Ферментационная установка для культивирования метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus
FERMENTATION PLANT FOR CULTIVATION OF METHYLOCOCCUS CAPSULATUS METHANE-OXIDIZING BACTERIA

Изобретение относится к области биотехнологии, в частности к аппаратам для культивирования биомассы метанокисляющих микроорганизов Methylococcus capsulatus.
Актуальность разработки нового эффективного биореактора применительно к газожидкостной ферментации на природном газе аэробных метанокисляющих микроорганизмов связана, с одной стороны, с повышенным экономическим интересом к использованию значительных запасов природного газа, а с другой стороны, с малоэффективным аппаратурным оформлением основной стадии производства белка -процессом ферментации.
Использование природного газа позволит создавать биотехнологические установки, обеспечивающие полноценным белковым кормом агропромышленные комплексы и рыбоводство, а также получение широкой гаммы биопродуктов, его дальнейшей переработки.
Несмотря на значительное количество отечественных и зарубежных аппаратурных решений специфика процесса с использованием двух труднорастворимых газов, кислорода и метана, не позволила к настоящему времени достаточно эффективно и энергоэкономко решить проблему ферментации и получения белка из природного газа в промышленных биореакторах. (Винаров А.Ю. и др. «Ферментационные аппараты для процессов микробиологического синтеза» М., ДеЛи Принт, 2005, 275 с.).
Известно большое разнообразие конструкций биореакторов для аэробного культивирования с использованием традиционных мешалок, эжекторов, циркуляционных насосов и барботеров, которые могут быть применены для выращивания биомассы метанутилизирующих микроорганизмов, однако в большинстве случаев их конструктивные характеристики и энергозатратные показатели делают этот процесс малоэффективным, что определяет задачу разработки нового аппарата для аэробного культивирования метанутилизирующих микроорганизмов актуальной и практически важной.
В результате проведенного патентно-информационного поиска были отобраны следующие патенты.
Известен (GB1353008A, кл. C12M1/04; C12M1/08, опубл. 1974-05-15) аппарат для получения биомассы микроорганизмов, в котором применен принцип аэрации и перемешивания ферментационной среды. Известный аппарат выполнен из двух вертикально расположенных емкостей, между которыми организована циркуляция всей ферментационной среды за счет разности плотностей аэрированной и дегазированной жидкости. Аэрацию осуществляют с использованием барботера, расположенного в нижней части одной из емкостей, причем отработанный газ, отделенный от жидкости в результате ее дегазации, выходит через верхний патрубок на другой вертикальной емкости, по которой вниз циркулирует дегазированная жидкость, проходя теплообменное устройство. Аппарат предназначен для работы с большими объемами ферментационной среды.
К недостаткам данного аппарата следует отнести недостаточную степень диспергирования газовой фазы и турбулизацию ферментационной среды, что не позволяет эффективно использовать малорастворимые газообразные субстраты и дисперсные среды для процессов ферментации, а также сравнительно низкую поверхность контакта фаз газ-жидкость, обусловленную коалесценцией поднимающихся пузырей, в связи с чем, в данном аппарате транспорт газообразных источников роста клеток не обеспечивает их эффективного развития и наращивание биомассы клеток. Кроме того, наличие проблемы труднорастворимости газов, приводят к их избыточному перерасходу и возможному нарушению процесса ферментации, из-за того, полученная в результате реакции ферментирования газожидкостная смесь может вырываться из аппарата, приводя к его остановке или к аварийным ситуациям.
Известен аппарат для выращивания микроорганизмов (RU 2352626, кл. C12M 1/02, C12M 1/04, опубл. 20.04.2009). Аппарат содержит 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 (природный газ).
Основными недостатками данного аппарата являются высокие затраты энергии на циркуляцию большого количества жидкости между емкостями; низкая степень диспергирования труднорастворимых газов воздуха (кислорода), метана в водной среде (при размере пузырьков порядка 10 мм), достигаемая в эжекторах гравитационного типа; сложность конструкции ферментера; невысокая скорость массопередачи труднорастворимых газов и связанная с этим низкая производительность по биомассе не позволяет достаточно эффективно использовать этот аппарат в промышленности для получения биомассы метанассимилирующих бактерий. Также к недостаткам следует отнести и сложность в регулировки выхода газа из аппарата из-за образования большого количества газожидкостной смеси, создающей избыточное давление внутри аппарата, приводящее к «захлебыванию» ферментера, требующее его экстренного отключения.
Известна ферментационная установка для метанокисляющих бактерий (RU 2580646, кл. C12M 1/02, C12M 1/04, C12M 1/36, C12Q 3/00, опубл. 10.04.2016), выбранная в качестве прототипа. Ферментационная установка для метанассимилирующих микроорганизмов выполнена с возможностью работы под избыточным давлением 0,1-1,0 МПа и содержит колонный ферментер для проведения аэробных процессов культивирования и соединенные с ним трубопроводами газовых и жидкостных технологических потоков два реактора. Ферментер содержит корпус, в верхней части которого установлены патрубок выхода отработанного газа и патрубок подачи питательных солей и технологической воды, компонентов питания и засевной биосуспензии. В нижней части установлены 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 из ферментера, установленный ниже уровня культуральной жидкости в реакторе, дисковую мешалку с приводом, установленную на уровне культуральной жидкости в реакторе, для организации потоков внутри ферментера, патрубок подачи биосуспензии из ферментера в реактор. Первый реактор содержит подключенный в верхней части патрубок подачи метаносодержащего газа. Второй реактор содержит подключенный в верхней части патрубок подачи кислородсодержащего газа. Патрубок отвода из колонного ферментера отработанного газа выполнен с возможностью подключения к пеноотбойному устройству. Патрубок установлен с возможности подключения к магистрали передачи отработанного газа на сжигание или на повторную подачу газа в реакторы.
К недостаткам известной установки относится как конструктивная сложность, так и сложность при эксплуатации. Кроме того, в данном ферментере недостаточно полное разделение газовой от жидкой фаз в процессе ферментации мелкодисперсного состояния газовой фазы в объеме ферментера. Регулировка газовых и жидкостных потоков осуществляется неэффективно, что приводит к переизбытку расходования газов, а также к несанкционированным остановкам аппарата и аварийным ситуациям. Введение ферментера в рабочий режим, является длительным и трудоемким процессом.
Проблемой изобретения является разработка ферментационной установки для культивирования метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus с возможностью стабилизации пусковых режимов ферментационной установки при сокращении последовательности операций, за счет максимально полного отделение газовой фазы от жидкой, исключения избыточного передавливания из ферментера газожидкостной смеси и его "захлебывания жидкостью".
Техническим результатом изобретения является повышение надежности и эффективности работы устройства за счет исключение аварийных ситуаций в процессе ферментации и увеличения степени использования природного газа, поступающего в ферментер, в процессе синтеза биомассы.
Согласно изобретению
Поставленная проблема и технический результат достигаются тем, что ферментационная установка для метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus включает ферментер для проведения аэробных процессов культивирования, снабженный патрубками подачи газовых и жидкостных технологических потоков, патрубками выхода полученной биомассы, отходящего газа и газожидкостной смеси, элементы для организации потоков внутри ферментера.  установка дополнительно содержит накопительную емкость для вывода полученной биомассы из ферментера, газоотделитель, эжектор и магистраль выравнивания скоростей движения газожидкостного потока, включающую линии газового потока с регулирующими вентилями. Одна линия газового потока связывает верхнюю часть ферментера с эжектором, а другая – верхнюю часть ферментера с патрубком вывода отработанного газа. Ферментер и газоотделитель соединены линией вывода газожидкостной смеси из ферментера. Эжектор и газоотделитель сверху соединены между собой по линией газового потока с регулирующим вентилем, а снизу - по линии жидкостного потока через теплообменник и центробежный насос. Элементы для организации потоков внутри ферментера расположены в нижней части ферментера и выполнены в виде двух барботажных колец, связанных с магистралями подачи природного газа и кислорода и патрубка ввода под давлением газожидкостной смеси, связанного с эжектором.
Ведение в установку магистрали выравнивания скоростей движения газожидкостного потока, включающей линию газового потока с регулирующим вентилем, связывающую ферментер с патрубком вывода отработанного газа, позволяет обеспечивать стабильность работы ферментера, положительно влияющей на эффективность процесса ферментирования, а также увеличение степени утилизации природного газа, исключить сбой в работе установки.
Выполнение элементов для организации потоков внутри ферментера в виде двух барботажных колец, связанных с магистралями подачи природного газа и кислорода и патрубка ввода под давлением газожидкостной смеси, связанного с эжектором, обеспечивают вращение потока внутри ферментера, создавая оптимальные условия проведения процесса ферментации, повышая тем самым эффективность синтеза биомассы.
Устройство иллюстрируется чертежом, на котором представлена установка для метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus.
Ферментационная установка включает ферментер 2 для выращивания бактерий, газоотделитель 2, накопительную емкость 3. В нижней части ферментера 1 расположены барботажные кольца 4 и 5, связанные с магистралями 6 и 7 подвода природного газа и кислорода, соответственно Газоотделитель 2 связан линией 8 через теплообменник 9 и центробежный насос 10 с эжектором 11 типа жидкость-газ. Магистраль выравнивания скоростей движения газожидкостного потока, включающую линию 12 газового потока с регулирующим вентилем 13, связывающую верхнюю часть ферментера 1 с эжектором 11 и линию 14 с регулирующим вентилем 15, связывающую верхнюю часть ферментера 1 с патрубком 16 для вывода отработанного газа, снабженного регулятором  17 давления. Ферментер 1 патрубком 18 - вывода полученной биомассы соединен с накопительной емкостью 3, снабженной патрубком 19 вывод полученной биомассы. Теплообменник 9 включает вход 20 охлаждающей воды и выход 21 воды из теплообменника 9. К корпусу ферментера 1 подсоединены патрубок 22 для подачи технологической воды, патрубок 23 для подачи водного раствора аммиака в ферментер, патрубок 24 для подачи раствора питательных солей и патрубок 25 выхода газожидкостной смеси. Газоотделитель 2 сверху соединен линией 26 выхода части отработанного газа (абгаза), снабженной регулирующим вентилем 27 - с эжектором 11. Из эжектора 11 через патрубок 28 газожидкостная смесь под давлением поступает в нижнюю часть ферментера 1.
Ферментационная установка для культивирования метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus работает следующим образом.
В ферментер 1 через барботажные кольца 4 и 5, соединенные с патрубками 6 и 7 поступают природный газ и кислород. Для обеспечения роста биомассы в ферментер 1 через патрубок 24 подают рабочий раствор питательных солей. Для поддержания рН в ферментере 1 через патрубок 23 подают водный раствор аммиака. Так же в ферментер 1 подают через патрубок 22 технологическую воду для организации протока в ферментере. Газожидкостная смесь из нижней части ферментера 1 через патрубок 25 за счет разницы давлений поступает в газоотделитель 2. Откуда часть отработанного газа (абгаза) выводится из процесса через патрубок 16, а оставшееся количество газа через линию 26 поступает в эжектор 11 и вводится обратно в ферментер 1. Давление в газоотделителе 2 поддерживается регулятором давления 17. Жидкая часть потока из газоотделителя 2 выходит через патрубок линии 8, проходит через теплообменик 9 для поддержания требуемой температуры жидкости и с помощью центробежного насоса 10 под напором поступает в эжектор 11. Из газоотделителя 2 по линии 26 выводится регулируемое количество газовой смеси и поступает в эжектор 11. Туда же насосом 10 постоянно подается из газоотделителя 2 через патрубок по линии 8 жидкость. В эжекторе 11 образуется газожидкостная смесь с заданным распределением пузырей газа в жидкости. И через патрубок 28 полученная смесь поступает под напором в ферментер 1, обеспечивая вращение потока внутри его. С помощью регулирующего вентиля 15 осуществляется выравнивание скоростей движения газожидкостного потока из ферментера 1 в газоотделитель 2 и жидкостного потока из газоотделителя 2 в теплообменник 9, насос 10 и эжектор 11.
Выравнивание скоростей движения газожидкостного потока из ферментера 1 в газоотделитель 2 и жидкостного потока из газоотделителя 2 в теплообменник 9 осуществляется за счет регулирующего вентиля 15. При закрытии вентиля 15 происходит уменьшение величины газового потока от ферментера 1 из патрубка 14 к газоотделителю 2, что способствует также увеличению потока газожидкостной смеси из ферментера 1 через патрубок 25 в газоотделитель 2 и, как следствие, повышается уровень рабочей жидкой среды в газоотделителе 2. При закрытии вентиля 15 происходит уменьшение величины газового потока от ферментера 1 из патрубка 14 к газоотделителю 2, что способствует уменьшению потока газожидкостной смеси из ферментера 1 через патрубок 25 в газоотделитель 2 и, как следствие, повышению уровня рабочей жидкой среды в газоотделителе 2. Настройка требуемого положения вентиля 15 обеспечивает требуемый уровень в газоотделителе 2, и как следствие, оптимальный режим газооделения в нем.
Оптимальное соотношение газовых потоков, обеспечивающих увеличение степени использования природного газа создается также за счет регулирования степени открытия вентиля 15 установленного на линии 14, связанной с патрубком 16 выходом отработанного газа, и за счет регулирования вентилей 13 и 27 на линиях выхода части отработанного газа (абгаза) в эжектор 11. Регулирующие вентили 13, 15, 27 и регулятор давления 17, установленные на магистрали выравнивания скоростей движения газожидкостного потока, обеспечивают надежную безаварийную работу всей установки, исключая "захлебывания" газожидкостной смесью газоотделителя 2 и, предотвращают аварийные ситуации и непланомерные остановки, требующие в дальнейшем пуско-наладочные работы.
Полученная биомасса из ферментера 1 поступает через патрубок 18 в накопительную емкость 3, где происходит ее накопление и вывод из системы ферментации через патрубок 19. Выравнивание давления в накопительной емкости 3 и ферментере 1 происходит за счет соединения их уравнительной газовой линией в верхней части ферментера 1 и накопительной емкости 3.
Принципиальное преимущество приведенной ферментационной установки для культивирования метанокисляющих микроорганизмов по сравнению с ранее известными - максимально полное отделение газовой фазы от жидкой в газоотделителе 2 с помощью принудительного забора ее эжектором 11 типа жидкость-газ. Как следствие, происходит снижение потерь напора центробежного насоса 10 по причине газонасыщения, за счет чего повышается эффективность работы эжектора 11, способствующего увеличению степени насыщения возвращаемой газовой смесью (абгазом) жидкости, вводимой в ферментер 1.
Пример технологического режима культивирования
Культуру Methylococcus capsulatus выращивают в ферментере 1. Процесс выращивания осуществляется в непрерывном режиме при избыточном давлении. Для проведения процесса культивирования ферментер 1 заполняют технологической водой и раствором минеральных питательных солей. В качестве основного технологического сырья процесса выращивания используется природный газ с содержанием метана не менее 90%. Процесс осуществляют в среде насыщенной кислородом. В качестве источника кислорода, для подачи в ферментер 1, может быть использован как чистый газ, так и обогащенный кислородом воздух.
В ферментере 1 поддерживают рН среды, устанавливаемый в диапазоне 5,6-5,8 ед. Данный интервал рН в аппарате поддерживается подачей в систему аммиачной воды, которая одновременно является источником азота. Рабочая температура процесса поддерживается в диапазоне 42-45°С, посредством охлаждения циркулирующей биомассы в выносном теплообменнике 9. Рабочее давление в аппарате составляет 0,5 МПа.
-1
Средняя рабочая концентрация клеток в отбираемой биомассе составляет 18÷21 г/л (АСВ), при удельной скорости протока среды через аппарат не менее 0,2 ч.
В газоотделителе 2 происходит отделение не менее 95% (по объему) газовой фазы из газожидкостной смеси, что позволяет сохранить стабильность работы центробежного насоса 10, т.е. обеспечить сохранение его основных характеристик - производительности и напора.
Организация принудительного отбора газа из газоотделителя 2 с помощью эжектора 11 и введение его в составе газожидкостной смеси в ферментер 1, позволяет обеспечить высокую степень диспергирования газовой фазы в жидкости внутри аппарата и увеличить степень использования природного газа.