РЕАКТОР ДЛЯ АЭРОБНОГО БИОСИНТЕЗА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОБНОЙ БИОМАССЫ МЕТАНОКИСЛЯЮЩИХ МИКРООРГАНИЗМОВ В ЭТОМ РЕАКТОРЕ
REACTOR FOR AEROBIC BIOSYNTHESIS AND A METHOD FOR OBTAINING MICROBIAL BIOMASS OF METHANE-OXIDIZING MICROORGANISMS IN THIS REACTOR

Изобретение относится к биохимии, а именно к устройствам для выращивания микроорганизмов, со средствами для введения газа. Реактор для аэробного биосинтеза относится к устройствам реализации химических, физических, физико-химических и биотехнологических процессов, а именно, к устройствам для выращивания  биомассы  аэробных  микроорганизмов  в жидкой среде. Изобретение может быть использовано в пищевой, агропромышленной, медицинской, микробиологической, нефтехимической промышленности для процессов синтеза различных биологических продуктов, развивающихся в жидкой, обогащенной газовыми субстратами и окислителями среде.
Предыдущий уровень техники
Известен патент РФ на изобретение № 2607782  «Биореактор для выращивания метанутилизирующих микроорганизмов».  Биореактор, оснащенный изолированными сатурационными блоками с патрубками подвода и отвода жидкостных потоков для аэрации жидкой фазы перемешивающими устройствами с принудительной подачей газовой смеси.
Недостатками предлагаемого аппарата является неоднородность аэрации рабочей среды, увеличивающаяся при отношении рабочего объема биореактора к суммарному рабочему объему сатураторов, а также увеличение конструкционной сложности при значительном увеличении рабочего объема и как следствие увеличении количества сатураторов, а также значительные энергозатраты на формировании среды достаточной газовой деспергации увеличивающейся при увеличении вязкости среды в рабочей зоне биореактора.
3
Известен  патент РФ на изобретение № 2236451 «Аппарат для аэробной жидкофазовой ферментации». Устройство выполнено в виде аппарата с эжекцией газового потока погруженными горизонтальными аэраторами, размещенными ниже слоя жидкой фазы. Перемешивание рабочей среды осуществляется направленностью потока, создаваемого аэратором, что позволяет создавать ферментационные аппараты большого объема (300 м и более).
Недостатками предлагаемого аппарата является низкий уровень однородности аэрации и низкий поток перемешивания рабочей среды, что в случае использования реактора данной конструкции для культивирования облигатных микроорганизмов с использование труднорастворимых газовых субстратов. Увеличение скорости потока добавлением аэраторов приведет к значительному увеличению энергозатрат на высокоскоростную рециркуляцию культуральной жидкости.
При использовании углеводородного субстрата, в частности метана, с применением метанкислящих микроорганизмов, обеспечивающих в присутствии растворенного кислорода синтез высокобелковой биомассы. Струйные аэраторы с эжекцией газовой смеси обеспечивают достаточную турбулизацию ферментационной среды, что позволяет эффективно использовать малорастворимые субстраты и дисперсные среды для процессов ферментации, аэраторы формируют большую поверхность контакта газовой и жидкой фазы, что приводит к увеличению скорости массопередачи питательных компонентов к клеткам и повышению выхода целевого продукта в процессе биосинтеза. В конце 20 века на микробилогических предприятиях СССР по производству микробного кормового белка применялись аппараты со струйными аэраторами разработанные в 70-е годы специалистами ГДР, имели высокие показатели массобменных характеристик.
Недостатком известных аппаратов является недостаточно полное использование насосных характеристик насосов центробежного типа по причине снижения плотности перекачиваемой жидкости вследствие ее аэрирования.
3
Задачей предлагаемого изобретения является увеличения кинетической энергии струи гравитационного аэратора при входе в слой жидкой фазы целью повышения массобменных процессов в рабочей зоне реактора, приведенной энергии, а также с обеспечением возможности минимизации энергозатрат на процесс аэробной ферментации и повышения степени использования кислорода и метана, увеличения производительности, создания промышленных эффективных установок объемом до 60 м.
Технической результат предлагаемого изобретения заключается в   повышении кинетической энергии жидкой фазы при вхождении в жидкость рабочей зоны реактора при покидании гравитационного аэратора с целью повышения массообменных процессов в зоне рабочей среды при условии диспергирования труднорастворимых газов в водной среде и для снижения энергозатрат на ее перекачивание.
Предложенное техническое решение решает задачу повышения эффективности процесса биосинтеза за счет создания физических условий увеличения площади контакта жидкой и газовой сред поступающих в рабочую среду труднорастворимых газов (кислорода и метана для метанокислящих микроорганизмов), повышения за счет этого скорости массопереноса газов из мелкодисперсных пузырьков в жидкую среду ферментации, и далее в клетки микроорганизмов, обеспечивая их интенсивный рост и повышение общей продуктивности процесса при получении целевого микробиологического продукта с снижением удельных энергозатрат на стадии ферментации.
Поставленная задача  решается за счет того, что реактор для аэробного биосинтеза представляет собой осесимметричный замкнутый корпус с побудителем расхода жидкости, трубопроводом для рециркуляции жидкой фазы и переливную камеру аэратора с патрубками для подачи газов и технологических жидкостей, а также для отвода жидкой и газовой фазы теплообменником на внешнем контуре жидкой фазы. Обогащение рабочей среды смесью газов осуществляют аэраций с использованием гравитационных струйных аэраторов с эжекционным эффектом. Для повышения насосных характеристик и повышения кинетической энергии струи аэратора реактор оснащен двухэтапной системой дегазации жидкой фазы перед рабочей камерой побудителя расхода жидкости с целью увеличения массобменных процессов.
Описание
Метанотрофные бактерии (метанотрофы) - это метаболически уникальная группа прокариотных микроорганизмов, способных использовать метан в качестве единственного источника углерода и энергии. Эти бактерии являются строгими аэробами и растут в диапазоне температур от 25 до 65°С (с оптимумом при 40-50°С) и диапазоне рН от 5.0 до 8.5 (с оптимумом при рН 5.7). Процесс биосинтеза осуществляется при температуре водной среды 41-43°С и pH 5.3-5.6.
Реактор для аэробного биосинтеза микроорганизмов содержит корпус с технологическими патрубками в его боковой части для подачи газовых сред, растворов минеральных солей и титрующих агентов, струйный аэратор, расположенный вертикально в верхней части корпуса, систему рециркуляции жидкой фазы с дегазацией и термостатированием, систему рециркуляции газовой фазы с контролем и коррекцией ее состава, а также элементами контроля, управления и отбора проб.
Изобретение поясняется чертежами,  на которых:
На фиг. 1 – изображен реактор для аэробного биосинтеза.
На фиг. 2 – изображена переливная камера аэратора.
На фиг. 3 – изображена камера дегазации.
Реактор для аэробного  биосинтеза согласно прилагаемому чертежу (Рис. 1) состоит из: корпуса [2]; соосно установленного струйного аэратора [3]; переливной камеры [4]; контура рециркуляции жидкой фазы [5]; теплообменника [6]; побудителя расхода жидкости [7]; электропривода побудителя расхода жидкости [8]; дегазатора [9]; штуцера ввода засевной биомассы [10]; сдвоенного конусовидного отбойника [11]; спрямляющей решетки [12]; штуцера датчика температуры [13] и установленного в нем датчика температуры [14]; штуцера датчика растворенного кислорода [15] и установленного в нем датчика растворенного кислорода [16]; трубчатого отборника газовой фазы с внутреннего объема конусовидного отбойника [17]; штуцера подачи питательных сред [18]; штуцера подачи титрантов [19]; трубопровода контура рециркуляции газовой фазы [20]; штуцер датчиков состава газовой фазы [21] с установленным в нем датчиками: азота [22], метана [23], кислорода [24], углекислого газа [25]; штуцера отбора газовой фазы [26]; штуцера подачи газового субстрата (метана) [27];  штуцера подачи газового окислителя (кислород или воздушная смесь) [28]; трубопровод отбора газовой фазы от дегазатора [29]; штуцера аварийной подачи азота [30]; аварийного клапана [31];  разрывной мембраны [32]; штуцера датчика температуры контура рециркуляции жидкой фазы на выходе из теплообменника [33]; датчика температуры контура рециркуляции жидкой фазы на выходе из теплообменника [34]; штуцера отвода теплоносителя из теплообменника [35]; штуцера ввода теплоносителя в теплообменник [36]; штуцера отбора микробной суспензии [37]; стерилизуемого порта отбора образцов микробной суспензии [38]; тороидального края верхнего края аэратора [39]; штуцера ввода жидкой фазы в дегазатор [40]; штуцер вывода жидкой фазы из дегазатора [41]; ячеистого рассекателя потока [42].
Корпус [2] соединен: со струйным аэратором [3]; с переливной камерой [4]  через  входной/выходной трубопровод контура циркуляции газовой фазы [20]; с дегазатором [9]  через выходной контур жидкой фазы [5]. Дегазатор [9], соединен с переливной камерой [4]  через трубопровод отбора газовой фазы [29]  и с побудителем расхода жидкости [7],  который снабжен электроприводом [8]  и сообщается с  теплообменником [6]. Теплообменник [6]  через входной контур рециркуляции жидкой фазы [5]  сообщается с переливной камерой [4]. Входной контур рециркуляции жидкой фазы [5]  содержит штуцер датчика температуры [33]  контура рециркуляции жидкой фазы [5]  на выходе из теплообменника [6]. В месте соединения теплообменника [6]  с побудителем расхода жидкости [7] дополнительно расположен датчик температуры  на входе контура рециркуляции жидкой фазы в теплообменник [6].
Реактор для аэробного биосинтеза работает следующим образом.
1. Побудитель расхода жидкости [7] при воздействии привода [8] забирает из нижней части корпуса [2] жидкую фазу после спрямляющей решетки [12], отбойников [11], дегазатора [9] и нагнетает её через теплообменник [6], в котором происходит термостатирование до требуемой температуры, в переливную камеру [4] аэратора [3] (Рис. 2).
2. При переливе жидкой фазы через тороидальный, строго горизонтально ориентированный край [39] верхней части аэратора [3], жидкая фаза под действием гравитации устремляется вниз по сужающемуся каналу. Благодаря эффекту эжекции обеспечивается циркуляция газовой фазы из верхней внутренней зоны корпуса в переливную камеру [4] аэратора [3] по трубопроводу рециркуляции газовой фазы [20], за счет формирования зоны разряжения в верхней части аэратора из-за падения жидкости c большой скоростью в сужающемся канале.  Падающая на высокой скорости жидкая фаза, турбулизируясь и перемешиваяь с газовой фазой проходит первый этап насыщения газами.
3. Смесь жидкой и газовой фазы на выходе из аэратора [3] с большой скоростью входит в слой жидкой фазы внутри корпуса реактора создает нисходящую сильно турбулизированную среду состающую из жидкости и мелко дисперсионных пузырьков с целью увеличения площади соприкосновения газовой и жидкой фазы для улучшения массобменных процессов. Таким образом, проходит второй этап насыщения газами. Следует учесть, что диаметр рабочей зоны корпуса [2] не должен быть больше 1/4 ее высоты при этом длина аэратора [3] не менее 3-х диаметров рабочей зоны.
4. В нижней части рабочей зоны реактора турбулентный поток частично корректируется спрямляющей решеткой [12] и, отражаясь от сдвоенного отбойника [11], направляется к боковым стенкам, затем потоки рабочей среды малой плотности перемещаются вверх, постепенно дегазируясь, а потоки большей плотности за счет создания зоны разряжения побудителем расхода жидкой фазы [7], направляются к контуру рециркуляции жидкой фазы [5] в нижней части корпуса [2] в пространство между отбойником [11] и внутренними стенками корпуса. Газовая фаза, формирующаяся под сдвоенным отбойником, отводится по трубопроводу в зону газовой фазы в внутренней верхней части корпуса.
5. Дегазацию жидкой фазы на первом этапе дегазации производят за счет создания зоны разряжения в нижней части корпуса [2] и расслоения потоков большой и малой плотности рабочей среды. Второй этап дегазации осуществляют в дегазаторе [9] (Рис. 3) с ячеистым рассекателем потока, установленного перед рабочей камерой побудителя расхода жидкой фазы [7]. Газ насыщенность непрерывного потока жидкой фазы перед входом в камеру побудителя расхода жидкости [7] таким образом снижают до уровня 2-3%. Длину дегазатора [9] определяют по формуле L/V>h/u, где h-высота потока микробной суспензии внутри дегазатора, u – скорость всплытия пузырьков (~0.2-0.3 м/с). Проводя работы по дегазации жидкой фазы подаваемой в гравитационный аэратор увеличивают кинетическую энергию потока после покидания им аэратора [3] при его входе в слой жидкости рабочей зоны за счет большей удельной массы и как следствие - формирование большего количества мелкодисперсионных пузырей в рабочей зоне, а также получают более эффективное проявление эжекционного эффекта в аэраторе [3] за счет скорости прохождения жидкости в аэраторе (сопле эжектора), что в совокупности приведет к увеличению массообменных характеристик аппарата на 8-10% без значительного увеличения затрат на работу побудителя расхода жидкости [7].
6. При непрерывном режиме ферментации в реактор вносят водные растворы минерального питания, титрующие растворы, газовый углеродосодержащий субстрат и окислитель. Поток наработанной микробной суспензии постоянно выводят из аппарата.
7. В очищенный чистый простерилизованный реактор подают воду в количестве от 70 до 80% номинального объема.
8. Вводят водный раствор ортофосфорной кислоты до достижения требуемой концентрации фосфора.
9. Доводят концентрацию азота подачей водного раствора аммиачной воды.
10. Производят запуск циркуляционного насоса жидкой фазы [7].
11. Термостатирование жидкой фазы производят непрерывно в автоматическом режиме в теплообменнике [6], установленном в контуре циркуляции жидкой фазы [5]. Добиваются стабильной температуры жидкой фазы в диапазоне 42-44°С управляя температурой теплоносителя. Контроль температуры жидкой фазы определяют по показаниям датчиков температуры [15], установленных в рабочей зоне реактора.
12. Одновременно реактор продувают инертным газом (допускается применение азота) для снижения концентрации кислорода до не более 5% объема. Контроль концентрации кислорода контролируют в отходящей из реактора газовой смеси.
13. Контроль концентрации растворенного кислорода в жидкой фазе осуществляют погружными в рабочую среду датчиками растворенного кислорода [14] в верхней части корпуса реактора.
14. Водные растворы минерального питания подаются внутрь рабочей камеры до достижения требуемых концентраций в соответствии с требованиями культивирования через штуцер [17].
15. Вводят титрующие растворы для получения значения кислотности среды (рН = 5.7). При избытке азота титрование осуществляют раствором гидроксида натрия.
16. Двуокись углерода, образующаяся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов в жидкой среде переходя в газовую фазу накапливается с содержанием до 50 об.% и являясь флегматизатором или балластирующим газом, предотвращающим образование взрывоопасных газовых смесей в системе культивирования, влияет на режимы газообеспечения системы культивирования, которые должны выдерживаться, исходя из условий, исключающих образование взрывоопасных смесей.
17.  Одновременно контролируют состав газовой фазы, осуществляют в автоматическом режиме на основании данных получаемых от датчиков концентрации кислорода [22], метана [23], углекислого газа [24] и азота [25] в газовой фазе. Контроль давления и состава газа осуществляют непрерывно.
18. В целях обеспечения безопасности при пуске реактора сначала подают природный газ и устанавливают его расход в соответствии с режимом газообеспечения.
19. Расход воздуха устанавливают из расчета достижения концентрации растворенного кислорода в жидкой фазе 15 - 30% от насыщения при атмосферном давлении. Концентрация кислорода в отходящих газах должна быть от 7 до 9 %. При концентрации кислорода в отходящих газах более 10% принимают меры по обеспечению рабочей концентрации кислорода (от 7 до 9%) путем увеличения подачи природного газа или снижения подачи воздуха, или путем подачи в реактор азота (инертного газа). Содержание кислорода в газовой фазе реактора постоянно контролируют по датчику кислорода [21].
20. При достижении стабильных требуемых параметров среды внутрь реактора подают засевную биомассу из расчета создания требуемой концентрации, после чего доводят уровень жидкой фазы до 100% рабочего объема.
21. Обеспеченность кислородом микробной культуры, синтезируемой в реакторе, определяют по остаточной рабочей концентрации растворенного кислорода, которая регулируется путем увеличения парциального давления в системе культивирования, повышением рабочего давления в реакторе или за счет увеличения расхода воздуха. Увеличение расхода воздуха осуществляют в соответствии с концентрацией растворенного кислорода в жидкой фазе в рабочей зоне и в газовой фазе реактора. Концентрацию кислорода в газовой фазе и концентрацию растворенного кислорода жидкой фазе внутри рабочей зоны реактора осуществляют постоянно.
3
22. Расход природного газа регулируют исходя из необходимости обеспечения подачи 1.4 кг метана (или 2.7 нм природного газа с содержанием метана не менее 97 об.%) на 1 кг образующегося абсолютно сухого вещества (АСВ). При выходе на режим непрерывного культивирования и в режиме накопления концентрация метана в отработанной газовой смеси после реактора может быть до 80%. При этом обеспечивают состав газовой смеси газовой фазы добавляя метан и воздух в необходимых пропорциях при необходимом давлении.
23. Одновременно питательную среду подают непрерывно по потребности микроорганизмов в источниках минерального питания из расчета обеспечения остаточных концентраций по азоту и фосфору в заданных пределах и не допускают его значительного изменения в меньшую сторону. Композиция элементов в растворах и их концентрации в процессе работы корректируют для обеспечения оптимального солевого питания.
24. В процессе непрерывного культивирования осуществляют непрерывную подачу солевого раствора из расчета поддержания в среде культивирования остаточных концентраций азота и фосфора.
25. Изменение рабочего давления среды биосинтеза осуществляют регуляторами расхода газа на вводных трубопроводах в реактор. Контроль и регулирование состава газовой смеси в условиях изменения давления производят непрерывно. Для ограничения давления в реакторе установлен предохранительный клапан [31], который отрегулирован на начало открытия 0.345 МПа, что соответствует превышению давления в сосуде на 15% от максимального рабочего давления. На случай несрабатывания предохранительного клапана на аппарате установлено несколько предохранительных разрывных мембран [32], расчет количества предохранительных мембран и толщины мембранных пластин выполняется специализированной организацией, разрывающихся под давлением 0,375 МПа, что соответствует превышению давления в сосуде на 25% от максимального рабочего давления, равному 0.3 МПа.
26. Из реактора непрерывно отбирают определенное количество бактериальной суспензии при непрерывной подаче всех компонентов питательной среды, природного газа и воздуха. Одновременно в реакторе автоматически поддерживают постоянный уровень жидкости путем регулирования подачи воды, не допуская резких изменений с целью поддержания постоянной и стабильной скорости синтеза. Скорость протока регулируют подачей воды и питательных растворов. В зависимости от скорости протока корректируют поток питательной среды (фосфор с макро- и микроэлементами) с целью поддержания оптимальных остаточных концентраций солей.
27. При отборе микробной суспензии из реактора производят ее отстаивание для дегазации растворенных в ней газов.
Исходя из всего вышеизложенного, предлагаемый реактор для аэробного биосинтеза и способ получения микробной биомассы метанокисляющих микроорганизмов в этом реакторе является промышленно применимым.
Перечень позиций:
1. Реактор для аэробного биосинтеза
2. корпус;
3. струйный аэратор;
4. переливная камера;
5. трубопровод контура рециркуляции жидкой фазы;
6. теплообменник;
7. побудитель расхода жидкости;
8. электропривод побудителя расхода жидкости;
9. дегазатор;
10. штуцер ввода засевной биомассы;
11. сдвоенный конусовидный отбойник;
12. спрямляющая решетка;
13. штуцер датчика температуры;
14. погружной датчик температуры;
15. штуцер датчика растворенного кислорода;
16. датчик растворенного кислорода;
17. трубчатый отборник газовой фазы с внутреннего объема конусовидного отбойника;
18. штуцер подачи питательных сред;
19. штуцер подачи титрантов;
20. трубопровод контура рециркуляции газовой фазы;
21. штуцер датчиков состава газовой фазы;
22. датчик азота;
23. датчик метана;
24. датчик кислорода;
25. датчик углекислого газа;
26. штуцер отвода газовой фазы (абгаз);
27. штуцер подачи газового субстрата (метана);
28. штуцер подачи газового окислителя (кислород или воздушная смесь);
29. трубопровод отбора газовой фазы от дегазатора;
30. штуцер аварийной подачи азота;
31. предохранительный клапан;
32. предохранительная разрывная мембрана;
33. штуцер датчика температуры контура рециркуляции жидкой фазы на выходе из теплообменника;
34. датчик температуры контура рециркуляции жидкой фазы на выходе из теплообменника;
35. штуцер отвода теплоносителя из теплообменника;
36. штуцер ввода теплоносителя в теплообменник;
37. штуцер отбора микробной суспензии;
38. стерилизуемый порт отбора образцов микробной суспензии;
39. тороидальный край верхнего края аэратора;
40. штуцер ввода жидкой фазы в дегазатор;
41. штуцер вывода жидкой фазы из дегазатора;
42. ячеистый рассекатель потока.