск 131 блока 104 управления потоком текучей среды сообщается по текучей среде с впуском 133 петлевой секции 106. Петлевая секция 106 проходит от ее впуска 133 до выпуска 135 данной петлевой секции 106. Выпуск 135 петлевой секции 106 сообщается по текучей среде с газожидкостным сепарационным резервуаром 102. Петлевая секция 106 может иметь форму трубопровода, выполненного из материалов, не оказывающих негативного воздействия на процессы реакции/ферментации, реализуемые с использованием петлевого реактора 101. Так, например, петлевая секция 106 может быть образована трубопроводом, выполненным из материала, упомянутого выше в отношении компонентов петлевого реактора 101. Площадь поперечного сечения петлевой секции 106 может быть постоянной, или же эта петлевая секция 106 может состоять из одного или более участков с разной площадью поперечного сечения. Ссылки на площадь поперечного сечения петлевой секции 106 не относятся к площади поперечного сечения газожидкостного сепарационного резервуара 102. Внутренний диаметр петлевой секции 106 может изменяться в довольно широких пределах. Типовые пределы величин диаметра составляют примерно от 25 сантиметров до 3 метров. Другие типовые пределы составляют от 25 сантиметров до 2,5 метров. В случаях, когда петлевая секция 106 состоит из участков с разной площадью поперечного сечения, более толстые участки петлевой секции 106 имеют площадь поперечного сечения, максимум в три раза превышающую площадь поперечного сечения более тонких участков петлевой секции 106. Согласно другим примерным вариантам осуществления более толстые участки петлевой секции 106 имеют площадь поперечного сечения, максимум в два раза превышающую площадь поперечного сечения более тонких участков петлевой секции 106. Согласно другим примерным вариантами осуществления более толстые участки петлевой секции 106 имеют площадь поперечного сечения, максимум наполовину превышающие площадь поперечного сечения более тонких участков петлевой секции 106. Длина петлевой секции 106 может изменяться в зависимости от целого ряда факторов, в том числе продолжительности периода, в течение которого многофазная смесь 121 должна находиться в петлевой секции 106. Длину петлевой секции 106 можно также определить на основе других факторов, таких, например, как, без ограничения, суммарный объем реактора/жидкости, суммарный перепад давлений на петле, требуемые использование и выход субстрата. Согласно примерным вариантам осуществления длина петлевой секции 106 по ее центральной линии может изменяться в пределах от порядка 30 м до порядка 250 м, от 40 м до порядка 200 м, от 50 м до порядка 150 м и от 60 м до порядка 100 м.
Петлевые секции 106 согласно вариантам осуществления с фиг. 3 и 4 выполнены U-образными, с двумя коленами 137, которые, если смотреть сверху, изогнуты под углами 90°. Возможны и другие конфигурации петлевой секции 106. Так, например, петлевая секция 106 может включать в себя более двух изогнутых под углами 90° колен 147 или более одного колена с углом меньше 90°. Согласно другим вариантам осуществления петлевая секция 106 может включать в себя множество колен с углами больше 90° или меньше 90°.
Выпуск 135 петлевой секции 106 поднят относительно впуска 133 этой петлевой секции 106. Петлевая секция 106 адаптирована к этому перепаду высот между ее впуском 133 и выпуском 135 благодаря своему наклону. Конкретная величина наклона петлевой секции 106 или участков этой петлевой секции 106 частично зависит от длины петлевой секции 106, вертикального расстояния между центральной линией петлевой секции 106 на ее впуске 133 и центральной линией петлевой секции 106 на ее выпуске 135, а также от того, имеется ли в петлевой секции 106 вторая зона 112 снижения давления, которая не является горизонтальной. Петлевая секция 106 может быть наклонена вверх в направлении от ее впуска 133 к выпуску 135 для адаптации к изменению высоты между впуском 133 и выпуском 135. В соответствии с другим техническим решением, можно предусмотреть наклон одного участка петлевой секции 106 в направлении вниз, а другого участка этой петлевой секции 106 - в направлении вверх. В данных альтернативных вариантах участок петлевой секции 106 с наклоном вверх соответствует уменьшению высоты, обусловленному наличием наклоненного вниз участка петлевой секции 106 и разностью высот между впуском 133 и выпуском 135 петлевой секции 106. Так, например, участок петлевой секции 106, идущий от ее впуска 133 до первого колена 137 с углом 90° (фиг. 3 и 4), может быть наклонен вниз, а участок петлевой секции 106, идущий от ее первого или второго колена 137, может быть наклонен вверх, в сторону выпуска 135 петлевой секции 106.
В вариантах осуществления, согласно которым петлевой реактор 101 имеет вторую зону 112 снижения давления, которая не является горизонтальной и соответствует части изменения высоты от выхода 131 блока 104 управления потоком текучей среды к выпуску 135 петлевой секции 106, уменьшается величина изменения высоты, которое должно обеспечиваться уравновешиванием невертикальной петлевой секции 106 (то есть участка петлевой секции 106, не являющегося вертикальным). Когда же нет второй зоны 112 снижения давления, которая соответствует части изменения высоты от выхода 131 блока 104 управления потоком текучей среды к выпуску 135 петлевой секции 106, величина изменения высоты, обеспечиваемого уравновешиванием невертикальной петлевой секции 106, оказывается большей по сравнению с ситуацией, когда такая вторая зона 112 снижения давления имеется. Согласно описанным здесь примерным вариантам осуществления петлевого реактора 101, согласно которым в нем имеется вторая зона 112 снижения давления, соответствующая части изменения высоты от выхода 131 блока 104 управления потоком текучей среды к выпуску 135 петлевой секции 106, эта вторая зона 112 снижения давления будет соответствовать не более чем 90% изменения высоты от центральной линии петлевой секции 106 на ее впуске 133 к выпуску 135 этой петлевой секции 106, не более чем 80% изменения высоты от центральной линии петлевой секции 106 на ее впуске 133 к выпуску 135 этой петлевой секции 106, не более чем 70% изменения высоты от центральной линии петлевой секции 106 на ее впуске 133 к выпуску 135 этой петлевой секции 106, не более чем 60% изменения высоты от центральной линии петлевой секции 106 на ее впуске 133 к выпуску 135 этой петлевой секции 106, не более чем 50% изменения высоты от центральной линии петлевой секции 106 на ее впуске 133 к выпуску 135 этой петлевой секции 106, не более чем 40% изменения высоты от центральной линии петлевой секции 106 на ее впуске 133 к выпуску 135 этой петлевой секции 106, не более чем 30% изменения высоты от центральной линии петлевой секции 106 на ее впуске 133 к выпуску 135 этой петлевой секции 106, не более чем 20% изменения высоты от центральной линии петлевой секции 106 на ее впуске 133 к выпуску 135 этой петлевой секции 106, не более чем 10% изменения высоты от центральной линии петлевой секции 106 на ее впуске 133 к выпуску 135 этой петлевой секции 106 или не более чем 5% изменения высоты от центральной линии петлевой секции 106 на ее впуске 133 к выпуску 135 этой петлевой секции 106.
Примерные варианты осуществления с фиг. 3 и 4 содержат ряд статических смесителей 139, размещенных по длине петлевой секции 106. Преимущества применения статических смесителей указаны в патенте США 7579163 и включают в себя примешивании питательных газов в многофазную смесь. В цитированном патенте…163 описаны также примерные статические смесители. Типы статических смесителей, пригодные для использования в системах согласно описанным вариантам осуществления, не ограничиваются рассмотренными в патенте…163. При использовании описанных здесь вариантов осуществления можно применить и иные статические смесители, нежели те, что описаны в патенте...163. Так, например, статические смесители других типов выпускаются такими компаниями, как StaMixCo LLOC в Бруклине, Нью-Йорк, и Sulzer Management Ltd. в Винтертуре, Швейцария. В конструкциях согласно примерным вариантам осуществления с фиг. 3 и 4 использованы 50 статических смесителей, которые схематически представлены на чертежах 23-мя блоками. Статические смесители 139 согласно примерному варианту осуществления с фиг. 3 и 4 могут быть установлены с плотностью, равной примерно один смеситель на каждые три метра петлевой секции 106 при длине самого статического смесителя около 1 метра. Говоря иначе, в некоторых случаях статические смесители разнесены относительно друг друга на интервал, равный примерно 3-кратной длине одного статического смесителя. Количество статических смесителей не ограничивается цифрой 50, а плотность их установки не ограничивается значением «один смеситель на каждые 3 метра петлевой секции 106. Согласно описанным здесь вариантам осуществления можно предусмотреть меньшие или большие количества статических смесителей; кроме того, эти статические смесители могут устанавливаться с меньшей или большей плотностью. Конкретное количество статических смесителей и конкретную плотность их установки можно определить, на основе, в частности, их участия в массопереносе газа в жидкость и микроорганизмы и/или на основе перепада давления, создаваемого этими статическими смесителями.
Согласно примерным вариантам осуществления с тех же фиг. 3 и 4 система 100 содержит подсистему 114 подачи питательных и/или минеральных веществ в петлевую секцию 106 в одном или более местах между выпуском 131 блока 104 управления потоком текучей среды и первой невертикальной зоной 108 снижения давления. При введении питательных и/или минеральных веществ выше по потоку от первой невертикальной зоны 104 снижения давления введенные питательные и/или минеральные вещества оказываются на тех участках петлевой секции, где микроорганизмы более активны, а потребность в питательных и/или минеральных веществах высока. По сравнению с участками петлевой секции выше по потоку от первой невертикальной зоны снижения давления, активность микроорганизмов ниже по потоку от первой невертикальной зоны 104 снижения давления меньше, вследствие чего введение питательных и/или минеральных веществ между первой невертикальной зоной 104 снижения давления и газожидкостным сепарационным резервуаром 102 оказывается менее эффективным. Речь идет о таких питательных веществах, которые способны поддерживать или транспортировать растворенную или суспендированную питательную среду микроорганизмам, образующим биомассу в многофазной смеси петлевого реактора 101. Согласно варианту осуществления с фиг. 3 и 4 питательные и минеральные вещества вводятся в двух местах по ходу петлевой секции 106 между выпуском 131 блока 104 управления потоком текучей среды и первой невертикальной зоной 108 снижения давления, однако согласно другим вариантам осуществления, подсистема 114 подачи питательных и/или минеральных веществ может обеспечивать введение этих питательных и минеральных веществ в других местах по ходу петлевой секции 106 и введение питательных/минеральных веществ в местах в количестве меньше двух или больше двух по ходу петлевой секции 106.
Подсистема 114 обеспечивает введение газообразных субстратов/питательных веществ в жидкую питательную среду с формированием при этом многофазной смеси жидкой питательной среды в подаваемыми газообразными субстратами/питательными веществами. Эти газообразные субстраты/питательные вещества могут представлять собой отдельный газ или комбинацию газов, способные поддерживать или подавать питательную среду или питательные вещества биологическим организмам, производящим биомассу в петлевом реакторе 101. Как видно на фиг. 3 и 4, в число типовых питательных веществ входят природный газ, азот, кислород и водный раствор аммиака. Можно также предусмотреть использование какого-либо источника пара для целей получения тепловой энергии и проведения очистки. Виды питательных веществ, которые может предоставлять подсистема 114 подачи питательных веществ, не ограничиваются природным газом, азотом, кислородом и водным раствором аммиака, подсистема 114 подачи питательных веществ может также предоставлять другие питательные/минеральные вещества, такие как метан, синтетический газ, вода, фосфат (например, фосфорная кислота), нитраты, мочевина, магний, кальций, калий, железо, медь, цинк, марганец, никель, кобальт и молибден, используемые, как правило, в виде сульфатов, хлоридов или нитратов.
Согласно примерным вариантам осуществления система 100 содержит блок 116 теплообмена для введения или удаления тепловой энергии из многофазной смеси в петлевой секции 106. Этот блок 116 теплообмена может вводить тепловую энергию в многофазную смесь в петлевой секции 106 или удалять тепловую энергию из этой многофазной смеси в одном или более местах по ходу петлевой секции 106. Согласно вариантам осуществления с фиг. 3 и 4 блок 116 теплообмена удаляет или вводит тепловую энергию в одном месте по ходу петлевой секции 106, однако тепловая энергия может удаляться или вводиться в более чем одном месте по ходу петлевой секции 106. По меньшей мере микробиологическая активность, имеющая место в петлевом реакторе 101, обеспечивает генерацию тепла как побочного продукта. Если такое тепло остается неконтролируемым, то оно может оказывать негативное воздействие на метаболизм или жизнеспособность микробиологических организмов, находящихся в петлевом реакторе 101. Согласно альтернативному решению микробиологические организмы могут также иметь температуру, ниже которой метаболизм или жизнеспособность организма претерпевает негативное воздействие. В связи с этим биологические организмы, находящиеся в петлевом реакторе 101, имеют заданный температурный диапазон, обеспечивающий оптимальные условия роста и метаболизма. По меньшей мере в некоторых случаях температура многофазной смеси в петлевом реакторе 101 может поддерживаться, благодаря использованию блока 116 теплообмена, на уровне порядка 130°F или меньше; порядка 120°F или меньше; порядка 110°F или меньше; порядка 100°F или меньше; порядка 95°F или меньше; порядка 90°F или меньше; порядка 85°F или меньше или порядка 80°F или меньше. По меньшей мере в некоторых случаях температура многофазной смеси в петлевом реакторе 101 может поддерживаться, благодаря использованию блока 116 теплообмена, на уровне от порядка 55°F до порядка 120°F; от порядка 60°F до порядка 110°F; от порядка 110°F до порядка 120°F; от порядка 100°F до порядка 120°F; от порядка 65°F до порядка 100°F; от порядка 65°F до порядка 95°F или от порядка 70°F до порядка 90°F.
Согласно описанным здесь вариантам осуществления давление газа в свободном пространстве 143 блока 102 газожидкостной сепарации находится в пределах от порядка 0,2 до порядка 0,6 бар маном., однако величины давления газа в свободном пространстве 143 не ограничиваются диапазоном от порядка 0,2 до порядка 0,6 бар маном. Так, например, согласно описанным здесь вариантам осуществления давление газа в свободном пространстве 143 может быть меньше 0,2 бар или больше, чем примерно 0,6 бар маном. Давление в выпуске 131 насоса 104 может составлять от порядка 2,5 бар до порядка 4,0 бар маном., однако величины давления в выпуске 131 насоса 104 не ограничиваются пределами от порядка 2,5 бар до порядка 4,0 бар маном. Так, например, согласно описанным здесь вариантам осуществления давление в выпуске 131 насоса 104 может быть меньше 2,5 бар или больше, чем примерно 4,0 бар маном. Согласно примерным вариантам осуществления, предусматривающим использование статических смесителей 139, перепад давления на статическом смесителе составляет от порядка 0,03 до порядка 0,05 бар маном., однако величины перепада давления на статическом смесителе не ограничиваются пределами от порядка 0,03 до порядка 0,05 бар маном. Так, например, согласно описанным здесь примерным вариантам осуществления перепад давления на статическом смесителе может быть меньше 0,03 бар или больше 0,05 бар маном. Согласно описанным здесь примерным вариантам осуществления давление в петлевой секции 106 в начале невертикальной зоны 108 снижения давления находится в пределах от порядка 1,5 до порядка 2,5 бар маном., однако величины давления в петлевой секции 106 в начале невертикальной зоны 108 снижения давления не ограничиваются пределами от порядка 1,5 до порядка 2,5 бар маном. Так, например, давление в петлевой секции 106 в начале невертикальной зоны 108 снижения давления может быть меньше, чем примерно 1,5 бар, или больше, чем примерно 2,5 бар. Согласно описанным здесь примерным вариантам осуществления давление в петлевой секции 106 в конце невертикальной зоны 108 снижения давления находится в пределах от порядка 0,2 бар до порядка 0,6 бар маном., однако величины давления в петлевой секции 106 в конце невертикальной зоны 108 снижения давления не ограничиваются пределами от порядка 0,2 бар до порядка 0,6 бар маном. Так, например, согласно описанным здесь вариантам осуществления давление в петлевой секции 106 в конце невертикальной зоны 108 снижения давления может быть меньше, чем примерно 0,2 бар, или больше, чем примерно 0,6 бар маном. Согласно описанным здесь вариантам осуществления перепад давления на невертикальной зоне 108 снижения давления может составлять от порядка 1,2 бар до порядка 2,3 бар маном., однако величины перепада давления на невертикальной зоне 108 снижения давления не ограничиваются пределами от порядка 1,2 бар до порядка 2,3 бар маном. Так, например, перепад давления на невертикальной зоне 108 снижения давления может быть меньше 1,2 бар или больше 2,3 бар маном. В некоторых случаях перепад давления на невертикальной зоне 108 снижения давления соответствует, по меньшей мере, 20%, по меньшей мере, 30%, по меньшей мере, 40%, по меньшей мере, 50%, по меньшей мере, 60%, по меньшей мере, 70% или по меньшей мере, 80% перепада давления между выпуском блока 104 управления потоком текучей среды и свободным пространством 143 блока 102 газожидкостной сепарации. Вышеприведенное описание перепадов давления на невертикальной зоне 108 снижения давления и процентной величины перепада давления между выпуском блока 104 управления потоком текучей среды и свободным пространством 143 блока 102 газожидкостной сепарации, относящейся к невертикальной зоны 108 снижения давления, относится и к перепаду давления на устройстве 145 снижения давления, которое находится в зоне 108 снижения давления.
Согласно вариантам осуществления с фиг. 3 и 4 первая невертикальная зона 108 снижения давления располагается ниже по потоку от последнего смесителя 139 и выше по потоку от выпуска 135 петлевой секции 106, который сообщается по текучей среде с газожидкостным сепарационным резервуаром 102. В первой невертикальной зоне 108 снижения давления предусмотрено устройство 145 снижения давления. Согласно вариантам осуществления с фиг. 3 и 4 давление в петлевой секции 106 непосредственно ниже по потоку от устройства 145 снижения давления меньше давления в петлевой секции 106 непосредственно выше по потоку от устройства 145 снижения давления. Устройство 145 снижения давления служит для того, чтобы давление в петлевой секции 106 непосредственно ниже по потоку от устройства 145 снижения давления было меньше, чем давление в петлевой секции 106 непосредственно выше по потоку от устройства 145 снижения давления. В качестве устройств 145 снижения давления предпочтительно использовать устройства, обеспечивающие требуемое снижение давления иными способами, нежели изменение гидростатического давления, и без того, чтобы жидкая питательная среда и содержащиеся в ней микроорганизмы подвергались воздействию сдвигающих сил или кавитации, которые губительны для микроорганизмов. Так, например, в качестве устройства 145 снижения давления можно использовать регулятор расхода типа регулировочного клапана или клапана регулирования противодавления (в отличие от контрольного клапана), либо расширительный стык (например, стык трубопровода, где диаметр выше по потоку меньше диаметра ниже по потоку) или комбинацию регулировочного клапана с одним или более расширительными стыками. В качестве типовых регулировочных клапанов можно назвать регулировочные клапаны с гидравлическим, пневматическим, ручным, электромагнитным приводом или приводом от двигателя, однако виды регулировочных клапанов, пригодных для использования в конструкциях согласно рассматриваемым здесь вариантам осуществления, не ограничиваются вышеперечисленными. Аналогично, типы устройства 145 снижения давления не ограничиваются регулировочными клапанами, расширительными стыками и их комбинациями. Так, например, в качестве устройства 145 снижения давления можно использовать устройство, не являющееся ни регулировочным клапаном, ни расширительными стыками, при этом давление в петлевой секции 106 непосредственно ниже по потоку от устройства будет меньшим, чем давление в петлевой секции 106 непосредственно ниже по потоку от устройства.
Согласно описанным здесь вариантам осуществления устройство 145 снижения давления может представлять собой устройство с регулируемым снижением давления типа регулировочного клапана, который может регулировать поток среды путем изменения размера проходного сечения, например, вручную или на основе сигнала от контроллера, который создает контур обратной связи на основе входных сигналов от датчиков, определяющих параметры процесса, такие как давление, температура, концентрация газа (например, кислорода, диоксида углерода, метана), рН, плотность текучей среды, скорость циркуляции, значения концентрации биомассы или время прохождения потока между двумя точками по ходу петлевой секции 106. Благодаря применению устройства регулируемого снижения давления обеспечена возможность регулирования разности между давлением в петлевой секции 106 непосредственно выше по потоку от устройства и давлением в петлевой секции 106 непосредственно ниже по потоку от устройства посредством изменения степени открытия этого устройства. Так, например, можно уменьшать разность давлений путем открытия устройства и увеличивать эту разность путем его закрытия. Возможность изменения давления в петлевой секции 106 выше по потоку от устройства регулируемого снижения давления позволяет операторам лучше управлять процессами, происходящими в петлевой секции 106. Так, например, устройство регулируемого снижения давления может быть использовано для уменьшения давления в петлевой секции 106 выше по потоку от устройства регулируемого снижения давления посредством открытия этого устройства регулируемого снижения давления (то есть увеличения расхода через него). Снижение давления в петлевой секции 106 позволяет операторам замедлить массоперенос, уменьшить производительность, снизить потребность в питательных веществах и увеличить скорости десорбции газа из многофазной смеси. Можно также использовать устройство регулируемого снижения давления для повышения давления в петлевой секции 106 выше по потоку от устройства регулируемого снижения давления посредством закрытия этого устройства регулируемого снижения давления (то есть уменьшения расхода через него). Повышение давления в петлевой секции 106 дает операторам возможность ускорить массоперенос, повысить производительность, повысить потребность в питательных веществах и уменьшить скорости десорбции газа из многофазной смеси.
Благодаря устройству регулируемого снижения давления операторы также могут лучше управлять работой петлевой секции 106 ниже по потоку от устройства регулируемого снижения давления. Так, например, использование устройства регулируемого снижения давления для уменьшения давления в петлевой секции 106 ниже по потоку от устройства регулируемого снижения давления позволяет операторам стимулировать десорбцию газов (например, диоксида углерода), ингибирующих биологические процессы, происходящих в петлевой секции. Использование же устройства регулируемого снижения давления для повышения давления в петлевой секции 106 ниже по потоку от устройства регулируемого снижения давления позволяет операторам ингибировать десорбцию газов (например, питательных газов, таких как кислород и метан), необходимых для поддержания биологических процессов, происходящих в петлевой секции 106. Такое ингибирование десорбции газов типа кислорода и метана может понадобиться для снижения риска горения, подпитываемого кислородом и метаном.
На фиг. 7D показано примерное устройство 145 регулируемого снижения давления, пригодное для использования в невертикальной зоне 108 снижения давления петлевых реакторов 100 согласно описанным здесь вариантам осуществления. Один конец устройства 145 регулируемого снижения давления присоединен к участку петлевой секции 106, который находится выше по потоку от устройства 145 регулируемого снижения давления. Второй конец устройства 145 регулируемого снижения давления присоединен к участку петлевой секции 106, который находится ниже по потоку от устройства 145 регулируемого снижения давления. Как видно на фиг. 7А, устройство 145 регулируемого снижения давления снабжено эксцентрическим переходом 701. Этот эксцентрический переход 701 имеет трубчатый участок 703 с по существу постоянным внутренним диаметром и участок 705 эксцентрического перехода. Внутренний диаметр трубчатого участка 703 является постоянным и по существу равен внутреннему диаметру участка петлевой секции 106, к которому присоединен этот трубчатый участок 703. Участок 705 эксцентрического перехода имеет конец, смежный с трубчатым участком 703, внутренний диаметр которого эквивалентен внутреннему диаметру этого трубчатого участка 703. Меньший конец эксцентрического перехода 705, противоположный концу, смежному с трубчатым участком 703, имеет меньший диаметр. Диаметр меньшего конца эксцентрического трубчатого перехода 705 эквивалентен диаметру регулировочного клапана 711 (описан ниже), который располагается ниже по потоку от эксцентрического трубчатого перехода 705. Между двумя концами эксцентрического перехода 705 внутренний диаметр переходит от конца с большим диаметром к концу с меньшим диаметром, и участок имеет кромку, параллельную участку петлевой секции 106, к которому он присоединен, и участку регулировочного клапана 711, к которому он присоединен.
Как показано на фиг. 7А, 7В и 7D, устройство 145 регулируемого снижения давления содержит регулировочный клапан 711, присоединенный к меньшему концу эксцентрического перехода 701. Внутренний диаметр этого регулировочного клапана 711 по существу эквивалентен внутреннему диаметру меньшего конца эксцентрического трубчатого перехода 705. Поток среды через регулировочный клапан 711 может регулироваться за счет изменения размера проходного сечения в регулировочном клапане 711 путем манипулирования ручки 713 регулировочного клапана 711. Как указано выше, ручкой 713 можно манипулировать с помощью электронного контроллера.
Как показано на фиг. 7А, 7С и 7D, конец устройства 145 регулируемого снижения давления, противоположный эксцентрическому переходу 701, снабжен эксцентрическим расширителем 719. Данный эксцентрический расширитель 719 имеет трубчатый участок 721 с по существу постоянным внутренним диаметром и участок 723 эксцентрического расширения. Внутренний диаметр трубчатого участка 721 является постоянным и по существу равен внутреннему диаметру регулировочного клапана 711, к которому присоединен этот трубчатый участок 721. Участок 723 эксцентрического расширения имеет конец, смежный с трубчатым участком 721, внутренний диаметр которого эквивалентен внутреннему диаметру этого трубчатого участка 721. Больший конец участка 723 эксцентрического расширения, противоположный концу, присоединенному к трубчатому участку 721, имеет внутренний диаметр, по существу эквивалентный внутреннему диаметру участка петлевой секции 106, который присоединен к большему концу участка 723 эксцентрического расширения, согласно некоторым вариантам осуществления внутренний диаметр петлевой секции 106 ниже по потоку от устройства 145 регулируемого снижения давления и внутренний диаметр конца участка 723 эксцентрического расширения, присоединенного к участку петлевой секции 106, находящемуся ниже по потоку от участка 723 эксцентрического расширения, больше, чем диаметр петлевой секции 106 выше по потоку от устройства 145 снижения давления. Между двумя концами эксцентрического расширителя 719 внутренний диаметр переходит от конца с меньшим диаметром к концу с большим диаметром, и участок имеет кромку, параллельную участкам петлевой секции 106, к которым он присоединен, и кромке регулировочного клапана 711, к которому он присоединен.
Согласно другим вариантам осуществления устройства 145 регулируемого снижения давления, один из эксцентрического перехода 701 или эксцентрического расширителя 723 или оба можно не использовать. В данных вариантах осуществления один конец регулировочного клапана 711 присоединен к одному из концов петлевой секции 106, находящемуся выше по потоку от регулировочного клапана 711, а второй конец регулировочного клапана 711 присоединен к концу петлевой секции 106, находящемуся ниже по потоку от регулировочного клапана 711. Благодаря использованию эксцентрического перехода 701 и эксцентрического расширителя 723 облегчается работа с регулировочным клапаном, внутренний диаметр которого меньше внутреннего диаметра регулировочного клапана, который был бы нужен, если бы эксцентрический переход 701 и эксцентрический расширитель 723 не использовались. Регулировочный клапан с меньшим внутренним диаметром (по сравнению с таким же регулировочным клапаном большего внутреннего диаметра) способен обеспечить регулирование перепада давления на клапане с более высокой точностью и чувствительностью. Такие повышенные точность и чувствительность могут оказаться предпочтительными в некоторых применениях.
В качестве альтернативы регулировочному клапану 713, для использования в устройстве 145 снижения давления можно предусмотреть один или более расширительных стыков, или концентрических расширителей, вызывающих снижение давления в петлевой секции 106 ниже по потоку от расширительного стыка/концентрического расширителя по сравнению с давлением в петлевой секции 106 выше по потоку от расширительного стыка/концентрического расширителя.
Согласно описанным здесь вариантам осуществления с фиг. 3 ниже по потоку от первой зоны 108 снижения давления в петлевой секции 106 может быть предусмотрена вторая зона 112 снижения давления. Согласно вариантам осуществления с фиг. 3 эта вторая зона 112 снижения давления расположена ниже по потоку от первой зоны 108 снижения давления и выше по потоку от выпуска 135 петлевой секции 106, который сообщается по текучей среде с блоком 102 газожидкостной сепарации.
Согласно варианту осуществления с фиг. 3 вторую зону 112 снижения давления получают путем такого изменения петлевой секции 106, чтобы в ней имелся участок, ориентированный по вертикали. Благодаря такой вертикальной ориентации участка петлевой секции 106 формируется вторая зона 112 снижения давления, и за счет этого давление в петлевой секции 106 на верхнем конце второй зоны 112 снижения давления оказывается меньшим, чем давление в петлевой секции 106 на нижнем конце второй зоны 112 снижения давления. Это уменьшение давления, обеспечиваемое второй зоной 12 снижения давления, может быть по меньшей мере частично объяснено разницей в гидростатическом давлении между верхней и нижней частями зоны второй 112 снижения давления. Длина вертикального участка второй зоны 112 снижения давления может быть по меньшей мере частично определена на основе требуемого уменьшения давления, которое должна обеспечить вторая зона 112 снижения давления. Так, например, согласно примерным вариантам осуществления длина вертикального участка второй зоны 112 снижения давления может находиться в пределах от примерно 1 метра до величины меньше примерно 10 метров, однако длина вертикального участка второй зоны 112 снижения давления не ограничивается указанными пределами от примерно 1 метра до величины меньше примерно 10 метров. В частности, длина вертикального участка второй зоны снижения давления может быть меньше примерно 1 метра или больше примерно 10 метров. Вторая зона 112 снижения давления также может содержать устройство 147 снижения давления типа, описанного выше в отношении первого устройства 145 снижения давления. Использование второй зоны 112 снижения давления позволяет добиться дополнительной гибкости регулирования давления в петлевой секции 106, что обеспечивает большую точность регулирования давления, что в свою очередь приводит к увеличению продуктивности и стабильности процесса. Согласно некоторым вариантам осуществления вторая зона 112 снижения давления соответствует 60% или меньше, 50% или меньше, 40% или меньше, 30% или меньше, 20% или меньше либо 10% или меньше длины вертикального расстояния между границей 118 раздела газа и жидкости в блоке 102 газожидкостной сепарации и центральной линией петлевой секции 106 на выпуске 131 блока 104 управления потоком текучей среды.
Согласно вариантам осуществления с фиг. 4 опциональная вторая зона 113 снижения давления может содержать устройство снижения давления типа, описанного выше в отношении устройства 145 снижения давления. Согласно вариантам осуществления с фиг. 4 вторая зона 113 снижения давления представляет собой невертикальную зону снижения давления и содержит устройство снижения давления. Согласно примерным вариантам осуществления первое устройство 145 снижения давления первой зоны 108 снижения давления отделено от устройства снижения давления во второй зоне 113 снижения давления невертикальным участком петлевой секции 106. Согласно вариантам осуществления с фиг. 4 находящаяся в петлевой секции 106 многофазная смесь течет из первой невертикальной зоны 108 снижения давления в блок 102 газожидкостной сепарации, не перемещаясь в вертикальном направлении. Согласно вариантам осуществления с фиг. 4 при наличии второй зоны 113 снижения давления на нее приходится меньший перепад давления, чем перепад давления на первую зону 108 снижения давления. Так, например, перепад давления на второй зоне 113 снижения давления примерно равен разности давлений между свободным пространством 143 газожидкостного сепарационного резервуара 102 и давлением на выпуске первой зоны 108 снижения давления и/или устройством 145 снижения давления. Этот перепад давления на второй зоне 113 снижения давления может составлять от примерно 0,1 бар до примерно 0,5 бар, однако перепад давления на второй зоне 113 снижения давления не ограничивается этими пределами от примерно 0,1 бар до примерно 0,5 бар. Так, например, перепад давления на второй зоне 113 снижения давления может быть меньше 0,1 бар или больше 0,5 бар. В некоторых случаях перепад давления на второй зоне 113 снижения давления соответствует величие меньше 10%, меньше 5%, меньше 3% или меньше 2% от перепада давления между выпуском блока 104 управления потоком текучей среды и свободным пространством 143 блока 102 газожидкостной сепарации. Приведенное выше описание перепадов давления на второй зоне 113 снижения давления и процентной величины перепада давления между выпуском блока 104 управления потоком текучей среды и свободным пространством 143 блока 102 газожидкостной сепарации, относящейся к зоне 113 снижения давления, относится и к перепаду давления на втором устройстве 147 снижения давления в зоне 112 снижения давления с фиг. 3. Использование второй зоны 113 снижения давления позволяет добиться дополнительной гибкости регулирования давления в петлевой секции 106, что может дать большую точность регулирования давления, что в свою очередь, увеличивает продуктивность и стабильность процесса.
Петлевая секция 106 выше по потоку от невертикальной зоны 108 снижения давления содержит впуск 149 для десорбционного газа. Согласно проиллюстрированному варианту осуществления впуск 149 для десорбционного газа сообщается по текучей среде с источником десорбционного газа, например азота, и с невертикальным участком петлевой секции 106. Таким образом, согласно вариантам осуществления с фиг. 3 и 4 десорбционный газ может вводиться на невертикальном участке петлевой секции 106. Введение десорбционного газа в многофазную смесь во впуске 149 для десорбционного газа вызывает уменьшение парциального давления других газов, присутствующих в многофазной смеси (например, диоксида углерода и метана). Уменьшение парциального давления других газов, присутствующих в многофазной смеси, может оказывать воздействие на уменьшение массопереноса питательных газов в микроорганизм и/или приводит к выходу других газов из раствора.
Согласно одному из альтернативных вариантов осуществления впуск 149 для десорбционного газа расположен на невертикальном участке петлевой секции 106 между первой зоной 108 снижения давления и выпуском 135 петлевой секции 106. Благодаря выполнению впуска 149 для десорбционного газа в этом месте становится возможным введение десорбционного газа на участке петлевой секции 106 ниже по потоку от первой зоны снижения давления, где давление уменьшено в результате прохождения многофазной смеси через первую зону 108 снижения давления и/или вторую зону 112 снижения давления с фиг. 3 либо 113 с фиг. 4. Как указано в предыдущем абзаце, введение десорбционного газа в многофазную смесь вызывает уменьшение парциального давления других газов, присутствующих в многофазной смеси (например, диоксида углерода и метана). Уменьшение парциального давления других газов, присутствующих в многофазной смеси, может воздействовать на уменьшение массопереноса питательных газов в микроорганизм и/или приводит к выходу других газов из раствора.
Размещение впуска 49 для десорбционного газа ниже по потоку от первой зоны 108 снижения давления позволяет избежать введения десорбционного газа в многофазную смесь в месте, где этот десорбционный газ может оказывать негативное воздействие на эксплуатационные показатели первой зоны 108 снижения давления и/или второй 112 или 113 зон снижения давления. Так, например, газ, выделяемый из многофазной смеси, может воздействовать на эффективность работы первой зоны 108 снижения давления в отношении уменьшения давления. В частности, если первая зона 108 снижения давления снабжена устройством снижения давления в форме регулировочного клапана, то увеличение количества газа, десорбируемого из многофазной смеси, может затруднить регулирование расхода и снижение давления для клапана. Благодаря введению десорбционного газа ниже по потоку от первой зоны 108 снижения давления эту проблему удается устранить.
На фиг. 5 показан высокоуровневый способ 500 управления работой системы 100 для интенсификации производства биомассы с использованием одного или более петлевых реакторов 101, подробно раскрытых выше в описании к фиг. 2 4. Преимущество таких систем состоит в том, что они обеспечивают введение одного или более газообразных субстратов и жидких сред, содержащих одно или более питательных веществ, в жидкие питательные среды, содержащие по меньшей мере один микроорганизм, способный использовать газообразные субстраты и жидкие питательные вещества для своего роста. Комбинирование одного или более газообразных субстратов, жидких сред, содержащих одно или более питательных веществ, и жидких питательных сред, содержащих по меньшей мере один микроорганизм, позволяет получить многофазную смесь, циркулирующую по петлевому реактору 101. Условия, действующие в петлевом реакторе 101, контролируют таким образом, чтобы стимулировать массоперенос и последующее микробиологическое поглощение газообразного субстрата и жидких питательных веществ, снижение давления в петлевом реакторе и десорбцию газов из многофазной смеси. После прохождения через петлевую секцию 106 петлевого реактора 101 многофазная смесь поступает в блок 102 газожидкостной сепарации, где она разделяется на жидкую и газовую фазы. Реализация способа начинается с этапа 502.
На этапе 504 газообразный субстрат диспергируют в жидкой среде с формированием при этом многофазной смеси. Это диспергирование может происходить во впуске 133 петлевой секции 106 (или возле него), хотя дополнительные количества газообразного субстрата могут вводиться в жидкую питательную среду в других местах петлевой секции 106, а жидкая питательная среда во впуске 133 петлевой секции 106 (или возле него) может уже содержать некоторое количество растворенных газообразных субстратов. В некоторых случаях газообразный субстрат может диспергироваться во многих местах по ходу петлевой секции 106, а газообразный субстрат в каждой точке диспергирования может иметь одинаковые или разные температуру, давление, концентрацию или их комбинации. Благодаря возможности изменения физических свойств или состава газообразного субстрата в разных местах по ходу петлевой секции 106 можно адаптировать газообразный субстрат не только к конкретным микробиологическим видам, присутствующим в многофазной смеси, но и к конкретному месту нахождения этих микробиологических видов в петлевой секции 106, исходя из точки диспергирования газообразного субстрата.
На этапе 506 обеспечивают поток многофазной смеси через петлевую секцию 106 петлевого реактора 101. В процессе потока многофазной смеси через петлевую секцию 106 она контактирует с множеством статических смесителей 139, которые примешивают газообразный субстрат и/или питательные вещества в жидкую питательную среду. Регулируя или иным образом управляя расходом многофазной смеси через петлевой реактор 101 можно изменять продолжительность периода, в течение которого пузырьки газообразного субстрата и питательные вещества находятся в контакте с микроорганизмом(ами). Увеличивая продолжительность периода, в течение которого пузырьки газообразного субстрата и питательные вещества находятся в контакте с микроорганизмом(ами), можно добиться повышения интенсивности массопереноса газообразных материалов в микроорганизмы и микробиологического поглощения газообразных материалов микроорганизмами. И наоборот, уменьшая продолжительность периода, в течение которого пузырьки газообразного субстрата и питательные вещества находятся в контакте с микроорганизмом(ами), можно снизить интенсивность массопереноса газообразных материалов в микроорганизмы и микробиологическое поглощение газообразных материалов микроорганизмами. В некоторых случаях возможны измерение и управление продолжительностью периода, в течение которого пузырьки газообразного субстрата и питательные вещества находятся в контакте с микроорганизмами. Так, например, подсистема 290 управления может изменять, регулировать и управлять скоростью прохождения многофазной смеси через петлевой реактор. В некоторых случаях возможны изменение, регулирование или управление температурой, давлением или составом газообразного субстрата с помощью подсистемы 290 управления с целью поддержания нужного размера пузырьков газообразного субстрата в петлевом реакторе 106. В других случаях возможны изменение, регулирование или управление температурой, давлением или составом газообразного субстрата с помощью подсистемы 290 управления с целью поддержания концентрации одного или более компонентов газообразного субстрата (например, метана, диоксида углерода, водорода, кислорода, азота и пр.) внутри жидкой фазы многофазной смеси.
На этапе 508 можно изменять, регулировать или управлять температурой многофазной смеси в петлевом реакторе 101 с целью поддержания температуры в заданных пределах. По меньшей мере в некоторых случаях заданный температурный диапазон может быть выбран по меньшей мере частично на основе микробиологического вида, используемого в системе 100. Избыточное тепло может генерироваться как побочный продукт микробиологическими организмами, ответственными по меньшей мере за часть активности в системе 100. Если же это избыточное тепло не регулируется, оно способно ингибировать или оказывать иное негативной воздействие на рост или метаболизм некоторых или всех микробиологических организмов в системе 100. По меньшей мере в некоторых случаях можно предусмотреть охлаждение многофазной смеси в петлевом реакторе 101 для поддержания в заданных пределах температуры многофазной смеси в петлевом реакторе 101. Такое охлаждение может включать в себя пропускание охлаждающей среды через резервуары или змеевики, имеющие теплопроводную связь с петлевым реактором 101 или каналом, отклонившим часть многофазной смеси из петлевого реактора 101 в блок 116 теплообмена. По меньшей мере в некоторых случаях подсистема 290 управления может управлять расходом или температурой охлаждающей среды, прошедшей через резервуары или змеевики, имеющие теплопроводную связь с петлевым реактором 101 или каналом, отклонившим часть многофазной смеси из петлевого реактора 101 в блок 116 теплообмена. В других случаях тепла, созданного микробиологическим видом, может оказаться недостаточно для поддержания нужного диапазона температур многофазной смеси в петлевом реакторе 101. Такое может произойти, например, в условиях крайне холодной атмосферы, когда петлевой реактор 101 располагается в какой-либо наружной зоне, подвергающейся или частично подвергающейся воздействию холода. В некоторых случаях резервуары или змеевики, имеющие теплопроводную связь с петлевым реактором 101 или каналом, отклонившим часть многофазной смеси из петлевого реактора 101 в блок 116 теплообмена, могут использоваться для нагрева многофазной смеси. По меньшей мере в некоторых случаях подсистема 290 управления может управлять расходом потока или температурой нагревающей среды, прошедшей через резервуары или змеевики 140, имеющие теплопроводную связь с петлевым реактором 101 или каналом, отклонившим часть многофазной смеси из петлевого реактора 101 в блок 116 теплообмена.
На этапе 510 уменьшают давление на пузырьки газового субстрата, которые перемещаются вместе с многофазной смесью через петлевой реактор 101, путем обеспечения потока многофазной смеси через первое устройство снижения давления. В некоторых случаях давление на пузырьки газообразного субстрата уменьшают путем обеспечения потока многофазной смеси через первое устройство снижения давления, выполненное с возможностью снижения давления вне зависимости от изменения гидростатического давлении. Другими словами, в некоторых случаях давление на пузырьки газового субстрата, перемещающиеся вместе с многофазной смесью через петлевой реактор 101, уменьшают без существенного изменения высоты подъема центральной линии петлевого реактора 101 на выходе первой зоны 108 снижения давления относительно высоты подъема центральной линии петлевого реактора 101 на входе этой первой зоны 108 снижения давления. Преимущество такого решения состоит в том, что в некоторых случаях снижение давления на этапе 510 может привести к увеличению скорости, с которой происходит десорбция пузырьков газового субстрата и других газов из многофазной смеси.
2+
На этапе 512 многофазная смесь выходит из первой зоны 108 снижения давления и течет в газожидкостный сепарационный резервуар 102. Газообразный материал, десорбированный из многофазной смеси, может также поступать в газожидкостный сепарационный резервуар 102 вместе с многофазной смесью. Многофазная смесь, поступающая в газожидкостный сепарационный резервуар 102, может включать в себя, без ограничения, жидкость, содержащую непоглощенные питательные вещества, микроорганизмы и пузырьки газового субстрата, содержащие нерастворенный и непоглощенный газовый субстрат. Газы и жидкости, поступающие в газожидкостный сепарационный резервуар 102, разделяются в этом газожидкостном сепарационном резервуаре 102 на газовую и жидкую фазу. Газы могут быть собраны из свободного пространства газожидкостного сепарационного резервуара 102, тогда как жидкость может быть удалена со дна этого газожидкостного сепарационного резервуара 102. Помимо жидкости микроорганизмы также могут быть собраны в газожидкостном сепарационном резервуаре 102 и удалены с его дна. Жидкость и микроорганизмы, удаленные со дна газожидкостного сепарационного резервуара 102, могут подаваться во впускной патрубок 129 блока 104 управления потоком текучей среды для их рециркуляции через петлевой реактор 101. По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере часть собранных газов может быть затем подвергнута обработке или разделению. По меньшей мере часть собранных газов может быть рециркулирована в петлевой реактор в качестве газового субстрата. В некоторых случаях по меньшей мере часть собранных газов может быть продана или использована иначе. По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере часть собранных газов можно продать или распорядиться иным образом. По меньшей мере в некоторых случаях собранные газы могут включать в себя один или более углеводородных С-газов и соединений на их основе, которые могут иметь ценность в качестве либо конечного продукта, либо сырья для последующего процесса. В некоторых случаях реактор используют для получения натуральных или искусственных продуктов, таких как этанол, ацетат, бутанол, изопрен, пропилен, фарнезен, ферменты либо другие метаболиты или клеточные продукты, причем продукт получают из микроорганизма. В таких случаях продукты могут присутствовать либо в газовом выходящем потоке 123, либо в жидком выходящем потоке 125, в зависимости от физических свойств продукта.
2+
По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере часть собранной жидкости может быть впоследствии подвергнута обработке или разделению. Например, по меньшей мере часть жидкости, отделенной от многофазной смеси, которая может содержать или не содержать биологические твердые вещества, может быть рециркулирована через петлевой реактор 101. Например, по меньшей мере часть отделенной жидкости, содержащая биологические твердые вещества, может быть комбинирована с добавочными жидкостями и пропущена через петлевой реактор 101. Такая рециркуляция обеспечивает эффективную и длительную непрерывную или полунепрерывную инокуляцию петлевого реактора 101 стандартными биологическими видами. В некоторых случаях по меньшей мере часть отделенной жидкости может быть собрана для продажи или иного использования. По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере часть отделенной жидкости можно продать или распорядиться иным образом. По меньшей мере в некоторых случаях отделенная жидкость может включать в себя одну или более углеводородных С-жидкостей, к которым можно отнести, без ограничения, один или более спиртов, гликолей или кетонов.
На этапе 514 микроорганизмы из газожидкостного сепарационного резервуара 102 может быть удалены выше по потоку от блока 104 управления потоком текучей среды или ниже по потоку от этого блока 104 управления потоком текучей среды, например, через порт 128 для удаления биомассы. Далее собранные микроорганизмы могут быть подвергнуты обработке с целью извлечения нужных продуктов. В некоторых случаях микроорганизмы, собранные через порт 128 для удаления биомассы, могут быть введены в подсистему 250 разделения для обработки и извлечения нужных продуктов.
На фиг. 6 показан высокоуровневый способ 600 интенсификации производства биомассы с использованием системы 100, содержащей один или более петлевых реакторов 101, подробно раскрытых выше в описании к фиг. 2-4. В примерном способе 600 производства биомассы используют этапы, идентичные или почти идентичные этапам, подробно раскрытым выше в описании к способу 500 интенсификации производства биомассы, который был подробно раскрыт в описании к фиг. 5, за исключением того, что способ 600 интенсификации производства биомассы включает в себя этап уменьшения давления на газовые пузырьки, находящихся в многофазной смеси в петлевом реакторе, путем пропускания этой многофазной смеси через вторую зону снижения давления. Описания этапов 502, 504, 506, 508 и 510 с фиг. 5 относятся, соответственно, к этапам 602, 604, 606, 608 и 610 с фиг. 6. Описания этапа 514 с фиг. 5 относятся и к этапу 616 с фиг. 6.
На этапе 612 с фиг. 6 уменьшают давление на пузырьки газового субстрата, перемещающиеся вместе с многофазной смесью через петлевой реактор, путем обеспечения потока многофазной смеси из первой зоны 108 снижения давления во вторую зону 12 снижения давления. В некоторых случаях на этапе 612 давление на пузырьки газового субстрата уменьшают путем обеспечения потока многофазной смеси через второе устройство снижения давления, которое не использует различия в гидростатическом давлении для снижения давления. Другими словами, в некоторых случаях на этапе 612 давление на пузырьки газового субстрата, перемещающиеся вместе с многофазной смесью через петлевой реактор 101, уменьшают без существенного изменения высоты подъема центральной линии петлевого реактора 101 на выходе второй зоны 112 снижения давления относительно высоты подъема центральной линии петлевого реактора 101 на входе этой второй зоны 112 снижения давления. В других случаях на этапе 612 давление на пузырьки газового субстрата уменьшают путем пропускания многофазной смеси через вторую зону 108 снижения давления, выполненную с возможностью снижения давления в зависимости от изменений гидростатического давления. Говоря другими словами, в некоторых случаях на этапе 612 давление на пузырьки газового субстрата, перемещающиеся вместе с многофазной смесью через петлевой реактор 101, уменьшают путем изменения высоты подъема центральной линии петлевого реактора 101 на выходе второй зоны 112 снижения давления по отношению к высоте подъема центральной линии петлевого реактора 101 на входе этой второй зоны 112 снижения давления. В некоторых случаях, когда давление на пузырьки газового субстрата уменьшают на обоих этапах 610 и 612, величина снижения давления на этапе 612 может быть меньшей величины снижения давления на этапе 610. В некоторых случаях благодаря этим снижениям давления достигается эффективное увеличение скорости, с которой происходит десорбция пузырьков газового субстрата и других газов из многофазной смеси.
2+
На этапе 614 многофазную смесь, поступившую из первой зоны 108 снижения давления во вторую зону 112 или 113 снижения давления, выводят из этой второй зоны 112 или 113 снижения давления и обеспечивают ее поток в газожидкостный сепарационный резервуар 102. Газообразный материал, десорбированный из многофазной смеси, может также поступать в газожидкостный сепарационный резервуар 102 вместе с многофазной смесью. Многофазная смесь, поступающая в газожидкостный сепарационный резервуар 102, может включать в себя, без ограничения, жидкость, содержащую не поглощенные питательные вещества, микроорганизмы и пузырьки газового субстрата, содержащие не растворенный и не поглощенный газовый субстрат. Газы и жидкость, поступающие в газожидкостный сепарационный резервуар 102, разделяются в этом газожидкостном сепарационном резервуаре 102 на газовую и жидкую фазы. Газы могут собираться из свободного пространстве газожидкостного сепарационного резервуара 102, тогда как жидкость может удаляться со дна этого газожидкостного сепарационного резервуара 102. Кроме жидкости, собираться в газожидкостном сепарационном резервуаре 102 и удаляться с его дна могут также микроорганизмы. Жидкость и микроорганизмы, удаленные со дна газожидкостного сепарационного резервуара 102, могут подаваться во впуск 129 блока 104 управления потоком текучей среды для их рециркуляции через петлевой реактор 101. По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере часть собранных газов может быть впоследствии подвергнута обработке или разделению. По меньшей мере часть собранных газов может быть рециркулирована в петлевой реактор в качестве газового субстрата. В некоторых случаях по меньшей мере часть собранных газов может быть продана или использована иначе. По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере часть собранных газов можно продать или распорядиться иным образом. По меньшей мере в некоторых случаях собранные газы могут включать в себя один или более углеводородных С-газов и соединений на их основе, которые могут иметь ценность в качестве либо конечного продукта, либо сырья для последующего процесса. В некоторых случаях реактор используют для получения натуральных или искусственных продуктов, таких как этанол, ацетат, бутанол, изопрен, пропилен, фарнезен, ферменты либо другие метаболиты или клеточные продукты, причем продукт получают из микроорганизма. В таких случаях продукты могут присутствовать либо в выходящем потоке 123 газа, либо в выходящем потоке 125 жидкости, в зависимости от физических свойств продукта.
2+
По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере часть собранной жидкости может быть впоследствии подвергнута обработке или разделению. Например, по меньшей мере часть жидкости, отделенной от многофазной смеси, которая может содержать или не содержать биологические твердые вещества, может быть рециркулирована через петлевой реактор 101. Например, по меньшей мере часть отделенной жидкости, содержащая биологические твердые вещества, может быть комбинирована с добавочными жидкостями и пропущена через петлевой реактор 101. Такая рециркуляция обеспечивает эффективную и длительную непрерывную или полунепрерывную инокуляцию петлевого реактора 101 стандартными биологическими видами. В некоторых случаях по меньшей мере часть отделенной жидкости может быть собрана для продажи или иного использования. По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере часть отделенной жидкости можно продать или распорядиться иным образом. По меньшей мере в некоторых случаях отделенная жидкость может включать в себя одну или более углеводородных С-жидкостей, к которым можно отнести, без ограничения, один или более спиртов, гликолей или кетонов.
Пример
2
3+
3
В системе интенсификации производства биомассы, содержащей петлевой реактор согласно описанным здесь вариантам осуществления, подвергали обработке микробную культуру, включающую в себя бактерию Methylococcus capsulatus Bath, которая выращивалась совместно с небольшими количествами метаболизирующих С и С-микроорганизмов. Петлевой реактор содержал невертикальную зону снижения давления, включающую в себя настраиваемый регулятор потока в виде клапана регулирования противодавления. Расход и/или давление в петлевой секции реактора можно было регулировать путем открытия или закрытия клапана. Петлевой реактор также был снабжен впуском для десорбционного газа, установленным между газожидкостным сепарационным резервуаром и настраиваемым регулятором потока. Петлевая секция петлевого реактора имела пять впусков для кислорода и метана. Кроме того, в петлевой секции имелись два впуска для азота и три впуска для гидроксида аммония, располагающиеся ниже по потоку от блока управления потоком текучей среды и выше по потоку от настраиваемого регулятора потока. Между газожидкостным сепарационным резервуаром и насосом также имелись впуски для кислоты, кислой соли и щелочи, таких как серная кислота, фосфорная кислота, гидроксид натрия, гидроксид калия, сернокислое железо, хлористый кальций, магний, калий и микроэлементы. Были предусмотрены два теплообменника, использовавшихся при необходимости для обеспечения теплопередачи в находящуюся в петлевой секции многофазную смесь и из нее. Работу на петлевом реакторе вели с использованием настраиваемого регулятора потока, который устанавливали на разные расходы посредством данного настраиваемого регулятора потока. Установившиеся рабочие режимы, такие как производительность объемного насоса, температура многофазной смеси, давление в петлевой секции между выпуском насоса и настраиваемым регулятором потока, содержание растворенного кислорода в многофазной смеси, объемный расход кислорода в петлевой секции, объемный расход метана в петлевой секции, объемный расход азота в петлевой секции и/или рН в многофазной смеси, находящейся в петлевом реакторе, изменяли в зависимости от степени открытия регулировочного клапана. При установке расхода через регулировочный клапан на заданный уровень и работе петлевого реактора в установившемся режиме соблюдались следующие рабочие условия. Измеренная температура в петлевом реакторе составляла порядка 45 градусов Цельсия. Величина рН многофазной смеси на входе насоса составляла порядка 6,2. Величина рН многофазной смеси на входе настраиваемого регулятора потока составляла порядка 5,3 и порядка 7,9 между насосом и настраиваемым регулятором потока. Плотность многофазной смеси на выходе насоса составляла порядка 1,7 кг/м. Содержание растворенного кислорода изменялось от 0,07 до 0,36 ч. на млн. в различных местах петлевой секции. Давление выше по потоку от насоса составляло порядка 0,6-0,7 бар маном. Давление ниже по потоку от насоса составляло порядка 3,0 бар маном. Давление на входе настраиваемого регулятора потока составляло порядка 1,9 бар маном., а давление в свободном пространстве газожидкостного сепарационного резервуара порядка 0,4 бар маном.
Была проведена оценка влияния увеличения или уменьшения расхода через регулировочный клапан и давления в петлевой секции петлевого реактора на скорость производства биомассы в этом реакторе. В процессе работы петлевого реактора в установившемся режиме открытие регулировочного клапана меняли так, чтобы увеличивались или уменьшались расход через регулировочный клапан и давление в петлевой секции петлевого реактора. После изменения расхода через регулировочный клапан петлевому реактору давали возможность войти в установившийся режим. После входа петлевого реактора в установившийся режим были собраны данные для определения производительности петлевого реактора после изменения расхода через регулировочный клапан и давления в петлевой секции. В нижеследующих абзацах приведено краткое изложение результатов этой оценки.
Повышение давления в петлевой секции путем уменьшения расхода через регулировочный клапан привело к увеличению производства биомассы в петлевом реакторе по сравнению с производительностью до уменьшения расхода через регулировочный клапан. Это повышение давления в петлевой секции путем уменьшения расхода через регулировочный клапан также вызывало повышение давлений в петлевой секции между регулировочным клапаном и выходом насоса и снижение давлений в петлевой секции между выходом регулировочного клапана и газожидкостным сепарационным резервуаром. Уменьшение давления в петлевой секции путем увеличения расхода через регулировочный клапан привело к снижению производства биомассы в петлевом реакторе по сравнению с производительностью в петлевом реакторе до увеличения расхода через регулировочный клапан. Это повышение давления в петлевой секции путем увеличения расхода через регулировочный клапан вызывало снижение давлений в петлевой секции между регулировочным клапаном и выходом насоса и повышение давлений в петлевой секции между выходом регулировочного клапана и газожидкостным сепарационным резервуаром. С помощью этого примера удается показать, каким образом системы интенсификации производства биомассы, содержащие петлевой реактор согласно описанным здесь вариантам осуществления, способны регулировать скорость производства биомассы в петлевом реакторе.
Приведенное выше описание проиллюстрированных на чертежах вариантов его осуществления, в том числе изложенное в реферате, не является исчерпывающим и не ограничивает возможные варианты осуществления изобретения лишь конкретными раскрытыми здесь формами. Хотя здесь для иллюстрации описаны конкретные варианты и примеры осуществления, также возможно внесение различных эквивалентных модификаций при условии, что они не будут выходить за рамки сущности и объема правовой охраны изобретения, как это должно быть понятно специалистам в данной области техники. Рекомендации, предложенные здесь в отношении различных вариантов осуществления, могут распространяться и на другие системы интенсификации производства биомассы, ферментеры и системы ферментации. Такие системы интенсификации производства биомассы, ферментеры и системы ферментации могут содержать петлевые реакторы и ферментеры для иных целей, нежели производство химических полупродуктов, и в частности, для производства пищевых продуктов или напитков. Аналогичным образом, описанные здесь вспомогательные системы, в том числе система охлаждения блока газожидкостной сепарации, блок управления потоком текучей средой, подсистема подачи питательных веществ, блок теплообмена и подсистема управления, могут представлять собой отдельную систему, например транспортируемый теплообменник или транспортируемую систему управления, или же изготовленную на заказ подсистему, содержащую любое количество компонентов, которые имеют между собой физическую, жидкостную или контактную связь, которая облегчает производство и распределение охлаждающих или нагревательных сред (то есть посредством блока теплообмена) и облегчает разделение по меньшей мере части многофазной смеси на газ, жидкость и полутвердую форму для рециркуляции или извлечения с последующей обработкой или продажей (то есть посредством блока теплообмена). Подсистема управления может включать в себя интегральную или распределенную систему управления, обеспечивающую мониторинг, аварийную сигнализацию, управление и вывод управляющих сигналов для всей системы производства биомассы или ее части, либо для любой из вспомогательных подсистем. Подсистема управления может также содержать любое количество отдельных петлевых регуляторов и других подобных устройств для управления одним или более параметрами системы производства биомассы или любой из вспомогательных подсистем.
В приведенном выше подробном описании изложены четыре разных варианта осуществления устройств и/или способов с использованием блок-схем и примерных способов. Поскольку такие блок-диаграммы, схемы и примеры включают в себя одну или более функций и/или операций, специалистам в данной области должно быть понятно, что каждая функция и/или операция в данных блок-диаграммах, технологических картах или примерах может быть по отдельности или совместно реализована с использованием широкого диапазона готовых или изготовленных на заказ компонентов, хорошо известных специалистам в области химической промышленности. Перечисленные выше микробиологические виды приведены как примеры потенциальных микробиологических видов, которые можно выдерживать в системе интенсификации производства биомассы и петлевых реакторах рассмотренных выше типов.
Описанные выше различные варианты осуществления изобретения можно комбинировать для создания новых вариантов осуществления. Предварительная заявка на патент США 62/351668, поданная 17 июня 2016 г., полностью включена в данное описание путем ссылки. Эти и другие изменения могут быть выполнены в вариантах осуществления с учетом приведенного выше подробного описания. Термины, использованные в приложенной формуле изобретения, следует толковать не как ограничивающие изобретение конкретными вариантами, раскрытыми в описании и формуле, но как характеризующие весь спектр эквивалентов признаков, приведенных в формуле изобретения. Соответственно, выраженное в формуле изобретение не ограничено раскрытыми вариантами.