Усовершенствованный петельный ферментер

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к усовершенствованному ферментационному реактору. В частности, полезная модель относится к усовершенствованному ферментационному реактору, включающему петельную часть и верхний бак.
Уровень техники
При брожении с участием метанотрофных организмов исключительно важным является дегазирование верхнего бака, так как при недостаточном дегазировании ферментационной жидкости, выделяющей отходящие газы, такие как СО2, они в определенных количествах могут становиться токсичными для метанотрофных организмов, обеспечивающих брожение в ферментационном реакторе.
Во время брожения с использованием ферментационного реактора, включающего петельную часть и верхний бак, также называемого петельным реактором, ферментационная жидкость циркулирует из верхнего бака в часть с нисходящим потоком через U-образную часть в часть с восходящим потоком, и возвращается в верхний бак. Когда ферментационная жидкость поступает в верхний бак, образуется пена вследствие имеющегося в верхнем баке незаполненного пространства.
Важно контролировать формирование пены, поскольку слишком большое количество пены может создавать опасность для процесса брожения, либо поскольку может быть использован пеногаситель, который сдерживать процесс брожения, и существует риск того, что процесс брожения может быть возобновлен; и поскольку слишком обильное пенообразование может повышать взрывоопасность, так как пена главным образом может состоять из метана, и когда он высвобождается, концентрация метана может значительно возрастать и создавать смесь с кислородом в соотношении в пределах диапазона взрываемости.
Чтобы контролировать обильное пенообразование, могут быть использованы электронные детекторы пены или датчики, однако применение электронных детекторов/датчиков пены является таким, что, когда они активируются, процесс брожения останавливается, и иногда должен быть заново запущен. Еще одной возможностью может быть добавление к ферментационной жидкости противопенной присадки для сокращения пенообразования. Однако недостаток применения пеногасителей состоит в том, что газом, создающим пену, главным образом является метан, и когда он высвобождается, концентрация выделяющегося метана в верхнем баке возрастает. Когда уровень пены является высоким, концентрация метана становится даже еще более повышенной, и соотношение между метаном и кислородом может быть в пределах диапазона взрываемости, что должно быть предотвращено. Кроме того, когда к ферментационной жидкости добавляется пеногаситель, может ухудшаться дегазирование, и добавление метана должно быть остановлено, и клетки могут периодически лишаться пищи.
Таким образом, был бы полезным усовершенствованный ферментационный реактор, и, в частности, более производительный и/или надежный ферментационный реактор, где можно контролировать как недостаточное пенообразование, так и слишком обильное вспенивание, где может быть улучшено дегазирование, где сокращаются или избегаются простои, и могут быть снижены расходы, когда были бы предпочтительными ферментирующие метанотрофные организмы.
Сущность полезной модели
Таким образом, настоящая полезная модель имеет отношение к усовершенствованному ферментационному реактору.
В частности, одна цель настоящей полезной модели состоит в создании ферментационного реактора, который разрешает вышеупомянутые проблемы прототипа, обеспечивая достаточное дегазирование, и в то же время предотвращая слишком обильное пенообразование, снижая взрывоопасность, риск того, что процесс брожения может быть остановлен, и иногда должен быть возобновлен опять.
Таким образом, один аспект полезной модели относится к ферментационному реактору, включающему петельную часть и верхний бак, причем указанная петельная часть включает часть нисходящего потока, соединенную с частью восходящего потока U-образной частью, причем верхний бак включает:
(i) первый выпускной патрубок, соединяющий верхний бак с частью нисходящего потока петельной части, и обеспечивающий возможность присутствия ферментационной жидкости в верхнем баке для протекания из верхнего бака в петельную часть;
(ii) первый впускной патрубок, соединяющий верхний бак с частью восходящего потока петельной части, обеспечивающий возможность присутствия ферментационной жидкости в петельной части для протекания из петельной части в верхний бак; и
(iii) вентиляционный патрубок для выведения отходящих газов из верхнего бака;
причем
верхний бак дополнительно включает устройство для визуального контроля.
Еще один аспект настоящей полезной модели относится к способу брожения по меньшей мере одним метанотрофным организмом, или к совместной ферментации, включающей по меньшей мере один метанотрофный организм, причем способ включает стадию:
(а) добавления по меньшей мере одного метанотрофного организма; необходимых субстратов, таких как питательные соли, регулирующие значение рН компоненты и вода; и по меньшей мере один компонент газообразного вещества,
в ферментационный реактор, включающий петельную часть и верхний бак, причем указанная петельная часть включает часть нисходящего потока, соединенную с частью восходящего потока U-образной частью, причем верхний бак включает:
(i) первый выпускной патрубок, соединяющий верхний бак с частью нисходящего потока петельной части, и обеспечивающий возможность присутствия ферментационной жидкости в верхнем баке для протекания из верхнего бака в петельную часть;
(ii) первый впускной патрубок, соединяющий верхний бак с частью восходящего потока петельной части, обеспечивающий возможность присутствия ферментационной жидкости в петельной части для протекания из петельной части в верхний бак; и
(iii) вентиляционный патрубок для выведения отходящих газов из верхнего бака;
причем
верхний бак дополнительно включает устройство для визуального контроля.
Еще один дополнительный аспект настоящей полезной модели относится к применению ферментационного реактора, включающего петельную часть и верхний бак, причем указанная петельная часть включает часть нисходящего потока, соединенную с частью восходящего потока U-образной частью, причем верхний бак включает:
(i) первый выпускной патрубок, соединяющий верхний бак с частью нисходящего потока петельной части, и обеспечивающий возможность присутствия ферментационной жидкости в верхнем баке для протекания из верхнего бака в петельную часть;
(ii) первый впускной патрубок, соединяющий верхний бак с частью восходящего потока петельной части, обеспечивающий возможность присутствия ферментационной жидкости в петельной части для протекания из петельной части в верхний бак; и
(iii) вентиляционный патрубок для выведения отходящих газов из верхнего бака;
причем
верхний бак дополнительно включает устройство для визуального контроля;
для ферментации по меньшей мере одним метанотрофным организмом.
Краткое описание фигур
Фигура 1 показывает верхний бак (1) ферментационного реактора для ферментации по меньшей мере одним метанотрофом, включающий петельную часть и верхний бак (1). Петельная часть (не показана в фигуре) включает часть нисходящего потока (не показан), соединенную с частью восходящего потока (не показана) U-образной частью (не показана), причем верхний бак (1) включает: (i) первый выпускной патрубок (2), соединяющий верхний бак (1) с частью нисходящего потока петельной части и обеспечивающий возможность присутствия ферментационной жидкости в верхнем баке (1) для протекания из верхнего бака (1) в петельную часть; (ii) первый впускной патрубок (3), соединяющий верхний бак (1) с частью восходящего потока петельной части, обеспечивающий возможность присутствия ферментационной жидкости в петельной части для протекания из петельной части в верхний бак (1); и (iii) вентиляционный патрубок (5) для выведения отходящих газов из верхнего бака. В показанной в Фигуре 1 иллюстрации верхний бак (1) был оснащен выпускным патрубком (4) для продукта, для получения биомассы (продукта брожения). В еще одном варианте исполнения выпускной патрубок для продукта может быть размещен в петельной части ферментационного реактора, и предпочтительно в U-образной части петельной части. Верхний бак (1) дополнительно оснащен устройством (6) для визуального контроля, в частности, устройство (6) для визуального контроля может быть выполнено как смотровое отверстие, или как смотровое стекло (6), необязательно, в сочетании с камерой. В дополнение к устройству (6) для визуального контроля, верхний бак (1) может быть оснащен по меньшей мере одним датчиком (8) пены внутри верхнего бака. В случае повышения уровня пены один подход для снижения уровня пены может состоять в добавлении пеногасителя через впускной патрубок (9) для пеногасителя. Чтобы улучшить визуальный контроль, верхний бак (1) может быть снабжен источником (7) света. Источник света может быть предусмотрен как индивидуальный элемент, или как встроенный элемент в смотровом стекле (6).
Теперь полезная модель будет описана более подробно в нижеследующем изложении.
Подробное описание полезной модели
Соответственно этому, автор полезной модели неожиданно обнаружил, что регулирование пенообразования и турбулентности в ферментационной жидкости в верхнем баке оказывало значительное влияние на дегазирование отходящих газов. Таким образом, обеспечение достаточного пенообразования, а также достаточной турбулентности в ферментационной жидкости приводило к улучшенной производительности процесса брожения. Таким образом, представляет интерес создание стабильной степени пенообразования в ферментационной жидкости.
Таким образом, предпочтительный аспект настоящей полезной модели относится к ферментационному реактору, включающему петельную часть и верхний бак, причем указанная петельная часть включает часть нисходящего потока, соединенную с частью восходящего потока U-образной частью, причем верхний бак включает:
(i) первый выпускной патрубок, соединяющий верхний бак с частью нисходящего потока петельной части, и обеспечивающий возможность присутствия ферментационной жидкости в верхнем баке для протекания из верхнего бака в петельную часть;
(ii) первый впускной патрубок, соединяющий верхний бак с частью восходящего потока петельной части, обеспечивающий возможность присутствия ферментационной жидкости в петельной части для протекания из петельной части в верхний бак; и
(iii) вентиляционный патрубок для выведения отходящих газов из верхнего бака;
причем
верхний бак дополнительно включает устройство для визуального контроля.
U-образная часть петельного реактора может соединять нижний участок части нисходящего потока с нижним участком части восходящего потока. Кроме того, верхний участок части восходящего потока может быть соединен с первым впускным патрубком, соединяющим верхний бак с верхним участком части восходящего потока. Первый выпускной патрубок может соединять верхний бак с верхним участком части нисходящего потока.
В данном контексте термин «ферментационный реактор» относится к реактору, включающему верхний бак, соединенный с верхними концами части нисходящего потока и части восходящего потока. Часть нисходящего потока и часть восходящего потока на нижних концах соединены посредством U-образной части.
В данном контексте термин «петельный реактор» относится к конкретному примеру ферментационного реактора.
Петельная часть согласно настоящей полезной модели относится к части нисходящего потока, части восходящего потока, а также к соединительной части на нижних концах части восходящего потока и части нисходящего потока, образованной U-образной частью. Таким образом, «петельная часть» относится к ферментационному реактору без верхнего бака.
В данном контексте термин «U-образная часть» относится к изогнутому колену, образованному в нижней части ферментационного реактора или петельного реактора, соединяющему нижние концы части восходящего потока и части нисходящего потока. Часть восходящего потока и часть нисходящего потока предпочтительно являются вертикальными или по существу вертикальными.
В данном контексте термин «верхний бак» относится к контейнеру, размещенному на верху ферментационного реактора и ответственному за удаление отходящих газов из ферментационной жидкости. Верхний бак во время работы/брожения предпочтительно только частично заполнен ферментационной жидкостью. В одном варианте осуществления полезной модели термин «частично заполнен ферментационной жидкостью» относится к соотношению 90:10 между ферментационной жидкостью и газом; такому как соотношение 80:20; например, соотношение 70:30; такому как соотношение 60:40; например, 50:50; такому как соотношение 40:60; например, соотношению 30:70; такому как соотношение 20:80, например, соотношению 10:90.
В контексте настоящей полезной модели «устройство для визуального контроля» относится к одному или многим устройствам, позволяющим квалифицированному специалисту получать непосредственную информацию о характеристиках пенообразования в верхнем баке.
В одном варианте осуществления настоящей полезной модели непосредственная информация может быть информацией в режиме реального времени о характеристиках пенообразования в верхнем баке.
В дополнительном варианте осуществления настоящей полезной модели характеристики пенообразования в верхнем баке могут включать, плотность вспенивания, высоту вспенивания, и уровень турбулентности, создаваемой в верхнем баке.
Турбулентность в верхнем баке может создаваться в ферментационной жидкости, присутствующей в верхнем баке, когда ферментационная жидкость нагнетается из части восходящего потока через первый впускной патрубок и внутрь верхнего бака.
3
3
Плотность вспенивания может быть выражением размера пузырей в пене. Чем крупнее пузыри в пене, тем меньше плотность вспенивания, меньше кг пены/м. Чем мельче пузыри в пене, тем выше плотность вспенивания, выше кг пены/м.
В одном варианте осуществления настоящей полезной модели устройство для визуального контроля может быть размещено с горизонтальным или по существу горизонтальным направлением осмотра для контроля.
В дополнительном варианте осуществления настоящей полезной модели устройство для визуального контроля может быть размещено на боковой стороне верхнего бака, чтобы обеспечивать возможность комбинированного обзора выше поверхности ферментационной жидкости и ниже поверхности ферментационной жидкости.
Устройство для визуального контроля предпочтительно может быть размещено в торце верхнего бака.
Еще более предпочтительно устройство для визуального контроля может быть размещено в торце верхнего бака, обеспечивая обзор от первого впускного патрубка (или части восходящего потока) в сторону первого выпускного патрубка (или части нисходящего потока).
В одном варианте осуществления настоящей полезной модели устройство для визуального контроля может представлять собой смотровое отверстие, камеру, или комбинацию смотрового отверстия и камеры.
Смотровое отверстие предпочтительно может представлять собой смотровое стекло.
Камера может быть встроенной камерой.
В одном варианте осуществления настоящей полезной модели верхний бак может быть оснащен источником света, чтобы улучшить визуальный контроль внутри верхнего бака. Источник света может быть выполнен как окно, позволяющее окружающему свету поступать в верхний бак, и/или как искусственный источник света, встроенный в верхний бак.
В дополнительном варианте осуществления настоящей полезной модели источник света может быть выполнен как индивидуальный элемент (например, отдельный искусственный источник света), или как встроенный в смотровое стекло элемент (например, как встроенный искусственный источник света).
В дополнение к устройству для визуального контроля, верхний бак может быть оснащен по меньшей мере одним датчиком пены внутри верхнего бака.
Чтобы избежать чрезмерного пенообразования, к ферментационной жидкости может быть добавлен пеногаситель. Таким образом, верхний бак может быть оснащен впускным патрубком для пеногасителя.
Ферментационный реактор может быть оснащен одним или многими датчиками для контроля уровня и/или добавления газообразных веществ, воды, минеральных питательных веществ, и т.д.
В одном варианте осуществления настоящей полезной модели ферментационный реактор, предпочтительно петельная часть, включает ионный сенсор или анализатор для определения содержания одной или многих ионных частиц в ферментационной жидкости, предпочтительно одна или многие ионные частицы выбираются из фосфата, кальция, водорода, нитрата, нитрита и/или аммония, предпочтительно нитрата и/или нитрита.
В дополнительном варианте осуществления настоящей полезной модели петельный реактор может быть оснащен циркуляционным насосом.
Циркуляционный насос предпочтительно может быть размещен на участке верхней половины части нисходящего потока.
В одном варианте осуществления настоящей полезной модели ферментационный реактор может включать устройство снижения скорости потока. Устройство снижения скорости потока предпочтительно может быть введено выше по потоку относительно первого впускного патрубка в верхнюю половину части восходящего потока.
В дополнительном варианте осуществления настоящей полезной модели петельная часть ферментационного реактора предпочтительно может включать один или многие газовпускные патрубки; один или многие водовпускные патрубки; и/или один или многие впускные патрубки для ферментационной среды.
Один или многие газовпускные патрубки; один или многие водовпускные патрубки; и/или один или многие впускные патрубки для ферментационной среды могут управляться компьютером. Один или многие газовпускные патрубки; один или многие водовпускные патрубки; и/или один или многие впускные патрубки для ферментационной среды предпочтительно могут управляться компьютером на основе данных, полученных от одного или многих датчиков или анализаторов.
Для создания улучшенных условий брожения может быть важным распределение в ферментационной жидкости газообразного вещества, такого как метан. Так, петельная часть ферментационного реактора может включать одно или многие активные устройства для распределения газа в ферментационной жидкости.
В одном варианте осуществления настоящей полезной модели одно или многие активные устройства для распределения газа в ферментационной жидкости представляют собой микро- или нанораспылители для введения газа в ферментационную жидкость и/или распределения в ней, и/или динамическое устройство движения, размещенное в петельной части реактора, такое как динамический смеситель.
В дополнение к динамическим смесителям, или в качестве альтернативы им, петельная часть может включать один или многие неактивные смесительные элементы. В одном варианте осуществления настоящей полезной модели один или многие неактивные смесительные элементы могут представлять собой статический смеситель.
В дополнение к важности надлежащего дегазирования в верхнем баке, может быть важным улучшение массопереноса газообразных веществ в жидкостную фазу, где газ становится доступным для биокатализаторов (например, метанотрофных организмов), энергически эффективным путем.
Кроме того, как было упомянуто, также может быть важным повышение эффективности удаления отходящего газа, чтобы улучшить перенос газа из жидкостной фазы в газовую фазу для удаления из ферментера, предпочтительно выполняемого в верхнем баке.
Эта повышенная эффективность удаления отходящего газа предпочтительно может быть обеспечена действием U-образной части петельной части под повышенным давлением.
Этот улучшенный массоперенос в сочетании с улучшенным удалением газа в верхнем баке может быть достигнут с помощью ферментационного реактора, петельного реактора, согласно настоящей полезной модели, который включает петельную часть, имеющую по существу вертикальную часть нисходящего потока, по существу вертикальную часть восходящего потока, и U-образную часть, имеющую по существу горизонтальный соединительный участок, которые соединяет нижний конец части нисходящего потока и нижний конец части восходящего потока, верхний бак, который может быть оснащен вышеуказанной петельной частью и соединяет верхний конец части нисходящего потока и верхний конец части восходящего потока.
В одном варианте осуществления настоящей полезной модели верхний бак может иметь диаметр, который является значительно бóльшим, чем диаметр петельной части, части нисходящего потока и/или части восходящего потока.
Ферментационный реактор может включать устройство для циркуляции жидкости, предпочтительно в форме циркуляционного насоса.
В одном варианте осуществления настоящей полезной модели U-образная часть ферментера может включать выпускной канал, предпочтительно размещенный в верхнем баке или в U-образной части петельной части ферментационного реактора, для выведения ферментационной жидкости.
Ферментационный реактор может включать одну или многие точки нагнетания газа, которые, согласно пожеланиям или по потребностям, размешаются в части нисходящего потока, в U-образной части и/или в части восходящего потока. Одна или многие точки нагнетания газа предпочтительно размещаются в части нисходящего потока.
Непосредственно после одной или многих точек нагнетания газа предусматривается по меньшей мере один активный смесительный элемент и/или по меньшей мере один неактивный смесительный элемент, для диспергирования газа(газов), введенного(-ных) в ферментационную жидкость.
Было продемонстрировано, что при повышении давления в U-образной части петельного реактора может обеспечиваться повышенный массоперенос из газовой фазы в жидкостную фазу. Таким образом, в U-образную часть ферментера может быть введено первое устройство регулирования давления, чтобы повышать давление по меньшей мере в первой зоне U-образной части в ферментере относительно давления во второй зоне ферментера.
В одном предпочтительном варианте осуществления настоящей полезной модели первое устройство регулирования давления может быть введено в верхний конец части нисходящего потока, и второе устройство регулирования давления может быть введено в U-образную часть ферментера и ниже по потоку относительно первого устройства регулирования давления, если рассматривать по направлению течения ферментационной жидкости.
Первое устройство регулирования давления может представлять собой клапан (например, типа имеющихся в продаже на рынке клапанов), насос, например, пропеллерный насос, коловратный насос или центробежный насос, или давление может быть повышено нагнетанием сжатого воздуха или еще одного газа, например, инертного газа. Первое устройство регулирования давления предпочтительно представляет собой пропеллерный насос, который также создает циркуляцию жидкости в ферментере.
Второе и, необязательно, третье устройство регулирования давления может быть размещено в части нисходящего потока, в части восходящего потока, или в U-образной части, но предпочтительно второе устройство регулирования давления предпочтительно размещается на участке верхней половины части восходящего потока. Третье необязательное устройство регулирования давления предпочтительно размещается на участке верхней половины части восходящего потока и ниже по потоку относительно второго устройства регулирования давления, когда рассматривается по направлению течения ферментационной жидкости. Второе и/или третье устройства регулирования давления выбираются из группы устройств, включающей клапан (например, типа имеющихся в продаже на рынке клапанов), статический смеситель, гидроциклон, насос (например, пропеллерный насос, коловратный насос или центробежный насос), вентиль для регулирования давления, пластину с отверстиями, соплами или жиклерами, или сужение диаметра или поперечного сечения части ферментера, в которой они размещены.
В одном варианте осуществления настоящей полезной модели улучшенный массоперенос газообразного вещества может быть обеспечен в U-образной части ферментационного реактора согласно настоящей полезной модели.
В дополнительном варианте осуществления настоящей полезной модели удаление отходящего газа может производиться в верхнем баке ферментационного реактора согласно настоящей полезной модели.
В одном варианте осуществления настоящей полезной модели предусматриваются устройства, чтобы обеспечивать продувание незаполненного объема для улучшения удаления отходящего газа и сокращения взрывоопасности газовых смесей, образующихся в незаполненном объеме ферментера.
Это продувание может быть достигнуто размещением устройств для газовой продувки в верхнем баке, таких как устройства для введения и/или удаления газа в незаполненном объеме. Устройство для газовой продувки предпочтительно может быть размещено выше поверхности жидкости для создания газового потока из продувочного газа в режиме спутного потока, согласованного потока или в противоточном режиме относительно течения жидкости в части верхнего бака ферментера. Устройство введения газа также может быть размещено ниже поверхности жидкости в верхней части. Альтернативно или дополнительно, удаление отходящего газа может быть интенсифицировано снижением давления в незаполненном объеме всасыванием или созданием разрежения, тем самым снижая давление в незаполненном объеме, и/или установкой устройства модифицирования течения в верхней части. Полезная модель также обеспечивает возможность рекуперации для повторного использования энергии, расходуемой для повышения давления. Это может быть достигнуто соединением второго и, необязательно, третьего устройства регулирования давления с тормозом или генератором для снижения давления посредством пропеллерного насоса. Если генератор соединен со вторым и/или третьим устройством регулирования давления, некоторая часть энергии, подведенной в систему, может быть собрана, тем самым снижая общий расход энергии.
В данном контексте термин «продувание» применяется в отношении процесса, выполняемого в верхнем баке для удаления или содействия удалению отходящего газа из незаполненного объема верхнего бака и/или из ферментационной жидкости в верхнем баке.
Верхний бак, выполненный согласно настоящей полезной модели, может быть сформирован для содержания между 1% и 99% всего объема ферментера, но предпочтительно между 10% и 60% общего объема ферментера, еще более предпочтительно между 40-50% общего объема ферментера. В одном варианте осуществления настоящей полезной модели объем верхнего бака может быть меньшим, чем объем U-образной части.
Верхний бак может быть оснащен устройством модифицирования течения жидкости или газа, чтобы содействовать перемешиванию в ферментационном реакторе, или для содействия высвобождению газовых пузырей из ферментационной жидкости. Устройство модифицирования течения жидкости или газа может представлять собой динамические смесители, отражательные перегородки или статические смесители.
Размер, то есть, как диаметр, так и высота ферментера, может варьировать согласно потребностям относительно общего объема ферментера.
В одном варианте осуществления настоящей полезной модели ферментационный реактор согласно настоящей полезной модели может быть оснащен впускным патрубком для вытеснительного газа, где вытеснительный газ может вводиться для вытеснения диоксида углерода в жидкостной фазе в фазу отделяемого отходящего газа. Патрубок для вытеснительного газа предпочтительно может быть размещен выше по потоку относительно верхнего бака и/или выше по потоку относительно первого впускного патрубка.
Вытеснительный газ, то есть газ, используемый для вытеснения диоксида углерода из фазы растворенного материала (обычно азот, но, необязательно, еще один инертный негорючий газ), может вводиться, например, в одной или многих точках от начала по существу вертикальной зоны восходящего потока, для поступления в зону удаления отходящего газа, однако в особенности предпочтительно он будет вводиться в одной или многих точках между верхним участком (например, верхних 20%, более предпочтительно верхних 10%) вертикального участка зоны восходящего потока и началом самого плоского (то есть, наиболее горизонтального) участка зоны вытекания.
В контексте настоящей полезной модели термин «вытеснительный газ» применяется в отношении процесса, проводимого в петельной части, предпочтительно в верхнем конце части восходящего потока, и содействующего удалению отходящего газа из ферментационной жидкости в газовую фазу.
В одном варианте осуществления настоящей полезной модели ферментационный реактор включает как впускной патрубок в верхнем баке для введения продувочного газа в верхний бак, так и впускной патрубок в верхнем конце части восходящего потока петельной части для введения вытеснительного газа для перемещения отходящего газа из ферментационной жидкости в газовую фазу.
Одно преимущество настоящей полезной модели состоит в том, что может быть обеспечена улучшенная утилизация газообразных веществ, добавляемых в ферментационный реактор.
Поэтому настоящая полезная модель может также относиться к ферментационному реактору, в котором по меньшей мере одно из веществ может быть газом.
Способ ферментации может включать стадии добавления ферментирующих микроорганизмов, необходимых веществ, таких как питательные соли, регулирующие значение рН компоненты и вода, и по меньшей мере один компонент газообразного вещества, такого как метан, в петельный реактор, и брожения, в то время как ферментационная жидкость циркулирует в петельном реакторе с помощью устройства циркуляции жидкости, выведения потока продукта из ферментера и, необязательно, повторного использования выделенной ферментационной жидкости (надосадочной жидкости), если имеется, в петельном реакторе.
Петельный реактор и способ ферментации микроорганизмами согласно настоящей полезной модели может включать устройство контроля давления в петельном реакторе.
2
Способ ферментации согласно настоящей полезной модели может включать стадии регулирования давления по-разному в циркулирующей ферментационной жидкости по меньшей мере в двух различных зонах в петельном реакторе с повышением давления по меньшей мере в первой зоне U-образной части/петельной части ферментационного реактора относительно давления в еще одной зоне ферментационного реактора, тем самым усиливая массоперенос по меньшей мере одного добавляемого компонента газообразного вещества, такого как метан, из газовой фазы в жидкостную фазу в этой зоне, с последующим снижением давления в еще одной зоне относительно давления в первой зоне, прежде чем циркулирующая ферментационная жидкость поступит в верхнюю часть реактора, чем инициируется высвобождение газов, таких как отходящие газы типа СО, из жидкостной фазы, и выведения газов, захваченных циркулирующей ферментационной жидкостью, в верхнем баке ферментационного реактора.
Производительность ферментационного реактора и/или процесса ферментации согласно настоящей полезной модели может быть дополнительно оптимизирована тем, что циркулирующая ферментационная жидкость испытывает периодическое изменение давления во время циркуляции в ферментере, и имеет повышенный массоперенос и растворимость газообразных веществ в жидкостной фазе в зоне, имеющей повышенное давление. Производительность также может быть улучшена высвобождением газов, таких как отходящие газы, из циркулирующей ферментационной жидкости, каковое высвобождение усиливается в зонах, где давление снижено.
Ферментационный реактор и/или способ ферментации согласно настоящей полезной модели могут быть дополнительно улучшены созданием третьей зоны между вторым устройством регулирования давления и третьим устройством регулирования давления, и регулированием давления по-разному в циркулирующей ферментационной жидкости в каждой из трех различных зон, в первой зоне, во второй зоне и в третьей зоне. Это регулирование давления в третьей зоне может проводиться повышением давления в первой зоне посредством первого устройства регулирования давления и снижением давления в последующих двух зонах (во второй зоне и в третьей зоне) в две ступени с помощью второго и третьего устройств регулирования давления.
В одном варианте осуществления настоящей полезной модели повышенное давление в петельной части ферментационного реактора, в первой зоне и/или между первым устройством регулирования давления и вторым устройством регулирования давления, может быть обеспечено приложением давления выше 0,5 бар (0,05 МПа) сверх атмосферного давления; такого как давление более 1 бар (0,1 МПа) выше атмосферного давления; например, давления более 1,5 бар (0,15 МПа) выше атмосферного давления; такого как давление более 2 бар (0,2 МПа) выше атмосферного давления; например, давления более 2,5 бар (0,25 МПа) выше атмосферного давления; такого как давление более 3 бар (0,3 МПа) выше атмосферного давления; например, давления более 3,5 бар (0,35 МПа) выше атмосферного давления; такого как давление более 4 бар (0,4 МПа) выше атмосферного давления; например, давления более 4,5 бар (0,45 МПа) выше атмосферного давления; такого как давление более 5 бар (0,5 МПа) выше атмосферного давления; например, давления более 5,5 бар (0,55 МПа) выше атмосферного давления; такого как давление более 6 бар (0,6 МПа) выше атмосферного давления; например, давления более 7 бар (0,7 МПа) выше атмосферного давления.
В еще одном варианте осуществления настоящей полезной модели повышенное давление в петельной части ферментационного реактора, в первой зоне и/или между первым устройством регулирования давления и вторым устройством регулирования давления, может быть создано приложением давления в диапазоне 0,5-10 бар (0,05-1 МПа) выше атмосферного давления; такого как давление в диапазоне 1-9 бар (0,1-0,9 МПа) выше атмосферного давления; например, давления выше 1,5-8 бар (0,15-0,8 МПа) выше атмосферного давления; такого как давление в диапазоне 2-7 бар (0,2-0,7 МПа) выше атмосферного давления; например, давления выше 3-6 бар (0,3-0,6 МПа) выше атмосферного давления; такого как давление в диапазоне 4-5 бар (0,4-0,5 МПа) выше атмосферного давления.
В еще одном дополнительном варианте осуществления настоящей полезной модели давление в верхнем баке может быть менее, чем на 0,5 бар (0,05 МПа) выше атмосферного давления; такое как на 0,25 бар (0,025 МПа) выше атмосферного давления; такое как на 0,1 бар (0,01 МПа) выше атмосферного давления; такое как примерно атмосферное давление; например, менее, чем на 0,75 бар (0,075 МПа) ниже атмосферного давления; такое как на 0,5 бар (0,05 МПа) ниже атмосферного давления; например, менее, чем на 0,25 бар (0,025 МПа) ниже атмосферного давления; такое как на 0,1 бар (0,01 МПа) ниже атмосферного давления.
Первое устройство регулирования давления предпочтительно может представлять собой насос, например, пропеллерный насос, коловратный насос или центробежный насос, специально предназначенный для циркуляции газо-жидкостной смеси. Другими подходящими средствами для повышения давления и создания циркуляции жидкости в ферментере являются, например, добавление сжатого газа, например, воздуха или инертного газа, в комбинации с устройством для циркуляции жидкости, которое может быть насосом.
Второе устройство регулирования давления согласно настоящей полезной модели может быть выбрано из ряда устройств регулирования давления, таких как: сужение диаметра/поперечного сечения части восходящего потока или U-образной части, пластина с отверстиями, жиклерами или соплами, введенная в часть восходящего потока или U-образную часть, клапан, например, клапан, регулируемый давлением в одном или многих местах в ферментере, статический смеситель, гидроциклон или насос, такой как пропеллерный насос, коловратный насос или центробежный насос.
2
Как упоминалось ранее, отделение газа в отходящие газы в ферментере может быть улучшено добавлением средств для продувания незаполненного объема и/или ферментационной жидкости в верхнем баке. Это может быть достигнуто созданием газового потока из продувочного газа для продувки незаполненного объема в режиме спутного потока, согласованного потока или в противоточном режиме относительно течения жидкости в верхней части. Отделение газа также может быть дополнительно улучшено добавлением продувочного газа (например, воздуха, СО или инертного газа, или их смесей) в верхний бак ниже поверхности жидкости для усиления отгонки газов из ферментационной жидкости в верхнем баке в незаполненный объем. Это также может быть достигнуто пропусканием ферментационной жидкости через устройство модифицирования течения в верхнем баке.
В одном варианте осуществления настоящей полезной модели ферментационный реактор и способ ферментации согласно настоящей полезной модели предусматриваются для ферментации метанотрофами.
В дополнительном варианте осуществления настоящей полезной модели ферментационный реактор может быть предназначен для ферментации метанотрофными организмами.
В одном варианте осуществления настоящей полезной модели газообразное вещество, подаваемое во время ферментации метанотрофными организмами, может содержать алкан. Алкан предпочтительно представляет собой С1-соединение. В предпочтительном варианте осуществления настоящей полезной модели алкан предпочтительно может представлять собой С1-соединение и/или С1-алкан. С1-соединение и/или С1-алкан предпочтительно может представлять собой метан, метанол, природный газ, биогаз, синтез-газ, или любую их комбинацию. Еще более предпочтительно С1-соединение и/или С1-алкан может быть метаном.
Метанотрофные организмы предпочтительно могут представлять собой метанотрофные бактерии, такие как Methylococcus Capsulatus.
Метанотрофные бактерии могут предусматриваться в совместной ферментации вместе с одной или многими гетеротрофными бактериями.
M. capsulatus
Ralstonia sp.
Bacillus brevis
Brevibacillus agri
Alcaligenes acidovorans
Aneurinibacillus danicus
Bacillus firmus
В частности, могут быть использованы следующие гетеротрофные бактерии, пригодные для совместной ферментации с ; ; ; ; ;  и . Пригодные дрожжи могут быть выбраны из видов Saccharomyces и/или Candida.
Alcaligenes acidovorans
Aneurinibacillus danicus
Bacillus firmus
Предпочтительные гетеротрофные бактерии выбираются из  (NCIMB 13287),  (NCIMB 13288) и  (NCIMB 13289), и их комбинаций.
В одном варианте осуществления настоящей полезной модели метанотрофный организм может быть генетически модифицированным метанотрофным организмом, и/или гетеротрофный организм может быть генетически модифицированным гетеротрофным организмом.
Ферментационный реактор и/или способ ферментации согласно настоящей полезной модели может иметь особую значимость для получения белка одноклеточных организмов (SCP) способами непрерывной ферментации с использованием одной культуры, например, Methylococcus capsulatus.
Предпочтительные метанотрофные бактерии представляет собой виды семейства Methylococcus, в частности, Methylococcus capsulatus, которые используют метан или метанол в качестве источника углерода, и аммиак, нитрат или молекулярный азот в качестве источника азота для синтеза белка.
Дополнительные подробности относительно подходящих модификаций петельного реактора и условий, как эксплуатировать такой петельный реактор, и обработки полученной биомассы могут быть такими, как описано в патентных документах WO 2010/069313; WO 2000/70014; WO 2003/016460; WO 2018/158319; WO 2018/158322; WO 2018/115042 и WO 2017/080987, все из которых включены ссылкой.
4
2
Первый вариант осуществления настоящей полезной модели относится к петельному реактору, причем петельный реактор включает петельную часть. Петельная часть включает часть нисходящего потока петельной части, U-образную часть, часть восходящего потока и верхний бак. Верхний бак включает вентиляционный патрубок для выпуска газа или газов, выделенных в незаполненный объем верхнего бака, также называемых отходящим газом. Наряду с петельной частью ферментационного реактора, в петельном реакторе размещены элементы для введения в ферментационный реактор газа, например, газообразного вещества, такого как метан, аммиак, атмосферный воздух, чистый кислород, или обогащенный чистым кислородом атмосферный воздух. Элементы для введения газа предпочтительно размещаются в петельной части петельного реактора, еще более предпочтительно элементы для введения газа размещаются в части нисходящего потока и/или части восходящего потока петельного реактора. Ферментационный реактор (петельный реактор) может быть оснащен насосом для циркуляции ферментационной жидкости (циркуляционным насосом) в петельном реакторе. В одном варианте осуществления настоящей полезной модели циркуляционный насос может быть смонтирован в U-образной части ферментационного реактора для циркуляции жидкой питательной среды в ферментере. Этот циркуляционный насос альтернативно, и предпочтительно, может быть размещен на верхнем участке части нисходящего потока, например, действуя как первое устройство регулирования давления. На всем протяжении части нисходящего потока и/или части восходящего потока размещаются динамические смесители и/или статический элемент для механического перемешивания, чтобы диспергировать подводимый газ в ферментационной жидкости с образованием многочисленные мелких пузырьков. Могут быть предусмотрены подводящие трубопроводы для добавления воды и питательных солей, таких как фосфат, аммоний, магний, кальций, калий, железо, медь, цинк, марганец, никель, кобальт и молибден, в форме сульфатов, хлоридов или нитратов, фосфатов и регулирующих значение рН компонентов, причем подводящие трубопроводы предпочтительно предусматриваются в части нисходящего потока и/или части восходящего потока, причем подводящие трубопроводы предпочтительно размещаются в части нисходящего потока. В ферментационном реакторе (петельном реакторе) может находиться выпускной патрубок для выпуска ферментационной жидкости, содержащей образованную биомассу и/или другие продукты как исходные материалы для обработки ниже по потоку. Выпускной патрубок может быть размещен в U-образной части и/или в верхнем баке. Петельный реактор (ферментационный реактор) также может быть снабжен одним или многими датчиками. Датчики могут быть предназначены для регистрации или определения концентраций представляющих интерес газов и/или ионов, например, СН и О, и/или по меньшей мере одного из фосфатных, аммониевых, нитратных, нитритных ионов, и иона водорода (рН), один или многие температурные датчики для детектирования температуры ферментационной жидкости в петельной части, и/или датчик пенообразования для регистрации, если в верхнем баке образуется чрезмерная пена.
Датчики могут посылать сигналы в систему обработки данных (PC) (не показана), которая может контролировать весь процесс ферментации, в том числе оборудование для обработки ниже по потоку.
Чтобы контролировать пенообразование и/или турбулентность в ферментационной жидкости в верхнем баке для обеспечения оптимизированного дегазирования отходящих газов, и тем самым повышения производительности процесса ферментации, верхний бак петельного реактора (ферментационного реактора) может быть оснащен устройством для визуального контроля. Устройство для визуального контроля предпочтительно может быть размещено с горизонтальным или по существу горизонтальным направлением осмотра для контроля. Устройство для визуального контроля может быть размещено на боковой стороне верхнего бака, чтобы обеспечивать возможность комбинированного обзора выше поверхности ферментационной жидкости и ниже поверхности ферментационной жидкости. Устройство для визуального контроля предпочтительно может быть размещено в торце верхнего бака. Устройство для визуального контроля предпочтительно может быть размещено в торце верхнего бака, обеспечивая обзор от первого впускного патрубка (или части восходящего потока) в сторону первого выпускного патрубка (или части нисходящего потока). Устройство для визуального контроля может представлять собой смотровое отверстие, камеру, или комбинацию смотрового отверстия и камеры. В одном варианте осуществления настоящей полезной модели смотровое отверстие предпочтительно может представлять собой смотровое стекло. В еще одном варианте осуществления настоящей полезной модели камера может быть встроенной камерой.
Пример обработки ниже по потоку, пригодной для полученной биомассы, чтобы выделить разнообразные фракции, может быть таким, как описано в патентном документе WO 2018/115042.
Второй вариант осуществления настоящей полезной модели относится к петельному реактору (ферментационному реактору), подобному описанному выше первому варианту осуществления, в котором давление может повышаться в конкретных зонах петельного реактора, тогда как давление является по существу равным атмосферному давлению, или, необязательно, более низкое, чем атмосферное, давление может быть предусмотрено в других зонах петельного реактора, например, в верхнем баке.
Чтобы регулировать давление в конкретных зонах петельного реактора (ферментационного реактора), одно или многие устройства регулирования давления могут быть размещены в петельном реакторе для возможности регулировать давление в ферментере так, что различные зоны ферментере имеют более высокое или более низкое давление, чем другие зоны, например, петельная часть петельного реактора.
В одном варианте осуществления настоящей полезной модели устройства, применяемые для регулирования давления, также используются для циркуляции жидкости и/или газо-жидкостной смеси в ферментере, то есть, циркуляционный насос.
В предпочтительном варианте осуществления настоящей полезной модели первое устройство регулирования давления может быть размещено наверху части нисходящего потока или в соединительных частях между верхним баком и частью нисходящего потока, например, на ее нижнем участке. Первое устройство регулирования давления предпочтительно может выполнять циркуляцию жидкости в ферментере, и в то же время создавать повышение давления, когда жидкость или газо-жидкостная смесь проходит через первое устройство регулирования давления. Первое устройство регулирования давления предпочтительно может представлять собой насос, например, циркуляционный насос, пропеллерный насос, коловратный насос или центробежный насос, в частности, предназначенный для циркуляции газо-жидкостной смеси. Другими подходящими средствами для повышения давления и создания циркуляции жидкости в ферментере являются, например, добавление сжатого газа, с целью повышения давления, и не просто для подачи питательных веществ или ингредиентов в ферментационную жидкость. Когда первое устройство регулирования давления может быть насосом, таким как пропеллерный насос, насос, например, пропеллерный насос, может приводиться в движение двигателем.
Второе устройство регулирования давления может быть размещено в петельном реакторе (ферментационном реакторе) предпочтительно в петельной части, например, в одной из части нисходящего потока или части восходящего потока, или на горизонтальном участке U-образного изгиба петельного реактора (ферментационного реактора). Второе устройство регулирования давления предпочтительно может быть размещено в части восходящего потока ферментационного реактора, так, что давление может быть повышено между первым устройством регулирования давления и вторым устройством регулирования давления, когда рассматривается по направлению течения.
Когда давление повышается в конкретной зоне ферментера, также возрастает растворимость нагнетаемых газов в жидкостной фазе. В предпочтительном варианте исполнения второе устройство регулирования давления может быть размещено на участке от середины до верха части восходящего потока ферментационного реактора (или в петельной части).
Второе устройство регулирования давления может быть выбрано из ряда устройств регулирования давления, таких как: сужение диаметра/поперечного сечения части восходящего потока или U-образной части, пластина с отверстиями, жиклерами или соплами, введенная в часть восходящего потока или U-образную часть, клапан, например, клапан, регулируемый давлением в одном или многих местах в ферментере, статический смеситель, гидроциклон или насос, такой как пропеллерный насос, коловратный насос или центробежный насос.
Петельный реактор (ферментационный реактор) может быть оснащен одним или многими устройствами детектирования давления. Одно или многие устройства детектирования давления могут быть размещены по всему петельному реактору, так, как в верхнем баке, и/или в петельной части. По меньшей мере один датчик давления предпочтительно может быть размещен в каждой из зон ферментера, работающего при различных давлениях. Устройства детектирования давления могут быть соединены с системой обработки данных, например, с компьютером, который может контролировать устройства детектирования давления, и для поддерживания оптимального давления в каждой из зон ферментационного реактора.
В отношении как первого, так и второго вариантов осуществления, как описанных выше, петельный ферментер (ферментационный реактор) согласно настоящей полезной модели может дополнительно включать один или многие датчики для определения растворенного кислорода (DO), которые также могут быть размещены в ферментере, чтобы детектировать, поддерживается ли уровень кислорода в ферментере в пределах предварительно определенного диапазона, который зависит от микроорганизма или микроорганизмов, используемых для ферментации.
Дополнительные датчики, например, для измерения температуры, величины рН, измерения удельной электропроводности, окислительно-восстановительного потенциала и различных ионов, присутствующих в жидкой питательной среде, например, аммиака, нитрита, нитрата, фосфатов, и т.д., могут быть размещены в ферментационном реакторе, в верхнем баке и/или в U-образной части.
2
4
Датчики могут включать биосенсоры, электрохимические датчики, например, ион-чувствительные электроды, или сенсоры на основе FIA (проточно-инжекционный анализ) и оптических измерений, например, спектрофотометрические устройства. Также может быть использован зонд для измерений в ближней инфракрасной области (NIR), чтобы измерять некоторые различные компоненты в жидкой питательной среде или в клетках ферментера, например, концентрацию клеток, аминокислот, метанола, этанола и/или различных ионов. Ферментационный реактор также может быть оборудован масс-спектрометрическим (MS) датчиком или электронным анализатором запахов для определения концентрации газообразных и летучих компонентов (например, СО и/или СН) в незаполненном объеме. MS-датчик или электронный анализатор запахов могут контролировать давление, созданное в ферментере, и/или добавление газообразных компонентов, например, метана, и/или воздуха/кислорода, и/или добавление газообразного аммиака, или аммиака/аммония в растворе. В U-образную часть ферментационного реактора может быть вмонтирована высокоскоростная камера, предпочтительно в связи с нагнетанием газа, для определения размера пузырьков газов в жидкой питательной среде. Размер пузырьков может быть определен методом обработки изображений по данным от высокоскоростной камеры.
В верхнюю часть ферментера также может добавляться рециркулирующая надосадочная жидкость, альтернативно она может добавляться в одном или многих положениях в U-образной части ферментационного реактора. Возвращение надосадочной жидкости из обработки ниже по потоку может сокращать общее расходование веществ, углерода и минералов, тем самым снижая расходы на процесс ферментации.
Соединительная часть может содержать или может не содержать устройство подавления вихреобразования (не показано), например, отражательные перегородки или тому подобные, сообразно потребности.
Ферментационный реактор согласно настоящей полезной модели обычно может действовать в режиме непрерывной работы, после процедур очистки и стерилизации, с последующим пусковым периодом, в котором вода, необходимые питательные соли и микроорганизмы добавляются в ферментационный реактор. Ферментационная жидкость может циркулировать в ферментационном реакторе, главным образом посредством первого устройства регулирования давления. Затем может быть начато введение газообразных веществ, и может начинаться ферментация. Когда плотность микроорганизмов достигла концентрации приблизительно 0,5-10%, и предпочтительно 1-5% (по сухому весу), ферментационная жидкость может непрерывно выводиться из ферментационного реактора, например, из верхнего бака или из U-образной части, и подвергаться обработке ниже по потоку, например, как описано в патентном документе WO 2018/115042.
Выведение ферментационной жидкости может быть инициировано одновременно с добавлением пополняющей воды, водного субстрата и/или рециркуляции надосадочной жидкости, при степени разбавления в зависимости от микроорганизмов, используемых в ферментации. Добавление компонентов субстратов в жидкостном растворе, дополнительной воды, рециркуляция надосадочной жидкости как пополнение для компенсации выводимой жидкой питательной среды, могут управляться компьютером, принимающим данные от газовых датчиков и проводящим надлежащие расчеты для подведения необходимых количеств каждого компонента, для получения оптимизированного роста организма.
Следует отметить, что варианты осуществления и признаки, описанные в контексте одного из аспектов настоящей полезной модели, также применимы к другим аспектам полезной модели.
Все патентные и непатентные литературные источники, цитированные в настоящей заявке, тем самым включены ссылкой во всей своей полноте.
Теперь полезная модель будет описано более подробно в нижеследующих неограничивающих примерах.
Ссылочные позиции
WO 2010/069313
WO 2000/70014
WO 2003/016460
WO 2018/158319
WO 2018/158322
WO 2018/115042
WO 2017/080987