Устройство для выращивания микроорганизмов
DEVICE FOR CULTIVATION OF MICROORGANISMS

Изобретение относится к области микробиологии, более конкретно, к устройству для выращивания микроорганизмов и может найти применение при промышленном производстве биомассы аэробных микроорганизмов для биотехнологических целей при использовании в качестве органического сырья газообразного субстрата, например, природного метансодержащего газа, а в качестве метанассимилирующих микроорганизмов культур таких, как Methylococcus, Methylosinus, Methylomonas, Methylocystis, Methylococcus capsulatus и др.
В настоящее время продукция микробиологической промышленности широко используется в пищевой, фармацевтической, биотехнологической, химической и других отраслях современной индустрии, в том числе, при производстве кормового белка (гаприна), премиксов, кормовых витаминов, антибиотиков, аминокислот и ферментов. Известно, что протеин из метана или попутного нефтяного газа является полноценным микробиологическим белком. Он представляет собой клетки непатогенных метанотрофных бактерий и предназначен для использования в комбикормах и белково-витаминных добавках. Гаприн содержит до 79% сырого протеина и является полноценным белковым продуктом с высоким содержанием витаминов группы В, микроэлементов и аминокислот, в том числе лизина (4,8%). Так биопротеин производился с 1985 по 1994 год на опытно-промышленной установке Светло-Ярского завода белковых витаминных концентратов в Волгоградской области, при этом было выпущено 40 тыс.т гаприна, большая часть которого пошла на экспорт.
С увеличением мощности предприятий по производству получаемых микробиологическим синтезом веществ значительного разнообразия получили конструктивное оформление и принципы работы промышленных биореакторов. Технология, используемая для производства биомассы аэробных микроорганизмов в промышленном масштабе, основана на многократном использовании ферментеров сравнительно сложной конструкции из типовых биологически нейтральных материалов, которые требуют больших расходов на создание и техническое обслуживание, очистку и дезинфекцию после производства каждой партии продукта или при его замене. Применяемые на практике коробчатые, блочные или колонные промышленные ферментеры характеризуются рабочими объемами от единиц до многих сотен кубометров. Как правило, в аппаратах значительных объемов возможно появление неидеальных условий перемешивания среды, массообменных и тепловых неравномерностей по рабочему объему биореактора.
В типовых промышленных ферментерах используются достаточно сложные технологии смешивания (мешалки, эрлифтные системы, эжекторы и др.), предназначенные для насыщения газом культуральной среды в условиях повышенного давления и тепловых неравномерностей среды в рабочем объеме аппарата при аэрации. Значительная часть усвоенных углеводородов и кислорода в существующих ферментерах может превращаться в углекислоту без необходимого прироста биомассы, а при затратах большого количества энергии на перемешивание культуральной жидкости, в ряде случаев, выделяется сверхнормативное трудно отводимое тепло. Альтернативой биореактору большого объема является объединение нескольких небольших модульных биореакторов, совокупный объем которых соответствует требованиям технического задания. Однако использование малых по объему ферментеров увеличивает стоимость установки в целом, расходы и трудозатраты на их техническое обслуживание, что приводит к увеличению стоимости получаемого продукта. В целом, количество конструктивных типов биореакторов может быть достаточно большим, что объясняется многообразием и сложностью протекающих в ферментере биохимических реакций. Таким образом, существует постоянная потребность в усовершенствовании существующих устройств для выращивания микроорганизмов и повышения выхода целевого продукта при улучшенном качестве получаемых микробиологическим синтезом веществ.
Одно из возможных решений проблемы - создание эффективных и экономически оправданных систем промышленной биотехнологии, что связано с использованием в колонных ферментерах в качестве источника углерода метансодержащего природного газа. Это открывает широкие перспективы для создания крупномасштабных ферментационных установок и биотехнологических производств получения ценного белкового продукта и широкой гаммы биопродуктов при его дальнейшей переработке.
Из уровня техники известны технические решения, связанные с созданием новых способов ферментации микроорганизмов, систем, аппаратов и установок для их культивирования (см., например, патенты RU: 2021350, 2144952, 2127984, 2081578, 2352626, 2415913, 1541260, 161690, 1689397, 161691, 2058992, 161689, 2484129, 2322488, 2580646, 102618, 2064016, 2236451, 1541260, авт.св. 786326; патенты US: 3957585, 4204042, 4656138, 4752564; патенты ЕР: 1419234, GB 1353008 и, например, известная монографию: Ферментационные аппараты для процессов микробиологического синтеза / А.Ю. Винаров, Л.С. Гордеев, А.А. Кухаренко, В.И. Панфилов // под ред. В.А. Быкова. - М: ДеЛи Принт, 2005).
Известна ферментационная установка для метанассимилирующих микроорганизмов, содержащая колонный ферментер и два реактора. Ферментер включает корпус, патрубок выхода отработанного газа, патрубок подачи питательных солей, технологической воды, компонентов питания и засевной биосуспензии, патрубок ввода газо-жидкостного потока в ферментер из реакторов и патрубок вывода биосуспензии из ферментера в реакторы. Каждый реактор содержит патрубок отбора газо-жидкостного потока, дисковую мешалку с приводом, патрубок подачи биосуспезии из ферментера в реактор. Первый реактор содержит патрубок подачи метансодержащего газа, второй реактор содержит патрубок подачи кислородсодержащего газа. Ферментер дополнительно содержит средство поддержания температуры, средство поддержания рН среды, средство поддержания уровня растворенного кислорода, анализатор отходящего газа. Привод мешалки в каждом реакторе снабжен датчиком измерения мощности, связанным через логическое устройство-контроллер с регуляторами расхода поступающих газовых потоков и с регулирующими клапанами подачи жидкости в каждый реактор (см. патент RU №2580646, опубл. 10.04.2016). Для ферментационных установок объемом более 1000 л, снабженных средствами для механического перемешивания культуральной жидкости, определенная сложность состоит в поддержании асептических условий в самом ферментере. Наличие механических перемешивающих устройств с уплотнениями различного рода затрудняет решение задачи промышленного производства биомассы аэробных микроорганизмов для биотехнологических целей.
Известен аппарат для выращивания микроорганизмов, включающий две горизонтальные одинаковые по объему герметичные емкости, сообщенные переливными трубами. Они снабжены патрубками подачи питательной среды и засевного материала и отвода культуральной жидкости, средствами подвода стерильного воздуха и устройством для поочередного отвода отработанного воздуха из них. Оно содержит выпускные патрубки, укрепленные на верхних частях емкостей, установленные на них электромагнитные клапаны и реле времени. Емкости разделены по длине вертикальными перегородками на отдельные зоны. Средства подвода стерильного воздуха включают барботеры, расположенные в этих зонах. Переливные трубы укреплены попарно и их выходные участки расположены выше барботеров. Емкость, из которой отводится культуральная жидкость, снабжена циркуляционным трубопроводом для непрерывного перетока последней из ее средней зоны в зону подачи питательной среды другой емкости и вертикально установленной переливной перегородкой высотой 0,6-0,7 высоты емкости для отделения зоны отвода культуральной жидкости от зон выращивания (см. патент RU №2144952, опубл. 27.01.2000). Вследствие относительно низкой скорости абсорбции газов в барботажных аппаратах, реальной коалесценцией пузырей в барботажном слое и, следовательно, низкого выхода биомассы, рассматриваемый аппарат не может быть рекомендован в качестве оптимального для производства биомассы метанокисляющих микроорганизмов.
Известна установка для производства биомассы аэробных микроорганизмов, состоящая из вертикально ориентированной емкости, и, по меньшей мере, одной вертикально ориентированной емкости-сателлита. Они соединены в зоне нижних частей первого и второго жидкостепроводов и оборудованы побудителем циркуляции культуральной жидкости, при этом вертикально ориентированная емкость снабжена патрубком для подвода жидкой минеральной питательной среды, патрубком для подвода кислородсодержащего газа, патрубком для отвода накопленной биомассы аэробных микроорганизмов, а также имеет, установленную соосно объему упомянутой вертикально ориентированной емкости, обечайку с отбортовкой, обеспечивающую разделение наполняемой культуральной жидкостью ее часть на подъемный и опускной каналы. Помимо этого установка оснащена барботером кислородсодержащего газа, установленным в подъемном канале и соединенным с патрубком подвода кислородсодержащего газа, причем, по меньшей мере, одна вертикально ориентированная емкость-сателлит имеет патрубок подачи газообразного субстрата и оборудована размещенной по своей вертикальной оси обечайкой с отбортовкой в верхней части в сторону упомянутой оси так, что она обеспечивает разделение наполняемой культуральной жидкостью часть, по меньшей мере, одной вертикально ориентированной емкости-сателлита на подъемный, оснащенный барботером газообразного субстрата, и опускной каналы, при этом опускной канал емкости соединен с подъемным каналом, по меньшей мере, одной вертикально ориентированной емкости-сателлита, а подъемный канал той же емкости соединен с опускным каналом, по меньшей мере, одной вертикально ориентированной емкости - сателлита посредством, соответственно, подъемного и опускного каналов, при этом емкость ниже уровня культуральной жидкости оснащена датчиком температуры и датчиком рН, а выше уровня культуральной жидкости оснащена датчиком углекислого газа, которые соединены интерфейсом с электронно-вычислительной машиной содержащей средство визуализации информации, на которой инсталлирована программа для ЭВМ «Гаприн» (см. патент RU №161690, опубл. 27.04.2016).
Известен также аппарат для выращивания микроорганизмов, содержащий емкость, заполняемую культуральной жидкостью до определенного уровня и снабженную патрубками для подвода жидкой минеральной питательной среды, воздуха и отвода накопленной биомассы, а также, как минимум, одну дополнительную емкость, являющуюся абсорбером газообразного субстрата. Эти емкости имеют обечайки с отбортовкой, установленные по оси емкости, служащие для разделения наполняемой жидкостью части емкости на подъемный и опускной каналы. Барботеры для подвода воздуха расположены в подъемных каналах емкостей. Емкости соединены в нижней части жидкостепроводом таким образом, что опускной канал основной емкости соединен с подъемным каналом дополнительной емкости, а опускной канал дополнительной емкости - с подъемным каналом основной емкости, а в жидкостепроводе между емкостями установлен побудитель циркуляции жидкости. Отбортовка в верхней части обечайки дополнительной емкости может быть выполнена в виде воронки, направленной вовнутрь опускного канала, симметричной оси опускного канала. По центру отбортовки может быть установлена дыхательная труба, соединяющая наджидкостную часть емкости с внутренней частью опускного канала, а ниже этой воронки и дыхательной трубы, соосно с ними, установлена другая воронка. Изобретение позволяет получать белковую массу аэробных микроорганизмов (гаприна) при использовании в качестве питания для микроорганизмов газообразного субстрата в виде природного газа (см. патент RU №2352626, опубл. 10.10.2007).
Указанные установка для производства биомассы и аппарат для выращивания микроорганизмов, оснащенных барботером газообразного субстрата и эжекторами гравитационного типа, характеризуются небольшой кратностью циркуляции и сравнительно малым коэффициентом эжекции (0,1-0,2), что может приводить к неравномерному распределению компонентов среды по высоте биореакторов. Эти факторы предопределяют невысокую скорость передачи труднорастворимых газов к клеткам аэробных микроорганизмов и, следовательно, низкую производительность по биомассе, что снижает эффективность использования подобных аппаратов для промышленного получения биомассы метанассимилирующих бактерий.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному техническому решению является устройство для выращивания микроорганизмов, содержащее вертикально - ориентированную ферментационную емкость, разделенную перегородкой на верхний и нижний объемы, струйные эжекторы для отвода из них газовой и подвода жидкой фазы и, по меньшей мере, один гравитационный эжектор, верхний и нижний торцы которого расположены в зонах ниже уровня, подлежащего заполнению культуральной жидкостью, трубопроводы для транспортировки газовой и жидкой фазы между верхним и нижним объемами ферментационной емкости, по меньшей мере, один барботер для подачи в культуральную жидкость кислородсодержащего газа и углеродсодержащего питания, патрубки для вывода и ввода реагентов, трубопроводы для их транспортировки вне ферментационной емкости, насосы, теплообменники и средства для контроля и регулирования технологического процесса ферментации (см. патент РФ №160091, опубл. 27.02.2016 - прототип).
Особенностью известного технического решения является то, что устройство для выращивания микроорганизмов, характеризуется наличием вертикально-ориентированной ферментационной емкости, наличием перфорированной горизонтально-ориентированной перегородки в ней, позиционированной так, что она разделяет вертикально-ориентированную ферментационную емкость на верхний и нижний объемы, наличием, по меньшей мере, одного верхнего эжектора, содержащего первый и второй эжекторные входы, а также первый эжекторный выход, наличием, по меньшей мере, одного нижнего эжектора, содержащего первый и второй эжекторные входы, а также первый эжекторный выход, наличием, по меньшей мере, одного гравитационного эжектора, проходящего через тело перфорированной горизонтально-ориентированной перегородки и выполненного в виде вертикально-ориентированного патрубка, сужающегося к нижнему торцу, закрепленного в теле перфорированной горизонтально-ориентированной перегородки так, что верхний торец этого гравитационного эжектора позиционирован ниже уровня культуральной жидкости в верхнем объеме вертикально-ориентированной ферментационной емкости, наличием ввода, выполненного в виде патрубка, оснащенного запорной-регулирующей арматурой, закрепленного на стенке вертикально-ориентированной ферментационной емкости в зоне ее нижнего объема, установкой на нижнем торце вертикально-ориентированной ферментационной емкости патрубка для вывода культуральной жидкости, один из торцов которого сообщается с ее нижним объемом, а другой торец которого присоединен первым трубопроводом к входу первого теплообменника, а вторым трубопроводом, соответственно, присоединен к входу второго теплообменника, при этом, посредством третьего трубопровода, выход первого теплообменника соединен, через первый циркуляционный насос, пятым трубопроводом с первым входом верхнего эжектора, а посредством четвертого трубопровода выход второго теплообменника, через второй циркуляционный насос, шестым трубопроводом соединен с первым входом нижнего эжектора, наличием первого кольцевого барботера кислородсодержащего газа и первого кольцевого барботера углеродсодержащего питания, позиционированных в вертикально-ориентированной ферментационной емкости в зоне верхнего объема, ниже уровня, подлежащего заполнению культуральной жидкостью, наличием второго кольцевого барботера кислородсодержащего газа и второго кольцевого барботера углеродсодержащего питания, позиционированных в вертикально-ориентированной ферментационной емкости в зоне нижнего объема, ниже уровня, подлежащего заполнению культуральной жидкостью, каждый из которых присоединен линиями подачи соответствующих компонентов, наличием диффузора в виде патрубка со скошенным верхним торцом, прикрепленного нижним торцом к донной части нижнего объема вертикально-ориентированной ферментационной емкости коаксиально патрубку для вывода культуральной жидкости, установкой на верхнем торце вертикально-ориентированной ферментационной емкости патрубка для выхода газовой фазы, один из торцов которого сообщается с ее верхним объемом, другой торец которого присоединен к трубопроводу для отвода газовой фазы, причем перфорированная горизонтально-ориентированная перегородка выполнена подобно воронке, позиционированной в вертикально-ориентированной ферментационной емкости так, что ее патрубок направлен вверх на высоту выше уровня заполнения культуральной жидкостью в верхнем объеме вертикально-ориентированной ферментационной емкости, а между внутренней стенкой вертикально-ориентированной ферментационной емкости и воронки выполнен кольцевой зазор, при этом второй вход верхнего эжектора и второй вход нижнего эжектора соединены соответственно седьмым и восьмым трубопроводами с трубопроводом для отвода газовой фазы из вертикально-ориентированной ферментационной емкости, а первый, второй, третий и четвертый барботеры снабжены трубопроводами подачи в них через стенку в вертикально-ориентированной ферментационной емкости соответствующих материалов.
К недостаткам известного устройства следует отнести имеющиеся ограничения по степени турбулизации и связанных с ней тепловой и газовой неравномерностей ферментационной среды в рабочем объеме биореактора при использовании указанных средств аэрации. Известное устройство отличается плоско-выпуклой конструкцией перфорированной (проницаемой для субстрата) горизонтально-ориентированной перегородки и сравнительно низким коэффициентом полезного объема, что связано с необходимостью использования в верхнем и нижнем объемах биореактора четырех барботеров со своими системами подачи кислородсодержащего газа и углеродсодержащего питания. В верхнем и нижнем ферментационных объемах такого биореактора возможно появление при аэрации застойных зон, возникающих значительно выше и ниже плоскости расположения струйных эжекторов. Кроме того, ферментационная емкость известного устройства содержит тупиковые полости в элементах четырех барботеров, диффузора в виде патрубка со скошенным верхним торцом и вводов струйных эжекторов, вынесенных в объем ферментера, что затрудняет условия асептического культивирования микроорганизмов, в том числе, при замене засевного материала, внутреннего оборудования ферментера или режимов его работы. Указанные особенности выполнения известного устройства увеличивают затраты на техническое обслуживание, усложняют его эксплуатацию, снижают надежность, ремонтопригодность и время продуктивного функционирования биореактора.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании промышленного устройства, обладающего повышенной технико-экономической эффективностью и конкурентоспособностью при производстве биомассы метанассимилирующих микроорганизмов культур, например, Methylococcus capsulatus из метансодержащего субстрата с возможностью оптимизации процесса культивировании белковой массы и снижения затрат на техническое обслуживание устройства в условиях ферментации при избыточном давлении 0,1-1,0 МПа и температуре 35-50°С.
Технический результат изобретения заключается в устранении недостатков известных технических решений, упрощении технологии изготовления в предложенном устройстве, как минимум, двухкамерного колонного ферментера, повышении надежности его эксплуатации и ремонтопригодности, снижении затрат на техническое обслуживание и увеличении времени продуктивного функционирования биореактора при одновременном увеличении производительности предложенного устройства путем использовании эффективных средств перемешивания и насыщения ферментационной среды кислородом. Дополнительным техническим результатом является возможность оптимизации процесса культивировании белковой массы по показателю продуктивности путем регулирования, в том числе, расходов газовой и жидкой фазы в циркуляционных контурах верхнего и нижнего объемов ферментационной емкости.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для выращивания микроорганизмов, содержащем вертикально-ориентированную ферментационную емкость, разделенную перегородкой на верхний и нижний объемы, струйные эжекторы для отвода из них газовой и подвода жидкой фазы и, по меньшей мере, один гравитационный эжектор, верхний и нижний торцы которого расположены в зонах ниже уровня, подлежащего заполнению культуральной жидкостью, трубопроводы для транспортировки газовой и жидкой фазы между верхним и нижним объемами ферментационной емкости, по меньшей мере, один барботер для подачи в культуральную жидкость кислородсодержащего газа и углеродсодержащего питания, патрубки для вывода и ввода реагентов, трубопроводы для их транспортировки вне ферментационной емкости, насосы, теплообменники и средства для контроля и регулирования технологического процесса ферментации, согласно изобретению, вертикально-ориентированная ферментационная емкость выполнена в виде цилиндрического двухкамерного колонного ферментера, отношение высоты к диаметру которого находится, преимущественно, в диапазоне 3,5-10, корпус двухкамерного колонного ферментера выполнен разъемным, по меньшей мере, с одним фланцевым соединением и возможностью работы при избыточном давлении 0,1-1,0 МПа и температуре 35-50°С и включает, преимущественно, равные по высоте верхний и нижний объемы, расположенные зеркально относительно плоской перегородки, выполненной в виде горизонтально расположенного съемного неперфорированного несущего щита, с возможностью его герметичного размещения на кольцевой опоре внутри колонного ферментера, при этом на несущем щите закреплены проходящие сквозь него вертикально-ориентированные трубопроводы для транспортировки газовой и жидкой фазы и, по меньшей мере, один конический или цилиндрический гравитационный эжектор с сечением серповидной, эллиптической или круговой формы, выполненный с возможностью циркуляции жидкой фазы по винтовой линии внутри гравитационного эжектора; в каждом из указанных объемов двухкамерного колонного ферментера заподлицо с его стенкой расположены выходы струйных эжекторов, разнесенные по высоте и азимуту в зонах, ниже уровня подлежащего заполнению культуральной жидкостью для преимущественной локальной перекрестной циркуляции жидкости в слоях, число которых равно числу струйных эжекторов, установленных в указанных объемах колонного ферментера, жидкостный циркуляционный контур каждого из струйных эжекторов включает первый вход для подвода жидкой фазы, трубопроводную арматуру с первым регулируемым запорным органом и последовательно соединенные рекуперативный пластинчатый теплообменник и мультифазный винтовой насос, вход которого соединен с выходом патрубка для вывода культуральной жидкости из нижнего объема колонного ферментера, а газовый циркуляционный контур указанного струйного эжектора включает второй вход для подвода газовой фазы, соединенный трубопроводом через второй регулируемый запорный орган с выходным патрубком в стенке верхнего или нижнего объемов колонного ферментера в зонах выше уровня, подлежащего заполнению культуральной жидкостью, причем в нижнем объеме двухкамерного колонного ферментера в зоне ниже уровня, подлежащего заполнению культуральной жидкостью, расположены, сопряженные друг с другом барботеры для инжекции в культуральную жидкость кислородсодержащего и метансодержащего газов с возможностью организации газлифтовой циркуляции культуральной жидкости, а к донной части колонного ферментера прикреплен нижним торцом вертикально-ориентированный диффузор, выполненный в виде цилиндрического патрубка с узкой продольной щелью, расположенного коаксиально патрубку для вывода культуральной жидкости из нижнего объема колонного ферментера.
Кроме того, выходы вышерасположенных и нижерасположенным струйных эжекторов в каждом из объемов двухкамерного колонного ферментера могут быть разнесены по азимуту в диапазоне углов 45-180°, доля входного свободного сечения для прохода жидкостного потока в каждом из струйных эжекторов в верхнем и нижнем объемах колонного ферментера может составлять 20-70% от общего входного сечения эжектора, по крайней мере, один из которых может быть выполнен с возможностью изменения наклона его оси к горизонтальной плоскости, проходящей через выходное отверстие эжектора, в диапазоне углов 1-15° и может быть снабжен приспособлением, преимущественно, в виде кольцевого насадка для изменения угла расхождения выходящей из эжектора двухфазной среды.
Кроме того, над сопряженными барботерами может быть установлен вертикально-ориентированный цилиндрический патрубок для организации газлифтовой циркуляции культуральной жидкости, а продольная щель на цилиндрическом патрубке вертикально-ориентированного диффузора в донной части двухкамерного колонного ферментера может иметь ширину 0,5-5 см и высоту до 90% от его верхнего торца в зависимости от диаметра и высоты двухкамерного колонного ферментера.
Кроме того, гравитационный эжектор на верхнем торце может быть снабжен, по меньшей мере, одним побудителем циркуляции в виде патрубка, тангенциально закрепленного на стенке внутри эжектора так, что входное отверстие патрубка расположено ниже уровня культуральной жидкости для обеспечения движения жидкой фазы по винтовой линии внутри эжектора, а верхний торец гравитационного эжектора может быть снабжен отбортовкой или решеткой для организации направленного перемещения культуральной жидкости, газовой фазы и пены внутрь эжектора.
Кроме того, двухкамерный колонный ферментер может содержать соответствующее число дополнительных патрубков для ввода посевного материала, подачи стерильного сжатого воздуха, стерильной питательной среды, метансодержащего газа и жидких добавок в нижний объем, а также патрубки для удаления отработанного технологического воздуха из верхнего объема, подачи стерильного пеногасителя и моющего раствора, патрубки для пробоотборника, термометра, мановакууметра и рН-метра, причем колонный ферментер может содержать средства для поддержания рабочей температуры стенок корпуса и опорную конструкцию для его монтажа, монтажа внутреннего оборудования и фиксации ферментера в рабочем положении с площадками для обслуживания.
Достижение заявленного технического результата в промышленном устройстве для выращивания метанассимилирующих микроорганизмов культур Methylococcus, Methylosinus, Methylomonas, Methylocystis, Methylococcus capsulatus … из метансодержащего субстрата обеспечивается, в условиях избыточного давления в диапазоне 0,1-1,0 МПа и температуры в диапазоне 35-50°С, указанной совокупностью существенных признаков, касающихся особенностей выполнения конструкции разборного двухкамерного колонного ферментера, верхнего и нижнего рабочих объемов разделенных неперфорированным несущим щитом, размещением и выполнением гравитационных и струйных эжекторов, барботеров и другого оборудования устройства.
3
Для промышленного и полупромышленного биосинтеза метанассимилирующих микроорганизмов при указанных давлении и температуре отношение высоты к диаметру двухкамерного колонного ферментера нецелесообразно снижать менее 3,5 по причинам увеличения массы и стоимости биореактора с рабочим объемом от десятков до 100 м и более, тогда как увеличение указанного диапазона более 10, при тех же рабочих объемах, приводит к неприемлемому увеличению вертикальных габаритов устройства.
Конструктивное выполнение цилиндрического двухкамерного колонного ферментера с указанным отношением высоты к диаметру и возможностью работы при избыточном давлении до 1,0 МПа в диапазоне температур 35-50°С позволяет промышленным способом выращивать биомассу метанассимилирующих микроорганизмов упомянутых культур из метансодержащего субстрата в биореакторе с максимальным рабочим объемом. Особенности выполнения верхнего и нижнего объемов колонного ферментера, их размещение зеркально относительно съемного и герметично установленного неперфорированного несущего щита с закрепленными и проходящими сквозь него вертикально-ориентированными трубопроводами для транспортировки газовой и жидкой фазы, а также гравитационным эжектором с сечением особой формы, обеспечивают существенные преимущества для предложенного устройства. В отличие от известных технических решений и прототипа, в которых перегородка между верхним и нижним объемами является перфорированной, то есть проницаемой для культуральной жидкости, в предложенном ферментере, перегородка выполнена неперфорированной в виде сплошного съемного несущего щита с возможностью его герметичного размещения на кольцевой опоре, например, через асептическую герметизирующую прокладку. Именно, конструкция съемного технологического узла, включающего щит, гравитационный эжектор и перепускные трубопроводы, в значительной степени упрощает технологию изготовления двухкамерного колонного ферментера, позволяя осуществить его монтаж или текущий ремонт за минимальное время. В результате использования предложенного технического решения улучшаются также эксплуатационные характеристики, ремонтопригодность и надежность устройства, одновременно уменьшаются затраты на его техническое обслуживание и увеличивается время продуктивного функционирования биореактора.
Дополнительную интенсификацию массопереноса кислорода в культуральную жидкость обеспечивает процесс ее перемешивания в гравитационном эжекторе с сечением серповидной, эллиптической или круговой формы при взаимодействии падающей струи с аэрируемой жидкостью. Использование в известных конструкциях биореакторов нескольких конических гравитационных эжекторов кругового сечения в значительной степени загромождает рабочий ферментационный объем, затрудняет процесс перемешивания культуральной жидкости струйными эжекторами и усложняет эксплуатацию ферментера, что в целом снижает производительность биореактора. Выполнение гравитационных эжекторов с сечением серповидной или эллиптической формы, расположенных вблизи стенок биореактора, в большей степени увеличивает зону турбулизации культуральной жидкости струйными эжекторами. Более благоприятным вариантом использования гравитационных эжекторов в биореакторе, с этой точки зрения, является центральное размещение по оси колонного ферментера одного конического эжектора кругового сечения и, по крайней мере, одного цилиндрического гравитационного эжектора с сечением серповидной или эллиптической формы, расположенного вблизи стенки ферментера. По указанным причинам, в предложенном биореакторе увеличивается коэффициент полезного рабочего объема, соответственно улучшаются условия ферментации субстрата и устройство в большей степени соответствует требованиям асептического культивирования микроорганизмов. Для повышения эффективности функционирования двухкамерного колонного ферментера за счет дополнительного увеличения кратности циркуляции и коэффициента эжекции, по меньшей мере, один гравитационный эжектор целесообразно снабдить побудителем циркуляции для обеспечения направленного перемещения жидкой фазы по винтовой или близкой к ней линии внутри гравитационного эжектора. Побудитель циркуляции можно выполнить, например, в виде патрубка, тангенциально закрепленного на стенке внутри эжектора так, что входное отверстие патрубка расположено ниже уровня культуральной жидкости, при этом верхний торец гравитационного эжектора можно дополнительно снабдить внутренней или наружной отбортовкой, или решеткой для организации направленного перемещения субстрата, газовой фазы и пены внутрь эжектора.
3
Существенными признаками для достижения заявленного технического результата в части увеличении производительности предложенного устройства и оптимизации процесса культивировании белковой массы по показателю продуктивности, кроме рассмотренных выше, являются признаки, связанные с размещением и выполнением струйных эжекторов, разнесенных по высоте и азимуту в каждом из объемов ферментера. В соответствии с изобретением, струйные эжекторы обеспечивают оптимальные условия для преимущественной локальной перекрестной циркуляции в слоях культуральной жидкости, число которых равно числу струйных эжекторов, установленных в верхнем и нижнем объемах колонного ферментера. Указанное расположение струйных эжекторов позволяет значительно повысить степень интенсификации турбулентности и массопереноса кислорода из газовой фазы в жидкую, обеспечить однородность полей концентрации питательных солей, технологической воды, компонентов питания, продуктов метаболизма микроорганизмов и засевной биосуспензии во всех частях двухкамерного колонного ферментера при рабочих объемах промышленного биореактора от десятков до сотен ми более.
Размещение струйных эжекторов в каждом из объемов колонного ферментера по высоте в различных слоях культуральной жидкости, а также их смещение по азимуту в диапазоне углов 45-180°, является наиболее оптимальным для достижения технического результата и наблюдается, в том числе, при наличии не менее двух струйных эжекторов в каждом из объемов колонного ферментера. Доля входного свободного сечения для прохода жидкостного потока в каждом из струйных эжекторов из экспериментальных данных не может быть менее 20% от общего входного сечения эжектора по причине снижения эффективности жидкостного циркуляционного контура и не должна превышать 70%, при которой снижается аэрация жидкости в ферментационном объеме. Возможность изменения наклона оси струйного эжектора к горизонтальной плоскости, проходящей через выходное отверстие эжектора в пределах углов 1-15°, способствует интенсификации турбулентности культуральной жидкости, в том числе, в придонных и поверхностных областях субстрата во всем диапазоне отношений высоты к диаметру двухкамерного колонного ферментера.
Для функционирования струйных эжекторов в стационарном и переменных режимах, жидкостный циркуляционный контур каждого из эжекторов включает первый вход для подвода жидкой фазы, трубопроводную арматуру с первым регулируемым запорным органом и последовательно соединенные рекуперативный теплообменник и мультифазный винтовой насос, вход которого соединен с выходом патрубка для вывода культуральной жидкости из нижнего объема колонного ферментера, а газовый циркуляционный контур указанного эжектора включает второй вход для подвода газовой фазы, соединенный трубопроводом через второй регулируемый запорный орган с выходным патрубком в стенке верхнего или нижнего объемов колонного ферментера в зонах выше уровня, подлежащего заполнению культуральной жидкостью. Такая схема подключения жидкостного и газового контуров каждого из струйных эжекторов к верхнему и нижнему объемам колонного ферментера позволяет, во-первых, резко увеличить кратность циркуляции культуральной жидкости в верхнем и нижнем объемах двухкамерного колонного ферментера до 100 и выше. Во-вторых, при этом обеспечивается необходимое независимое регулирование процесса ферментации в каждом из объемов двухкамерного колонного ферментера. Это позволяет производить засев биомассы необходимым количеством активной культуры микроорганизмов в нижнем объеме ферментера, а подготовку минеральной питательной среды и изменение ее состава осуществлять в обоих объемах колонного ферментера. В-третьих, наличие в жидкостном циркуляционном контуре эжектора трубопроводной арматуры с первым регулируемым запорным органом, рекуперативным теплообменником и мультифазным винтовым насосом для вывода культуральной жидкости из нижнего объема колонного ферментера, позволяет изменять ее расход, температуру и параметры аэрации субстрата для оптимизации процесса культивировании белковой массы. Решению этих задач способствует также наличие газового контура и возможность регулирования поступления газа из над жидкостного объема ферментера через второй регулируемый запорный орган в аэрируемый субстрат.
3
Для объективного анализа эффективности процессов ферментации, происходящих в двухкамерном колонном ферментере используются, в том числе, данные о расходе газовой и жидкой фаз в контурах струйных эжекторов, о количестве посевного материала, стерильного сжатого воздуха, стерильной питательной среды, метансодержащего газа, жидких добавок и количество отработанного технологического воздуха, удаленного из верхнего объема ферментера. Необходимые исходные и текущие данные о процессах ферментации в двухкамерном колонном ферментере обрабатываются посредством имеющейся в составе устройства контрольно-измерительной аппаратуры, включающей необходимое количество приборов: пробоотборники, термометры, мановакууметры, рН-метры, расходомеры газовой и жидкой фаз и др. Полученные данные о процессах ферментации в верхнем и нижнем объемах биореактора обрабатываются, например, с помощью инсталлированной программы для ЭВМ «Гаприн». Предложенные конструктивные и схемные решения обеспечивают условия для оптимизации процесса культивирования белковой массы в предложенном устройстве для выращивания микроорганизмов по показателю продуктивности до 7 кг/м.час.
Перемешивание и интенсификацию массопереноса кислорода, дополнительно к действию гравитационных эжекторов, осуществляют также барботеры для инжекции в культуральную жидкость кислородсодержащего и метансодержащего газов, которые могут быть оснащены, по меньшей мере, одним вертикально-ориентированным патрубком для организации газлифтовой циркуляции культуральной жидкости в нижнем объеме колонного ферментера. В свою очередь, геометрические размеры продольной щели на цилиндрическом патрубке вертикально-ориентированного диффузора (ширина 0,5-5 см и высота до 90% от его верхнего торца) являются оптимальными для функционирования нижнего объема колонного ферментера после ввода посевного материала на начальном этапе его функционирования.
Блок-схема предложенного устройства для выращивания микроорганизмов представлена на Фиг. 1.
Устройство содержит вертикально-ориентированную ферментационную емкость, выполненную в виде двухкамерного цилиндрического колонного ферментера 1, у которого отношение высоты к диаметру находится, преимущественно, в диапазоне 3,5-10. Корпус двухкамерного колонного ферментера выполнен разъемным, по меньшей мере, с одним фланцевым соединением, как показано на Фиг. 1, с возможностью работы при избыточном давлении 0,1-1,0 МПа и температуре 35-50°С. Двухкамерный колонный ферментер 1 включает, преимущественно, равные по высоте верхний и нижний объемы 2, 3, расположенные зеркально симметрично относительно плоской перегородки, выполненной в виде горизонтально расположенного съемного неперфорированного несущего щита 4 с возможностью его герметичного размещения на кольцевой опоре внутри колонного ферментера 1 в зоне фланцевого соединения 5. На несущем щите 4 закреплены проходящие через него вертикально-ориентированные трубопроводы 6, 7 для транспортировки газовой (дыхательная труба) и жидкой фазы (перепускная труба) и, по меньшей мере, один гравитационный эжектор с сечением серповидной, эллиптической или круговой формы. Вертикально-ориентированные трубопроводы 6, 7 имеют проходное сечение, рассчитанное для выполнения ими означенных функций. На Фиг. 1 показаны два гравитационных эжектора 8, 9. Эжектор 8 выполнен в виде конического патрубка с сечением эллиптической или круговой формы, а эжектор 9 выполнен в виде цилиндрического патрубка с сечением серповидной или эллиптической формы, при этом гравитационный эжектор 8 может быть закреплен по оси двухкамерного колонного ферментера 1 или, как показано на фиг. 1, примерно на середине радиуса несущего щита 4, а гравитационный эжектор 9 - напротив эжектора 8 вблизи стенки колонного ферментера 1.
В стенке каждого из объемов 2, 3 заподлицо со стенкой корпуса ферментера 1 расположены отверстия с патрубками (не показаны) для выхода двух струйных эжекторов 10, 11 в верхнем объеме 2 и двух эжекторов 12, 13 в нижнем объеме 3. В частности, эжекторы 10, 11 разнесены между собой по высоте и азимуту на 90° и расположены в зоне ниже уровня 14, подлежащего заполнению культуральной жидкостью для преимущественной локальной перекрестной циркуляции жидкости в слоях объема 2, число которых соответствует числу струйных эжекторов 10, 11. Аналогично эжекторы 12,13 разнесены между собой по высоте и азимуту на 90° или на другой угол из упомянутого диапазона и расположены в нижнем объеме 3 в зоне ниже уровня подлежащего заполнению культуральной жидкостью для обеспечения перекрестной циркуляции жидкости в двух слоях объема 3 двухкамерного колонного ферментера 1.
Для упрощения блок-схемы, на Фиг. 1 полностью указаны внешние жидкостные циркуляционные контуры лишь для двух струйных эжекторов 10, 12 из четырех ранее упомянутых. Жидкостные циркуляционные контуры струйных эжекторов 10, 12 включают: первые входы для подвода жидкой фазы (не показаны), трубопроводы 15, 16, регулируемые запорные органы 17 на каждом трубопроводе, пластинчатые теплообменники 18, 19 и мультифазные винтовые насосы 20, 21, входы которых соединены с патрубком 22 для вывода культуральной жидкости из нижнего объема 3 колонного ферментера 1. Насосы 20, 21 выполнены с возможностью подачи культуральной жидкости к струйным эжекторам 10, 12 для обеспечения необходимых расходов и напора на всех режимах функционирования ферментера 1 и указанного оборудования при расчетных значениях гидравлических сопротивлений жидкостных циркуляционных контуров. Газовые циркуляционные контуры струйных эжекторов 10, 12 включают вторые входы для подвода газовой фазы (не показаны), соединенные через указанные на Фиг. 1 трубопроводы и регулируемые запорные органы 17 с выходными патрубками 23, 24, соответственно, в стенке корпуса верхнего и нижнего объемов 2, 3 ферментера 1 в зонах выше уровней 14, 25 подлежащих заполнению культуральной жидкостью. Функционирование каждого из двух других струйных эжекторов 11, 13, расположенных в верхнем и нижнем объемах 2, 3 колонного ферментера 1, обеспечивается аналогичным оборудованием и узлами, которые образуют свои жидкостные и газовые циркуляционные контуры (полностью не показаны).
В нижнем объеме 3 колонного ферментера 1, в зоне ниже уровня 24 подлежащего заполнению культуральной жидкостью, расположены, сопряженные друг с другом, кольцевые барботеры 26, 27 для инжекции в культуральную жидкость кислородсодержащего и метансодержащего газов. Над кольцевыми барботерами может быть установлен вертикально-ориентированный патрубок 28 для организации газлифтовой циркуляции культуральной жидкости в объеме 3. К донной части колонного ферментера 1 прикреплен нижним торцом вертикально-ориентированный диффузор 29, выполненный в виде цилиндрического патрубка с узкой продольной щелью 30. Диффузор 29 расположен коаксиально патрубку 22 для вывода из нижнего объема 3 колонного ферментера 1 культуральной жидкости в жидкостные циркуляционные контуры струйных эжекторов 10, 11, 12, 13, а также в систему отбора продукта ферментации и переработки в целевой продукт (не показаны). Поз. 31, 32 обозначены, соответственно, блоки подготовки и дозированной подачи в ферментер 1 кислородсодержащего и метансодержащего газов, поз. 33 - патрубок вывода абгаза из над жидкостной полости верхнего объема 2, а поз. 34 - блок, включающий огнепреградительное устройство со средствами для конденсации влаги, возвращаемой в ферментер 1. Трубопроводы подающих и отводящих коммуникаций двухкамерного колонного ферментера 1 оснащается обратными клапанами, во избежание внепланового нарастания давления в системах предложенного устройства (не показаны). Внутри гравитационного эжектора 8 ниже уровня культуральной жидкости может быть установлен тангенциально расположенный патрубок побудителя циркуляции для обеспечения направленного движения жидкой фазы по винтовой линии внутри данного эжектора (не показан). Решение задачи создания конкурентоспособностью промышленного устройства для производства биомассы микроорганизмов из метансодержащего субстрата связано, в том числе, с необходимостью использования системы автоматизированного управления предложенным устройством, включающей средства для дистанционной визуализации информации о ходе процессов подготовки сырья, выращивания микроорганизмов и переработки полученного продукта.
Устройство для выращивания микроорганизмов функционирует следующим образом.
;
2
Производство белковой массы из метансодержащего сырья в предложенном устройстве связано с выполнением ряда стадий, в которых происходит подготовка необходимых составляющих для выращивания биомассы микроорганизмов и ее переработки в целевой продукт. Стадия подготовки засевной биомассы обеспечивает работу колонного ферментера 1 необходимым количеством активной культуры микроорганизмов, предварительно выращенных в маломощных инокуляторах. Подготовку минеральной питательной среды осуществляют растворением в очищенной воде минеральных солей до нужных концентраций. В состав питательной среды входят соли магния, калия, железа, марганца, сульфат аммония и др., при этом рН среды поддерживают на уровне 5,7 с использованием аммиачной воды, которая одновременно является источником азота. Подготовка кислородсодержащего (воздуха) и углеродсодержащего сырья (метана) осуществляется в блоках 31, 32 и включает очистку, подогрев и их дозированную подачу в барботеры 26, 27 для инжекции в культуральную жидкость, находящуюся в нижнем объеме 3 двухкамерного колонного ферментера 1. При этом, преимущественно, используется природный газ - метан и/или метансодержащие газы, содержащие не менее 92-94% метана. В отношении использования кислородсодержащего газа необходимо учитывать следующее условие - содержание в газе кислорода, должно обеспечивать оптимальные удельные значения в отношении текущей и прогнозируемой концентрации микроорганизмов в культуральной жидкости. Непрерывный процесс выращивания биомассы микроорганизмов осуществляется в условиях аэрации и многократного циклического перемешивания ферментационной среды посредством барботеров 26, 27, струйных эжекторов 10, 11, 12, 13 и гравитационных эжекторов 8, 9. При этом большая часть отбираемой из патрубка 22 суспензии микроорганизмов возвращается в верхний и нижний ферментационные объемы 2, 3 по жидкостным циркуляционным контурам четырех указанных струйных эжекторов, которые захватывают газовую фазу из над жидкостного пространства объемов 2 и 3 ферментера 1. Многократная циркуляция культуральной жидкости в двухкамерном колонном ферментере 1, способствует эффективному растворению в ней метана и кислорода. Циркуляция субстрата обеспечивается струйными эжекторами 10, 11 в жидкостном объеме верхней емкости 2 и струйными эжекторами 12, 13 в жидкостном объеме нижней емкости 3 ферментера 1, а также работой конического и цилиндрического гравитационных эжекторов 8, 9, активирующих циркуляцию жидкостных и газовых потоков внутри двухкамерного колонного ферментера 1. В процессе циркуляции и турбулизация культуральной жидкости происходит многократный захват и растворение в жидкости кислорода воздуха из жидкостного и над жидкостного объемов 2, 3. Особое выполнение и размещение указанных побудителей циркуляции культуральной жидкости обеспечивает выравнивание концентраций питательных компонентов в ферментационных объемах 2, 3 и отвод газообразных продуктов метаболизма (в частности, СО), которые вместе с остаточными количествами не растворившихся газов выводятся из над жидкостных зон объемов 2, 3 посредством вертикально ориентированного трубопровода 6. Кроме того, верхний 2 и нижний 3 объемы колонного ферментера сообщаются по жидкой фазе через вертикально ориентированный перепускной трубопровод 7 для транспортировки жидкой фазы, выполняющего функцию поддержания минимально допустимого уровня культуральной жидкости в пусковом режиме работы двухкамерного колонного ферментера 1. Выходящий из верхнего объема 2 колонного ферментера 1 абгаз, содержащий значительное количество метана (до 49%) поступает через выходной патрубок 33 и огнепреградительное устройство 34 на сжигание. Устройство 34 снабжено также средствами для конденсации выделенной влаги и ее возврата в ферментер 1.
3
3
По имеющимся опытным данным и в соответствии с техническим заданием концентрация биомассы в среде выращивания микроорганизмов, в предложенном устройстве, может достигать значений 24-26 г/л, а удельные энергозатраты на стадии ферментации могут составить до 1,3 кВт⋅ч/кг биомассы. Отбираемая часть суспензии микроорганизмов из патрубка 22 в донной части двухкамерного колонного ферментера 1 поступает на участок готовой продукции, где суспензия концентрируется, инактивируется, сушится до получения продукта в виде белковой биомассы, содержащей до 72% протеина (оборудование участка готовой продукции на Фиг. 1 не показано). Готовый продукт упаковывается и направляется потребителю. Согласно проектным и опытным данным, в предложенном устройстве для выращивания микроорганизмов, обеспечивается возможность промышленного производства белковой биомассы с показателем продуктивности до 7 кг/м.час при кратности циркуляции газожидкостной суспензии 100 час/-1 и использовании двухкамерного колонного ферментера с рабочим объемом до 100 м и выше.
Функционирование предложенного устройства для выращивания микроорганизмов имеет ряд дополнительных особенностей, связанных с выполнением его узлов и систем, в том числе, двухкамерного колонного ферментера, верхнего и нижнего рабочих объемов, разделительного щита, гравитационных и струйных эжекторов, барботеров и другого оборудования. В соответствии с проектом принимается конкретный вид культивируемых метанассимилирующих микроорганизмов для их выращивания в среде метансодержащего субстрата в биореакторе с максимальным рабочим объемом. Заданные условия культивирования микроорганизмов (давление и температура) первоначально отрабатываются на экспериментальных и опытно-промышленных установках. Режим оптимизации работы колонного ферментера по уровню продуктивности заключается в определении количества и расположения струйных эжекторов. К оптимизируемым параметрам относят число эжекторов, их размещение по высоте, азимуту и углу наклона оси эжекторов к горизонтальной плоскости с учетом особенностей конструкции струйных эжекторов и геометрических параметров колонного ферментера. Состав и характеристики мультифазных насосов, пластинчатых теплообменников и регулируемых запорных органов жидкостных контуров струйных эжекторов также необходимо оптимизировать из условий решаемой задачи и заявленного технического результата. При оптимизации работы барботеров определяют возможные варианты газлифтовой циркуляции культуральной жидкости, а для вертикально-ориентированного диффузора в донной части ферментера - ширину и высоту продольной щели на диффузоре. Для гравитационных эжекторов целесообразно выявить наиболее приемлемое их число в диапазоне 1-6, а также размер, форму сечений, конфигурацию верхнего торца эжекторов и оптимальное место их расположения по сечению двухкамерного колонного ферментера объемом до 100 и более кубометров для увеличения коэффициента полезного рабочего объема и улучшения условий ферментации субстрата в соответствии с требованиями асептического культивирования микроорганизмов. Оптимизация эффективности работы устройства для выращивания микроорганизмов связана с анализом данных КИПиА о расходе газовой и жидкой фаз в контурах струйных эжекторов, о количестве засевного и выводимого биоматериала, стерильного сжатого воздуха, стерильной питательной среды, метансодержащего газа, жидких добавок, отработанного технологического воздуха и пр.
3
3
3
3
3
Пример. Опытно-промышленный вариант выполнения предложенного устройства для выращивания микроорганизмов включает двухкамерный колонный ферментер 1, которому заявителем присвоено проектное наименование ФЭКР. Для предпочтительного варианта осуществления опытно-промышленного устройства с геометрическим объемом ферментера до 8 м характерное отношение его высоты к диаметру находится, преимущественно, в диапазоне 7-8. Опытно-промышленный вариант предложенного устройства для выращивания микроорганизмов целесообразно использовать на этапе оптимизации промышленного процесса культивировании белковой массы для ферментера объемом до 100 м и более в условиях избыточного давления около 0,4 МПа при температуре до 45°С с продуктивностью до 7 кг/м.час. Опытно-промышленный вариант устройства выполнен в соответствии с приведенными существенными признаками, свойственными широкому размерному ряду биореакторов, используемых при промышленном производстве биомассы аэробных микроорганизмов для биотехнологических целей с использованием в качестве органического сырья газообразного субстрата природного метансодержащего газа. Конструкция опытно-промышленного варианта предложенного устройства содержит корпус двухкамерного колонного ферментера 1, имеющего общий объем 6 м при характерном отношении его высоты к диаметру 7,5. Корпус колонного ферментера ФЭКР представляет собой вертикальную цилиндрическую емкость с полусферическими крышкой и днищем. Емкость ферментера 1 разделена на два равных объема - верхний и нижний. Диаметр ферментера составляет 1000 мм, высота 7600 мм, при этом рабочий объем составляет 66% от геометрического и равен 4 м. Колонный ферментер ФЭКР занимает площадь около 50 кв. м. Число гравитационных эжекторов в данном колонном ферментере равно двум (обозначены поз. 8, 9), первый из которых выполнен коническим, а второй -цилиндрическим с серповидным сечением. В верхнем объеме 2 расположены струйные эжекторы 10, 11, а в нижнем объеме 3 - эжекторы 12, 13 при общем их числе в ферментере 1, равном четырем, чему соответствует количество газовых и жидкостных циркуляционных контуров, включающих вышеуказанное оборудование. Отверстия с патрубками (не показаны) для выходов вышерасположенных над нижерасположенными струйными эжекторами одинаково разнесены в верхнем и нижнем объемах 2, 3 по высоте примерно на 1000 мм, а по азимуту на угол 90° по часовой стрелке. При этом колонный ферментер 1 снабжен быстросъемным фланцевым соединением 5 в зоне съемного несущего щита 4. В нижнем объеме 3 колонного ферментера 1 в зоне ниже уровня 24, подлежащего заполнению культуральной жидкостью, расположены, как было указано, сопряженные друг с другом барботеры 26, 27 для инжекции в культуральную жидкость, соответственно, кислородсодержащего и метансодержащего газов, снабженные цилиндрическим патрубком 28 для газлифтовой циркуляции газожидкостной смеси, а также вертикально-ориентированный диффузор 29, выполненный в виде патрубка кругового сечения диаметром 0,2-0,4 м, снабженного продольной щелью 30 шириной 0,5-1,5 см.
3
3
2
2
2
Верхний и нижний рабочие объемы по 2 м отделены друг от друга горизонтально установленным съемным неперфорированным несущим щитом 4, герметично установленным на кольцевой опоре внутри колонного ферментера 1 и снабженного проходящими через щит и закрепленными на нем вертикально-ориентированными трубопроводами 6, 7 для транспортировки газовой и жидкой фазы. По центру несущего щита вертикально расположена газоводная труба 6, через которую газовая фаза из нижнего объема 3 сообщается с газовой фазой верхнего объема 2 колонного ферментера 1. Конструктивно это решение оформлено расчетной длиной трубы, которая в нижнем и верхнем объемах 2, 3 находятся выше подлежащих заполнению уровней жидкости. Организация циркуляции, обеспечение необходимых массообменных характеристик и теплосъема, как было указано, осуществляется четырьмя выносными контурами, снабженными индивидуальными пластинчатыми теплообменниками 18, 19 и винтовыми мультифазными насосами 20, 21, которые позволяют перекачивать газосодержащие жидкости с содержанием газовой фазы до 60-80% по объему. Отвод тепла от культуральной жидкости в пластинчатых теплообменниках осуществляется охлажденной на градирне водой (не показана). Регулирование расхода охлаждающей воды осуществляется от датчика температуры (не показан), установленного в ферментере 1. Производительность каждого насоса составляет величину 70-150 м/час с напором 60 м водяного столба. Установленная мощность каждого из винтовых мультифазных насосов -30 кВт, общая установленная мощность насосов колонного ферментера ФЭКР - 120 кВт. Каждый жидкостный выносной контур соединен через регулируемый запорный орган 17 с выходным патрубком 22 для отвода культуральной жидкости из нижнего объема 3 колонного ферментера 1 и винтовым насосом направляется через пластинчатый теплообменник и струйный эжектор в соответствующий ферментационный объем устройства. Поток ферментационной жидкости, создаваемый мультифазным винтовым насосом, является активной средой (жидкая фаза), пассивная среда (газовая фаза) подводится к струйному эжектору трубопроводом, подключенным через стенку ферментера к верхнему или нижнему газовому объему колонного ферментера. В его нижнем объеме отбор суспензии производится через концентрично установленный вертикально-ориентированный диффузор 29, выполненный в виде цилиндрического патрубка с узкой продольной щелью, который позволяет снизить газосодержание культуральной жидкости на различных стадиях функционирования двухкамерного колонного ферментера 1. Выносные жидкостные контуры рассредоточены таким образом, что два из них обеспечивают циркуляцию жидкости в нижнем объеме, два других - в верхнем. Кроме того, верхний и нижний объемы ферментера 1 соединяются двумя гравитационными эжекторами 8, 9, в которых активная среда - жидкость переливается через верхнюю кромку торца и захватывает частично пассивную среду -газовую фазу и жидкую фазу из над жидкостного пространства верхней объема, при этом уровень верхней кромки эжекторов соответствует уровню верхнего объема ферментера. Нижняя кромка гравитационных эжекторов погружена в нижний объем 3 ферментера 1, что обеспечивает дополнительный массообмен и рециркуляцию газа. Установленный в крышке ферментера 1 патрубок 33 для вывода отработанного газа (абгаза) оснащается огнепреградительным устройством 34 с конденсором, из которого влага возвращается в ферментер 1. Очищенные отработанные газы направляются на дожигание в топку сушильной установки (не показана). На трубопроводе абгаза устанавливаются датчики О, СН4, СО, N и расходомер для контроля расхода (не показаны). На трубопроводах, подаваемых в аппарат компонентов, устанавливаются расходомеры с регулирующими клапанами, которые поддерживают постоянство расхода в соответствии с заданной величиной (не показаны). Предложенное устройство для выращивания микроорганизмов снабжено, упомянутыми выше, средствами контроля и регулирования величины рН, температуры, давления и расходов жидких питательных растворов, воды и/или очищенной культуральной жидкости, средствами подачи кислорода, метана и газообразного азота, с использованием устройств контроля оптической плотности суспензии, концентрации растворенного кислорода и свободной растворенной углекислоты, а также состава на входе в ферментер природного газа, кислорода, а на выходе отработанных газов (не показаны).
Отбор бактериальной суспензии из двухкамерного колонного ферментера 1 осуществляется отдельным насосом, после которого устанавливается регулятор давления «после себя», который монтируется таким образом, что его выходной патрубок входит в корпус сборника, откуда бактериальная суспензия подается в сепаратор, а выделяющийся при снижении давления газ сбрасывается в атмосферу (не показаны). Все трубопроводы, обеспечивающие подачу компонентов в ферментер 1, оснащаются обратными клапанами (не показаны), во избежание нарастания давления в подающих коммуникациях. Для обеспечения бесперебойной работы, ремонтных и замещающих работ контрольно-измерительные приборы (датчики) устанавливаются на кессонных штуцерах, что обеспечивает их ремонт или замену без остановки и слива ферментационной жидкости из ферментера (не показаны). Безопасная работа двухкамерного колонного ферментера 1 обеспечивается применением взрывобезопасного оборудования и установкой в крышке верхнего объема 2 разрывной мембраны или клапана на предельное давление не более 1,0 МПа (не показаны). При рабочем давлении в колонном ферментере до 0,4 МПа, опрессовочное давление в нем и контурах циркуляции составляет около 0,8 МПа.
В настоящее время синтез кормового белка из природного газа является приоритетным направлением развития биотехнологической промышленности в России и за рубежом. Использование предложенного технического решения обеспечивает повышение в ферментационном объеме промышленного или полупромышленного устройства степени турбулизации культуральной жидкости и скорости массопередачи кислорода в ферментационную среду в условиях промышленного производства белковой массы из метансодержащего субстрата, находящегося под избыточным давлением 0,1-1,0 МПа при температуре 35-50°С. Получаемый, при реализации устройства для выращивания микроорганизмов, технический результат состоит в упрощении конструкции, технологии сборки и повышении эксплуатационных характеристик колонного ферментера промышленного объема, а также в увеличении производительности на единицу затраченной энергии при культивировании биомассы аэробных микроорганизмов из метансодержащего субстрата.
3
3
3
Основные технико-экономические показатели первоочередных для внедрения модификаций предложенного устройства для выращивания микроорганизмов указанных культур имеют следующие общие существенные характеристики (рабочее давление до 0,4 МПа и температура до 44°С), близкие показатели по продуктивности (до 7 кг/м.час) и кратности циркуляции газожидкостной суспензии (до 100 час/-1). При этом для перспективного промышленного устройства с геометрическим объемом колонного ферментера 70-200 м и часовой производительностью 350-750 кг АСВ/час и выше установленная мощность составляет 800-2000 кВт, а для опытно-промышленного варианта устройства с геометрическим объемом колонного ферментера 6-7 м и часовой производительностью до 30 кг АСВ/час установленная мощность составляет 90-100 кВт.
Приведенные данные свидетельствуют о достижении указанного технического результата изобретения и решении задачи создания устройства, обладающего повышенной технико-экономической эффективностью при производстве биомассы метанассимилирующих микроорганизмов в отношении увеличения производительности предложенного устройства, упрощения технологии его изготовления, повышения надежности эксплуатации, ремонтопригодности и времени продуктивного функционирования биореактора.