Ферментер для культивирования метанокисляющих микроорганизмов Methylococcus capsulitis
FERMENTER FOR CULTIVATION OF METHYLOCOCCUS CAPSULITIS METHANE-OXIDIZING MICROORGANISMS

Изобретение относится к области биотехнологии, которое может быть использовано в установках для культивирования микроорганизмов, в частности к аппаратам для культивирования биомассы метанокисляющих микроорганизмов Methylococcus capsulatus.
Актуальность технического решения заключается в необходимости разработки энергоэффективного ферментера для первичного культивирования биомассы после засева из лабораторного стекла, исключающего сложные, потребляющие электроэнергию перемешивающие устройства.
Во всех известных конструкциях аппаратов используют, как правило, стационарные перемешивающие устройства с нижним или верхним электрическим приводом или электрическое насосное оборудование.
Известна ферментационная установка для культивирования микроорганизмов (RU 86184, кл. C12M 1/02, C12R1/01, 2009 г.), включающая культуральный сосуд с термостатирующей рубашкой и крышкой, оснащенный технологическими патрубками, снабженный перемешивающим устройством с магнитным приводом, барботером, сифонной трубкой. Магнитный привод перемешивающего устройства с турбинной мешалкой расположен на крышке реактора и оснащен разделительной мембраной, барботер и сифонная трубка в пределах культурального сосуда выше уровня заполнения жидкости подключены к крану, выполненному таким образом, что в открытом положении барботер и сифонная трубка сообщаются с полостью реактора. К технологическим патрубкам через запорно-регулирующие вентили подключены термостатирующая система, система подачи воздуха, система очистки отработанного воздуха, система подачи корригирующих растворов, система контроля физико-химических параметров среды культивирования, содержащая насос с магнитным приводом, воздухоотделитель и кювету с датчиками контроля роста микроорганизмов.
Недостатком известной ферментационной установки заключается в наличии непрерывно работающего электродвигателя, приводящего в движение турбинную мешалку. Являясь сложным устройством, электродвигатель требует подвода электричества, регулярного технического обслуживания, а также не исключает возможность возникновения технической аварии.
Известна также ферментационная установка для метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus (RU 2743581, кл. C12M 1/04, C12M1/00,
C12Q 3/00, 2020 г.), включающая ферментер для проведения аэробных процессов культивирования, снабженный патрубками подачи газовых и жидкостных технологических потоков, выходы полученной биомассы и отходящего газа, элементы для организации потоков внутри ферментера. В качестве элементов для организации потоков внутри ферментера использованы два барботажных кольца, одно из которых предназначено для подачи природного газа, а другое - для подачи кислорода. Установка также содержит накопительную емкость для вывода полученной биомассы из ферментера, и соединенный с ним уравнительной газовой линией газоотделитель, соединенный с теплообменником и центробежным насосом для возврата жидкой части потока с помощью регулирующего вентиля, и эжектор для возврата в нижнюю часть ферментера отработанного газа и жидкой части потока из газоотделителя. Газоотделитель соединен с выходом газожидкостной смеси ферментера, а эжектор по газовой части потока соединен с газоотделителем.
Известная установка сложная по конструкции и включает в себя насосное оборудование. Центробежный насос с электродвигателем требует регулярного технического обслуживания и не исключает возможность возникновения технической аварии.
Проблемой изобретения является разработка ферментера для культивирования метанокисляющих микроорганизмов Methylococcus capsulitis, в котором устранены недостатки известных технических решений.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, сокращение эксплуатационных расходов для выращивания биомассы, повышение эффективности процесса культивирования микроорганизмов за счет совмещения операций подачи газа и перемешивания биомассы в аппарате.
Техническое решение заявленного ферментера для культивирования метанокисляющих микроорганизмов Methylococcus capsulitis решается за счет того, что он снабженный рубашкой, патрубками подачи газовых и жидкостных технологических потоков, патрубком выхода отходящего газа и барботажным кольцом. Согласно изобретению на входном патрубке, подающим воздух под давлением от 0,3 до 0,8 МПа, расположенным в нижней части ферментера, смонтирован блок турбины, лопасти которой загнуты в сторону входного патрубка. В верхней части блока турбины образованы отверстия для поступления воздуха в рабочее пространство ферментера. Над блоком турбины расположено барботажное кольцо для подачи в рабочую зону ферментера природного газа, закрепленное на патрубке для подачи природного газа, а над ним - мешалка, закрепленная на валу вращения турбины.
Монтаж на входном подающим воздух патрубке в ферментер, расположенным в нижней части ферментера, блока турбины с лопастями загнутыми в сторону входного патрубка, обеспечивают возможность ее вращения, совмещая процесс поступления воздуха в рабочее пространство, одновременно раскручивая его для образования турбулентного движения внутри рабочего пространства ферментера, а также обеспечивая вращение мешалки, смонтированной на одном валу вращения. Тем самым, перемешивание рабочей среды внутри ферментера осуществляется более интенсивно, что положительно влияет на эффективность проведения процесса и без применения дополнительного оборудования, необходимого для перемешивания газожидкостной среды внутри рабочего пространства ферментера, влияющего на эксплуатационные расходы для культивирования микроорганизмов.
Образование отверстий в верхней части блока турбины, для поступления воздуха в рабочее пространство ферментера над которым расположено барботажное кольцо, закрепленное на патрубке подачи природного газа, обеспечивает более интенсивное перемешивание воздуха с природным газом, создавая условия для лучшего взаимодействия с жидкой фазой (водой, аммиачной водой и соляным раствором).
Устройство иллюстрируется следующими чертежами, где на фиг. 1 представлен ферментер для культивирования метанокисляющих микроорганизмов Methylococcus capsulitis; на фиг. 2 – блок турбины, смонтированный на подающим воздух патрубке.
Ферментер включает в себя корпус 1, в котором происходит выращивание биомассы. В нижней части корпуса 1 расположен блок 2 турбины 3, в который через штуцер патрубка 4 поступает воздух с давлением 0,3 - 0,8 Мпа. Лопасти турбины 3 загнуты в сторону штуцера патрубка 4. Корпус 1 также снабжен патрубками 5 – для подачи природного газа, патрубком 6 для подачи воды, патрубок 7 – для подачи рабочего раствора солей и патрубок 8 для подачи аммиачной воды. В верхней части корпуса 1 расположен патрубок 9 для вывода отходящих газов процесса биосинтеза. Внутри рабочего пространства ферментера расположена турбинная мешалка 10, закрепленная на валу 11, связанного с турбиной 3. Корпус 2 снабжен отверстиями 12 для выхода воздуха в рабочее пространство ферментера. С внешней стороны, корпус 1 для поддержания заданной температуры, снабжен рубашкой 13, в которую подается теплоноситель через патрубок 14 и выводится через патрубок 15. Над блоком 2 турбины 3 установлено барботажное кольцо 16, через которое поступает природный газ под давлением от 0,3 до 0,8 МПа, которое закреплено на патрубке 5.
Ферментер для культивирования биомассы метанокисляющих микроорганизмов Methylococcus capsulatus работает следующим образом.
Через штуцер патрубка 4 подают воздух под давлением от 0,3 до 0,8 Мпа. Давление воздуха от 0,3 до 0,8 Мпа создает необходимое давление на лопасти турбины 3, которые загнуты в сторону поступления воздуха, и раскручивают турбину 3. Одновременно раскручивается и вал 11, на котором закреплена турбина 3 и турбинная мешалка 10, обеспечивая перемешивание газожидкостной среды в рабочем пространстве ферментера. Воздух, раскручивающий турбину 3, поступает через отверстия 12 в рабочее пространство корпуса 1, смешивается с природным газом, поступающим через барботажное кольцо 16 и жидкими компонентами, поступающими через патрубки 6, 7 и 8. Интенсивное перемешивание среды осуществляется с помощь турбинной мешалки 10, расположенной в рабочем пространстве корпуса 1, создавая благоприятные условия для культивирования биомассы. Отходящие газы процесса биосинтеза выводятся из корпуса 1 через патрубок 9. Поддержание заданной температуры 42°С в ферментере осуществляется с помощью рубашки 13, в которую подается теплоноситель с температурой 7-12 °С через патрубок 14 и выводится через патрубок 15.
Скорость вращения мешалки, раскручиваемой турбинной 3, составляет не менее 300 об/мин.
Процесс культивирования микроорганизмов проводится до достижения в ферментере требуемой концентрации биомассы 5 г/л.
Заявленная конструкция ферментера позволяет применять воздух, как движущую силу для вращения турбинной мешалки, достаточной для обеспечения эффективного процесса ферментирования и впоследствии использовать его как компонент, необходимый для выращивания биомассы.
Отсутствие электродвигателя в конструкции аппарата позволяет снизить эксплуатационные расходы на обслуживание ферментера, исключить его остановку в случае отключения подачи электроэнергии или поломки.
В настоящее время устройство находится на стадии тестирования рабочего образца объемом 3 литра.