СИСТЕМЫ ФЕРМЕНТАЦИИ С ПОДАЧЕЙ ГАЗА
FERMENTATION SYSTEMS WITH GAS SUPPLIES

Область техники
Настоящее изобретение в целом относится к сосудам, системам и способам, используемым при ферментации и, в частности, к системам ферментации, использующим газообразный субстрат.
Уровень техники
При всевозрастающем истощении залежей ископаемого топлива, увеличивающемся производстве парниковых газов и недавнем беспокойстве об изменении климата, приоритетом промышленной деятельности стала замена ископаемого топлива на биологические виды топлива (например, этиловый спирт, биодизельное топливо). Но, с биологическими топливами, вырабатываемыми до настоящего времени, связаны свои собственные недостатки и затруднения. Первые биологические виды топлива были получены из растений (например, крахмал, тростниковый сахар и масла, вырабатываемые из зерна, рапса, сои, пальмы и другие растительные масла), но эти используемые для производства топлива сельскохозяйственные культуры конкурируют с сельскохозяйственными культурами, выращиваемыми для потребления человеком и животными. Количество имеющихся в глобальном масштабе сельскохозяйственных угодий недостаточно для удовлетворения увеличивающихся потребностей как для продовольствия, таки для топлива. Для уменьшения требований, выдвигаемых к производителям продовольствия, относительно зерновых культур, подходящих для выработки биологического топлива, в настоящее время разрабатывают биологические топлива второго поколения, использующие альтернативный биологический материал, такой как целлюлоза или морские водоросли. Но технические трудности при производстве, наряду с высокой стоимостью производства, не делают биологические топлива второго поколения рентабельными или доступными.
2
2
Биологические топлива третьего или следующего поколения производят при использовании альтернативного, не основанного на продовольствии, углеродного исходного сырья. Как часть этих усилий все возрастающее внимание привлекает использование альтернативных, не основанных на биологии, типов исходного сырья при выработке соединений типа высших углеводородов, включая топлива, смазочные материалы и пластические массы. Такие типы исходного сырья могут включать одно или большее количество углеродсодержащих соединений или смеси содержащих и не содержащих углерод соединений, включая, среди других, метан и синтетический газ. Метан, например, сравнительно широко распространен, встречается в естественных условиях и во многих местах по всему миру. Метан также образуется в ходе многих процессов биологического распада и, таким образом, может быть получен из устройств переработки отходов и очистки сточных вод. Ввиду своей относительной распространенности метан представляет собой сильнодействующий парниковый газ, имеющий в 23 раза больший относительный парниковый эффект, чем CO. Ранее метан рассматривали в качестве достаточно ценного побочного продукта, который трудно преобразовать в более ценные продукты или транспортировать на рынок из отдаленных или малодоступных мест, таких как отдаленные газовые месторождения или эксплуатационные морские платформы. Метан из таких источников, а также метан, выработанный процессами биологического разложения, имеющими место в устройствах очистки сточных вод и на полигонах захоронения отходов, в основном выбрасывают в атмосферу или сжигают. Возможность экономного и эффективного преобразования метана и аналогичных углеродсодержащих газов в один или большее количество C углеводородов или выше позволило бы производителям использовать в своих интересах относительно широко распространенное, произведенное небиологическим образом, исходное сырье, обеспечивая, в то же самое время, значительные экологические преимущества.
Недавнее повышение внутреннего производства метана (от 48 миллиардов кубических футов в эквиваленте в сутки в 2006 г. до 65 миллиардов кубических футов в эквиваленте в сутки в 2012 г.) привело к понижению стоимости природного газа до рекордно низких уровней (от примерно $14,00 / (миллион британских тепловых единиц) в 2006 г. до примерно $2,50 / (миллион британских тепловых единиц) в 2012 г.). Добываемый на территории страны природный газ получают в основном посредством гидравлического разрыва (фрэкинга) пласта, но метан может также быть получен из других источников, таких как полигоны для захоронения отходов и сточные воды. Но летучесть метана делает проблематичным его транспортировку и/или непосредственное использование в качестве топлива.
По этим причинам существует сильный стимул для преобразования метана в один или большее количество жидких продуктов, например, моторное топливо, для обеспечения возможности более легкой транспортировки в точку использования или продажи. В настоящее время используют два основных подхода: ожижение, приводящее к сжиженному природному газу, и химическая конверсия, преобразующая газ в жидкость (Patel, 2005, 7-ой Всемирный конгресс по химическому машиностроению, Глазго, Шотландия, Великобритания). Процесс Фишера-Тропша в настоящее время представляет собой самый распространенный подход для преобразования больших количеств метана в углеводороды высшего порядка (Patel, 2005). Отметим, что процесс Фишера-Тропша использует на входе синтетический газ, выработанный из природного газа посредством парового риформинга (синтетический газ может также быть выработан при газификации каменного угля посредством высокотемпературной реакции с водой и кислородом). Процесс Фишера-Тропша дает нефтепродукты, согласующиеся с современной технологией поставки топлива, но обладает многими недостатками, включая низкий выход, недостаточную селективность (делающую сложным использование вниз по потоку), и требует значительных капиталовложений и большого масштаба для достижения экономичности производства (Spath и Dayton, декабрь 2003 г., NREL1TP-510-34929). Крупный масштаб, необходимый для завода по процессу Фишера-Тропша (обычно превышающий два миллиарда долларов в капитальных затратах [Patel, 2005]), также представляет собой существенный ограничивающий фактор вследствие большого количества исходного сырья в виде метана, необходимого для возмещения огромных капитальных затрат для реализации процесса Фишера-Тропша. Поскольку в большинстве случаев транспортировка метана чрезвычайно дорога, такой завод должен быть размещен рядом с устойчивым, надежным и экономически эффективным источником метана, обычно в виде значительного месторождения метана или трубопровода для метана. Дополнительный фактор, связанный со стоимостью и масштабом завода, состоит в экономике технологий промывки газа (Spath and Dayton, 2003), поскольку катализаторы Фишера-Тропша весьма чувствительны к обычным загрязнителям, обнаруживаемым в природном газе, которые проходит неизменными через процесс конвертации синтетического газа.
Требования легкого доступа к большим объемам относительно чистого содержащего метан газа вместе с большими капиталовложениями в настоящее время ограничивают успешную и экономически жизнеспособную работу основанных на природном газе заводов по процессу Фишера-Тропша только несколькими местами во всем мире (Spath and Dayton, 2003). Высокое требование к минимальной обработке, предъявляемое к процессу превращения газа в жидкость или к заводу по ожижению природного газа, в комбинации с высокой стоимостью транспортировки приводит к тому, что остается еще меньше источников метана в виде малодоступных газовых месторождений. Такой малодоступный газ может включать, не ограничиваясь этим, природный газ, добытый из платформенных нефтяных скважин, или метановый отходящий газ из полигонов для захоронения отходов. Вследствие отсутствия в настоящее время эффективных маломасштабных конверсионных технологий, такие малодоступные газовые источники обычно выбрасывают газ в атмосферу или сжигают его в факеле, поскольку накопление метана представляет значительный риск для безопасности. Устройства для преобразования газа в жидкости посредством процесса Фишера-Тропша работали полунепрерывным образом с 1938 г. Несколько компаний в настоящее время исследуют возможность построения новых заводов, учитывая описанные выше текущую доступность и цену метана. Однако, несмотря на значительный научно-исследовательский прогресс за последние 70 с лишним лет, недостатки технологии Фишера-Тропша препятствуют широкому использованию коммерческих процессов превращения газа в жидкости.
1
2
1
2
2
2
1
Ввиду вышеуказанных недостатков биологическая ферментация, использующая C-субстраты в качестве источника углерода, представляет собой привлекательное техническое решение как в отношении имеющей место конкуренции между источниками продовольствия и ферментацией для выработки химикатов/топлив, так и в отношении отсутствия хороших возможностей для использования природного газа. Однако, ферментация газообразных субстратов, таких как метан, CO или CO приводит к значительным затруднениям вследствие требования, что содержащий углерод субстрат должен быть переведен из газовой фазы в водную фазу для обеспечения возможности поглощения и метаболизма посредством метаболизирующих C нефотосинтетических микроорганизмов в культуре. Одновременно, другие газы, такие как 0 или H, также могут быть переведены из газовой фазы для обеспечения возможности развития клеточного метаболизма (аэробный или анаэробный метаболизм, соответственно). Побочные продукты (такие как CO в случае аэробного метаболизма) должны быть быстро удалены из реактора для обеспечения возможности эффективного микробного роста. Кроме того, поскольку тепловыделение от метаболизма C-субстратов значительно, система должна быть подвергнута непрерывному охлаждению для поддержания оптимальных условий для микробного роста.
Конвективный массообмен из жидкой фазы в фазу пара может быть описан посредством коэффициента массообмена. Поток равен произведению коэффициента массообмена, площади поверхности и разности концентраций (Поток = kАΔС).
На коэффициент массообмена влияет ряд факторов, включая размер передаваемой молекулы, ее растворимость в водной фазе и размер пограничного слоя между фазами (обычно управляемый в системах ферментации посредством одновременного изменения скорости и турбулентности). Площадь поверхности между газовой и жидкой фазами в большинстве систем ферментации в основном ограничена размером пузырьков во входном газе. Размером пузырьков можно управлять посредством введения газа через малые поры, а также посредством увеличения усилий сдвига для разбиения пузырьков и предотвращения коалесценции. Разность концентраций может представлять собой разность концентраций при прохождении через пограничный слой газовой фазы, разность концентраций при прохождении через пограничный слой жидкой фазы, разность концентраций между основным объемом пара и паром, который должен быть в равновесии с основным объемом жидкости, или разность концентраций между основным объемом жидкости и жидкостью, которая должна быть в равновесии с основным объемом пара. В большинстве систем ферментации разностью концентраций управляема посредством давления газовой фазы.
Обычные системы ферментации (биореакторы) достигают смешивания газа посредством одного из двух способов: перемешиванием или подачей газа снизу. Ферментаторы с мешалкой достигают смешивания посредством перемешивающих лопастей, обычно размещенных центрально в отдельном большом ферментаторе. Лопасти мешалки образуют турбулентность и напряжение сдвига в жидкости при введении газовых пузырьков у основания ферментатора, препятствуя, таким образом, продвижению пузырьков при их перемещении вверх по ферментатору и прилагая напряжение сдвига к газовым пузырькам для уменьшения тенденции к слипанию пузырьков внутри фермента тора. Преимущество этого типа ферментаторов состоит в быстром, относительно однородном перемешивании и диспергировании газовых пузырьков, что возможно вследствие высокой скорости перемешивающих лопастей. Однако, этот тип ферментатора может быть трудно масштабируемым, поскольку при увеличении объема требования к энергопотреблению для получения той же самой степени перемешивания и массопереноса могут быть неприемлемыми. Кроме того, энергичное перемешивание подразумевает значительное нагревание ферментируемой жидкости, а использование отдельного большого ферментатора ограничивает площадь поверхности, доступную для охлаждающего теплообмена.
Ферментаторы с подачей газа снизу избегают использования механических мешалок посредством использования пути потока для жидкости. Ферментаторы с подачей газа снизу содержат секцию нисходящего потока и секцию восходящего потока, которые взаимосвязаны на обоих концах; причем эти секции могут быть выполнены в виде отдельных устройств (называемых петельным ферментатором), или концентрическим образом (ферментатор с подачей газа снизу). В обоих случаях газы вводят у основания секции восходящего потока через вырабатывающее пузырьки устройство. Происходитсмешивание пузырьков с жидкостью, что уменьшает плотность жидкости и приводит к подъему газожидкостной смеси через секцию восходящего потока. Поднимающаяся смесь вытесняет жидкость наверху реактора, которая выполняет перемещение вниз по секции нисходящего потока, заменяя жидкость у основания и устанавливая циркуляционный поток в ферментаторе. Для получения большого времени пребывания газовых пузырьков в жидкости ферментаторы с подачей газа снизу обычно выполняют высокими с ограниченной площадью поперечного сечения. Это подразумевает, что газ следует подавать при относительно высоком давлении для преодоления гидростатического давления, образованного столбом жидкости, присутствующей в ферментаторе. Кроме того, происходит значительное увеличение размера пузырьков в ферментаторе при уменьшении давления с высотой. Увеличивающийся диаметр пузырька пропорционально уменьшает коэффициент массообмена между пузырьками газа и жидкой фазой посредством уменьшения отношения объема газового пузырька (пропорционального кубу радиуса газового пузырька) к площади газового пузырька (пропорциональной квадрату радиуса газового пузырька), посредством чего может происходить массообмен. Расходы потока и усилия сдвига в ферментаторах с подачей газа снизу значительно ниже, чем в ферментаторах с мешалкой, что также способствует увеличению слияния пузырьков и уменьшению эффективности охлаждения ферментатора. Наконец, выделение неиспользованных и отходящих газов из смеси, выходящей из секции восходящего потока ферментатора, до возвращения жидкости в секцию нисходящего потока может быть проблематичным.
Раскрытие изобретения
1
В качестве одной особенности настоящего изобретения предложены способ и устройство для эффективного массообмена газообразных субстратов для микробной ферментации. Кроме того, настоящее раскрытие изобретения предлагает способ ферментации газообразного углеродсодержащего исходного сырья при использовании культуры, первоначально содержащей метаболизирующий C нефотосинтезирующий микроорганизм. В качестве еще одной особенности настоящего изобретения предложена доступная масштабированию конструкция ферментатора, обеспечивающая возможность высокого потока при массообмене газовой фазы в жидкую фазу в дополнение к эффективному теплообмену и удалению отходящего газа. Предложены системы и способы ферментации, преодолевающие известные в этой области техники недостатки и предлагающие новые способы для оптимальной выработки разнообразных продуктов.
1
1
Такие системы ферментации могут использовать один или большее количество видов микроорганизмов, которые избирательно способны метаболизировать C-соединения. Такие микроорганизмы включают прокариоты или бактерии, такие как Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium, Methanomonas, Methylophilus, Methylobacillus, Methylobacterium, Hyphomicrobium, Xanthobacter, Bacillus, Paracoccus, Nocardia, Arthrobacter, Rhodopseudomonas или Pseudomonas. В некоторых случаях метаболизирующие C микроорганизмы могутвключать метанотрофы, метилотрофы или их комбинации. Предпочтительные метанотрофы включают Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium, Methanomonas или их комбинации. Взятые в качестве примераметанотрофы включают Methylomonas sp. 16а (Американская коллекция типовых культурРТА 2402), Methylosinus trichosporium (Коллекция культур Северной региональной исследовательской лаборатории В-11, 196), Methylosinus sporium (Коллекция культур Северной региональной исследовательской лаборатории В-11, 197), Methylocystis parvus (Коллекция культур Северной региональной исследовательской лаборатории В-11, 198), Methylomonas methanica (Коллекция культур Северной региональной исследовательской лаборатории В-5 11 199), Methylomonas ulb us (Коллекция культур Северной региональной исследовательской лаборатории В-11, 200), Methylobacter capsulatus (Коллекция культур Северной региональной исследовательской лаборатории В-11, 201), Methylobacterium organophilum (Американская коллекция типовых культур 27, 886), Methylomonas sp. AJ-3670 (FERM P-2400), Methylomicrobium alcaliphilum, Methylocella silvestris, Methylacidiphilum infernorum, Methylibium petroleiphilum, Methylosinus trichosporium OB3b, Methylococcus capsulatusBath, Methylomonas sp. 16a, Methylomicrobium alcaliphilum 20Z, или их быстрорастущие варианты. Предпочтительные метилотрофы включают Methylobacterium extorquens, Methylobacterium radiotolerans, Methylobacterium populi, Methylobacterium chloromethanicum, Methylobacterium nodulans или их комбинации.
1
1
Микроорганизмы, способные к метаболизации C-соединений, обнаруженных в синтетическом газе, включают, не ограничиваясь этим, Clostridium, Moorella, Pyrococcus, Eubacterium, Desulfobacterium, Carboxydothermus, Acetogenium, Acetobacterium, Acetoanaerobium, Butyribaceterium, Peptostreptococcus или их комбинации. Взятые в качестве примераметилотрофы включают Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahli, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxydivorans, Butyribacterium methylotrophicum, Clostridium woodii, Clostridium neopropanologen или их комбинации. В некоторых случаях метаболизирующие C микроорганизмы представляют собой эукариоты, такие как дрожжи, включая Candida, Yarrowia, Hansenula, Pichia, Torulopsis или Rhodotorula.
1
1
1
В других случаях метаболизирующий C нефотосинтезирующий микроорганизм представляет собой облигатный метаболизирующий C нефотосинтезирующий микроорганизм, такой как облигатный метанотроф, облигатный метилотроф или их комбинации. В некоторых случаях метаболизирующий C нефотосинтезирующий микроорганизм представляет собой рекомбинантный микроорганизм, содержащий чужеродный полинуклеотид, кодирующий фермент, производящий жирную кислоту, фермент ассимиляции формальдегида или их комбинации.
Краткое описание чертежей
Размеры и относительные положения элементов показаны на чертежах не обязательно в правильном масштабе. Например, различные элементы и углы не показаны в правильном масштабе, а некоторые из этих элементов произвольно увеличены и размещены так, чтобы улучшить удобочитаемость чертежа. Кроме того, определенные формы элементов в начерченном виде не предназначены для передачи любой информации относительно фактической формы конкретных элементов и были выбраны исключительно для простоты чтения чертежей.
На фиг. 1 показан перспективный вид взятого в качестве примера сосуда ферментатора, содержащего множество полых трубопроводов для текучей среды, размещенных внутри сосуда для выполнения множества нисходящих путей потока между каждым трубопроводом из множества полых трубопроводов для текучей среды и окружающим сосудом и множества восходящих путей потока внутри каждого трубопровода из множества полых трубопроводов для текучей среды; нисходящие и восходящие пути потока соединены посредством текучей среды таким образом, что по меньшей мере часть потока в нисходящем пути потока входит в полый трубопровод для текучей среды с обеспечением по меньшей мере части потока в восходящем пути потока, согласно одному или большему количеству из показанных вариантов реализации настоящего изобретения.
2
На фиг. 2 показана блок-схема взятой в качестве примера системы ферментации, содержащей дополнительные подсистему охлаждения, подсистему противодавления и подсистему разделения, которые по одиночке или в комбинации используются при ферментации газообразного субстрата для выработки одного или большее количество газообразных или жидких C-углеводородов или больше согласно одному или большему количеству вариантов из показанных вариантов реализации настоящего изобретения.
На фиг. 3 показан вид в разрезе взятого в качестве примера ферментатора, содержащего отдельный полый трубопровод для текучей среды, размещенный внутри окружающего сосуда с образованием нисходящего пути потока и восходящего пути потока и прикрепленное внешним образом устройство перемещения текучей среды, направляющее поток по нисходящему пути потока и по восходящему пути потока, согласно одному или большему количеству вариантов из показанных вариантов реализации настоящего изобретения.
На фиг. 4 показан вид в разрезе взятого в качестве примера ферментатора, содержащего множество полых трубопроводов для текучей среды, по меньшей мере частично окруженных сосудом с образованием множества нисходящих путей потока и восходящих путей потока и прикрепленное внешним образом устройство перемещения текучей среды, направляющее поток и по нисходящему пути потока и по восходящему пути потока, согласно одному или большему количеству вариантов из показанных вариантов реализации настоящего изобретения.
На фиг. 5 показан вид в разрезе взятого в качестве примера ферментатора, содержащего множество полых трубопроводов для текучей среды, по меньшей мере частично окруженных сосудом с образованием множества нисходящих путей потока и восходящих путей потока и прикрепленное внешним образом устройство перемещения текучей среды, которое вызывает поток через нисходящий путь потока и направляет поток по восходящему пути потока, согласно одному или большему количеству вариантов из показанных вариантов реализации настоящего изобретения.
На фиг. 6 показан вид в разрезе взятого в качестве примера ферментатора, содержащего множество полых трубопроводов для текучей среды, по меньшей мере частично окруженных сосудом с выпуклым дном с образованием множества нисходящих путей потока и восходящих путей потока и прикрепленное внешним образом устройство перемещения текучей среды, которое вызывает поток через нисходящий путь потока и направляет поток по восходящему пути потока согласно одному или большему количеству вариантов из показанных вариантов реализации настоящего изобретения.
На фиг. 7 показана блок-схема высокого уровня для способа ферментации, включающего дополнительное охлаждение и в нисходящем пути потока и в восходящем пути потока, согласно одному или большему количеству вариантов из показанных вариантов реализации настоящего изобретения.
На фиг. 8 показана блок-схема высокого уровня для способа ферментации, включающего при необходимости удержание ферментатора при повышенном давлении посредством использования подсистемы противодавления, согласно одному или большему количеству вариантов из показанных вариантов реализации настоящего изобретения.
На фиг. 9 показана блок-схема высокого уровня для способа ферментации, включающего при необходимости удержание ферментатора при повышенном давлении посредством использования подсистемы противодавления, разделение многофазной смеси, удаленной из ферментатора в дополнительной подсистеме разделения, и рециркуляция по меньшей мере части разделенной многофазной смеси назад к фермента тору согласно одному или большему количеству вариантов из показанных вариантов реализации настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
В последующем описании определенные специфические подробности приведены для ясного понимания различных вариантов реализации настоящего изобретения. Однако, специалисту в данной области техники понятно, что изобретение может быть реализовано и без этих подробностей. В других случаях структуры и подробности конструкции стандартных сосудов, подробные параметры конструкции имеющихся компонент, таких как устройства распределения текучей среды или газа, насосы, турбины и аналогичное оборудование, подробности, относящиеся к конструкции и построению сосудов под давлением согласно Американскому обществу инженеров-механиков (ASME), к теории системы управления, к конкретным операциям в одном или большем количестве процессов ферментации и т.п. не показаны или описаны подробно, чтобы избежать ненужного затемнения описания вариантов реализации настоящего изобретения. Если контекст не требует иного, то повсюду в описании изобретения и в последующих пунктах формулы изобретения слово «содержать» и его варианты, такие как «содержит» и «содержащий», должны быть рассмотрены в открытом включительном смысле, то есть как «включающий, не ограничиваясь этим». Кроме того, заголовки использованы здесь только для удобства и не интерпретируют объем или сущность заявленного изобретения.
Повсюду в этом описании ссылка на «один вариант реализации настоящего изобретения» или на «вариант реализации настоящего изобретения» означает, что определенная особенность, структура или характеристика, описанная в связи с вариантом реализации настоящего изобретения, включена по меньшей мере в один вариант реализации настоящего изобретения. Таким образом, появление фраз «в одном варианте реализации настоящего изобретения» или «в варианте реализации настоящего изобретения» в различных местах повсюду в этом описании изобретения не обязательно означает, что они все имеют отношение к одному и тому же варианту реализации настоящего изобретения.
Кроме того, конкретные особенности, структуры или характеристики могут быть скомбинированы любым подходящим образом в одном или большем количестве вариантов реализации настоящего изобретения. Кроме того, при использовании в настоящем описании изобретения и в прилагаемых пунктах формулы изобретения формы единственного числа относятся и к множественным объектам, если только контекст явно не указывает на иное. Следует также отметить, что термин «или» обычно применен в смысле, включающем «и/или», если только контекст явно не указывает на иное.
2
1
1
2
2
Ферментаторы обычно определяют, как любой сосуд, в котором проводится процесс ферментации. Поскольку имеет место значительное количество процессов ферментации и большое разнообразие способных к ферментации субстратов, диапазон ферментаторов простирается от простых реакторов непрерывного действия с механическим перемешиванием, находящих применение в промышленности изготовления алкогольных напитков, до чрезвычайно сложных специализированных сосудов, содержащих устройства распределения газа и внутренние структуры, предназначенные для конкретного субстрата и/или конкретного биологического вида. Ферментаторы, полезные при преобразовании содержащих углерод газов, таких как метан и синтетический газ (смесь CO и H), в газообразные и жидкие углеводороды с более длинной цепью, обычно диспергируют газообразный субстрат, содержащий углеродное С-соединение, внутрь жидкой среды, содержащей один или большее количество питательных сред для выполнения многофазной смеси. Эту многофазную смесь подают в одну или большее количество микробиологических колоний, преобразующих часть углеродсодержащего C-соединения(-ий) в газовом субстрате в более предпочтительные соединения с более длинной цепью типа C или больше. Состав субстрата, питательные среды и микробиологические организмы, составляющие колонию (то есть, биомассу внутриферментатора), могут по-разному быть отрегулированы или приспособлены для выполнения желательной конечной матрицы С-соединений или больше, которые могут присутствовать в виде жидкого, газообразного или внутриклеточного материала.
С точки зрения массообмена ферментаторы газообразного субстрата представляют собой уникальную задачу, в которой субстрат захвачен внутрь газового пузырька и для выполнения микробиологического поглощения субстрата газообразный субстрат должен сначала пройти из газового пузырька к микробиологическим организмам или непосредственно или косвенно посредством растворения в жидких средах. Таким образом, такие процессы ферментации часто ограничены способностью системы облегчать и/или поддерживать желательный высокий уровень массообмена субстрата из газовых пузырьков к микробиологическим организмам внутри ферментатора. Коэффициент массообмена из газового пузырька в окружающие жидкие среды или к микробиологическим организмам зависит, по меньшей мере, от давления газа внутри газового пузырька, отношения объема газового пузырька к его площади поверхности и от времени контакта газового пузырька с окружающей жидкостью или микробиологическими организмами. Увеличение давления внутри газового пузырька или увеличение времени контакта газового пузырька с окружающей жидкостью или микробиологическими организмами приводят к более высокой эффективной скорости массопередачи между субстратом и микробиологическими организмами. Уменьшение отношения объема газового пузырька к его площади поверхности (то есть, уменьшение диаметра газовых пузырьков) приводит к более высокой эффективной скорости массопередачи между газовым пузырьком и окружающей жидкостью. Следовательно, идеальный ферментатор должен иметь большое количество газовых пузырьков относительно малого диаметра при относительно высоком давлении, которые удержаны в близком или непосредственном контакте с окружающей жидкостью или микробиологическими организмами в течение длительного периода времени.
1
2
Здесь описано множество систем, способов и устройств ферментации, способных создавать пузырьки газа сравнительно высокого давления и относительно малого диаметра. Здесь описано множество систем, способов и устройств ферментации, способных обеспечивать длительное время контакта с окружающей жидкостью и/или с биологическим организмом(-ами). Такие системы, способы и устройства ферментации способны выгодным образом создавать весьма эффективную систему ферментации газообразного субстрата, которая была найдена особенно полезной при преобразовании С-соединений в более предпочтительные газообразные, жидкостные и внутриклеточные С-соединения или больше.
1
1
При использовании здесь термины «C-субстрат» или «C-соединение» относятся к любым содержащим углерод молекуле или соединению, в которых отсутствует связь углерод-углерод. Взятые в качестве примера молекулы или соединения включают метан, метанол, формальдегид, муравьиную кислоту или их соли, моноксид углерода, двуокись углерода, синтетический газ, метиламины (например, монометиламин, диметиламин, триметиламин), метилтиолы или метил галогены.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
При использовании здесь термины «метаболизирующий C микроорганизм» или «метаболизирующий С нефотосинтезирующий микроорганизм» относятся к любому микроорганизму, обладающему способностью использовать одноуглеродный (C)субстрат в качестве источника энергии или в качестве единственного источника энергии и биомассы и способного или неспособного использовать другие углеродные субстраты (такие, как сахара и сложные углеводы) в качестве источника энергии и биомассы. Например, метаболизирующий C микроорганизм способен окислять C-субстрат, например, метан или метанол. Метаболизирующие C микроорганизмы включают бактерии (например, метанотрофы и метилотрофы) и дрожжи. По меньшей мере в некоторых случаях метаболизирующий C микроорганизм не включает фотосинтезирующий микроорганизм, например, морские водоросли. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения метаболизирующий C микроорганизм представляет собой «облигатный метаболизирующий C микроорганизм», что означает, что его единственный источник энергии представляет собой C-субстраты и ничто иное.
1
При использовании здесь термин «метилотрофная бактерия» относится к любым бактериям, способным к окислению органических соединений, не содержащих связи углерод-углерод. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения метилотрофная бактерия может быть метанотрофом. Например, термин «метанотрофные бактерии» относится к любым метилотрофным бактериям, которые обладают способностью окислять метан в качестве их основного источника углерода и энергии. Взятые в качестве примераметанотрофные бактерии включают Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium или Methanomonas. В некоторых других вариантах реализации настоящего изобретения метилотрофная бактерия представляет собой «облигатную метилотрофную бактерию», которая относится к бактериям, которые ограничены использованием C-субстратов для выработки энергии.
При использовании здесь термин «бактерия, использующая СО» относится к бактерии, которая в естественных условиях обладает способностью окислять моноксид углерода (СО) как источник углерода и энергии. В качестве источника моноксида углерода может быть использован «синтетический газ», смесь моноксида углерода и водорода, полученная в результате газификации любого органического исходного сырья, например, угля, угольной нефти, природного газа, биомассы и органических отбросов. В разряд бактерий, использующих моноксида углерода, не включены бактерии, которые должны быть генетически модифицированы для роста на моноксиде углерода в качестве их источника углерода.
2
2
2
При использовании здесь термин «синтетический газ» относится к смеси, содержащей, по меньшей мере, моноксид углерода (СО) и водород (H). По меньшей в некоторых случаях синтетический газ может также включать CO, метан и другие газы в количествах, меньших, чем СО и H. Синтетический газ может быть подготовлен посредством использования любого существующего процесса, включая, но не ограничиваясь этим, конверсию водяного газа или процесс газификации каменного угля.
При использовании здесь термин «рост» определен как любое увеличение клеточной массы. Это может происходить посредством клеточного деления (репликации) и формирования новых клеток во время «сбалансированного роста» или во время «несбалансированного роста», при увеличении клеточной массы вследствие накопления одного или большего количества внутриклеточных или межклеточных полимеров, таких как определенные липиды. В последнем случае рост может проявляться в виде увеличения размера клетки вследствие накопления биополимера внутри клетки. Во время «сбалансированного роста клеток» все исходное сырье (доноры электронов и акцепторы электронов) и все питательные среды присутствуют в количествах, необходимых для построения всех макромолекулярных компонентов клетки. Таким образом, никакое исходное сырье или питательная среда не ограничивают синтез белков, сложных углеводных полимеров, жиров или нуклеиновых кислот. Напротив, во время «несбалансированного роста клеток» исходное сырье или питательная среда, необходимые для построения одной или большего количества макромолекул клетки, не присутствуют в количестве или в отношении, необходимом для сбалансированного роста. В соответствии с этим это исходное сырье или питательная среда становятся ограничивающими и названы «лимитирующей питательной средой.»
Некоторые клетки могут все же достигать чистого прироста при несбалансированных условиях, но рост несбалансированный и будет происходить накопление полимеров, которые могут быть синтезированы в отсутствие лимитирующего исходного сырья или питательной среды. Эти полимеры включают липиды или внутриклеточные продукты хранения, такие как полидроксиалконоаты, включая полигидроксибутират, полигидроксивалерат и полигидроксигексаноат - гликоген, или секретируемые материалы, такие как внеклеточный полисахарид. Такие масляные составы полезны при производстве биопластических масс.
Взятые в качестве примера условия сбалансированного и несбалансированного роста может быть отличны по содержанию азота в среде. Например, азот составляет примерно 12% от веса сухой клетки, что означает, что должно быть подано 12 мг/л азота (вместе с исходным сырьем и другими питательными средами при заданных стехиометрических отношениях) для роста 100 мг/л веса сухой клетки. Если другое исходное сырье и питательные среды существуют в количествах, необходимых для образования 100 мг/л веса сухой клетки, но азот подан в количестве меньше 12 мг/л, то может иметь место несбалансированный рост клеток с накоплением полимеров, не содержащих азот. Если азот подан впоследствии, то запасенный полимер может служить исходным сырьем для клетки, обеспечивая возможность сбалансированного роста с репликацией и производством новых клеток.
При использовании здесь термин «ростовой цикл» в применении к клетке или к микроорганизму означает метаболический цикл, по которому происходит перемещение клетки или микроорганизма в условиях культивирования. Например, цикл может включать различные стадии, такие как лаг-фазу, фазу экспоненциального роста, конец фазы экспоненциального роста и стационарную фазу.
При использовании здесь термин «экспоненциальный рост», «рост в экспоненциальной фазе», «фаза логарифмического роста» или «рост в фазе логарифмического роста» относятся к скорости, с которой микроорганизмы растут и выполняют деление. Например, в течение фазы логарифмического роста микроорганизмы растут со своей максимальной скоростью, задаваемой их генетическим потенциалом, природой среды и условиями, при которых происходит их рост. Темп роста микроорганизмов постоянен во время экспоненциальной фазы и микроорганизмы выполняют деление и удвоение количества с регулярными интервалами. «Активно растущие» клетки представляют собой клетки, растущие в фазе логарифмического роста. Напротив, «стационарная фаза» относится к той точке в ростовом цикле, во время которой рост клеток в культуре замедлен или даже прекращен.
При использовании здесь термин «изменяющая рост окружающая среда»относится к энергии, химикатам или живым существам, обладающих способностью или замедлять рост клеток или уничтожать клетки. Ингибиторы могут включить мутагены, лекарственные средства, антибиотики, ультрафиолетовый свет, экстремальную температуру, значение рН фактора, метаболические побочные продукты, органические химикаты, неорганические химикаты, бактерии, вирусы и т.п.
1
1
При использовании здесь термин «быстрорастущий вид» относится к организму, микроорганизму, бактерии, дрожжам или клетке, способным к росту с С-субстратом, таким как метан или метанол, в качестве исключительного источника углерода и энергии и обладающим скоростью роста экспоненциальной фазы, которая быстрее скорости роста для родительского, контрольного или дикого типа организма, микроорганизма, бактерии, дрожжей или клетки, то есть, быстрорастущий вид имеет меньшее время удвоения и, следовательно, высокую скорость роста и продуктивность клеточной массы на грамм метаболизируемого C-субстрата по сравнению с родительской клеткой (см., например, Патент США №6689601).
При использовании здесь термин «биологическое топливо» относится к топливу, по меньшей мере частично полученному из «биомассы».
При использовании здесь термин «биомасса» относится к возобновляемому ресурсу биологического происхождения.
При использовании здесь термин «биоперерабатывающее предприятие» относится к предприятию, которое совмещает процессы и оборудование преобразования биомассы для производства топлива из биомассы.
При использовании здесь термин «перерабатывающее предприятие» относится к нефтеперерабатывающему предприятию, или к его составляющим, на котором могут быть обработаны нефтяные составы (например, биомасса, биологическое топливо или ископаемые виды топлива, такие как сырая нефть, уголь или природный газ). Обычные процессы, выполняемые на таких перерабатывающих предприятиях, включают крэкинг, переэтерификацию, реформинг, дистилляцию, гидрообработку, изомеризацию или любую их комбинацию.
При использовании здесь термины «рекомбинантная» или «искусственная» относятся к организму, микроорганизму, клетке, молекуле нуклеиновой кислоты или переносчику, которые претерпели по меньшей мере одно генетическое изменение или были модифицированы посредством введения чужеродной молекулы нуклеиновой кислоты, или относятся к клетке, которая была изменена таким образом, что экспрессией эндогенной молекулы нуклеиновой кислоты или гена можно управлять. Термин «рекомбинантная» также относится к клетке, полученной из клетки, содержащей одну или большее количество таких модификаций. Например, рекомбинантные клетки могут давать экспрессиюгенов или других молекул нуклеиновой кислоты, которые не были обнаружены в идентичной форме внутринативной клетки (то есть, немодифицированной клетки или клетки дикого типа), или могут давать измененную картину экспрессии эндогенных генов, таких генов, которые в противном случае могут быть сверхэкспрессируемыми, недостаточно экспрессируемыми, минимально экспрессируемыми или не экспрессируемыми вообще. В другом примере генетические модификации молекул нуклеиновой кислоты, кодирующих ферменты или их функциональные фрагменты, могут обеспечивать биохимическую реакцию(-и) или возможности метаболического пути к рекомбинантному микроорганизму или клетке, которая является новой или изменена из ее естественного состояния.
При использовании здесь термин «чужеродная» молекула нуклеиновой кислоты, конструкция или последовательность относится к молекуле нуклеиновой кислоты или к части последовательности молекулы нуклеиновой кислоты, которая не является нативной к клетке, в которой имеет место ее экспрессия или представляет собой молекулу нуклеиновой кислоты с измененной экспрессией по сравнению с нативными уровнями экспрессии в подобных условиях. Например, чужеродная управляющая последовательность (например, промотор, ген - усилитель) может быть использована для регулировки экспрессии гена или молекулы нуклеиновой кислоты способом, отличным от того, посредством которого ген или молекула нуклеиновой кислоты обычно экспрессируют в природе или культуре. Обычно, чужеродные молекулы нуклеиновой кислоты не эндогенны к клетке или части генома, в которых они присутствуют, и были добавлены к клетке посредством конъюгации, трансформации, трансфекции, электропорации и т.п.
1
1
Системы для ферментации согласно настоящему изобретению могут включать отдельные блоки (например, блоки или системы обработки, которые размещены в непосредственной близости или рядом друг с другом или нет), интегрированные блоки или сама система может быть взаимосвязанной и интегрированной. Системы согласно настоящему изобретению могут использовать по меньшей мере одно газообразное исходное сырье, включая одно или большее количество С-соединений, кислород и/или водород. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения система ферментации использует метаболизирующий С микроорганизм (например, метанотроф, такой как Methylosinus trichosporium OB3b, Methylococcus capsulatusBath, Methylomonas sp. 16a, Methylomicrobium alcaliphilum 20Z, или их быстрорастущие виды или комбинации) в качестве основного микроорганизма в культуре ферментации.
1
Множество методов культивирования может быть использовано для описанных здесь микроорганизмов, бактерий и дрожжей. Например, метабол изирующие C микроорганизмы, такие как метанотрофные или метилотрофные бактерии, могут быть выращены посредством способов периодического культивирования и непрерывного культивирования. Обычно клетки в фазе логарифмического роста часто ответственны за массовую выработку продукта или в некоторых системах представляют промежуточный интерес, тогда как в других системах может быть получена выработка в стационарной или постэкспоненциальной фазе.
Классический способ периодического культивирования использует замкнутую систему, в которой размещен материал среды, причем культивирование начато и не претерпеваетизменений в ходе процесса культивирования. Таким образом, среда затравлена в начале процесса культивирования одним или большим количеством выбранных микроорганизмов и затем ей обеспечивают возможность роста, не добавляя ничего к системе. При использовании здесь «периодическое» культивирование означает, что не происходит изменения интенсивности первоначально добавленного конкретного источника углерода, тогда как во время культивирования может иметь место управление такими факторами, как рН и концентрация кислорода, и их изменение. В периодических системах составы метаболита и биомассы претерпевают постоянное изменение вплоть до времени окончания культивирования. В периодического культурах клетки (например, бактерии, такие как метилотрофы) будет обычно переходить из статической лаг-фазы в обладающую высокой скоростью роста логарифмическую фазу и затем в стационарную фазу, где темп роста уменьшен или остановлен (что в конечном счете приведет к некрозу клеток, если условия не изменятся).
Система периодической ферментации с добавлением субстрата представляет собой разновидность обычной системы периодической ферментации, в которой представляющий интерес углеродсодержащий субстрат добавляют в дозах по мере развития культивирования. Системы периодической ферментации с добавлением субстрата полезны при вероятном замедлении метаболизма клетки вследствие катаболитной репрессии и при желательности иметь ограниченные количества субстрата в среде. Поскольку затруднительно измерить фактическую концентрацию субстрата в системах периодической ферментации с добавлением субстрата, оценка была проведена на основании изменений значений измеримых факторов, таких как рН-фактор, количество растворенного кислорода и парциальное давление отходящих газов. Способы периодического культивирования и периодического культивирования с добавлением субстрата распространены и известны в этой области техники (см., например, Tomas D.Brock, Биотехнология: Учебник по промышленной микробиологии, 2-е изд. (1989), Sinauer Associates, Inc., Сандерленд, Массачусетс; Deshpande, 1992, Appl. Biochem. Biotechnol. 36:227).
Системы непрерывного культивирования представляют собой системы, «открытые» в том смысле, что определенные культурные среды непрерывно добавляют в биореактор, а равное количество использованной («подвергнутой обработке») среды одновременно удаляют из обработки. Системы непрерывного культивирования обычно поддерживают клетки при постоянной высокой плотности жидкой фазы, причем клетки в основном находятся в фазе логарифмического роста. В качестве альтернативы непрерывное культивирование может практиковаться с иммобилизированными клетками (например, с биопленкой) при непрерывном добавлении углерода и питательных сред и непрерывном удалении полезных продуктов, побочных продуктов и отходов производства из клеточной массы. Иммобилизация клеток может быть достигнута при использовании широкого диапазона твердых подложек, состоящих из природных материалов, синтетических материалов или их комбинаций.
Непрерывное или полунепрерывное культивирование обеспечивает возможность изменения одного или большего количества факторов, воздействующих на рост клеток или концентрацию конечного продукта. Например, согласно одному способу могут поддерживать ограничивающую питательную среду на фиксированном уровне (например, источник углерода, азот) и обеспечивать возможность изменения всех других параметров со временем. В других вариантах реализации настоящего изобретения некоторые воздействующие на рост факторы могут быть непрерывно изменены, а концентрация клеток, измеряемая мутностью среды, сохранена постоянной. Цель системы непрерывного культивирования состоит в поддержании стационарных условий роста при балансе между потерей клеток вследствие удаления среды и скоростью роста клеток. Способы изменения питательных сред и факторов роста для процессов и методик непрерывного культивирования с целью максимизации скорости выработки продукта известны в этой области техники (см. Brock, 1992).
1
1
1
1
1
1
1
В определенных вариантах реализации настоящего изобретения культурные среды содержат углеродсодержащий субстрат как источник энергии для микроорганизма, метаболизирующего C. Подходящие субстраты включают C-субстраты, такие как метан, метанол, формальдегид, муравьиная кислота (формиат), моноксид углерода, двуокись углерода, метилированные амины (метиламин, диметиламин, триметиламин и т.д.), метилированные тиолы, или метиловые галогены (бромометан, хлорметан, иодометан, дихлорметан и т.д.). В определенных вариантах реализации настоящего изобретения культурные среды могут содержать отдельный С-субстрат в качестве единственного источника углерода для метаболизирующего С микроорганизма, или могут содержать смесь двух или большего C-количества субстратов (смешанный состав C-субстратов) в качестве множественных источников углерода для метаболизирующего C микроорганизма.
1
1
2
3
4
1
1
Кроме того, известно, что некоторые метаболизирующие C организмы используют субстраты, отличные от C-субстратоа, такие как сахар, глюкозамин или разные аминокислоты, для метаболической активности. Например, некоторые виды Candida могут метаболизировать аланин или олеиновую кислоту (Sulter и др., Arch. Microbiol. 153:485-489, 1990). Methylobacterium extorquens AM1 способен к росту на ограниченном количестве C, C и C-субстратов (Van Dien и др., Microbiol. 149:601-609, 2003). В качестве альтернативы метаболизирующий C микроорганизм может быть рекомбинантным видом, обладающим способностью использовать альтернативные углеродистые субстраты. Следовательно, совершенно понятно, что источник углерода в культурных средах может представлять собой смесь углеродистых субстратов, с соединениями, содержащими один или большее количество атомов углерода, в зависимости от выбранного метаболизирующего C микроорганизма.
1
1
1
1
1
В определенных вариантах реализации настоящего изобретения предложен способ изготовления топлива, включающий конверсию биомассы из культуры, в основном содержащей метаболизирующий C нефотосинтезирующий микроорганизм, в нефтяной состав и переработку нефтяного состава в топливо. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения метаболизирующий C нефотосинтезирующий микроорганизм представляет собой облигатный метаболизирующий С нефотосинтезирующий микроорганизм, такой как облигатный метанотроф или метилотроф. В дополнительных вариантах реализации настоящего изобретения метаболизирующий С нефотосинтезирующий микроорганизм представляет собой рекомбинантный микроорганизм, содержащий чужеродный полинуклеотид, кодирующий фермент, производящий жирную кислоту, фермент ассимиляции формальдегида, или их комбинации. В дальнейших вариантах реализации настоящего изобретения нефтяной состав получен или извлечен из клеточной мембраны метаболизирующего C нефотосинтезирующего микроорганизма, такого как метилотроф или метанотроф.
1
1
1
1
1
В определенных вариантах реализации настоящего изобретения предложен способ выработки топлива посредством переработки масляного состава в блоке переработки с целью выработки топлива, причем нефтяной состав получен из метаболизирующего C нефотосинтезирующего микроорганизма, такого как метилотроф или метанотроф. В дальнейших вариантах реализации настоящего изобретения способ дополнительно включает использование блока обработки для экстрагирования нефтяного состава из метаболизирующего C нефотосинтезирующего микроорганизма. В дальнейших вариантах реализации настоящего изобретения способ включает: (а) культивирование метаболизирующей C бактерии в присутствии исходного сырья, содержащего C-субстрат в контролируемом блоке культивирования, причем культивируемая бактерия вырабатывает масляный состав; (b) экстрагирование масляного состава из культивируемой бактерии в блоке обработки; и (с) очистку экстрагированного нефтяного состава в блоке очистки для выработки топлива. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения C-субстрат исходного сырья представляет собой метан, метанол, формальдегид, муравьиную кислоту, моноксид углерода, двуокись углерода, метиламин, метилтиол или метилгалоген.
1
В определенных вариантах реализации настоящего изобретения предложен способ выработки натуральных продуктов, таких как этиловый спирт, ацетат, бутанол, одноклеточный белок, сахар или другие метаболиты или клеточные продукты, причем натуральный продукт получен из метаболизирующего C нефотосинтезирующего микроорганизма, такого как метилотроф или метанотроф.
1
В других вариантах реализации настоящего изобретения способ дополнительно включает использование блока обработки для экстрагирования натурального продукта из метаболизирующего C нефотосинтезирующего микроорганизма.
1
1
1
В дополнительных вариантах реализации настоящего изобретения способ включает(а) культивирование метаболизирующих C бактерий в присутствии исходного сырья, содержащего C-субстрате контролируемом блоке культивирования, причем культивируемые бактерии вырабатывают натуральный продукт; (b) экстрагирование натурального продукта из культивируемых бактерий в блоке обработки; и (с) очистку натурального продукта с выработкой коммерческого продукта. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения C-субстрат исходного сырья представляет собой метан, метанол, формальдегид, муравьиную кислоту, моноксид углерода, двуокись углерода, метиламин, метилтиол или метилгалоген.
1
1
1
1
1
В определенных вариантах реализации настоящего изобретения предложен способ выработки натуральных и искусственных продуктов, таких как этиловый спирт, ацетат, бутанол, изопрен, пропилен, фарнезин, ферменты или другие метаболиты или клеточные продукты, причем продукт получен из генетически модифицированного метаболизирующего C нефотосинтезирующего микроорганизма, такого как метилотроф или метанотроф, который был преобразован посредством чужеродной нуклеотидной последовательности. В других вариантах реализации настоящего изобретения способ дополнительно включает использование блока обработки для экстрагирования продукта из генетически модифицированного метаболизирующего C нефотосинтезирующего микроорганизма. В дополнительных вариантах реализации настоящего изобретения способ включает (а) культивирование генетически модифицированных метаболизирующих C бактерий в присутствии исходного сырья, содержащего C-субстрат в контролируемом блоке культивирования, причем культивируемые бактерии вырабатывают натуральный продукт; (b) экстрагирование натурального продукта из культивируемых бактерий в блоке обработки; и (с) очистку натурального продукта с выработкой коммерческого продукта. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения C-субстрат исходного сырья представляет собой метан, метанол, формальдегид, муравьиную кислоту, моноксид углерода, двуокись углерода, метиламин, метилтиол или метилгалоген.
1
В определенных вариантах реализации настоящего изобретения предложен способ выработки натуральных и искусственных продуктов, таких как этиловый спирт, ацетат, бутанол, изопрен, пропилен, фарнезин, ферменты или другие метаболиты или клеточные продукты, причем продукт получен из метабилизирующего не C микроорганизма, такого как Escherichia coli, Saccaromyces cerevisiae или другого обычного технологического микроорганизма. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения субстрат исходного сырья представляет собой глюкозу, сахарозу, глицерин, целлюлозу или другое исходное сырье с несколькими атомами углерода в молекуле.
На фиг. 1 показан взятый в качестве примера ферментатор 100, содержащий множество полых трубопроводов 102 для текучей среды (для ясности на фиг. 1 показан только один трубопровод), размещенных внутри внутреннего пространства 106, образованного сосудом 108. Сосуд 108 может содержать одну или большее количество стенок 110, дно 124 и дополнительную крышку 126, которая частично или полностью окружает полый трубопровод 102 для текучей среды, сосуд 108 или и то, и другое. По меньшей мере часть пространства, существующего между множеством полых трубопроводов 102 для текучей среды и сосудом 108, образует один или большее количество нисходящих путей 114 потока, через которые может идти нисходящий поток 116. По меньшей мере часть пространства, существующего внутри каждого трубопровода из множества полых трубопроводов 102 для текучей среды, образует один или большее количество восходящих путей 118 потока, через которые может идти восходящий поток 120. Один или большее количество распределителей 130 текучей среды могут быть размещены в сосуде 108, на нем или около него для введения одной или большего количества жидкостей в нисходящие пути 114 потока. Один или большее количество газораспределителей 132 могут быть размещены в сосуде 108, на нем или около него для введения одного или большего количества газов или газообразных субстратов к нисходящие пути 114 потока. Такое размещение полого трубопровода 102 для текучей среды внутри сосуда 108 выгодным образом обеспечивает возможность более точного и более последовательного масштабирования, чем петельная конструкция ферментатора или его конструкция с подачей газа снизу, поскольку объем ферментатора 100 масштабирован на основании радиуса или поперечного профиля, а не длины.
В некоторых случаях добавление одного или большего количества газов субстрата через один или большее количество газораспределителей 132 способствует образованию мелкодисперсных пузырьков газообразного субстрата в текучей среде внутри нисходящего пути 114 потока. Комбинация текучей среды и мелкодисперсного газа или пузырьков газообразного субстрата образует многофазную смесь, имеющую обычно нисходящий поток 116 в нисходящем пути 114 потока. Нисходящий поток 116 содержит значительное количество захваченного газа или пузырьков газообразного субстрата, диспергированных внутри многофазной жидкой смеси. Разность в плотности между газовыми пузырьками и жидкостью в многофазной смеси заставляет газ или пузырьки газообразного субстрата подниматься вверх. Однако при поддержании поверхностной скорости нисходящего потока 116 в нисходящем пути 114 потока на уровне, превышающем скорость подъема газового пузырька, пузырьки газообразного субстрата, присутствующие в многофазной смеси в нисходящем пути 114 потока, будут выполнять перемещение с уменьшенной скоростью обычно в нисходящем направлении. Полная скорость пузырьков газообразного субстрата в нисходящем пути 114 потока равна поверхностной скорости многофазной текучей среды в нисходящем пути 114 потока минус скорость подъема пузырьков газообразного субстрата. Поскольку пузырьки газообразного субстрата выполняют перемещение по нисходящему пути 114 потока со скоростью, меньшей, чем сопоставимая скорость подъема в ферментаторе с подачей газа снизу, время контакта между пузырьками газообразного субстрата и микробиологическими организмами, существующими внутри нисходящего пути 114 потока, выгодным образом увеличено по сравнению с ферментаторами с подачей газа снизу. Хотя для ясности на фиг. 1 показаны только один распределитель 130 текучей среды и один газораспределитель 132, любое количество дополнительных распределителей текучей среды, газораспределителей или их комбинаций может быть добавлено с регулярными или нерегулярными интервалами внутри нисходящего пути 114 потока.
Многофазная смесь в нисходящем пути 114 потока входит 122 в восходящий путь 118 потока через один или большее количество трубопроводов для текучей среды, проходы, отверстия, апертуры или промежутки, соединяя или связывая по текучей среде множество полых трубопроводов 102 для текучей среды (то есть, восходящий путь 118 потока) с внутренним пространством 106 сосуда 108, имеющим место между стенкой 110 сосуда и множеством полых трубопроводов 102 для текучей среды (то есть, нисходящий путь потока). В одном случае многофазная смесь в нисходящем пути 114 потока может войти в полый трубопровод 102 для текучей среды через промежуток между полым трубопроводом для текучей среды и дном 124 сосуда 108. По меньшей мере в некоторых случаях дно 124 сосуда 108 может быть сформировано, принимать форму или выполнено с возможностью содействия накоплению биологического материала (то есть, «твердого материала биологического происхождения» или «биомассы») в желательном месте внутри сосуда 108. Например, дно 124 может иметь коническую форму, быть вогнуто или наклонено таким образом, что происходит избирательный сбор биомассы, падающей на дно ферментатора 100, в одном или большем количестве заранее определенных мест. В таких случаях каждый трубопровод из множества полых трубопроводов 102 для текучей среды может иметь различную длину для поддержания определенного желательного или предпочтительного промежутка или расстояния между входным отверстием каждого трубопровода из множества полых трубопроводов 102 для текучей среды и дном 124 сосуда 108.
После входа в восходящий путь 118 потока многофазная смесь образует в нем восходящий поток 120. Текучая среда и газовые пузырьки в восходящем пути 118 потока будут выполнять перемещение в целом в восходящем направлении. Скорость подъема газовых пузырьков в восходящем пути 118 потока равна скорости текучей среды плюс скорость подъема газовых пузырьков внутри текучей среды. В по меньшей мере некоторых случаях любое количество дополнительных распределителей 130 текучей среды, газораспределителей 132 или их комбинаций может быть прибавлено с регулярными или нерегулярными интервалами в восходящем пути 118 потока.
Многофазная смесь 136 вытекает из восходящего пути 118 потока и выходит из ферментатора 100 через один или большее количество спускных присоединений 138, предназначенных для спуска многофазной смеси. По меньшей мере в некоторых случаях один или большее количество спускных присоединений 138, предназначенных для спуска многофазной смеси, могут быть связаны по текучей среде с каждым из восходящих путей 118 потока, обеспеченных множеством полых трубопроводов 102 для текучей среды. В некоторых случаях один или большее количество спускных присоединений 138, предназначенных для спуска многофазной смеси, могут содержать одно или большее количество фланцевых или резьбовых соединений. В некоторых случаях, один или большее количество спускных присоединений 138, предназначенных для спуска многофазной смеси, могут содержать один или большее количество быстрых разъемов или подобных легко стерилизуемых гидравлических муфт или соединений.
В некоторых случаях тепловая энергия (например, в виде ощущаемой теплоты) может быть выработана или высвобождена посредством процесса ферментации или процессов, идущих внутри фермента тора 100. Оставленная неконтролируемой достаточная тепловая энергия может накапливаться внутри ферментатора 100, оказывая негативное влияние на рост или метаболизм микробиологических организмов внутри ферментатора 100. В некоторых случаях неконтролируемые увеличения тепловой энергии могут привести к смерти всех или части микробиологических организмов внутри ферментатора. Для удаления по меньшей мере части тепловой энергии из фермента тора 100 одна или большее количество теплопередающих поверхностей 128 могут быть размещены с внутренней или внешней стороны полого трубопровода 102 для текучей среды, одна или большее количество теплопередающих поверхностей 140 могут быть размещены с внутренней или внешней стороны сосуда 106, или такие теплопередающие поверхности 128, 140 могут быть размещены на любой комбинации поверхностей в текучей среде и находится в тепловом контакте с нисходящим путем 114 потока или с восходящим путем 118 потока или с обоими.
Ферментатор 100 может содержать любое количество полых трубопроводов 102 для текучей среды, размещенных полностью или частично во внутреннем пространстве 106, образованном сосудом 108. Каждый трубопровод из множества полых трубопроводов 102 для текучей среды может содержать замкнутый канал текучей среды любых размера, формы или конфигурации, имеющей постоянный или переменный поперечный профиль и постоянную или переменную толщину стенки. Каждый из полых трубопроводов 102 для текучей среды содержит по меньшей мере один проходили впускное отверстие, которое обеспечивает возможность поступления многофазной смеси в восходящий путь 118 потока на внутренней части каждого трубопровода из множества полых трубопроводов 102 для текучей среды. Каждый трубопровод из множества полых трубопроводов 102 для текучей среды содержит по меньшей мере один проходили выпускное отверстие, которое обеспечивает возможность выхода многофазной смеси 136 из восходящего пути 118 потока. Сосуд 108 может иметь любой размер, форму или конфигурацию, и содержать одну или большее количество стенок 110, которые формируют или иначе определяют внутреннее пространство 106. Внутренний периметр, образованный одной или большим количеством стенок 110, обеспечивает поперечный профиль и площадь поперечного сечения сосуда 108. Одна или большее количество стенок 110 также образуют внутренний периметр 150 сосуда 108.
Каждый из полых трубопроводов 102 для текучей среды имеет внутренний периметр 152, по меньшей мере часть которого контактирует по текучей среде с восходящим путем 118 потока, и внешний периметр 154, по меньшей мере часть которого контактирует по текучей среде с нисходящим путем 114 потока. Нисходящий путь 114 потока ограничен внешним периметром 154 полого трубопровода 102 для текучей среды и внутренним периметром 150 сосуда 108. Восходящий путь 120 потока ограничен внутренним периметром 154 каждого трубопровода из соответствующего множества полых трубопроводов 102 для текучей среды. Каждый из полых трубопроводов 102 для текучей среды связан по текучей среде с внутренним пространством 106 внутри сосуда 108, обеспечивая, посредством этого, свободное течение многофазной смеси от нисходящего пути 114 потока к восходящему пути 118 потока.
По меньшей мере в некоторых случаях суммарная площадь поперечного сечения множества полых трубопроводов 102 для текучей среды составляет примерно 90% или меньше от площади поперечного сечения сосуда 108; примерно 75% или меньше от площади поперечного сечения сосуда 108; примерно 50% или меньше от площади поперечного сечения сосуда 108; примерно 25% или меньше от площади поперечного сечения сосуда 108; примерно 15% или меньше от площади поперечного сечения сосуда 108; или примерно 10% или меньше от площади поперечного сечения сосуда 108.
1
1
1
1
Одна или большее количество жидкостей могут быть введены в нисходящий путь 114 потока посредством одного или большего количества распределителей 130 текучей среды, размещенных в нисходящем пути 114 потока или связанных с ним по текучей среде. Такие текучие среды могут представлять собой любые жидкие среды, способные поддерживать или перемещать растворенную или взвешенную питательную среду или питательные среды к микробиологическим организмам, формирующим биомассу внутри ферментатора 100. Один или большее количество газов, газов субстрата или их комбинации могут быть введены в нисходящий путь 114 потока через один или большее количество газораспределителей 132, размещенных в нисходящем пути 114 потока или связанных с ним по текучей среде. Такие газы могут представлять собой отдельный газ или комбинацию газов, способных поддерживать или предоставлять питательную среду или питательные среды к биологическим организмам внутри ферментатора 100. По меньшей мере в некоторых случаях такие газы могут включать один или большее количество инертных газов, например, азот. По меньшей мере в некоторых случаях множество газов, множество газов субстрата или определенная их комбинация могут быть введены отдельно в нисходящий путь 114 потока для эффективного уменьшения или даже прекращения формирования взрывчатых газовых смесей за пределами ферментатора 100. Например, при использовании воспламеняющегося C-соединение (например, метана) для подачи по меньшей мере части газообразного субстрата для биологических организмов внутри ферментатора 100 и при использовании воздуха для подачи кислорода к биологическим организмам внутри ферментатора 100, газ, содержащий воспламеняющееся C-соединение, может быть введен посредством первого газораспределителя 132а, а воздух введен посредством второго, физически отдельного или отличного, газораспределителя 132b для избежания перемешивания С-соединения и воздуха за пределами ферментатора 100. Введение одной или большего количества жидкостей и одного или большего количества газов в нисходящий путь 114 потока образует нисходящий поток 116 из многофазной текучей среды внутри нисходящего пути 114 потока. Биологический рост, происходящий внутри нисходящего пути 114 потока, может абсорбировать кислород, питательные среды и C-соединенияизнисходящего потока 116 из многофазной текучей среды в нисходящем пути 114 потока.
1
Одновременное введение одного или большего количества воспламеняющихся C-соединений и содержащего кислород газа в ферментатор 100 может приводить к образованию огнеопасных или взрывчатых газовых смесей внутри ферментатора 100. Для уменьшения возможности такой ситуации нисходящий путь 114 потока и восходящий путь 118 потока могут иметь такую физическую форму или конфигурацию, что оба остаются «полны текучей средой» при введении текучей среды в ферментатор 100 через один или большее количество распределителей 130 текучей среды (то есть, точки накопления газа внутри нисходящего пути 114 потока и восходящего пути 118 потока минимизированы, или предпочтительнее, устранены). По меньшей мере в некоторых случаях одно или большее количество устройств сброса давления газа или устройств разделения текучей среды/газа (не показаны на фиг. 1) могут быть связаны по текучей среде снисходящим путем 114 потока, восходящим путем 118 потока или к обоим для удаления накопленных газов из ферментатора 100. Такие удаленные газы могут быть частично или полностью регенерированы и частично или полностью рециклированы в ферментатор 100 или могут быть сожжены в факеле или удалены иным безопасным способом.
Каждый трубопровод из множества полых трубопроводов 102 для текучей среды может обладать одинаковым или различным профилем поперечного сечения. Примеры профилей поперечного сечения трубопровода 102 для текучей среды включают, не ограничиваясь этим, круглый профиль поперечного сечения, прямоугольный или квадратный профиль поперечного сечения или треугольный профиль поперечного сечения (то есть, профиль, взятый в перпендикулярном направлении относительно продольной оси полого трубопровода 102 для текучей среды). В некоторых случаях больше одного типа полого трубопровода 102 для текучей среды может быть использовано внутри отдельного ферментатора 100. Например, часть множества полых трубопроводов 102 для текучей среды в ферментаторе 100 может обладать круглым профилем поперечного сечения, а остальная часть полых трубопроводов 102 для текучей среды обладает квадратным профилем поперечного сечения.
Все полые трубопроводы 102 для текучей среды или их часть могут содержать одну или большее количество выдавленных или вдавленных элементов поверхности, полезных при поддержке, содействии или иной стимуляции роста биологических организмов. Все полые трубопроводы 102 для текучей среды или их часть могут содержать одну или большее количество выдавленных или вдавленных элементов поверхности, полезных при содействии или ином усилении турбулентности или теплопередачик соответствующей теплопередающей поверхности(-ям) 128, 140 в нисходящем пути 114 потока, восходящем пути 120 потока или в обоих. Все полые трубопроводы 102 для текучей среды или их часть могут содержать один или большее количество дефлекторов для увеличения турбулентности в восходящем пути 118 потока, причем такое увеличение турбулентности способно выгодным образом улучшать массообмен в восходящем пути 118 потока, а также увеличивать время пребывания пузырьков газообразного субстрата, существующих в восходящем пути 118 потока.
В некоторых случаях продольная ось каждого трубопровода из множества полых трубопроводов 102 для текучей среды ориентирована параллельно к продольной оси любого полого трубопровода 102 для текучей среды, размещенного в сосуде 108. В некоторых случаях продольная ось каждого трубопровода из множества полых трубопроводов 102 для текучей среды параллельна к продольной оси сосуда 108. В некоторых случаях продольная ось каждого трубопровода из всех или части множества полых трубопроводов 102 для текучей среды параллельна продольной оси сосуда 108 и коаксиально выровнена с продольной осью сосуда 108.
Каждый из полых трубопроводов 102 для текучей среды может иметь одинаковую или различную длину. В некоторых случаях по меньшей мере часть множества полых трубопроводов 102 для текучей среды может быть вытянута до дна 124 сосуда 108 или даже за его пределы. В таких случаях нисходящий путь 114 потока может быть связан по текучей среде с восходящим путем 118 потока через один или большее количество внешних трубопроводов для текучей среды, например, через одну или большее количество сетей трубопроводов, размещенных внешним образом относительно сосуда 108. Каждый из полых трубопроводов 102 для текучей среды может иметь длину от примерно 6 дюймов до примерно 240 дюймов; от примерно 12 дюймов до примерно 192 дюймов; или от примерно 24 дюймов до примерно 144 дюймов.
Каждый трубопровод из множества полых трубопроводов 102 для текучей среды может быть выполнен металлическим, неметаллическим или обладать сложной структурой. Например, каждый из полых трубопроводов 102 для текучей среды может быть выполнен из одного или большего количества металлических материалов, таких как нержавеющие стали марок 304, 304L, 316 или 316L. В некоторых случаях одно или большее количество покрытий, слоев, покрывающих слоев, вставок или другие материалы могут быть осаждены на, нанесены на, соединены с, или выполнены заодно целое со всем трубопроводом или частью каждого трубопровода из множества полых трубопроводов 102 для текучей среды, чтобы положительным или отрицательным образом воздействовать на способность микробиологических организмов прикрепляться к ним или расти на них. Например, покрытие, подавляющее рост или прикрепление микробиологических организмов, может быть осаждено на часть полых трубопроводов 102 для текучей среды или выполнено как одно целое с ними, которые тепловодным образом соединены с теплопередающими поверхностями 128. В другом примере покрытие, содействующее росту или прикреплению биологических организмов, может быть осаждено на или выполнено как одно целое с полыми трубопроводами 102 для текучей среды в областях, где удаление накопленной биомассы достигается легче.
По меньшей мере в некоторых случаях каждый из полых трубопроводов 102 для текучей среды содержит по существу прямоугольный или квадратный полый элемент, имеющий апертуру, вытянутую вдоль продольной оси трубопровода. В других случаях каждый из полых трубопроводов 102 для текучей среды содержит по существу цилиндрический полый элемент, имеющий апертуру, вытянутую вдоль продольной оси трубопровода. Внутренние и внешние диаметры таких квадратных или цилиндрических полых трубопроводов 102 для текучей среды могут быть непрерывными или постоянными вдоль осевой длины трубопровода или могут претерпевать изменение вдоль осевой длины трубопровода. Например, внутренние и внешние диаметры цилиндрического полого трубопровода 102 для текучей среды могут быть совместно увеличены вдоль восходящего пути 118 потока таким образом, что происходит уменьшение скорости текучей среды вдоль восходящего пути потока входного отверстия до выпускного отверстия полого трубопровода 102 для текучей среды. Цилиндрические полые трубопроводы 102 для текучей среды могут обладать внутренним диаметром от примерно 2 дюймов до примерно 240 дюймов; от примерно 4 дюймов до примерно 192 дюймов; от примерно 6 дюймов до примерно 144 дюймов; от примерно 8 дюймов до примерно 120 дюймов; или от примерно 12 дюймов до примерно 96 дюймов. Прямоугольные или квадратные полые трубопроводы 102 для текучей среды могут иметь диагональ, составляющую от примерно 2 дюймов до примерно 240 дюймов; от примерно 4 дюймов до примерно 192 дюймов; от примерно 6 дюймов до примерно 144 дюймов; от примерно 8 дюймов до примерно 120 дюймов; или от примерно 12 дюймов до примерно 96 дюймов.
По меньшей мере в некоторых случаях конструкция полых трубопроводов 102 для текучей среды, сосуда 108 или обоих может включить особенности, облегчающие стерилизацию всех или части контактных поверхностей процесса. Такая стерилизация может, например, быть выполнена посредством стерилизации паром, стерилизации ультрафиолетовым излучением, химической стерилизации или их комбинаций. По меньшей мере в некоторых случаях один или большее количество неметаллических материалов или одно или большее количество неметаллических покрытий могут быть использованы в отношении всех или части внутренней или внешней части некоторых или всех трубопроводов из множества полых трубопроводов 102 для текучей среды. Использование таких неметаллических материалов может выгодным образом создавать, например, стерилизуемые поверхности, способные поддерживать биологический рост или содействовать ему.
Все полые трубопроводы 102 для текучей среды или часть их множества могут дополнительно содержать одну или большее количество теплопередающих поверхностей 128, полезных при ограничении накопления тепла внутри нисходящего пути 114 потока или восходящего пути 118 потока или внутри обоих. Теплопередающие поверхности 128 могут содержать один или большее количество трубопроводов или резервуаров, размещенных вдоль внутреннего периметра 152, внешнего периметра 154, или вдоль и внутреннего и внешнего периметров полого трубопровода 102 для текучей среды. Один или большее количество трубопроводов или резервуаров могут содержать любое устройство или систему, через которые могут протекать одна или большее количество сред переноса тепла. По меньшей мере в некоторых случаях одна или большее количество теплопередающих поверхностей 128 могут быть образованы заодно целое с полым трубопроводом 102 для текучей среды, образуя по меньшей мере часть трубопровода. В одном примере поверхность 128 переноса тепловой энергии может включать один или большее количество резервуаров, через которые тепловая текучая среда переноса может протекать или циркулировать, и которая теплопроводящим образом связана с по меньшей мере частью полого трубопровода 102 для текучей среды. В другом примере теплопередающая поверхность 128 может содержать одну или большее количество труб или змеевиков или подобных структур, через которые теплопередающая текучая среда может протекать или циркулировать, и которые теплопроводящим образом связаны с по меньшей мере частью полого трубопровода 102 для текучей среды. Теплопередающая среда может представлять собой любой материал, включая газы или текучие среды, которые способны подавать тепловую энергию в нисходящий путь 114 потока или в восходящий путь 118 потока или в оба пути или извлекать тепловую энергию из нисходящего пути 114 потока или из восходящего пути 118 потока или из обоих путей. В качестве примера теплопередающая среда представляет собой, не ограничиваясь этим, охлаждающую воду, охлажденную воду и пар.
Каждый из полых трубопроводов 102 для текучей среды может быть постоянным образом или с возможностью съема прикреплен к сосуду 108. По меньшей мере в некоторых случаях спускные присоединения 138 для текучей среды полого трубопровода для текучей среды, предназначенные для спуска многофазной смеси, могут быть прикреплены к крышке 126 сосуда 108 или иначе связаны с ней для обеспечения возможности протекания многофазной смеси 136 через восходящий путь 118 потока с целью выхода из каждого трубопровода из множества полых трубопроводов 102 для текучей среды.
Высота сосуда 108 может быть той же самой, что длина всех трубопроводов или части множества полых трубопроводов 102 для текучей среды, или быть отличной от нее. Если высота сосуда 108 меньше длины всех трубопроводов или части множества полых трубопроводов 102 для текучей среды, то все трубопроводы или часть полых трубопроводов 102 для текучей среды могут выступать из дна 124 сосуда 108, из крышки 126 сосуда 108, или из крышки и из дна сосуда 108. Высота сосуда 108 может составлять от примерно 6 дюймов до примерно 240 дюймов; от примерно 12 дюймов до примерно 192 дюймов; или от примерно 24 дюймов до примерно 144 дюймов.
Сосуд 108 может обладать правильным или неправильным поперечным профилем сечения (то есть, профилем, взятым в поперечном направлении к продольной оси сосуда 108). Примеры поперечных профилей сечения сосуда 108 включают, не ограничиваясь этим, круглый поперечный профиль сечения, прямоугольный или квадратный поперечный профиль сечения или треугольный поперечный профиль сечения. Например, поперечный профиль сечения сосуда 108 может уменьшить поток, параллельный нисходящему пути 114 потока, таким образом, что происходит увеличение скорости текучей среды и давления многофазной смеси вдоль нисходящего пути 114 потока.
Все элементы или часть стенки(-ок) 110, дна 124 или крышки 126 сосуда 108 могут дополнительно содержать одну или большее количество теплопередающих поверхностей 140, полезных при ограничении накопления тепла внутри нисходящего пути 114 потока. Теплопередающие поверхности 140 могут содержать один или большее количество трубопроводов или резервуаров, теплопроводящим образом связанных с по меньшей мере частью нисходящих путей 114 потока внутри сосуда 108 и через которые могут протекать одна или большее количество теплопередающих сред. Например, теплопередающие поверхности 140 могут включать один или большее количество резервуаров, через которые тепловая текучая среда переноса может протекать или циркулировать. В другом примере теплопередающая поверхность 140 может содержать одну или большее количество труб или змеевиков или подобных структур, через которые теплопередающая текучая среда может протекать или циркулировать. Теплопередающая среда может представлять собой любой материал, включая газы или текучие среды, которые способны подавать тепловую энергию в нисходящий путь 114 потока или извлекать тепловую энергию из нисходящего пути 114 потока. В качестве примера теплопередающая среда представляет собой, не ограничиваясь этим, охлаждающую воду, охлажденную воду и пар.
По меньшей мере в некоторых случаях сосуд 106 может быть выполнен металлическим, неметаллическим или обладать сложной структурой. Взятые в качестве примера металлические структуры содержат стенки сосуда, верхние и нижние поверхности, выполненные из таких материалов, как нержавеющие стали марок 304, 304L, 316 или 316L. Взятые в качестве примера неметаллические структуры включают, не ограничиваясь этим, стекловолокно, стекловолоконную армированную пластмассу, полиэтилен и т.п. Взятые в качестве примера композитные структуры включают, не ограничиваясь этим, усиленную металлом стекловолоконную армированную пластмассу и т.п. В некоторых случаях одно или большее количество покрытий или другие материалы могут быть выполнены как одно целое с сосудом 108 или нанесены на него для различного воздействия на способность микробиологических организмов прикрепляться к нему. Например, покрытие, подавляющее рост или прикрепление микробиологических организмов, может быть осаждено на сосуд 108 или выполнено как одно целое с сосудом 108 в областях, занятых теплопередающими поверхностями 140. В другом примере покрытие, поддерживающее рост или прикрепление микробиологических организмов, может быть осаждено на сосуд 108 или выполнено как одно целое с сосудом 108 в областях, где удаление накопленной биомассы может быть выполнено проще.
Один или большее количество распределителей 130 текучей среды размещены или внутри нисходящего пути 114 потока, или внутри восходящего пути 118 потока, связанного по текучей сред ее нисходящим путем 114 потока, связанного по текучей среде свосходящим путем 118 потока, или внутри их комбинаций. Один или большее количество распределителей 130 текучей среды могут представлять собой любое устройство, структуру или систему, способную распределять текучую среду любым желательным образом внутри выбранного пути потока. В некоторых случаях все распределители или часть одного или большего количества распределителей 130 текучей среды могут содержать трубу или распределительную плиту, содержащих множество отверстий или апертур, через которые текучая среда входит в соответствующий путь потока. В некоторых случаях все распределители или часть из одного или большего количества распределителей 130 текучей среды могут содержать присоединение для текучей среды, такое как форсунка, или соединение, размещенное в соответствующем месте на сосуде 108. По меньшей мере в некоторых случаях распределители 130 текучей среды могут быть размещены во множестве мест внутри нисходящего пути 114 потока, восходящего пути 118 потока, или внутри обоих. Использование распределителей 130 текучей среды, размещенных во множестве мест внутри нисходящего пути 114 потока и/или восходящего пути 120 потока, обеспечивает возможность эффективного введения жидкостей, содержащих один или большее количество компонентов, полезных при поддержке одного или большего количества желательных качеств в накопленной биомассе. Например, жидкость, содержащая один или большее количество компонентов содействия росту, может быть введена посредством первого распределителя 130a текучей среды, размещенного в нисходящем пути 114 потока, а жидкость, содержащая один или большее количество компонентов, увеличивающих производство одного или большего количества желательных соединений, может быть введена посредством второго распределителя 130b текучей среды, размещенного в более поздней точке в нисходящем пути 114 потока или в восходящем пути 118 потока.
Один или большее количество распределителей 130 текучей среды выдержаны по размерам или выбраны на основании ожидаемых потока, рабочей температуры, рабочего давления и допустимого перепада давления. Распределители 130 текучей среды могут содержать множество отверстий, через которые выходит жидкость, находящаяся в распределителе, причем такие отверстия могут быть выдержаны по размерам и размещены на основании определенного объема потока и допустимого диапазона значений перепада давления. В некоторых случаях, жидкость, выходящая из одного или большего количества распределителей 130 текучей среды, способна протекать через одно или большее количество устройств диспергирования или смешивания, которые способствуют диспергированию или смешиванию между жидкостью, выходящей из распределителя 130, и многофазной смесью, текущей по соответствующему пути потока.
Один или большее количество газораспределителей 132 размещены или внутри нисходящего пути 114 потока, или внутри восходящего пути 120 потока или внутри обоих, или в контакте по текучей среде с нисходящим путем 114 потока, или с восходящим путем 120 потока или с обоими. Один или большее количество газораспределителей 132 могут содержать любое устройство, структуру или систему, способную распределять любом определенным образом один или большее количество газов, имеющих определенный физический размер и форму газового пузырька внутри выбранного пути потока. В некоторых случаях все распределители или часть одного или большего количества газораспределителей 132 могут содержать трубу или распределительную плиту, содержащих множество отверстий или апертур, через которые газ, газообразный субстрат или их комбинации входят в соответствующий путь потока. В некоторых случаях все распределители или часть одного или большего количества газораспределителей 132 могут содержать спеченную металлическую или пористую керамическую распределительную плиту, способную образовать множество мелких пузырьков разреженного газа внутри выбранного пути потока. По меньшей мере в некоторых случаях газораспределители 132 могут быть установлены во множестве мест или внутри нисходящего пути 114 потока или внутри восходящего пути 118 потока, или внутри обоих.
Пузырьки газообразного субстрата могут быть введены в месте вблизи распределителя 130 текучей среды (то есть, в начале нисходящего пути 114 потока). Введение пузырьков газообразного субстрата в месте вблизи распределителя 130 текучей среды выгодным образом обеспечивает возможность проталкивания пузырьков газообразного субстрата вдоль нисходящего пути 114 потока посредством потока многофазной смеси через нисходящий путь 114 потока. Прохождение пузырьков газообразного субстрата вниз вдоль нисходящего пути 114 потока способно выгодным образом улучшать массообмен, поскольку размер пузырьков газообразного субстрата имеет тенденцию уменьшения с увеличением давления вдоль нисходящего пути 114 потока, связанным с увеличением гидростатического напора. Пузырьки газообразного субстрата, присутствующие в нисходящем потоке 116 многофазной смеси, будут иметь тенденцию к уменьшению при их перемещении вдоль нисходящего пути 114 потока и через ферментатор 100. Выгодно, что усилия сдвига и тепловыделение внутри ферментатора 100 уменьшены и, следовательно, обычное перемешивающее устройство не нужно для диспергирования пузырьков газообразного субстрата или для поддержания дисперсии пузырьков газообразного субстрата, существующих в многофазной смеси внутри ферментатора 100.
Использование газораспределителей 132, размещенных во многих местах внутри нисходящего пути 114 потока и/или внутри восходящего пути 118 потока, обеспечивает возможность эффективного введения газообразных субстратов, содержащих один или большее количество компонентов, полезных при поддержке одного или большего количества желательных качеств в накопленной биомассе. Например, газообразный субстрат, содержащий один или большее количество компонентов поддержания роста, может быть введен посредством первого газораспределителя 132а, размещенного в нисходящем пути 114 потока, а газообразный субстрат, содержащий один или большее количество компонентов, увеличивающих производство одного или большего количества желательных соединений, может быть введен посредством второго газораспределителя 132b, размещенного в более поздней точке в нисходящем пути 114 потока или в восходящем пути 120 потока. По меньшей мере в некоторых случаях газораспределитель 132 может создавать пузырьки газообразного субстрата, имеющие диаметр от примерно 0,01 дюймов до примерно 1 дюйма; от примерно 0,05 дюймов до примерно 0,75 дюймов; от примерно 0,075 дюймов до примерно 0,75 дюймов; или от примерно 0,1 дюйма до примерно 0,5 дюймов.
На фиг. 2 показана взятая в качестве примера система 200 ферментации, содержащая ферментатор 100 вместе с дополнительной подсистемой 230 противодавления, подсистемой 250 разделения и дополнительной тепловой подсистемой 270. Хотя система 200 показана как интегрированная система, дополнительные подсистемы могут быть установлены или иначе скомбинированы с ферментатором 100 или индивидуально или в любой комбинации. Одна или большее количество жидкостей 202 и один или большее количество газообразных субстратов 204 введены в ферментатор 100 с образованием здесь многофазной смеси, проходящей через ферментатор 100 по нисходящему пути(-ям) 114 потока и восходящему пути(-ям) 118 потока. После прохождения через ферментатор 100 многофазная текучая среда может содержать одно или большее количество соединений, произведенных биологическими организмами внутри ферментатора 100, неиспользованные питательные среды и другие соединения в текучей среде внутри многофазной смеси, неиспользованные газы в газовых пузырьках внутри многофазной смеси, и микробиологические организмы в виде твердого материала биологического происхождения. Избыточные микробиологические организмы могут быть удалены из ферментатора 100 в виде биомассы или периодически или непрерывно по меньшей мере через одно присоединение 208 для текучей среды, предназначенное для удаления биомассы. Накопления биомассы внутри ферментатора 100 могут быть удалены для поддержания полной биомассы внутри ферментатора 100 в пределах определенного диапазона или выше или ниже определенного порогового значения. По меньшей мере в некоторых случаях биомасса, удаленная из ферментатора 100 по меньшей мере через одно присоединение 208 для текучей среды, предназначенное для удаления биомассы, может включать одно или большее количество используемых соединений. Например, биологические организмы внутри избыточной биомассы могут содержать определенное количество одного или большего количества внутриклеточных липидов или аналогичных материалов, полезных при производстве биологического топлива, такого как биодизельное топливо.
Одна или большее количество жидкостей 202 могут представлять собой любую жидкость, подходящую для поддержания или подачи одного или большее количество питательных сред к микробиологическим организмам внутри ферментатора 100. Такие текучие среды 202 могут представлять собой, не ограничиваясь этим, растворы, содержащие воду, один и или большее количество спиртов, минералы, одно или большее количество азотсодержащих соединений, одно или большее количество фосфорсодержащих соединений и т.п. По меньшей мере в некоторых случаях одно или большее количество устройств 216 для перемещения текучей среды использованы для подачи одной или большее количество жидкостей 202 к одному или большему количеству распределителей 130 текучей среды, или размещенных в ферментаторе 100 или связанных по текучей среде с ним, управляемым способом и при давлении, превышающем атмосферное давление. Одно или большее количество устройств 216 перемещения текучей среды могут представлять собой любой тип насоса или аналогичное устройство, способное передавать жидкость между двумя точками. Взятые в качестве примера устройства 216 перемещения текучей среды представляют собой, не ограничиваясь этим, центробежные насосы, поршневые насосы прямого вытеснения, эксцентриковые винтовые насосы, двух диафрагменные насосы и т.п. Другие иллюстративные устройства 216 перемещения текучей среды включают, не ограничиваясь этим, эдукторы, эжекторы и аналогичные устройства. Перенос текучей среды 202 к ферментатору 100 может быть управляем потоком, управляем давлением или управляем посредством комбинации давления, температуры, потока, уровня, расхода, поверхностной скорости, или переменных данных процесса анализа состава, собранных из одной или большего количества точек внутри ферментатора 100 или из одной или большего количества точек внутри системы 200 ферментации. По меньшей мере в некоторых случаях переносом текучей среды 202 посредством устройства 216 перемещения текучей среды можно управлять на основании измеренной концентрации одного или больше компонентов или соединений (например, одного или больше азотсодержащих питательных сред) внутри ферментатора 100, например, поток текучей среды 206, перенесенный устройством 216 перемещения текучей среды, может быть увеличен в ответ на измеренное уменьшение концентрации питательной среды внутри ферментатора 100.
По меньшей мере в некоторых случаях расход текучей среды, переносимой устройством 216 перемещения текучей среды, может быть основан полностью или частично на поддержании скорости нисходящего потока 116 текучей среды в нисходящем пути 114 потока внутри определенного диапазона, который способен транспортировать газовые пузырьки, существующие в многофазной смеси, вниз вдоль нисходящего пути 114 потока. Скорость нисходящего потока 116 в нисходящем пути 114 потока может быть измерена посредством одного или большего количества контактных или бесконтактных датчиков расхода. В качестве примера датчики расхода могут представлять собой, не ограничиваясь этим, магнитные расходомеры, расходомеры Доплера, массовые расходомеры и т.п. В таких случаях нисходящий поток 116 в нисходящем пути 114 потока может иметь скорость от примерно 0,1 футов/сек до примерно 15 футов/сек; от примерно 0,2 футов/сек до примерно 10 футов/сек; или от примерно 0,5 футов/сек до примерно 5 футов/сек.
Хотя оно изображено на стороне впуска ферментатора 100, устройство 216 перемещения текучей среды может быть размещено в любом месте, где возможна подача нисходящего потока 116 в нисходящий путь 114 потока и восходящего потока 120 в восходящий путь 118 потока. Например, как показано на фиг. 2, устройства 216 перемещения текучей среды могут быть связаны по текучей среде с входным отверстием ферментатора 100 для обеспечения принудительного нисходящего потока 116 через нисходящий путь 114 потока и принудительного восходящего потока 120 через восходящий путь 118 потока. В другом примере все устройства 216 перемещения текучей среды или часть их могут быть связаны по текучей среде между нисходящим путем 114 потока и восходящим путем 118 потока для обеспечения введенного нисходящего потока 116 вдоль нисходящего пути 114 потока и принудительного восходящего потока 120 вдоль восходящего пути 118 потока. В еще одном примере все устройства 216 перемещения текучей среды или часть их могут быть связаны по текучей среде со спускным присоединением 138 для текучей среды, предназначенным для спуска многофазной смеси, для введения нисходящего потока 116 через нисходящий путь 114 потока и введения восходящего потока 120 через восходящий путь 118 потока.
1
Один или больше газообразных субстратов 204 могут представлять собой любой газ, газы или комбинацию газов, подходящих для поддержания или подачи одного или больше питательных сред к биологическим организмам внутри ферментатора 100. Такие газы могут представлять собой, не ограничиваясь этим, один или больше газов, содержащих углеродистые соединения. Такие газы могут содержать, не ограничиваясь этим, один или больше газов, содержащих C-соединения углерода, такие как метан или моноксид углерода. Один или больше газообразных субстратов 204 могут также содержать один или больше газов, используемых в метаболических процессах биологических организмов внутри ферментатора 100. Такие газы могут содержать, не ограничиваясь этим, кислород, кислород содержащие соединения и водород. Один или больше газообразных субстратов 204 могут быть перенесены в ферментатор 100 в виде чистого газа или как газовая смесь (например, в виде синтетического газа - смеси моноксида углерода и водорода). Один или больше газообразных субстратов 204 могут быть перенесены в ферментатор 100 по отдельности (например, метан и кислородсодержащий газ, такой как воздух, могут быть перенесены по отдельности для минимизации вероятности формирования взрывчатой газовой смеси, внешней к ферментатору 100).
Один или больше газообразных субстратов 204 могут дополнительно быть перенесены в ферментатор 100 посредством устройства 218 перемещения газа. В качестве примера устройства 218 перемещения газа содержание ограничиваясь этим, коловратные компрессоры, центробежные компрессоры, винтовые компрессоры и т.п. Давление подачи одного или больше газообразных субстратов 204 зависит от ряда факторов, включая рабочее давление ферментатора 100 и перепад давления, связанный с газораспределителем 132, используемым для распределения одного или больше газообразных субстратов 204 внутри нисходящего пути 114 потока. Аналогичным образом расходом при подаче одного или больше газообразных субстратов можно управлять вручную или автоматически для поддержания концентрации или уровня растворенного газа внутри ферментатора 100 в пределах определенного диапазона (например, растворенного кислорода выше по меньшей мере 4 частей на миллион) на основании, по меньшей мере частично, на потребностях биологических организмов, существующих в ферментаторе 100. По меньшей мере в некоторых случаях один или больше газообразных субстратов 204 могут быть поданы в ферментатор 100 при давлении от примерно 5 фунтов/кв. дюйм до примерно 600 фунтов/кв. дюйм; от примерно 5 фунтов/кв. дюйм до примерно 600 фунтов/кв. дюйм; от примерно 25 фунтов/кв. дюйм до примерно 400 фунтов/кв. дюйм; или от примерно 50 фунтов/кв. дюйм до примерно 300 фунтов/кв. дюйм.
Любое количество газов может быть введено через общий коллектор 132 распределения газа 132 или через любое множество отдельных коллекторов 132 распределения газа. Такие коллекторы распределения газа могут вводить весь газообразный субстрат 204 в одной точке внутри ферментатора 100 или могут вводить части газообразного субстрата 204 в различных местах ферментатора 100. По меньшей мере в некоторых случаях газообразный субстрат 204 может содержать, не ограничиваясь этим, метан, моноксид углерода, водород или кислород. По меньшей мере в некоторых случаях скорость подачи газообразного субстрата 204 может быть упомянута в связи со скоростью подачи жидких сред 202. Например, метан может быть введен как газообразный субстрат 204 со скоростью от примерно 0,1 граммов метана/литр жидких сред (г/л) до примерно 100 г/л; от примерно 0,5 г/л до примерно 50 г/л; или от примерно 1 г/л до примерно 25 г/л. Моноксид углерода (CO) может быть введен как газообразный субстрат 204 со скоростью от примерно 0,1 граммов CO/литр жидких сред (г/л) до примерно 100 г/л; от примерно 0,5 г/л до примерно 50 г/л; или от примерно 1 г/л до примерно 25 г/л. Кислород может быть введен как газообразный субстрат 204 со скоростью от примерно 1 грамма кислорода/литр жидких сред (г/л) до примерно 100 г/л; от примерно 2 г/л до примерно 50 г/л; или от примерно 5 г/л до примерно 25 г/л. Водород может быть введен как газообразный субстрат 204 со скоростью от примерно 0,01 грамма водорода/литр жидких сред (г/л) до примерно 50 г/л; от примерно 0,1 г/л до примерно 25 г/л; или от примерно 1 г/л до примерно 10 г/л.
Внутри ферментатора 100 микробиологические организмы будут метаболизировать по меньшей мере часть углеродсодержащих соединений, присутствующих в многофазной смеси. По меньшей мере часть этого процесса может включать выработку дополнительных микробиологических организмов, увеличивая полное количество биомассы, присутствующей в ферментаторе 100. При отсутствии контроля может произойти накопление биомассы внутри ферментатора 100 до такой степени, что одна или больше эксплуатационных особенностей ферментатора 100 (например, расход, перепад давления, выработка желательных продуктов и т.д.) будут поставлены под угрозу или оказывать негативное влияние вследствие наличия избыточной биомассы. В таких случаях желательна возможность удаления по меньшей мере части биомассы, присутствующей в ферментаторе 100. По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере часть дна 124 ферментатора 100 может быть выполнена наклонной (например, в виде конического дна) или выполнена (например, в виде выпуклого днища по стандарту ASME) таким образом, что происходит избирательное накопление биомассы в некотором месте внутри ферментатора 100, что облегчает удаление твердых материалов биологического происхождения из ферментатора 100 по меньшей мере через одно присоединение 208 для текучей среды, предназначенное для удаления биомассы. Например, выпуклое днище по стандарту ASME может облегчить накопление твердых материалов биологического происхождения в центральном месте днища, близком к присоединению для текучей среды или к подобному устройству, обеспечивающему возможность удаления твердых материалов 208 биологического происхождения из ферментатора 100 по меньшей мере через одно присоединение 208 для текучей среды, предназначенное для удаления биомассы.
Подсистема 230 противодавления может содержать любое количество устройств, систем или их комбинаций для поддержания давления внутри ферментатора 100 в пределах определенного диапазона. Например, подсистема 230 противодавления может поддерживать давление в ферментаторе 100 в диапазоне, равном или превышающем атмосферное давление. По меньшей мере в некоторых случаях подсистема 230 противодавления может поддерживать давление в направлении потока (то есть, давление в ферментаторе 100) от примерно 1 фунта/кв. дюйм до примерно 150 фунтов/кв. дюйм; примерно от 1 фунта/кв. дюйм до примерно к 100 фунтов/кв. дюйм; от примерно 1 фунта/кв. дюйм до примерно 75 фунтов/кв. дюйм; от примерно 1 фунта/кв. дюйм до примерно 50 фунтов/кв. дюйм; или от примерно 1 фунта/кв. дюйм до примерно 25 фунтов/кв. дюйм. Поддержание ферментатора 100 при давлении, превышающем атмосферное давление, может выгодным образом улучшать коэффициент массообмена между пузырьками газообразного субстрата, жидкими средами и, следовательно, микробиологическими организмами внутри ферментатора 100, поддерживая парциальное давление газов, используемых в метаболических процессах микробиологических организмов, на повышенном уровне в ферментаторе 100 (то есть, парциальные давления газообразного субстрата превышают давления, достижимые при атмосферном давлении).
По меньшей мере часть многофазной смеси 136, выходящей из ферментатора 100, получена подсистемой 230 противодавления. Расходом потока многофазной смеси 136, выходящей из ферментатора 100, можно управлять вручную или автоматически. Например, расход многофазной смеси 136, выходящей из ферментатора 100, может быть измерен посредством элемента процесса (не показанного на фиг. 2), такого как массовый расходомер, магнитный расходомер, ультразвуковой расходомер и т.п. Такое измерение расхода текучей среды может подавать в подсистему 290 управления один или больше сигналов, содержащих данные, описывающие поток, скорость, давление, материал или их комбинации относительно выхода 136 многофазной смеси. Подсистема 290 управления может содержать локальный контроллер, центральную систему управления или распределенную систему управления, способные подавать управляющий выходной сигнал в конечный элемент управления, например, в распределительный клапан (не показан на фиг. 2). Выходной поток 136 многофазной смеси проходит через подсистему 230 противодавления и выходит в виде низконапорной многофазной смеси 232. По меньшей мере в некоторых случаях подсистема 230 противодавления может поддерживать давление вниз по потоку (то есть, давление при подаче к подсистеме 250 разделения), причем низконапорная многофазная смесь 232 может иметь давление от примерно 1 фунта/кв. дюйм до примерно 150 фунтов/кв. дюйм; от примерно 1 фунта/кв. дюйм до примерно 100 фунтов/кв. дюйм; от примерно 1 фунта/кв. дюйм до примерно 75 фунтов/кв. дюйм; от примерно 1 фунта/кв. дюйм до примерно 50 фунтов/кв. дюйм; или от примерно 1 фунта/кв. дюйм до примерно 25 фунтов/кв. дюйм.
Подсистема 230 противодавления может содержать любое количество устройств уменьшения давления, включая, но не ограничиваясь этим, отверстия, редукционные клапаны давления, турбины, или любое другое устройство или систему, способных создавать известный, контролируемый перепад давления. В некоторых случаях давление внутри ферментатора 100 может быть изменено или управляемо или регулируемо вручную или автоматически на основании одного или больше выходных сигналов управления, подаваемых к подсистеме 230 противодавления. По меньшей мере в некоторых случаях подсистема 230 противодавления может содержать одну или больше турбин или подобных устройств, способных вырабатывать мощность 234 на валу. Такая мощность 234 на валу может быть использована в качестве подвода мощности к устройству 236 регенерации энергии, например, генератору, способному подавать электроэнергию для местного потребления или подавать ее в локальную коммерческую, промышленную или жилищную электрическую распределительную сеть.
Подсистема 250 разделения может содержать любое количество устройств, систем или их комбинаций для разделения низконапорной многофазной смеси 232 по меньшей мере на газовые отходы 252 и жидкие отходы 254. По меньшей мере в некоторых случаях твердые материалы биологического происхождения, присутствующие в низконапорной многофазной смеси 232, могут быть выделены в виде содержащих твердые частицы отходов 256. По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере часть содержащих твердые частицы отходов 256 от подсистемы 250 разделения может быть комбинирована с одной или больше жидкостей 202 для образования смеси 258, предназначенной для возвращения в ферментатор 100. По меньшей мере в некоторых случаях подсистема 250 разделения может содержать одно или больше устройств разделения, имеющих общий объем по меньшей мере составляющий примерно 10% объема сосуда 108; по меньшей мере составляющий примерно 20% объема сосуда 108; по меньшей мере составляющий примерно 20% объема сосуда 108; или по меньшей мере составляющий примерно 40% объема сосуда 108.
Подсистема 250 разделения может содержать один или большее количество пассивных устройств разделения (например, один или больше гидроциклонов и т.п.), способных выделять газовые отходы 252 и жидкие отходы 254 из низконапорной многофазной смеси 232. По меньшей мере в некоторых случаях пассивное устройство разделения может также содержать секцию выделения твердых частиц, предназначенную для выделения по меньшей мере части твердых материалов биологического происхождения, присутствующих в низконапорной многофазной смеси 232. В других случаях подсистема разделения 230 может содержать одно или больше активных устройств разделения (например, трехфазное барабанное устройство разделения), способных выделять газовые отходы 252, жидкие отходы 254 и содержащие твердые частицы сточные воды из низконапорной многофазной смеси 232.
2+
По меньшей мере в некоторых случаях газовые отходы 252 могут содержать смесь одного или больше газообразных субстратов (например, метана или моноксида углерода) и один или больше газовых побочных компонентов (например, двуокись углерода), вырабатываемых в качестве побочного продукта биологическими организмами в ферментаторе 100. По меньшей мере в некоторых случаях газовые отходы 252 могут быть выделены (не показаны на фиг. 2) и по меньшей мере часть одного или больше газообразных субстратов рециркулирована к ферментатору 100, например, часть газообразного субстрата 204. По меньшей мере в некоторых случаях газовые отходы 252 могут содержать одно или больше полезных соединений. Например, газовые отходы 252 могут содержать некоторое количество одного или больше газообразных C-углеводородных соединений, включая, но не ограничиваясь этим, этан, этилен, пропан, бутан и другие соединения, основанные на них, имеющих значение или как конечный продукт или как сырье для последующего процесса. Такие полезные соединения могут быть выделены из газовых отходов 252 до рециркуляции по меньшей мере части газовых отходов 252 в ферментатор 100.
2+
По меньшей мере в некоторых случаях жидкие отходы 254 могут содержать смесь, содержащую одну или больше жидкостей, питательных сред и т.п., введенных в ферментатор вместе с жидкостью 202. В таких случаях по меньшей мере часть жидких отходов 254 может быть выделена (не показано на фиг. 2) и рециркулирована в ферментатор 100, например, в виде жидкой среды 202. По меньшей мере в некоторых случаях жидкие отходы 254 могут содержать один или больше полезных соединений. Например, жидкие отходы 254 могут содержать некоторое количество одного или больше жидких Cуглеводородных соединений, включая, но не ограничиваясь этим, спирты, кетоны, гликоли и другие соединения, основанные на них, имеющих значение или как конечный продукт или как сырье для последующего процесса. Такие полезные углеводородные соединения могут быть выделены из жидких отходов 254 до избавления от жидких отходов 254 или рециркуляции по меньшей мере части жидких отходов 254 назад в ферментатор 100.
По меньшей мере в некоторых случаях содержащие твердые частицы сточные воды 256 могут содержать густую суспензию или смесь, содержащую одну или больше жидкостей и биомассу, удаленную из ферментатора 100. В таких случаях может быть желательным рециркулировать по меньшей мере часть содержащих твердые частицы сточных вод 256 назад в ферментатор 100. Рециркуляция биомассы в ферментатор 100 может выгодным образом служить для повторной затравки микробиологической колонии внутри ферментатора 100. Хотя это не показано на фиг. 2, по меньшей мере часть содержащих твердые частицы сточных вод 256 может быть рециркулирована непосредственно в нисходящий путь 114 потока в ферментаторе 100. По меньшей мере часть содержащих твердые частицы сточных вод 256 может быть смешана с одной или больше жидкостей 202 и рециркулирована в ферментатор 100. По меньшей мере в некоторых случаях содержащие твердые частицы сточные воды 256 могут содержать один или больше полезных соединений. Например, биологические организмы внутри содержащих твердые частицы сточных вод 256 могут содержать некоторое количество одного или больше внутриклеточных липидов или подобных соединений, полезных при выработке биологического топлива, такого как биодизельное топливо. Хотя это не показано на фиг. 2, в таких случаях по меньшей мере часть содержащих твердые частицы сточных вод 256 может быть удалена от подсистемы разделения 230 для последующей переработки в один или больше желательных продуктов.
Тепловая подсистема 270 может содержать любое количество устройств, систем или их комбинаций для добавления тепловой энергии в многофазную текучую среду в ферментаторе 100 или для удаления тепловой энергии из нее. По меньшей мере в некоторых случаях ферментация, происходящая внутри ферментатора 100, вырабатывает тепло как побочный продукт. При отсутствии контроля такое тепло может оказывать негативное влияние на метаболизм или здоровье микробиологических организмов внутри ферментатора 100. В качестве альтернативы микробиологические организмы могут также иметь температуру, ниже которой может быть оказано негативное влияние на метаболизм или здоровье организма. Кроме того, биологические организмы внутри ферментатора 100 имеют определенный диапазон температур, обеспечивающий оптимальные рост и условия метаболизма. По меньшей мере в некоторых случаях многофазная смесь внутри ферментатора 100 может быть поддержана при температуре примерно 130°F или меньше; примерно 120°F или меньше; примерно 110°F или меньше; примерно 100°F или меньше; примерно 95°F или меньше; примерно 90°F или меньше; примерно 85°F или меньше; или примерно 80°F или меньше при использовании тепловой подсистемы 270. По меньшей мере в некоторых случаях многофазная смесь внутри ферментатора 100 может быть поддержана при температуре от примерно 55°F до примерно 120°F; от примерно 60°F до примерно 110°F; от примерно 110°F до примерно 120°F; от примерно 100°F до примерно 120°F; от примерно 65°F до примерно 100°F; от примерно 65°F до примерно 95°F; или от примерно 70°F до примерно 90°F при использовании тепловой подсистемы 270.
По меньшей мере в некоторых случаях одна или большее количество теплопередающих поверхностей 128 могут быть размещены, по меньшей мере частично, внутри нисходящего пути 114 потока для изменения, регулировки или управления здесь температурой нисходящего потока 116 многофазной смеси. Аналогичным образом одна или больше теплопередающих поверхностей 140 могут быть размещены, по меньшей мере частично, в восходящем пути 118 потока, для изменения, регулировки или управления здесь температурой восходящего потока 120 многофазной смеси.
По меньшей мере в некоторых случаях такие теплопередающие поверхности 128, 140 могут содержать одну или больше пьезоэлектрических поверхностей, которые обеспечивают охлаждение при прохождении через них электрического тока. Такие теплопередающие поверхности 128, 140 могут содержать одну или большее количество резистивных поверхностей (например, грелок марки Calrod), обеспечивающих нагревание для увеличения температуры многофазной смеси при прохождении через них электрического тока. В таких случаях тепловая подсистема 270 может содержать одну или больше систем для управления потоком электроэнергии к теплопередающим 128, 140 на основании, по меньшей мере частично, измеренной температуры многофазной смеси в ферментаторе 100.
В других случаях такие теплопередающие поверхности 128, 140 могут содержать множество резервуаров или трубопроводов, установленных внутри нисходящего пути 114 потока, восходящего пути 120 потока или внутри обоих, и через которые теплопередающая среда циркулирует или при уменьшенной температуре или при повышенной температуре для разных вариантов охлаждения или нагрева многофазной смеси в ферментаторе 100. Теплопередающая среда может представлять собой любую текучую среду, жидкость или газ, способную транспортировать или иначе передавать тепловую энергию в многофазную смесь в ферментаторе 100 или извлекать тепловую энергию из нее. В таких случаях тепловая подсистема 270 может содержать одну или больше систем или устройств для удаления тепловой энергии из теплопередающей среды (например, для охлаждения многофазной смеси в ферментаторе 100) или передачи тепловой энергии в теплопередающая среду (например, для нагрева многофазной смеси в ферментаторе 100).
По меньшей мере в одном случае теплопередающая среда может содержать воду или водный раствор одного или больше ингибиторов коррозии, накипи и микробиологических ингибиторов. В таких случаях тепловая подсистема 270 может содержать одну или больше систем для удаления тепловой энергии из теплопередающей среды с целью охлаждения многофазной смеси. Например, испарительная градирня с незамкнутым циклом или воздушный холодильник замкнутой системы могут быть использованы для охлаждения теплопередающей среды. В таких случаях тепловая подсистема 270 может при необходимости содержать одну или больше систем для передачи тепловой энергии в теплопередающую среду для нагрева многофазной смеси. Например, водоподогреватель, использующий природный газ или электроэнергию, или печь могут быть использованы для нагрева теплопередающей среды.
Теплопередающая среда может быть обеспечена тепловой подсистемой 270 посредством одной или больше распределительных сетей 272 теплоносителей. Одна или больше распределительных сетей 272 теплоносителей могут представлять собой электрическую распределительную сеть, обеспечивающую электрические нагрев и охлаждение теплопередающих поверхностей 128, 140. Одна или больше распределительных сетей 272 теплоносителей могут содержать сеть трубопроводов для текучей среды, где теплопередающая текучая среда (например, вода) подана к теплопередающим поверхностям 128, 140. Ветви 210, 214 от распределительной сети 272 теплоносителей могут быть использованы для подачи теплопередающей среды к поверхностям 128, 140. Например, ветвь 210 может быть использована для подачи теплопередающей среды от распределительной сети 272 теплоносителей к теплопередающей поверхности 128, размещенной в нисходящем пути 114 потока, а ветвь 214 может быть использована для подачи теплопередающей среды от распределительной сети 272 теплоносителей к теплопередающей поверхности 140, размещенной в восходящем пути 120 потока.
Теплопередающая среда может быть собрана и по меньшей мере частично возвращена в тепловую подсистему 270 через одну или больше коллекторных сетей 274 теплоносителей. Одна или больше коллекторных сетей 274 теплоносителей могут содержать совокупность сетевых трубопроводов 212, 216 для текучей среды, где теплопередающая текучая среда (например, вода) удалена с теплопередающих поверхностей 128, 140. Ветви от коллекторной сети 274 теплоносителей могут быть использованы для сбора теплопередающей среды с теплопередающих поверхностей 128, 140. Например, ветвь 212 может быть использована для возврата теплопередающей среды с теплопередающей поверхности 128, размещенной в нисходящем пути 114 потока, к коллекторной сети 274 теплоносителей, а ветвь 216 может быть использована для возврата теплопередающей среды с теплопередающей поверхности 140, размещенной в восходящем пути 118 потока, к коллекторной сети 274 теплоносителей.
По меньшей мере в некоторых случаях всем процессом ферментации или его частью можно, по меньшей мере частично, автоматически управлять, используя подсистему 290 управления. Подсистема 290 управления может собирать связанную с процессом информацию, предоставленную одним или больше элементами процесса в виде сигналов, содержащих аналоговые или цифровые данные, характеризующие одну или больше переменных процесса. Например, подсистема управления может собирать связанные с процессом сигналы, используя один или больше элементов процесса, включая, но не ограничиваясь этим, датчики массового расхода, датчики объемного расхода, температурные датчики, датчики давления, датчики уровня, аналитические датчики (например, датчики растворенного кислорода, датчики «биологической потребности в кислороде» ("BOD"), датчики рН фактора, датчики удельной электропроводности и т.п.) или любое другое устройство, способное вырабатывать сигнал, содержащий данные, имеющие отношение к одному или больше связанных с процессом условий внутри ферментатора 100.
Подсистема 290 управления может выполнять один или больше наборов команд, управляющих, изменяющих или регулирующих один или больше аспектов процесса ферментации, на основании, по меньшей мере частично, сигналов о переменных процесса, полученных от элементов процесса. Такие команды могут приводить к выработке одного или больше выходных сигналов управления подсистемой 290 управления. Выходные сигналы управления могут быть переданы от подсистемы 290 управления к одному или больше исполнительных элементов, таким как блокирующие клапаны, распределительные клапаны, двигатели, приводы переменной скорости и т.д. Взаимодействие между исполнительными элементами и процессом ферментации может, в свою очередь, снабжать подсистему 290 управления высокоточными данными об относительно точном управлении процессом ферментации.
Например, чувствительная к получению одного или больше сигналов, содержащих данные, характеризующие температуру многофазной смеси в ферментаторе 100, подсистема 290 управления способна инициировать, изменять или прекращать поток теплопередающей среды к одной или больше теплопередающим поверхностям 128, 140. Аналогичным образом чувствительная к получению одного или больше сигналов, содержащих данные, характеризующие уровень растворенного кислорода в многофазной смеси в ферментаторе 100, подсистема 290 управления способна увеличивать, уменьшать или поддерживать поток кислородсодержащего газообразного субстрата 204 к ферментатору 100. Хотя здесь приведены только два иллюстративных примера, любая характеристика потока, уровня, давления, аналитического значения и т.п., имеющая отношение к процессу ферментации, может быть аналогично контролируема подсистемой 290 управления при использовании одного или больше соответствующих датчиков процесса и одного или больше соответствующих исполнительных элементов.
На фиг. 3 показан вид в вертикальном разрезе взятого в качестве примера ферментатора 300. Ферментатор 300 содержит одну или большее количество внутренних структур, включающих одну или большее количество структур 302а-302с (на фигуре показаны только три структуры, однако возможно любое их количество, все вместе называемое «структуры 302»), размещенных, по меньшей мере частично, внутри нисходящего пути 114 потока, и одну или больше структур 304a-304d (на фигуре показаны только четыре структуры, однако возможно любое их количество, все вместе называемое «структуры 304»), размещенных, по меньшей мере частично, в восходящем пути 120 потока. Такие структуры могут выгодным образом поддерживать и в нисходящих путях 114 потока и в восходящих путях 118 потока массообмен между газовыми пузырьками и жидкостью в многофазной смеси и между многофазной смесью и биологическими организмами. Такие структуры могут выгодным образом поддерживать однородность газовых пузырьков внутри многофазной смеси посредством облегчения более равномерного распределения в нисходящих путях 114 потока и в восходящих путях 118 потока и поддерживать дополнительное время контакта между пузырьками газообразного субстрата, существующими в многофазной смеси, и биологическими организмами внутри ферментатора 300. Ферментатор 300 содержит коническое дно 124, что выгодным образом содействует накоплению избыточной биомассы 306 в определенном месте ферментатора 300, размещенном рядом по меньшей мере с одним присоединением 208 для текучей среды, предназначенным для удаления биомассы.
Ферментатор 300 содержит один полый трубопровод 102 для текучей среды, размещенный внутри сосуда 108. По меньшей мере одно устройство 216 перемещения текучей среды размещено со стороны впуска нисходящего пути 114 потока, причем жидкий поток распределен по нисходящим путям 114 потока в ферментаторе 300 посредством множества присоединений для текучей среды 130a-130n (вместе называемых «присоединения 130 для текучей среды»), размещенных около вершины 126 ферментатора 300. Присоединения 130 для текучей среды непосредственно связаны по текучей среде по меньшей мере с частью нисходящих путей 114 потока. По меньшей мере одно устройство 216 перемещения текучей среды обеспечивает в целом текущий вниз поток 116 текучей среды 308 внутри нисходящего пути 114 потока.
Ферментатор 300 содержит множество газораспределителей 132a-132n (вместе называемых «газораспределители 132»), размещенных вокруг ферментатора 300. Один или больше газов 204 субстрата введены в нисходящий путь 114 потока в виде газовых пузырьков 310. По меньшей мере в некоторых случаях газовые пузырьки 310 могут содержать один или больше газообразных субстратов. Внутри нисходящего пути 114 потока происходит смешивание или объединение другим образом текучей среды 308 и газовых пузырьков с образованием многофазной смеси 312. Внутри исходящего пути 114 потокагазообразный субстрат и питательные среды в многофазной смеси используют биологические организмы с образованием биомассы 314 на большинстве, если не на всех, внутренних поверхностях, образующих нисходящий путь 114 потока.
По меньшей мере в некоторых случаях жидкость 308, введенная в нисходящий путь 114 потока, может содержать водный раствор, содержащий один или больше питательных сред, микроэлементов, минералов и т.п., которые способны поддерживать рост и развитие биомассы, по меньшей мере, внутри нисходящего пути 114 потока. По меньшей мере в некоторых случаях жидкость 308 может содержать растворенный азот или один или больше азотсодержащих материалов, способных создавать концентрацию растворенного азота от примерно 1 миллиграмма/литр (мг/л) до примерно 30 мг/л; от примерно 1 миллиграмма/литр до примерно 20 мг/л; или от примерно 1 миллиграмма/литра до примерно 10 мг/л. По меньшей мере в некоторых случаях жидкость 308 может содержать растворенный фосфор или один или больше фосфорсодержащих материалов, способных создавать концентрацию растворенного фосфора от примерно 1 мг/л до примерно 30 мг/л; от примерно 1 мг/л до примерно 20 мг/л; или от примерно 1 мг/л до примерно 10 мг/л.
По меньшей мере в некоторых случаях газ, введенный в нисходящий путь 114 потока, может содержать любое количество газов субстрата, включая, но не ограничиваясь этим, по меньшей мере один газ из метана, моноксида углерода, кислорода, кислородсодержащих соединений, водорода и водородсодержащих соединений. По меньшей мере в некоторых случаях газ(-ы) может быть подан при таких условиях (например, значениях концентрации, температуры и давления), которые выгодным образом содействуют растворению газов в текучей среде 308 с образованием многофазной смеси 312. По меньшей мере в некоторых случаях можно вручную или автоматически управлять добавлением газов субстрата для поддержания любого определенного уровня растворенного газа в многофазной смеси внутри ферментатора 300. В некоторых случаях, хотя они и не показаны на фиг. 3, газовые пузырьки 310 могут быть введены внутрь нисходящего пути 114 потока, внутрь восходящего пути 120 потока или внутрь обоих. Газовые пузырьки 310, введенные в различных точках в ферментатор 300, могут или не могут иметь одинаковый состав или быть при одинаковой температуре или давлении. По меньшей мере в некоторых случаях состав газовых пузырьков 310 может быть отрегулирован на основании, по меньшей мере частично, места внутри ферментатора 300, в котором были введены газовые пузырьки 310. Например, газ субстрата может иметь различные концентрации в газовых пузырьках 310, введенных через один или больше газораспределителей 132 в различных точках в ферментаторе 300. По меньшей мере в некоторых случаях температура газовых пузырьков 310 может быть отрегулирована на основании, по меньшей мере частично, места внутри ферментатора 300, в котором были введены газовые пузырьки 310. По меньшей мере в некоторых случаях давление газовых пузырьков 310 может быть отрегулировано на основании, по меньшей мере частично, места внутри ферментатора 300, в котором были введены газовые пузырьки 310.
По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере один параметр из состава, температуры или давления газовых пузырьков 310 может быть отрегулирован или управляем иным образом для поддержания концентрации растворенного метана внутри многофазной смеси от примерно 0,1 мг/л до примерно 100 мг/л; от примерно 0,5 мг/л до примерно 50 мг/л; от примерно 1 мг/л до примерно 20 мг/л; или от примерно 1 мг/л до примерно 10 мг/л. По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере один параметр из состава, температуры или давления газовых пузырьков 310 может быть отрегулирован или управляем иным образом для поддержания концентрации растворенного моноксида углерода внутри многофазной смеси от примерно 0,1 мг/л до примерно 100 мг/л; от примерно 0,5 мг/л до примерно 50 мг/л; от примерно 1 мг/л до примерно 20 мг/л; или от примерно 1 мг/л до примерно 10 мг/л. По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере один параметр из состава, температуры или давления газовых пузырьков 310 может быть отрегулирован или управляем иным образом для поддержания концентрации растворенного кислорода внутри многофазной смеси от примерно 0,1 мг/л до примерно 100 мг/л; от примерно 0,5 мг/л до примерно 50 мг/л; от примерно 1 мг/л до примерно 20 мг/л; или от примерно 1 мг/л до примерно 10 мг/л. По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере один параметр из состава, температуры или давления газовых пузырьков 310 может быть отрегулирован или управляем иным образом для поддержания концентрации растворенного водорода внутри многофазной смеси от примерно 0,1 мг/л до примерно 50 мг/л; от примерно 0,5 мг/л до примерно 25 мг/л; от примерно 1 мг/л до примерно 10 мг/л; или от примерно 1 мг/л до примерно 5 мг/л.
По меньшей мере в некоторых случаях структуры 302 могут быть размещены, по меньшей мере частично, внутри нисходящего пути 114 потока. Хотя газовые пузырьки 310 обычно имели тенденцию течь вверх внутри нисходящего пути 114 потока, скорость текучей среды внутри нисходящего пути потока имеет тенденцию «подталкивать» пузырьки 310 газообразного субстрата вниз со скоростью, меньшей скорости текучей среды. Увеличенное время пребывания газовых пузырьков 310 в нисходящем пути 114 потока выгодным образом образует увеличенную вероятность для газа(-ов), присутствующего в газовых пузырьках 310, быть растворенным в многофазной смеси и, следовательно, для биологических организмов, существующих в биомассе 314 в нисходящем пути 114 потока, абсорбировать растворенный газ(-ы) субстрата из многофазной смеси. Структуры 302 могут выгодным образом усиливать этот эффект, поскольку газовые пузырьки 310, захваченные ниже и вокруг структур, будут также испытывать ранее объясненные сопутствующие преимущества от увеличенного времени пребывания внутри нисходящего пути 114 потока. Увеличенное время пребывания особенно выгодно при поддержании выработки больших количеств биомассы 314 внутри нисходящего пути потока. Выработанные таким образом большие количества биомассы 314 могут, по меньшей мере частично, иметь отношение к увеличенным уровням растворенного газа(-ов) субстрата, существующего в нисходящем пути 114 потока.
Структуры 302 могут содержать любое количество, тип, размер или конфигурацию выступающего элемента или утопленного фиксатора при контакте текучей среды с нисходящим путем 114 потока. Все структуры или часть структур 302 могут быть одинаковыми или отличными в зависимости от функции структуры 302. Например, множество структур 302а, совместно использующих общий первый тип конструкции, поддерживающий перемешиванием многофазной смеси и увеличивающий время пребывания газовых пузырьков 310, может быть размещено внутри нисходящего пути 114 потока. Множество структур 302b, совместно использующих общий второй тип конструкции, обеспечивающий расширенные поверхности, поддерживающие рост или образование биомассы 314, может быть размещено внутри нисходящего пути 114 потока.
По меньшей мере в некоторых случаях структуры 304 могут быть размещены, по меньшей мере частично, внутри восходящего пути 120 потока. Хотя газовые пузырьки 310 обычно текут вверх внутри восходящего пути 114 потока, дополнительная восходящая скорость придана газовым пузырькам 310 посредством скорости восходящего потока 120 текучей среды в восходящем пути 118 потока, который имеет тенденцию «подталкивать» пузырьки 310 газообразного субстрата вверх со скоростью, превышающей обычную скорость подъема газовых пузырьков 310. Структуры 304 могут выгодным образом препятствовать или иначе противостоять перемещению газовых пузырьков 310 в восходящем пути 118 потока, увеличивая, тем самым, время пребывания газовых пузырьков 310 в восходящем пути 118 потока. Увеличенное время пребывания газовых пузырьков 310 в восходящем пути 118 потока выгодным образом образует увеличенную вероятность для газа(-ов), присутствующего в газовых пузырьках 310, быть растворенным в многофазной смеси и, следовательно, для биологических организмов, существующих в биомассе 314 в восходящем пути 118 потока, абсорбировать растворенный газ(-ы) субстрата из многофазной смеси. Структуры 304 могут выгодным образом усиливать этот эффект, поскольку газовые пузырьки 310, захваченные ниже и вокруг структур 304, будут также испытывать ранее объясненные сопутствующие преимущества от увеличенного времени пребывания внутри восходящего пути 118 потока. Увеличенное время пребывания особенно выгодно при поддержании выработки больших количеств биомассы 314 внутри восходящего пути 118 потока. Выработанные таким образом большие количества биомассы 314 могут, по меньшей мере частично, иметь отношение к увеличенным уровням растворенного газа(-ов) субстрата, существующего в восходящем пути 118 потока.
Структуры 304 могут содержать любое количество, тип, размер или конфигурацию выступающего элемента или утопленного фиксатора при контакте текучей среды с восходящим путем 118 потока. Все структуры или часть структур 304 могут быть одинаковыми или отличными в зависимости от функции структуры. Например, множество структур 304а, совместно использующих общий первый тип конструкции, поддерживающий перемешивание многофазной смеси и увеличивающий время пребывания газовых пузырьков 310, может быть размещено внутри восходящего пути 118 потока. Множество структур 304b, совместно использующих общий второй тип конструкции, обеспечивающий расширенные поверхности, поддерживающие рост или образование биомассы 314, может быть размещено внутри восходящего пути 114 потока.
2+
По мере накопления биомассы 314 внутри нисходящего пути 114 потока и восходящего пути 118 потока будет происходить отслаивание или иное отсоединение избыточной биомассы от внутренних поверхностей ферментатора 300. По меньшей мере часть избыточной биомассы будет падать на дно ферментатора 300, где происходит накопление биомассы. По меньшей мере часть избыточной биомассы будут перенесена или транспортирована из ферментатора 300 вместе с многофазной смесью 136. Избыточные накопления биомассы на дне ферментатора 300 могут быть удалены как твердые материалы биологического происхождения. По меньшей мере часть таких твердых материалов биологического происхождения может быть дополнительно обработана для выработки одного или больше взаимозаменяемых продуктов, таких как биологические топлива или C углеводороды, полезные или как конечные продукты или как сырье для последующей обработки. По меньшей мере, часть избыточной биомассы, удаленной из ферментатора 300, может быть использована для «повторной затравки» или распространения микробиологических организмов, существующих в виде твердых материалов биологического происхождения, на другие ферментаторы 300.
По меньшей мере часть избыточной биомассы, переносимая из ферментатора 300 вместе с многофазной смесью 136, может быть отделена, например, в подсистеме 250 разделения, и по меньшей мере часть рециркулирована в ферментатор 300, по меньшей мере для содействия созданию микробиологической колонии внутри ферментатора 300.
1
1
1
По меньшей мере в некоторых случаях микробиологические организмы, используемые для ферментации газообразного углеродсодержащего исходного сырья, используют культуру, в основном содержащую метаболизирующий C нефотосинтезирующий микроорганизм. Такие системы ферментации могут использовать один или больше видов метаболизирующих C микроорганизмов, которые представляют собой прокариоты или бактерии, такие как Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium, Methanomonas, Methylophilus, Methylobacillus, Methylobacterium, Hyphomicrobium, Xanthobacter, Bacillus, Paracoccus, Nocardia, Arthrobacter, Rhodopseudomonas или Pseudomonas. В некоторых случаях метаболизирующие C бактерии могут включать метанотроф или метилотроф. Предпочтительные метанотрофы включают Methylobacter, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium, Methanomonas или их комбинации. Взятые в качестве примера метанотрофы включают Methylomonas sp. 16а (Американская коллекция типовых культур РТА 2402), Methylosinus trichosporium (Коллекция культур Северной региональной исследовательской лаборатории В-П, 196), Methylosinus sporium (Коллекция культур Северной региональной исследовательской лаборатории В-П, 197), Methylocystis parvus (Коллекция культур Северной региональной исследовательской лаборатории В-II, 198), Methylomonas methanica (Коллекция культур Северной региональной исследовательской лаборатории В-5 11,199), Methylomonas ulb us (Коллекция культур Северной региональной исследовательской лаборатории В-II, 200), Methylobacter capsulatus (Коллекция культур Северной региональной исследовательской лаборатории В-11, 201), Methylobacterium organophilum (Американская коллекция типовых культур 27 886), Methylomonas sp.AJ-3670 (FERM P-2400), Methylomicrobium alcaliphilum, Methylocella silvestris, Methylacidiphilum infernorum, Methylibium petroleiphilum, Methylosinus trichosporium OB3b, Methylococcus capsulatus Bath, Methylomonas sp. 16a, Methylomicrobium alcaliphilum 20Z, или их быстрорастущие варианты. Предпочтительные метилотрофы включают Methylobacterium extorquens, Methylobacterium radiotolerans, Methylobacterium populi, Methylobacterium chloromethanicum, Methylobacterium nodularis или их комбинации.
1
1
Микроорганизмы, способные к метаболизации C-соединений, обнаруженных в синтетическом газе, включают, не ограничиваясь этим, Clostridium, Moorella, Pyrococcus, Eubacterium, Desulfobacterium, Carboxydothermus, Acetogenium, Acetobacterium, Acetoanaerobium, Butyribaceterium, Peptostreptococcus или их комбинации. Взятые в качестве примера метилотрофы включают Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahli, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxydivorans, Butyribacterium methylotrophicum, Clostridium woodii, Clostridium neopropanologen или их комбинации. В некоторых случаях, метаболизирующие С микроорганизмы представляет собой эукариоты, такие как дрожжи, включая Candida, Yarrowia, Hansenula, Pichia, Torulopsis или Rhodotorula.
1
1
1
В других случаях метаболизирующий C нефотосинтезирующий микроорганизм представляет собой облигатный метаболизирующий С нефотосинтезирующий микроорганизм, такой как облигатный метанотроф и облигатный метилотроф. В некоторых случаях, метаболизирующий С нефотосинтезирующий микроорганизм представляет собой рекомбинантный микроорганизм, содержащий чужеродный полинуклеотид, кодирующий фермент, производящий жирную кислоту, фермент ассимиляции формальдегида или их комбинации.
На фиг. 4 показан вид в вертикальном разрезе взятого в качестве примера ферментатора 400. Дно 124 ферментатора 400 содержит множество конических сечений, каждое из которых способно накапливать избыточную биомассу 306. В таких случаях по меньшей мере одно присоединение 208 для текучей среды для удаления биомассы 208 может быть размещено вблизи того места на дне 124, в котором происходит накопление избыточной биомассы, для облегчения удаления избыточной биомассы 306. Ферментатор 400 содержит шесть или больше полых трубопроводов 102a-102f для текучей среды (вместе называемых «полыми трубопроводами 102 для текучей среды»), размещенных внутри сосуда 108. По меньшей мере одно устройство 216 перемещения текучей среды размещено на стороне впуска нисходящего пути 114 потока, причем поток текучей среды распределен по нисходящим путям 114 потока посредством множества присоединений 130а-130f для текучей среды (вместе называемых «присоединения 130 для текучей среды»), размещенных на крышке ферментатора 126. Каждое из присоединений 130 для текучей среды непосредственно связано по текучей среде снисходящим путем 114 потока. По меньшей мере одно устройство 216 перемещения текучей среды образует в целом нисходящий поток текучей среды 308 внутри нисходящего пути 114 потока.
Многофазная смесь 136 выходит из ферментатора 400 через множество спускных присоединений 138 для текучей среды, предназначенных для спуска многофазной смеси, причем каждое из присоединений для текучей среды, предназначенное для спуска много фазной смеси, непосредственно связано по текучей среде с восходящими путями 118 потока. Каждое из спускных присоединений 138 для текучей среды, предназначенных для спуска многофазной смеси, связано по текучей среде с трубопроводом 402 для текучей среды, предназначенным для спуска многофазной смеси, который используют для передачи многофазной смеси из восходящих путей 118 потока в подсистему 230 противодавления.
Подсистема 230 противодавления, показанная на фиг. 4, содержит по меньшей мере одну многофазную турбину 404. Давление многофазной смеси с относительно более высоким давлением, удаленной из восходящих путей 118 потока, уменьшено посредством многофазной турбины 404 для создания многофазной смеси относительно более низкого давления, которая направлена прочь от системы 230 противодавления через один или больше трубопроводов 406 для текучей среды. По меньшей мере часть многофазной смеси относительно более низкого давления может быть впоследствии введена в подсистему 250 разделения. По меньшей мере в некоторых случаях многофазная турбина 404 может быть физически соединена с одним или больше устройствами регенерации энергии (не показаны на фиг. 4), таким как электрический генератор, регенерирующий по меньшей мере часть энергии, выпущенной посредством уменьшения давления многофазной смеси от относительно более высокого давления до относительно более низкого давления. По меньшей мере в некоторых случаях физическое соединение многофазной турбины 404 и устройства регенерации энергии может быть достигнуто посредством использования вала 408 или подобного соединения, способного передавать механическую энергию. Подсистема 230 противодавления способна уменьшать или понижать манометрическое давление многофазной смеси, выходящей из восходящих путей 118 потока примерно на 120 фунтов/кв. дюйм или меньше; примерно на 90 фунтов/кв. дюйм или меньше; примерно на 60 фунтов/кв. дюйм или меньше; примерно на 30 фунтов/кв. дюйм или меньше; или примерно на 15 фунтов/кв. дюйм или меньше.
2+
2+
Многофазная смесь относительно более низкого давления, выходящая из подсистемы 230 противодавления через один или больше трубопроводов 406 для текучей среды, может в некоторых случаях быть введена в подсистему 250 разделения. Внутри подсистемы 250 разделения многофазная смесь относительно более низкого давления может быть разделена на множество фаз. В некоторых случаях многофазная смесь относительно более низкого давления может быть разделена по меньшей мере на газовую фазу 252, содержащую один или больше желательных продуктов (например, С углеводородов, таких как этан и этилен), один или больше неизрасходованных газообразных субстратов (например, метан или моноксид углерода), или один или больше метаболических или химических побочных продуктов (например, двуокись углерода). В некоторых случаях многофазная смесь относительно более низкого давления может быть разделена по меньшей мере на жидкую фазу 254, содержащую один или больше желательных продуктов (например, С углеводородов, таких как спирты и кетоны), один или больше неизрасходованных питательных сред в жидкой фазе, или один или больше метаболических или химических побочных продуктов. В некоторых случаях многофазная смесь относительно более низкого давления может быть разделена по меньшей мере на содержащую твердые частицы фазу 256, содержащую один или больше желательных твердотельных продуктов биологического происхождения (например, внутриклеточных липидов, полезных в качестве биологического топлива) или один или больше метаболических или химических побочных продуктов (например, избыточной биомассы).
На фиг. 5 показан вид в вертикальном разрезе взятой в качестве примера системы 500 ферментатора. Ферментатор 500 содержит множество полых трубопроводов 102 для текучей среды, которые полностью проходят через сосуд 108 (то есть, от крышки 126 до дна 124). Восходящие пути 118 потока связаны по текучей среде с нисходящими путями 114 потока через один или больше трубопроводов 502 для текучей среды. По меньшей мере в некоторых случаях одно или больше устройств изоляции 504 могут быть размещены по меньшей мерев части одного или больше трубопроводов 502 для текучей среды. По меньшей мере в некоторых случаях один или большее количество трубопроводов 502 для текучей среды связаны по текучей среде с по меньшей мере частью нисходящих путей 114 потока посредством одного или больше присоединений 506 для текучей среды. По меньшей мере в некоторых случаях один или больше трубопроводов 502 для текучей среды связаны по текучей среде с по меньшей мере частью восходящих путей 118 потока посредством одного или больше присоединений 508 для текучей среды. Одно или большее количество устройств изоляции 504 и один или больше присоединений 506, 508 для текучей среды выгодным образом обеспечивают возможность изоляции одного или больше полых трубопроводов 102 для текучей среды. Способность выборочно изолировать полые трубопроводы 102 для текучей среды выгодным образом обеспечивает возможность проведения обычного технического обслуживания и очистки полых трубопроводов 102 для текучей среды без необходимости выведения из работы всего ферментатора 500.
Показаны две различных системы, соединяющие нисходящий путь 114 потока с восходящим путем 118 потока. В первом случае показаны трубопроводы 502 для текучей среды, непосредственно связывающие по текучей среде нисходящий путь 114 потока и восходящий путь 118 потока. Такая конструкция с непосредственной связью по текучей среде может быть применена в случае использования принудительного потока текучей среды или вводимого потока текучей среды и в нисходящем пути 114 потока и в восходящем пути 118 потока. Например, система с непосредственной связью по текучей среде может быть выгодной в случае связи по текучей среде одного или больше устройств 216 перемещения текучей среды с входным присоединением 130 для текучей среды нисходящего пути 114 потока или в случае связи по текучей среде с выходным присоединением 138 для текучей среды восходящего пути 118 потока. В этом случае может происходить накопление избыточной биомассы 306 внутри трубопроводов 502 для текучей среды. Такая накопленная избыточная биомасса 306 может быть удалена посредством использования по меньшей мере одного присоединения 208 для текучей среды для удаления биомассы.
Во втором случае одно или больше устройств 216 перемещения текучей среды связаны по текучей среде между нисходящим путем 114 потока и восходящим путем 118 потока. Такая связь по текучей среде образует вводимый нисходящий поток 116 в нисходящем пути 114 потока и принудительный восходящий поток 120 в восходящем пути 118 потока. По меньшей мере в некоторых случаях одно или больше устройств 216 перемещения текучей среды могут быть связаны по текучей среде с нисходящим путем 114 потока при использовании одного или большего количества присоединений 506 для текучей среды (например, фланцевых, резьбовых, с быстрым соединением и т.д.). По меньшей мере в некоторых случаях одно или больше устройств 216 перемещения текучей среды могут быть связаны по текучей среде с путем восходящего потока посредством одного или больше присоединений 518 для текучей среды (например, фланцевых, резьбовых, с быстрым соединением и т.д.).
По меньшей мере в некоторых случаях избыточная биомасса 306, вовлеченная в одно или больше устройств 216 перемещения текучей среды, может быть захвачена или иначе накоплена в одном или больше устройствах 510 накопления. Взятые в качестве примера устройства 510 накопления включают, не ограничиваясь этим, одно или больше одноступенчатых или многоступенчатых устройств фильтрации, таких как фильтры со сменным фильтрующим элементом, самоочищающиеся фильтры, рукавные фильтры, фильтры корзиночного типа или их комбинации. Взятые в качестве примера устройства 510 накопления могут содержать, не ограничиваясь этим, один или больше гидроциклонов или аналогичных устройств. По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере часть избыточной биомассы 306 может быть удалена из устройства 510 накопления при использовании по меньшей мере одного присоединения 208 для текучей среды для удаления биомассы. Хотя это не показано на фиг. 5, по меньшей мере в некоторых случаях одно или большее количество присоединений 208 для текучей среды для удаления биомассы могут быть размещены на сосуде 108. Например, одно или большее количество присоединений 208 для текучей среды для удаления биомассы 208 могут быть размещены на дне 124 сосуда 108 для удаления накопленных твердых материалов 306 биологического происхождения.
Ферментатор 500 также оборудован множеством коллекторов 132 распределения газа. Первый коллектор 132а распределения газа размещен в нисходящем пути 114 потока. Второй коллектор 132b распределения газа размещен в восходящем пути 118 потока. Такое размещение выгодным образом обеспечивает способность пополнять или увеличивать газообразный субстрат, обедненный относительно многофазной смеси во время прохождения через нисходящий путь 114 потока до вхождения многофазной смеси в восходящий путь 118 потока. Например, если метан используют в качестве газообразного субстрата, и концентрация метана в многофазной смеси, выходящей из нисходящего пути потока, ниже определенного значения, дополнительный метан может быть добавлен к многофазной смеси в восходящем пути 118 потока при использовании коллектора 132b распределения газа. Второй коллектор 132b распределения газа может выгодным образом обеспечивать способность выращивания различных типов микроорганизмов в различных местах внутри ферментатора 500. Например, введение первого газообразного субстрата через первый коллектор 132а распределения газа может содействовать росту микроорганизмов, метаболизирующих первый газообразный субстрате нисходящем пути 114 потока. Введение второго газообразного субстрата через второй коллектор 132b распределения газа может содействовать росту микроорганизмов, метаболизирующих второй газообразный субстрат в восходящем пути 114 потока. Способность подавать множество газообразных субстратов в один и тот же ферментатор 500 может выгодным образом расширять матрицу продукта, достижимую в ферментаторе 500.
На фиг. 6 показан вид в вертикальном разрезе взятой в качестве примера системы 600 ферментатора. Дно сосуда 108 содержит множество выпуклых днищ (например, выпуклые днища стандарта ASME), каждое из которых может накоплять избыточную биомассу 306. В таких случаях по меньшей мере одно присоединение 208 для текучей среды, предназначенное для удаления биомассы, может быть размещено рядом с тем местом на дне 124, в котором происходит накопление избыточной биомассы, для облегчения удаления избыточной биомассы 306. Ферментатор 602 содержит множество полых трубопроводов 102а-102b для текучей среды (вместе называемых «полыми трубопроводами 102 для текучей среды»), размещенных внутри сосуда 108.
По меньшей мере одно устройство 216 перемещения текучей среды связано по текучей среде с восходящим путем 118 потока через одно или больше спускных присоединений 138 для текучей среды, предназначенных для спуска многофазной смеси. Такое размещение, где и нисходящий путь 114 потока и восходящий путь 118 потока связаны по текучей среде со стороной разрежения по меньшей мере одного устройства 216 перемещения текучей среды, способно, по меньшей мере частично, ввести поток текучей среды и через нисходящий путь 114 потока и через восходящий путь 118 потока. Хотя это не показано на фиг. 6, по меньшей мере в некоторых случаях одно или больше необязательных дополнительных устройств 216 перемещения текучей среды могут быть связаны по текучей среде с нисходящим путем 114 потока через один или больше коллекторов 130а-130с распределения текучей среды. По меньшей мере одно устройство 216 перемещения текучей среды связано по текучей среде с
Множество коллекторов 132а-132b распределения газа (вместе называемых «коллекторами 132 распределения газа») связаны по текучей среде с нисходящим путем 114 потока ферментатора 602. Такое размещение выгодным образом обеспечивает способность пополнять или увеличивать газообразный субстрат, обедненный относительно многофазной смеси во время прохождения через нисходящий путь 114 потока до вхождения многофазной смеси в восходящий путь 118 потока. Например, если метан используют в качестве газообразного субстрата, и концентрация метана в многофазной смеси, выходящей из нисходящего пути потока, ниже определенного значения, дополнительный метан может быть добавлен к многофазной смеси в восходящем пути 118 потока при использовании коллектора 132b распределения газа. Второй коллектор 132b распределения газа может выгодным образом обеспечивать способность выращивания различных типов микроорганизмов в различных местах внутри ферментатора 602. Например, введение первого газообразного субстрата через первый коллектор 132а распределения газа может содействовать росту микроорганизмов, метаболизирующих первый газообразный субстрат в нисходящем пути 114 потока. Введение второго газообразного субстрата через второй коллектор 132b распределения газа может содействовать росту микроорганизмов, метаболизирующих второй газообразный субстрат в восходящем пути 114 потока. Способность подавать множество газообразных субстратов в один и тот же ферментатор 602 может выгодным образом расширять матрицу продукта, достижимую в ферментаторе 602.
На фиг. 7 показан способ высокого уровня при работе системы ферментации, использующей один или больше ферментаторов 100 в одной или больше системах 300, 400, 500, 600 ферментатора, подробно описанных выше со ссылками на фиг. 1-6. Такие системы выгодным образом вводят одну или больше жидких сред, содержащих один или больше питательных сред и один или больше газообразных субстратов в нисходящий путь 114 потока для обеспечения многофазной смеси, имеющей здесь полный нисходящий поток 116. Скорость текучей среды многофазной смеси внутри нисходящего пути 114 потока достаточна для принуждения пузырьков газообразного субстрата, присутствующих в многофазной смеси, течь в нисходящем направлении. Однако, проявляемая для пузырьков газообразного субстрата тенденция подъема внутри многофазной смеси выгодным образом увеличивает время пребывания пузырьков газообразного субстрата внутри нисходящего пути 114 потока, увеличивая, тем самым массообмен и последующее микробиологическое поглощение газообразного субстрата в нисходящем пути потока. После прохождения через нисходящий путь 114 потока многофазная смесь входит в восходящий путь 118 потока, где могут иметь место дополнительные массообмен и микробиологическое поглощение. Многофазную смесь удаляют из ферментатора и при необходимости уменьшают ее давление и проводят разделение для получения одного или больше желательных материалов. Способ начинается на стадии 702.
На стадии 704 газообразный субстрат диспергирован внутри жидких сред с образованием многофазной смеси. Такая дисперсия может иметь место при или около входного отверстия или в начале нисходящего пути 114 потока или около него, хотя дополнительные количества газообразного субстрата могут быть диспергированы в других местах в нисходящем пути 114 потока, восходящем пути 118 потока или в обоих. В некоторых случаях газообразный субстрат может быть диспергирован во множестве точек внутри нисходящего пути 114 потока, восходящего пути 118 потока или внутри обоих, и газообразный субстрат в каждой точке диспергирования может иметь одинаковые или различные температуру, давление, материал или их комбинации. Способность изменять физические или композиционные свойства газообразного субстрата в различных местах внутри ферментатора выгодным образом обеспечивает возможность адаптации газообразного субстрата не только к конкретному микробиологическому виду, присутствующему в ферментаторе, но также и к конкретному месту размещения микробиологического вида внутри ферментатора на основании точки диспергирования газообразного субстрата внутри ферментатора.
На стадии 706 многофазная смесь задает нисходящий поток 116 внутри нисходящего пути 114 потока. Пузырьки газообразного субстрата будут иметь тенденцию подъема внутри нисходящего пути потока со скорость подъема газового пузырька, составляющей «X» футов в секунду. Многофазная смеси будет иметь поверхностную скорость текучей среды внутри нисходящего пути 114 потока, составляющую «Y» футов в секунду. При поддержании поверхностной скорости текучей среды многофазной смеси выше скорости подъема газового пузырька (то есть, при Y>X) пузырьки газообразного субстрата будут течь вниз, а не вверх, в нисходящем пути 114 потока. При регулировании или ином управлении объемной скоростью потока многофазной смеси в нисходящем пути 114 потока до скорости, которая лишь ненамного превышает скорость подъема газовых пузырьков субстрата, время пребывания газовых пузырьков в нисходящем пути 114 потока может быть увеличено. Такое увеличение времени пребывания в нисходящем пути 114 потока может выгодным образом улучшать массообмен и микробиологическое поглощение газообразного субстрата 204 микробиологическими организмами, существующими в нисходящем пути 114 потока. В некоторых случаях скорость многофазной смеси в нисходящем пути 114 потока может быть измерена и управляема. Например, подсистема 290 управления может изменять, регулировать или управлять скоростью текучей среды многофазной смеси в нисходящем пути 114 потока до определенного диапазона, слегка превышающего скорость подъема пузырьков газообразного субстрата в нисходящем пути 114 потока. В некоторых случаях температура, давление или состав газообразного субстрата 204 могут быть изменены, отрегулированы или управляемы через подсистему 290 управления для поддержания желательного размера пузырька газообразного субстрата внутри нисходящего пути 114 потока. В других случаях температура, давление или состав газообразного субстрата 204 могут быть изменены, отрегулированы или управляемы через подсистему 290 управления для поддержания в определенном диапазоне концентрации одного или больше компонентов газообразного субстрата (например, метана, двуокиси углерода, водорода, кислорода, азота и т.д.) внутри жидкой фазы многофазной смеси в нисходящем пути 114 потока.
На стадии 708 температура многофазной смеси внутри нисходящего пути 114 потока может быть изменена, отрегулирована или управляема для поддержания температуры внутри определенного диапазона температур. По меньшей мере в некоторых случаях определенный диапазон температур может быть отобран или иначе выбран на основании, по меньшей мере частично, микробиологического вида, используемого внутри ферментатора 100. Избыток тепла может быть выработан как побочный продукт микробиологическими организмами, ответственными за по меньшей мере часть активности внутри ферментатора 100. Этот избыток тепла, если его не регулировать, способен подавлять или замедлять рост или метаболизм некоторых или всех микробиологических организмов внутри ферментатора 100. По меньшей мере в некоторых случаях охлаждение может быть обеспечено внутри нисходящего пути 114 потока с целью поддержания в определенном диапазоне объема температуры многофазной смеси в нисходящем пути 114 потока. Такое охлаждение может включать прохождение охлаждающих сред через резервуары или змеевики 140, посредством теплопроводности связанными снисходящим путем 114 потока. Охлаждающая вода или другие охлаждающие среды (например, растворы гликоля, концентрированные соляные растворы и т.д.) могут также быть использованы для обеспечения охлаждения внутри ферментатора 100. По меньшей мере в некоторых случаях подсистема 290 управления может управлять объемной скоростью потока или температурой охлаждающих сред, проходящих через резервуары или змеевики 140, которые посредством теплопроводности связаны снисходящим путем 114 потока.
В других случаях тепло, выработанное микробиологическим видом, может быть недостаточным для поддержания ферментатора в пределах желательного диапазона температур. Такое может иметь место, например, в чрезвычайно холодных окружающих средах, где ферментатор 100 размещен в подвергающемся воздействию или частично подвергающемся воздействию внешнем месте. В некоторых случаях резервуары или змеевики 140, посредством теплопроводности связанные снисходящим путем 114 потока, используемым для охлаждения, могут также быть использованы для обеспечения нагрева ферментатора 100. В других случаях определенные резервуары или змеевики нагревания могут быть посредством теплопроводности связаны снисходящим путем 114 потока. Такое нагревание может включать прохождение среды нагревания через резервуары или змеевики, размещенные, по меньшей мере частично, внутри нисходящего пути 114 потока.
Горячая вода, пар или подобные теплопередающие текучие среды (например, растворы гликоля, термические масла и т.д.) могут также быть использованы для дополнительного обеспечения нагрева внутри ферментатора 100. По меньшей мере в некоторых случаях подсистема 290 управления может управлять расходом потока или температурой сред нагревания, проходящих через резервуары или змеевики 140, которые посредством теплопроводности связаны с нисходящим путем 114 потока.
На стадии 710 происходит увеличение давления на пузырьки газообразного субстрата, путешествующие вместе с многофазной смесью в нисходящем потоке 116 внутри нисходящего пути 114 потока по мере проталкивания пузырьков газообразного субстрата глубже вдоль нисходящего пути потока. Увеличение давления может быть, по меньшей мере частично связано с увеличением гидростатического давления, воздействующего на пузырьки газообразного субстрата столбом текучей среды в ферментаторе 100. Увеличение давления может в некоторых случаях выгодным образом увеличивать массообмен между пузырьками газообразного субстрата и жидкими средами, формирующими многофазную смесь в нисходящем пути 114 потока. По меньшей мере в некоторых случаях увеличенное давление на пузырьки газообразного субстрата также может выгодным образом улучшать поглощение одного или больше компонентов, присутствующих в газовом субстрате, микробиологическими организмами, присутствующими в нисходящем пути потока.
На стадии 712 многофазная смесь выходит из нисходящего пути потока и входит в восходящий путь 118 потока. Многофазная смесь, входящая в восходящий путь потока, может содержать, не ограничиваясь этим, жидкость, содержащую неиспользованные питательные среды, пузырьки газообразного субстрата, содержащие нерастворенный и непоглощенный газообразный субстрат. Многофазная смесь, входящая в восходящий путь 118 потока, может также содержать захваченный биологический материал, сметенный со стенок и/или дна ферментатора 100. По меньшей мере в некоторых случаях одна или больше структур, поддерживающих массообмен, могут быть размещены внутри, по меньшей мере, части восходящего пути 118 потока. Такие структуры могут содержать, не ограничиваясь этим, один или больше дефлекторов, одну или больше пассивных или статических мешалок, одну или больше энергопитаемых или динамических мешалок и т.п. По меньшей мере в некоторых случаях дополнительная жидкость, содержащая одно или больше питательных сред или дополнительный газообразный субстрат, может быть введена в восходящий путь 118 потока. Такие дополнительные питательные среды или газовые субстраты могут быть введены для пополнения сред и субстратов, израсходованных в ходе химических или микробиологических процессов в нисходящем пути 118 потока. Такие дополнительные питательные среды или газовые субстраты могут быть введены для подачи дополнительных или других питательных сред или газообразных субстратов к микробиологическим организмам, существующими в восходящем пути 118 потока. Поскольку многофазная смесь течет вверх 120, давление на пузырьки газообразного субстрата, существующие в многофазной смеси, будет постепенно спадать по мере уменьшения гидростатического напора при подъеме вдоль восходящего пути 118 потока.
На стадии 714 температура многофазной смеси внутри восходящего пути 118 потока может быть изменена, отрегулирована или управляема для поддержания температуры в пределах определенного диапазона температур. По меньшей мере в некоторых случаях определенный диапазон температур может быть отобран или иначе выбран на основании, по меньшей мере частично, микробиологического вида, используемого внутри ферментатора 100. Избыток тепла может быть выработан как побочный продукт микробиологическими организмами, ответственными за по меньшей мере часть активности внутри ферментатора 100. Этот избыток тепла, если его не регулировать, способен подавлять или замедлять рост или метаболизм некоторых или всех микробиологических организмов внутри ферментатора 100. По меньшей мере в некоторых случаях охлаждение может быть обеспечено внутри восходящего пути 118 потока с целью поддержания в определенном диапазоне объема температуры многофазной смеси в восходящем пути 118 потока. Такое охлаждение может включать прохождение охлаждающих сред через резервуары или змеевики 128, посредством теплопроводности связанными с восходящим путем 118 потока. Охлаждающая вода или другие охлаждающие среды (например, растворы гликоля, концентрированные соляные растворы и т.д.) могут также быть использованы для обеспечения охлаждения внутри ферментатора 100. По меньшей мере в некоторых случаях подсистема 290 управления может управлять объемной скоростью потока или температурой охлаждающих сред, проходящих через резервуары или змеевики 128, которые посредством теплопроводности связаны с восходящим путем 118 потока.
В других случаях тепло, выработанное микробиологическим видом, может быть недостаточным для поддержания ферментатора в пределах желательного диапазона температур. Такое может иметь место, например, в чрезвычайно холодных окружающих средах, где ферментатор 100 размещен в подвергающемся воздействию или частично подвергающемся воздействию внешнем месте. В некоторых случаях резервуары или змеевики 128, посредством теплопроводности связанные с восходящим путем 118 потока, используемым для охлаждения, могут также быть использованы для обеспечения нагрева ферментатора 100. В других случаях определенные резервуары или змеевики нагревания могут быть посредством теплопроводности связаны с восходящим путем 118 потока. Такое нагревание может включать прохождение среды нагревания через резервуары или змеевики, размещенные, по меньшей мере частично, внутри восходящего пути 118 потока. Горячая вода, пар или подобные теплопередающие текучие среды (например, растворы гликоля, термические масла и т.д.) могут также быть использованы для дополнительного обеспечения нагрева внутри ферментатора 100. По меньшей мере в некоторых случаях подсистема 290 управления может управлять расходом потока или температурой сред нагревания, проходящих через резервуары или змеевики 128, которые посредством теплопроводности связаны с восходящим путем 118 потока. Процесс закончен на стадии 716.
На фиг. 8 показан способ высокого уровня при работе 800 системы ферментации, использующей один или больше ферментаторов 100 в одной или больше системах 300, 400, 500, 600 ферментатора, подробно описанных выше со ссылками на фиг. 1-6. Рассматриваемый в качестве примера способ 800 ферментации использует операции, идентичные или почти идентичные операциям, подробно описанным в связи со способом 700 ферментации, подробно описанным на фиг. 7, за исключением того, что способ 800 ферментации проведен при повышенном давлении с использованием одной или больше подсистем 230 противодавления. Такие системы 230 противодавления выгодным образом поддерживают давление в ферментаторе 100 на уровне, превышающем атмосферное давление, увеличивая, тем самым, парциальное давление газа(-ов), содержащихся в газовых пузырьках 310 в многофазной смеси 312. При увеличении парциального давления газа(-ов) внутри газовых пузырьков 310 происходит увеличение скорости массопередачи между газовыми пузырьками 310 и жидкостью 308, а увеличенное присутствие растворенного газа(-ов) внутри многофазной смеси существенно улучшает поглощение газа(-ов) микробиологическими организмами в ферментаторе 100. Способ начат со стадии 802.
На стадии 804 происходит введение текучей среды 308 и газа(-ов) в ферментатор 100 при первом давлении, превышающем атмосферное давление. Наличие подсистемы 230 противодавления поддерживает давление внутри ферментатора 100, увеличивая, посредством этого, давление и в нисходящем пути 114 потока и в восходящего пути 118 потока. По меньшей мере в некоторых случаях первое манометрическое давление может составлять от примерно 5 фунтов/кв. дюйм до примерно 150 фунтов/кв. дюйм; от примерно 5 фунтов/кв. дюйм до примерно 100 фунтов/кв. дюйм; или от примерно 5 фунтов/кв. дюйм до примерно 75 фунтов/кв. дюйм. По мере прохождения многофазной смеси через нисходящий путь 114 потока гидростатическое давление будет нарастать в газовых пузырьках 310, дополнительно увеличивая парциальное давление газа(-ов), присутствующих в газовых пузырьках 310 и дополнительно увеличивая скорость массопередачи между газовыми пузырьками 310 и многофазной смесью. Давление многофазной смеси будет увеличено до второго давления на дне нисходящего пути 118 потока. По меньшей мере в некоторых случаях второе манометрическое давление может составлять от примерно 10 фунтов/кв. дюйм до примерно 150 фунтов/кв. дюйм; от примерно 10 фунтов/кв. дюйм до примерно 100 фунтов/кв. дюйм; или от примерно 10 фунтов/кв. дюйм до примерно 75 фунтов/кв. дюйм. По мере прохождения многофазной смеси повосходящему пути 118 потока гидростатическое давление на газовые пузырьки 310 будет уменьшено до третьего давления на выходе из восходящего пути 118 потока. По меньшей мере в некоторых случаях третье давление может составлять от примерно 5 фунтов/кв. дюйм до примерно 150 фунтов/кв. дюйм; от примерно 5 фунтов/кв. дюйм до примерно 100 фунтов/кв. дюйм; или от примерно 5 фунтов/кв. дюйм до примерно 75 фунтов/кв. дюйм.
На стадии 806 многофазная смесь, выходящая из полых трубопроводов для текучей среды через спускное присоединение 138 для текучей среды, предназначенное для спуска многофазной смеси, направлена к подсистеме 230 противодавления. Внутри подсистемы 230 противодавления одна или больше систем или устройств использованы для уменьшения давления многофазной смеси до уровня, меньшего третьего давления. Такое уменьшение давления может быть достигнуто посредством использования одного или больше устройств индуцирования перепада давления, таких как диафрагма или распределительный клапан противодавления. В одном или больше случаев одно или больше устройств индуцирования перепада давления могут содержать многофазную турбину, через которую проходит многофазная смесь высокого давления для создания низконапорной многофазной смеси 232 при четвертом давлении. По меньшей мере в некоторых случаях четвертое манометрическое давление может составлять от примерно 5 фунтов/кв. дюйм до примерно 150 фунтов/кв. дюйм; от примерно 5 фунтов/кв. дюйм до примерно 100 фунтов/кв. дюйм; или от примерно 5 фунтов/кв. дюйм до примерно 75 фунтов/кв. дюйм. По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере часть энергии, выпущенной во время понижения давления многофазной смеси 136, может быть захвачена, например, энергия, выпущенная в многофазной турбине, может быть использована для поворота электрического генератора, устройства перемещения текучей среды или устройства перемещения газа. Способ завершен на стадии 808.
На фиг. 9 показан способ высокого уровня при работе 900 системы ферментации, использующей один или больше ферментаторов 100 в одной или больше системах 300, 400, 500, 600 ферментации, подробно описанных выше со ссылками на фиг. 1-6. Взятый в качестве примера способ 900 ферментации представляет собой способ, идентичный или почти идентичный способам 700 и 800 ферментации, подробно описанным со ссылками на фиг. 7 и фиг. 8, за исключением того, что низконапорная многофазная смесь 232, удаленная из подсистемы 230 противодавления, введена в подсистему 250 разделения и разделена в ней. Подсистема 250 разделения может содержать одно или больше устройств или систем для разделения низконапорной многофазной смеси на, по меньшей мере, газ и жидкость. В некоторых случаях подсистема 250 разделения может разделить низконапорную многофазную смесь 232 на газ 252, жидкость 254 и богатую твердыми частицами жидкость 256. Способ начат на стадии 902.
2+
На стадии 904 низконапорная многофазная смесь 232 из подсистемы 230 разделения введена в подсистему 250 разделения. Внутри подсистемы разделения многофазная смесь 232 может быть разделена на, по меньшей мере, газ 252 и жидкость 254. По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере часть выделенного газа 252 может быть впоследствии обработана или разделена. По меньшей мере часть обработанного или выделенного газа может быть рециркулирова на в ферментатор 100 в качестве газообразного субстрата 204. В некоторых случаях по меньшей мере часть выделенного газа может быть продана или иначе утилизирована. По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере часть выделенного газа может быть продана или обменена как взаимозаменяемый товар. По меньшей мере в некоторых случаях выделенный газ может содержать один или большее количество газообразных C углеводородов, включая, но не ограничиваясь этим, этан, этилен, пропан, бутан и их соединения.
2+
По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере часть выделенной текучей среды 254 может быть впоследствии обработана или отделена. По меньшей мере, часть выделенного газа 252 может быть впоследствии обработана или отделена. На стадии 906 по меньшей мере часть обработанной или выделенной текучей среды, которая может содержать или не содержать твердые материалы биологического происхождения, удаленные из ферментатора 100 вместе с многофазной смесью 136, может быть рециркулирована в ферментатор 100. Например, по меньшей мере часть выделенной текучей среды 256, содержащей твердые материалы биологического происхождения, может быть скомбинирована с по меньшей мере частью жидкой подачи 202 для получения смеси 258, подаваемой к ферментатору 100. Такая рециркуляция может выгодным образом создавать продолжающийся, непрерывный или полунепрерывный засев ферментатора 100 установленными биологическими видами. В некоторых случаях по меньшей мере часть выделенной текучей среды может быть продана или иначе утилизирована. По меньшей мере в некоторых случаях по меньшей мере часть выделенной текучей среды может быть продана или обменена как взаимозаменяемый товар. По меньшей мере в некоторых случаях выделенная жидкость может содержать один или больше жидких C углеводородов, включая, но не ограничиваясь этим, один или больше спиртов, гликолей или кетонов. Процесс закончен на стадии 908.
Вышеупомянутое описание иллюстративных вариантов реализации настоящего изобретения, включая то, что содержится в реферате, не предназначено быть исчерпывающим или ограничивать варианты реализации настоящего изобретения конкретными описанными формами выполнения. Хотя конкретные варианты реализации настоящего изобретения и примеры описаны здесь с иллюстративными целями, различные эквивалентные модификации могут быть выполнены без отклонения от сущности и объема изобретения, как будет признано специалистами в данной области техники. Приведенные здесь описания различных вариантов реализации настоящего изобретения могут быть применены к другим ферментаторам и системам ферментации. Такие ферментаторы и системы ферментации могут включать ферментаторы для целей, отличных от химического промежуточного производства, и могут включать ферментаторы и системы ферментации, полезные при производстве напитков или продовольствия. Аналогичным образом описанные здесь вспомогательные системы, включая подсистему охлаждения, подсистему противодавления, подсистему разделения и подсистему управления, могут представлять собой отдельную систему, например, комплектный башенный охладитель или комплектную систему управления, или могут включать специально разработанную подсистему, содержащую любое количество субкомпонентов, которые физически, посредством связи по текучей среде и инфекционным образом связаны способом, облегчающим управляемое производство и распределение охлаждающей или нагревающей сред (то есть, посредством подсистемы охлаждения); облегчающим управляемое воздействие противодавления на систему ферментатора с дополнительной выработкой энергии или без нее (то есть, посредством подсистемы противодавления); облегчающим разделение, по меньшей мере части, многофазной смеси на газ, жидкость и полутвердый материал для рециркуляции или для восстановления и последующей обработки или продажи (то есть, посредством подсистемы разделения). Подсистема управления может представлять собой интегрированную или распределенную систему управления, обеспечивающую слежение, подачу сигналов тревоги, контроль и выработку выходного сигнала управления для всей системы ферментации или ее части или для любой из вспомогательных подсистем. Подсистема управления может также содержать любое количество отдельных контроллеров замкнутой цепи и т.п. для управления одной или больше особенностей системы ферментации или любой вспомогательной подсистемы.
В предшествующем подробном описании изобретения сформулированы различные варианты реализации устройств и/или процессов посредством использования блок-схем процесса, видов оборудования в разрезе и взятых в качестве примера способов. Поскольку такие блок-схемы, схематические изображения и примеры содержат одну или больше функций и/или операций, специалистам в данной области техники совершенно понятно, что каждая функция и/или операция внутри таких технологических схем, блок-схем или примеров могут быть выполнены, индивидуально и/или совместно, при использовании широкого диапазона стандартных или специализированных компонентов, известных специалистам в области техники химического машиностроения. Например, хотя явно описаны были только круговые, треугольные и квадратные полые металлические трубопроводы, специалисту в данной области техники понятно, что может быть использован фактически любой полый трубопровод для текучей среды. Перечисленные здесь микробиологические виды предназначены для создания образца потенциальных микробиологических видов, которые могут быть поддержаны в описанных здесь ферментаторе или системе ферментации.
Содержание заявки США №61/711 104, поданной 8 октября 2012 г. полностью включено в настоящую заявку.
Описанные выше различные варианты реализации настоящего изобретения могут быть скомбинированы для создания других вариантов реализации настоящего изобретения. Все патенты США, публикации заявок на патент США, заявки на патент США, иностранные патенты, заявки, поданные в зарубежные патентные ведомства, и не патентные публикации, упомянутые в этом описании изобретения и/или внесенные в список в Листе данных заявки, включая, но не ограничиваясь этим, заявку на временный патент США №61/671 542, поданной 13 июля 2012 г. полностью включены в настоящую заявку посредством ссылок. Особенности вариантов реализации настоящего изобретения в случае необходимости могут быть модифицированы для использования систем, процессов, биологических сред и особенностей различных патентов, заявок и публикаций для создания дополнительных вариантов реализации настоящего изобретения.
Эти и другие изменения могут быть произведены в вариантах реализации настоящего изобретения в свете вышеприведенного описания изобретения. В целом, в последующих пунктах формулы изобретения использованные термины не должны быть рассмотрены, как ограничивающие пункты формулы изобретения конкретными вариантами реализации, указанными в описании изобретения и в пунктах формулы изобретения, но должны быть рассмотрены как содержащие все возможные варианты реализации вместе с полным объемом эквивалентов, к которым относятся такие пункты формулы изобретения. В соответствии с этим пункты формулы изобретения не ограничены раскрытием изобретения.