БИОЛОГИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ПРЕВРАЩЕНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ В БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
BIOLOGICAL REACTOR FOR TRANSFORMING GAS-HYDROGEN HYDROCARBONS TO BIOLOGICALLY ACTIVE COMPOUNDS

Изобретение относится к аппаратурному оснащению ферментационных процессов превращения газообразных углеводородов в биологически активные соединения и может быть использовано в микробиологической, пищевой, медицинской, аграрной промышленности и в исследовательской практике.
Известна «Ферментационная установка для метанассимилирующих микроорганизмов» (патент RU 2580646 от 10.04.2016).
Установка содержит колонный ферментер для проведения аэробных процессов культивирования и соединенные с ним трубопроводами газовых и жидкостных технологических потоков два реактора, при этом ферментер содержит корпус, в верхней части которого установлены патрубок выхода отработанного газа и патрубок подачи питательных солей и технологической воды, компонентов питания и засевной биосуспезии, в нижней части установлены патрубок ввода газожидкостного потока в ферментер из реакторов и патрубок вывода биосуспензии из ферментера в реакторы, каждый реактор содержит патрубок отбора газожидкостного потока в ферментер, установленный ниже уровня культуральной жидкости в реакторе, дисковую мешалку с приводом, установленную на уровне культуральной жидкости в реакторе, патрубок подачи биосуспезии из ферментера в реактор, первый реактор содержит подключенный в верхней части патрубок подачи метансодержащего газа, второй реактор содержит подключенный в верхней части патрубок подачи кислородсодержащего газа, при этом ферментер дополнительно содержит средство поддержания температуры, средство поддержания pH среды, средство поддержания уровня растворенного кислорода, по меньшей мере, один анализатор отходящего газа, а привод мешалки в каждом реакторе снабжен датчиком измерения мощности, связанным через логическое устройство-контроллер с регуляторами расхода поступающих газовых потоков и с регулирующими клапанами подачи жидкости в каждый реактор. Насыщение рабочей жидкости метаном и кислородом проводят в отдельных реакторах, а культивирование микроорганизмов проводят в колонном ферментере, при этом объем колонного ферментера на порядок больше суммарного объема 2-х реакторов.
Жидкость, насыщенная в первом реакторе метаном, и жидкость, насыщенная во втором реакторе кислородом, под действием насосов по трубопроводам поступает в колонный ферментер. В ферментере жидкости перемешиваются с образованием питательной среды для размножения микроорганизмов.
Предлагаемое решение имеет существенные недостатки.
Так как основной энергетический субстрат - метан и кислород - потребляются микроорганизмами в смеси растворенных газов, а рабочая жидкость в реакторах насыщается метаном и кислородом раздельно, то жидкость в реакторах не может являться питательной средой для культивируемых микроорганизмов. Кроме того, микроорганизмы в объеме реакторов будут находиться в условиях переходного процесса, что вызовет задержку роста микроорганизмов в ферментере и, как следствие, снизит производительность установки.
Рабочая жидкость в реакторах насыщается газами в условиях высокого давления и перемешивания дисковыми мешалками, работа которых сопровождается образованием мелкодисперсной пены, негативно влияющей на обменные процессы в рабочей жидкости и на выделение целевых продуктов.
Для привода мешалок применяют электродвигатели, а для гашения пены используют поверхностно-активные вещества, что повышает себестоимость производимых продуктов.
При протоке насыщенных газами жидкостей по трубопроводам ввиду разницы давлений в реакторах и трубопроводах происходит частичная дегазация жидкостей с образованием свободных пузырьков метана и кислорода, что снижает концентрацию растворенных газов в рабочей жидкости, поступающей в ферментер.
На входе в ферментер жидкости, насыщенные растворенными газами, перемешиваются с образованием питательной среды, которая активно потребляется размножающимися микроорганизмами, а свободные пузырьки метана и кислорода поднимаются в газовую полость ферментера и накапливаются в ней с образованием взрывоопасной смеси.
Объем жидкости, поступающей из реакторов в ферментер, кратно меньше объема рабочей жидкости, находящейся в ферментере, в связи с чем зона активного роста микроорганизмов в ферментере будет измеряться объемом жидкости двух реакторов, а остальной объем рабочей жидкости в ферментере будет малопроизводительным.
По совокупности негативных признаков описанная установка не обладает заявленными преимуществами.
Известен «Биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода газового питания» (патент RU 2446205 C1), содержащий цилиндрический корпус, крышку, днище, газораспределительное устройство, газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны, установленные вдоль оси корпуса, трубу теплообменника, установленную внутри корпуса вдоль центральной его оси, трубу подвода газа, размещенную в полости теплообменника и соединенную с газораспределительным устройством, и винтовую перфорированную поверхность с газопроницаемыми мембранами.
Работа биореактора начинается с продувки мембран рабочим газом, после чего отвод рабочего газа из мембран прекращают, а давление газа в мембранах повышают до заданного значения. По мере повышения концентрации клеток давление газа в мембранах увеличивают.
Массообмен в биореакторе осуществляют протоком культуральной жидкости, по винтовой линии, перпендикулярно поверхностям мембран, что, по мнению авторов, способствует повышению производительности биореактора.
Биореактор имеет ряд недостатков:
Газораспределительное устройство выполнено в виде винтовой перфорированной поверхности, через отверстия в которой пропущены трубчатые мембраны. Такая конструкция металлоемка и сложна в изготовлении. В процессе протока культуральной жидкости через биореактор, ввиду высокого сопротивления и отсутствия турбулентности, образуются зоны с нулевой скоростью протока жидкости, что приводит к автолизу микроорганизмов и снижению производительности и качества целевых продуктов.
Теплообменник установлен по оси биореактора, что в условиях недостаточного перемешивания культуральной жидкости приводит к образованию градиента температур, снижающего производительность биореактора.
Ферментационные процессы протекают с образованием стойкой пены, обогащенной продуцирующими микроорганизмами, которую из биореактора, в потоке отработанных газов, отводят в атмосферу, что приводит к нарушению технологического регламента, потерям биомассы и снижению производительности биореактора.
Управление ферментационными процессами проводят по скорости продуцирования углекислого газа, что возможно только в условиях строгой асептики. При нарушении асептических условий в биореакторе концентрация углекислого газа повышается за счет дыхательной активности посторонней микрофлоры и не может использоваться для управления ферментационными процессами.
Биореактор не обеспечивает условия для реализации микробиологических процессов, протекающих с использованием газов, образующих взрывоопасные смеси, например процессов культивирования водородокисляющих или метанокисляющих микроорганизмов, что существенно снижает сферу применения биореактора.
Известен «Биореактор с мембранным устройством газового питания микроорганизмов» (патент RU 2596396 от 10.08.2016).
Биореактор содержит корпус, крышку, днище, теплообменник, газораспределительное устройство, коллектор метана, газопроницаемые полимерные мембраны метана, патрубки и трубопроводы для протока рабочих жидкостей и газов.
2
2
4
4
2
2
Биореактор содержит также аэратор, газожидкостный разделитель, направляющие пластины, диффузор, насос, бактериальные фильтры питающих и отработанных газов, датчики: pH, Т°C и уровня жидкости, заслонку отходящих газов, расходомеры O и CO, регулятор давления CH, анализатор отходящих газов CH, O, CO и прибор управления.
Теплообменник биореактора выполнен в виде теплообменной рубашки, закрепленной на корпусе реактора;
- газораспределительное устройство снабжено диффузором, направляющим поток аэрирующего воздуха в зазоры между газопроницаемыми мембранами;
- газожидкостный разделитель выполнен в виде емкости и снабжен датчиком уровня рабочей жидкости;
- аэратор выполнен в виде распылительной форсунки и размещен в полости диффузора;
- в качестве аэратора используют дисковый аэратор фирмы Matala, Австралия.
Существенным недостатком данного биореактора является конструкция газораспределительного устройства, растворение метана и кислорода в котором проводят в разнесенных и несоизмеримых между собой объемах рабочей жидкости, а перемешивание полученных жидкостей осуществляют пузырьками воздуха, полученными после растворения кислорода воздуха в малом объеме диффузора газораспределительного устройства.
В указанных условиях активная фаза потребления микроорганизмами смеси растворенных метана и кислорода будет ограничена малым объемом рабочей жидкости, вытесняемой из диффузора под действием газлифта. Дальнейшее перемешивание объема рабочей жидкости, насыщенной метаном, при отсутствии растворенного кислорода будет являться переходным малопроизводительным процессом.
В балластный объем жидкости, составляющий большую часть рабочего объема аппарата, продолжает поступать метан, который при отсутствии растворенного кислорода не потребляется микроорганизмами, а отводится в атмосферу, повышая степень взрывоопасности аппарата.
Стерилизация биореактора проводится с существенными потерями водяного пара, который из теплообменной рубашки отводится в канализацию.
Терморегулирование рабочей жидкости осуществляется вводом острого водяного пара в теплообменную рубашку, что приводит к локальному перегреву рабочей жидкости и снижает качество продуктов ферментации.
В результате работы описанного газораспределительного устройства и теплообменника реактор имеет низкую производительность, низкую экономичность и высокую степень взрывоопасности.
Цель изобретения
Повышение производительности, экономичности и взрывобезопасности биологического реактора за счет гомогенного растворения в рабочей жидкости питающих газов, являющихся основным энергетическим субстратом, при существенном сокращении расхода питающих газов, исключении образования в реакторе взрывоопасных объемов смеси метана с кислородом и интенсификации теплового и газового обмена в рабочей жидкости.
Поставленная цель достигается тем, что реактор, содержащий:
- ферментационную емкость, аэратор, теплообменник, трубчатую газопроницаемую мембрану для метана, газожидкостный разделитель, анализатор отходящих газов, датчик температуры, датчик pH, насос перекачки рабочей жидкости, редуктор давления метана, датчик уровня жидкости, бактериальный фильтр отработанных газов, асептические разъемы, прибор управления,
дополнительно содержит:
- трубчатую газопроницаемую мембрану для воздуха с функцией аэратора;
- редуктор давления воздуха, установленный на входе в трубчатую газопроницаемую мембрану для воздуха;
- ресивер воздуха, снабженный датчиком давления воздуха и клапаном для слива конденсата и сообщенный с выходом трубчатой газопроницаемой мембраны для воздуха;
- ресивер метана, снабженный датчиком давления метана и клапаном для слива конденсата и сообщенный с выходом трубчатой газопроницаемой мембраны для метана;
- насос перекачки воды в теплообменнике;
- нагреватель воды, установленный в теплоомбеннике;
- змеевик охлаждения отработанных газов, установленный в газожидкостном разделителе,
при этом:
- трубчатые мембраны для метана и воздуха размещены по всему объему ферментационной емкости параллельно одна другой и с зазором между ними для свободного протока рабочей жидкости;
- трубчатые мембраны могут быть изготовлены из физиологически инертного газопроницаемого эластомера СКТН (каучук синтетический термостойкий низкомолекулярный СКТН, ГОСТ 13835-73).
Биологический реактор согласно изобретению схематично представлен на прилагаемом чертеже и содержит ферментационную емкость 1, крышку 2, теплообменник 3, нагреватель 4, редуктор 5 давления метана, трубчатую мембрану 6 для метана, редуктор 7 давления воздуха, трубчатую мембрану 8 для воздуха, ресивер 9 воздуха, ресивер 10 метана, газожидкостный разделитель 11, змеевик 12, фильтр 13 отработанных газов, анализатор 14 отработанных газов, насосы 15-16, асептические разъемы 17-18, датчик 19 температуры теплообменника, датчик 20 температуры рабочей жидкости, датчик pH рабочей жидкости 21, датчик 22 давления метана, датчик 23 давления воздуха, датчик 24 уровня рабочей жидкости, управляемые клапаны 25-38, обратный клапан 39, штуцер 40 ввода метана, штуцер 41 ввода воздуха, штуцер 42 ввода растворов кислоты и щелочи для регулирования pH, штуцеры 43-44 ввода холодной воды, штуцер 45 ввода стерильного питательного раствора, штуцер 46 слива продуктов ферментации, прибор 47 управления.
Работа реактора
К штуцеру 40 подключают источник метана.
К штуцеру 41 подключают источник воздуха.
К штуцеру 42 подключают источник раствора кислоты или щелочи.
К штуцерам 43-44 подключают источник холодной воды.
К штуцеру 45 подключают источник питательного раствора.
К штуцеру 46 подключают приемник продуктов ферментации.
От прибора управления 47:
Открывают клапан 36 и включают насос 16, посредством которого в ферментационную емкость 1, через асептический разъем 18, вносят исходный питательный раствор в объеме полного заполнения реактора по датчику 24 уровня питательного раствора, установленного в газожидкостном разделителе 11. При контакте питательного раствора с датчиком 24 клапан 36 закрывают, после чего от штуцера 45 отсоединяют источник исходного питательного раствора.
Открывают клапан 34.
Питательный раствор под действием насоса 16 протекает через магистраль по замкнутому контуру: ферментационная емкость 1 → газожидкостный разделитель 11 → ферментационная емкость 1, обеспечивая циркуляционное перемешивание раствора в ферментационной емкости 1.
Открывают клапаны 37, 29.
В теплообменник 3 через штуцер 43 и открытый клапан 37 поступает вода, которая при заполнении теплообменника 3 через открытый клапан 29 стекает в канализацию. В этих условиях клапан 37 закрывают, а на приборе управления 47 задают:
- температуру стерилизации раствора;
- время стерилизации раствора;
- температуру охлаждения раствора.
С помощью прибора управления 47 применяют алгоритм «Стерилизация». С применением алгоритма «Стерилизация» закроется клапан 28, откроется клапан 30 и включится нагреватель 4.
Вода в теплообменнике 3 начнет нагреваться с одновременным вытеснением воздуха из рубашки теплообменника 3 через открытый клапан 29 в канализацию.
При достижении температуры воды 100°C по датчику 19 клапан 29 закроется, а нагрев воды будет продолжаться, повышая температуру питательного раствора в ферментационной емкости 1.
Нагрев питательного раствора будет сопровождаться отводом паровоздушной смеси из ферментационной емкости 1, через газожидкостный разделитель 11, фильтр 13 и открытый клапан 30 в сливную канализацию. При температуре питательного раствора 105°C по датчику 20, клапан 30 закроется, а температура в ферментационной емкости 1 будет повышаться до заданной температуры стерилизации питательного раствора и поддерживаться включением и отключением нагревателя 4 по датчику 20.
По истечении заданного времени стерилизации нагреватель 4 выключится, откроются клапаны 37, 29, через которые будет протекать холодная вода, охлаждая питательный раствор в ферментационной емкости 1 до заданной температуры. При достижении заданной температуры охлаждения питательного раствора сработает датчик 20, по которому клапаны 37, 29 закроются, а температура питательного раствора в ферментационной емкости 1 будет поддерживаться включением и отключением нагревателя 4 по датчику 20. Процедура стерилизации и охлаждения питательного раствора завершается открытием клапана 28.
Перед проведением ферментационного процесса:
На редукторе 5 задают исходное давление метана.
На редукторе 7 задают исходное давление воздуха.
К штуцеру 45 асептического разъема 18 подключают источник посевной культуры микроорганизмов.
Закрывают клапан 34.
Открывают клапан 36.
Посредством работы насоса 16 в ферментационную емкость 1, через асептический разъем 18, вносится заданный объем посевных микроорганизмов. По завершении засева, клапан 36 закрывают, открывают клапан 34, а со штуцера 45 отсоединяют источник посевной культуры и на его место подключают источник стерильного питательного раствора.
На приборе 47 задают:
- верхнее давление метана в ресивере 10,
- нижнее давление метана в ресивере 10,
- верхнее давление воздуха в ресивере 9,
- нижнее давление воздуха в ресивере 9,
- верхнее значение pH рабочей жидкости,
- нижнее значение pH рабочей жидкости,
- температуру рабочей жидкости,
- число циклов перезагрузки ресивера 10,
- время слива продуктов ферментации,
и применяют алгоритм «Процесс».
По алгоритму «Процесс»:
Откроются клапаны 25, 26.
В мембраны 6, 8 под избыточным давлением, заданным на редукторах 5, 7, вводятся метан и воздух, которые протекают по трубчатым мембранам и нагнетаются в ресиверы 10, 9.
При достижении заданных давлений газов в ресиверах 10, 9, сработают датчики 22 23 и клапаны 25, 26 закроются.
Откроется клапан 30.
Холодная вода протекает через змеевик 12 и отводится в канализацию.
Под действием насоса 16 рабочая жидкость из газожидкостного разделителя 11 непрерывно отводится в ферментационную емкость 1 и распределяется по множественным межтрубным зазорам, образованным газопроницаемыми мембранами 6, 8, надутыми метаном и воздухом.
Метан и воздух через газопроницаемые поверхности мембран 6, 8 поступают в рабочую жидкость и насыщают рабочую жидкость с образованием смеси растворенных газов, обеспечивающей гомогенное размножение микроорганизмов в объеме реактора.
В метаболизме микроорганизмов участвуют метан, кислород и двуокись углерода. Метан поступает в рабочую жидкость через стенку трубчатой мембраны для метана, а кислород и двуокись углерода поступают в рабочую жидкость через стенку трубчатой мембраны для воздуха.
Так как кислород и двуокись углерода занимают всего 21% состава атмосферного воздуха, а остальным газом является азот, который не потребляется микроорганизмами, он выделяется из рабочей жидкости в виде пузырьков газа и усиливает перемешивание рабочей жидкости, протекающей по межтрубным зазорам мембран.
В результате дыхания размножающихся микроорганизмов выделяются отработанные газы, которые из ферментационной емкости 1, по перепускному трубопроводу, вытесняются в разделитель 11, отделяются от жидкости, охлаждаются змеевиком 12 и, через бактериальный фильтр 13, клапан 28 и анализатор 14 газов, отводятся в атмосферу.
При охлаждении отработанных газов змеевиком 12 образуется конденсат, который из разделителя 11 насосом 16 отводится в ферментационную емкость 1.
Значение pH рабочей жидкости поддерживается по датчику 21 растворами кислоты или щелочи. При подкислении рабочей жидкости до заданного нижнего значения pH откроется клапан 27, и в рабочую жидкость будет вводиться раствор щелочи, а при восстановлении рабочей жидкости до заданного верхнего значения pH, в рабочую жидкость через клапан 27 вводится раствор кислоты.
При потреблении микроорганизмами метана и кислорода и при отводе из ферментационной емкости 1 отработанных газов, давление метана и воздуха в ресиверах 10, 9 падает до заданных нижних значений. С датчиков 22, 23 на прибор 47 поступают сигналы на открытие клапанов 25, 26, через которые в ресиверах 10, 9 будет восстановлено давление газов до заданных верхних значений. Клапаны 25, 26 после восстановления давлений газов в ресиверах 10, 9 закроются.
Каждый цикл загрузки метана в ресивер 10 фиксируется прибором 47 и, при реализации заданного числа циклов, насос 16 выключится, откроется клапан 35 и, через асептический разъем 17 и штуцер 46, в течение заданного времени, произойдет слив продуктов ферментации. По истечении заданного времени слива, клапаны 35, 34 закроются, включится насос 16 и откроется клапан 36, через который в реактор 1 будет введен стерильный питательный раствор в объеме, необходимом для срабатывания датчика 24 уровня рабочей жидкости. По сигналу с датчика 24, клапан 36 закроется, откроется клапан 34, и процедуры слива продуктов ферментации и введения в емкость 1 питательного раствора повторятся до завершения ферментационного процесса.
Клапаны 32, 33 открывают при продувке трубчатых мембран 6, 8 метаном и воздухом, а также при сбросе конденсата из ресиверов 10, 9 в канализацию.
Обратный клапан 39 установлен для предотвращения попадания атмосферного воздуха в анализатор 14 отработанных газов.
Клапан 38 используется при полном сливе воды из теплообменника 3.
Эффективность работы биологического реактора согласно изобретению
Обеспечивается повышение качественных показателей реактора, которое достигается за счет комплексного применения новых технологических и конструкторских решений данного изобретения.
Растворение питающих газов в культивационной среде осуществляют посредством трубчатой мембраны для метана, которая размещена параллельно трубчатой мембране для воздуха и вблизи одна от другой в ферментационной емкости с образованием множественных межтрубных каналов для свободного протока рабочей жидкости. Обе трубчатые мембраны изготовлены из физиологически инертного материала, обладающего высокой молекулярной газопроницаемостью и термостойкостью, что обеспечивает гомогенное размножение микроорганизмов в объеме ферментационной емкости, предотвращает проникновение посторонних микроорганизмов в рабочую жидкость, сокращает энергетические затраты на растворение газов, повышает асептическую и взрывобезопасную надежность реактора.
Трубчатые мембраны для метана и воздуха занимают весь объем ферментационной емкости, расположены параллельно одна другой и с зазором между ними для свободного протока рабочей жидкости, что обеспечивает растворение метана и кислорода воздуха в рабочей жидкости с образованием смеси питающих газов, гомогенно распределенной по всему объему ферментационной емкости.
2
2
Газы, выделяемые микроорганизмами при культивировании, а также газы N, CO, не являющиеся энергетическим субстратом и составляющие 79% атмосферного воздуха, используются для пузырькового перемешивания рабочей жидкости в межтрубных каналах мембран для метана и для атмосферного воздуха.
Трубчатые мембраны могут быть изготовлены, например, из эластомера СКТН (каучук синтетический термостойкий низкомолекулярный СКТН, ГОСТ 13835-73).
Управление ферментационным процессом осуществляют по заданному объему потребленного метана, что позволяет поддерживать качество получаемых продуктов при каждом порционном сливе.
Скорость замещения рабочей жидкости питательным раствором, а также продувка рабочей жидкости азотом из аэрирующего воздуха поддерживает концентрацию растворенной двуокиси углерода, выделяемой микроорганизмами в процессе ферментации, на уровне, не токсичном для размножения микроорганизмов.
Оснащение теплообменника нагревателем, датчиком температуры и насосом для циркуляционного перемешивания теплоносителя позволяет существенно сократить энергетические потери при стерилизации оборудования и питательных растворов и повысить качество терморегулирования рабочей жидкости в процессе ферментации.
Реактор выполнен в виде автоклава, что позволяет существенно сократить энергетические затраты, интенсифицировать теплообмен и, тем самым, существенно сократить время на стерилизацию оборудования и питательных растворов.
Новые условия реализации ферментационных процессов в биологическом реакторе не зависят от геометрической формы и размера реактора при масштабировании и существенно расширяют сферу применения биологического реактора.