EA031074B1 - Способ генерации микропузырьков газа в жидкости и соответствующая система - Google Patents
Способ генерации микропузырьков газа в жидкости и соответствующая система Download PDFInfo
- Publication number
- EA031074B1 EA031074B1 EA201591341A EA201591341A EA031074B1 EA 031074 B1 EA031074 B1 EA 031074B1 EA 201591341 A EA201591341 A EA 201591341A EA 201591341 A EA201591341 A EA 201591341A EA 031074 B1 EA031074 B1 EA 031074B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- gas
- liquid
- column
- foam
- stream
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 240
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 claims abstract description 67
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 claims abstract description 66
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 89
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 34
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 28
- 244000005700 microbiome Species 0.000 claims description 26
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 claims description 23
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 16
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 claims description 16
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 claims description 14
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 230000005587 bubbling Effects 0.000 claims description 12
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical compound CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000002563 ionic surfactant Substances 0.000 claims description 6
- JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N lactic acid Chemical compound CC(O)C(O)=O JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000002736 nonionic surfactant Substances 0.000 claims description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 6
- 108090000765 processed proteins & peptides Proteins 0.000 claims description 6
- 102000004196 processed proteins & peptides Human genes 0.000 claims description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 6
- 239000003876 biosurfactant Substances 0.000 claims description 5
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- OWBTYPJTUOEWEK-UHFFFAOYSA-N butane-2,3-diol Chemical compound CC(O)C(C)O OWBTYPJTUOEWEK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 claims description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 claims description 3
- 239000004310 lactic acid Substances 0.000 claims description 3
- 235000014655 lactic acid Nutrition 0.000 claims description 3
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 17
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 206
- 239000000047 product Substances 0.000 description 70
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 41
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 24
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 20
- 239000002518 antifoaming agent Substances 0.000 description 13
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 12
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 11
- 230000002255 enzymatic effect Effects 0.000 description 10
- 238000005188 flotation Methods 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 9
- 241000193403 Clostridium Species 0.000 description 8
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 8
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 7
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 7
- 241001656809 Clostridium autoethanogenum Species 0.000 description 6
- 241000186566 Clostridium ljungdahlii Species 0.000 description 6
- 239000013530 defoamer Substances 0.000 description 6
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 6
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 6
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 4
- 238000005351 foam fractionation Methods 0.000 description 4
- 238000005194 fractionation Methods 0.000 description 4
- 239000012737 fresh medium Substances 0.000 description 4
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 4
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 4
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 4
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 4
- 241000894007 species Species 0.000 description 4
- 241001611022 Clostridium carboxidivorans Species 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 3
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 238000005187 foaming Methods 0.000 description 3
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 3
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 3
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YBJHBAHKTGYVGT-ZKWXMUAHSA-N (+)-Biotin Chemical compound N1C(=O)N[C@@H]2[C@H](CCCCC(=O)O)SC[C@@H]21 YBJHBAHKTGYVGT-ZKWXMUAHSA-N 0.000 description 2
- HZAXFHJVJLSVMW-UHFFFAOYSA-N 2-Aminoethan-1-ol Chemical compound NCCO HZAXFHJVJLSVMW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 2
- 241001256038 Clostridium ljungdahlii DSM 13528 Species 0.000 description 2
- 241001611023 Clostridium ragsdalei Species 0.000 description 2
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 2
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 2
- SIKJAQJRHWYJAI-UHFFFAOYSA-N Indole Chemical compound C1=CC=C2NC=CC2=C1 SIKJAQJRHWYJAI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M Sodium laurylsulphate Chemical compound [Na+].CCCCCCCCCCCCOS([O-])(=O)=O DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 2
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 description 2
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 description 2
- 239000002551 biofuel Substances 0.000 description 2
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 2
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 2
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000000706 filtrate Substances 0.000 description 2
- 239000007792 gaseous phase Substances 0.000 description 2
- 239000002440 industrial waste Substances 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 239000002054 inoculum Substances 0.000 description 2
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 2
- 238000009856 non-ferrous metallurgy Methods 0.000 description 2
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 235000013343 vitamin Nutrition 0.000 description 2
- 239000011782 vitamin Substances 0.000 description 2
- 229940088594 vitamin Drugs 0.000 description 2
- 229930003231 vitamin Natural products 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- 108020004465 16S ribosomal RNA Proteins 0.000 description 1
- 241001468163 Acetobacterium woodii Species 0.000 description 1
- 241000037909 Alkalibaculum Species 0.000 description 1
- 239000004475 Arginine Substances 0.000 description 1
- KWIUHFFTVRNATP-UHFFFAOYSA-N Betaine Natural products C[N+](C)(C)CC([O-])=O KWIUHFFTVRNATP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001464894 Blautia producta Species 0.000 description 1
- KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-K Citrate Chemical compound [O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 241001112696 Clostridia Species 0.000 description 1
- 241001112695 Clostridiales Species 0.000 description 1
- 241001171821 Clostridium coskatii Species 0.000 description 1
- 241000822878 Clostridium ragsdalei P11 Species 0.000 description 1
- RGHNJXZEOKUKBD-SQOUGZDYSA-M D-gluconate Chemical compound OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)C([O-])=O RGHNJXZEOKUKBD-SQOUGZDYSA-M 0.000 description 1
- SHZGCJCMOBCMKK-UHFFFAOYSA-N D-mannomethylose Natural products CC1OC(O)C(O)C(O)C1O SHZGCJCMOBCMKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000186398 Eubacterium limosum Species 0.000 description 1
- ODKSFYDXXFIFQN-BYPYZUCNSA-P L-argininium(2+) Chemical compound NC(=[NH2+])NCCC[C@H]([NH3+])C(O)=O ODKSFYDXXFIFQN-BYPYZUCNSA-P 0.000 description 1
- HNDVDQJCIGZPNO-YFKPBYRVSA-N L-histidine Chemical compound OC(=O)[C@@H](N)CC1=CN=CN1 HNDVDQJCIGZPNO-YFKPBYRVSA-N 0.000 description 1
- SHZGCJCMOBCMKK-JFNONXLTSA-N L-rhamnopyranose Chemical compound C[C@@H]1OC(O)[C@H](O)[C@H](O)[C@H]1O SHZGCJCMOBCMKK-JFNONXLTSA-N 0.000 description 1
- PNNNRSAQSRJVSB-UHFFFAOYSA-N L-rhamnose Natural products CC(O)C(O)C(O)C(O)C=O PNNNRSAQSRJVSB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000178985 Moorella Species 0.000 description 1
- 241000193459 Moorella thermoacetica Species 0.000 description 1
- KWIUHFFTVRNATP-UHFFFAOYSA-O N,N,N-trimethylglycinium Chemical compound C[N+](C)(C)CC(O)=O KWIUHFFTVRNATP-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- 241001509483 Oxobacter pfennigii Species 0.000 description 1
- 241000283984 Rodentia Species 0.000 description 1
- 241000204376 Sporomusa ovata Species 0.000 description 1
- 241000543642 Sporomusa silvacetica Species 0.000 description 1
- 241000217849 Sporomusa sphaeroides Species 0.000 description 1
- 241000186339 Thermoanaerobacter Species 0.000 description 1
- JZRWCGZRTZMZEH-UHFFFAOYSA-N Thiamine Natural products CC1=C(CCO)SC=[N+]1CC1=CN=C(C)N=C1N JZRWCGZRTZMZEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000000789 acetogenic effect Effects 0.000 description 1
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000013019 agitation Methods 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003698 anagen phase Effects 0.000 description 1
- PYMYPHUHKUWMLA-WDCZJNDASA-N arabinose Chemical compound OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)C=O PYMYPHUHKUWMLA-WDCZJNDASA-N 0.000 description 1
- PYMYPHUHKUWMLA-UHFFFAOYSA-N arabinose Natural products OCC(O)C(O)C(O)C=O PYMYPHUHKUWMLA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ODKSFYDXXFIFQN-UHFFFAOYSA-N arginine Natural products OC(=O)C(N)CCCNC(N)=N ODKSFYDXXFIFQN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001651 autotrophic effect Effects 0.000 description 1
- SRBFZHDQGSBBOR-UHFFFAOYSA-N beta-D-Pyranose-Lyxose Natural products OC1COC(O)C(O)C1O SRBFZHDQGSBBOR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229960003237 betaine Drugs 0.000 description 1
- 229960002685 biotin Drugs 0.000 description 1
- 235000020958 biotin Nutrition 0.000 description 1
- 239000011616 biotin Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 231100000433 cytotoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000001472 cytotoxic effect Effects 0.000 description 1
- 235000013365 dairy product Nutrition 0.000 description 1
- 238000004925 denaturation Methods 0.000 description 1
- 230000036425 denaturation Effects 0.000 description 1
- 230000003467 diminishing effect Effects 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000012527 feed solution Substances 0.000 description 1
- 238000009851 ferrous metallurgy Methods 0.000 description 1
- -1 ferrous metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000004508 fractional distillation Methods 0.000 description 1
- 238000009291 froth flotation Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229940050410 gluconate Drugs 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- HNDVDQJCIGZPNO-UHFFFAOYSA-N histidine Natural products OC(=O)C(N)CC1=CN=CN1 HNDVDQJCIGZPNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 210000001822 immobilized cell Anatomy 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- PZOUSPYUWWUPPK-UHFFFAOYSA-N indole Natural products CC1=CC=CC2=C1C=CN2 PZOUSPYUWWUPPK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RKJUIXBNRJVNHR-UHFFFAOYSA-N indolenine Natural products C1=CC=C2CC=NC2=C1 RKJUIXBNRJVNHR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000000622 liquid--liquid extraction Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000002503 metabolic effect Effects 0.000 description 1
- 150000007523 nucleic acids Chemical class 0.000 description 1
- 108020004707 nucleic acids Proteins 0.000 description 1
- 102000039446 nucleic acids Human genes 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000036284 oxygen consumption Effects 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- KYMBYSLLVAOCFI-UHFFFAOYSA-N thiamine Chemical compound CC1=C(CCO)SCN1CC1=CN=C(C)N=C1N KYMBYSLLVAOCFI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229960003495 thiamine Drugs 0.000 description 1
- 235000019157 thiamine Nutrition 0.000 description 1
- 239000011721 thiamine Substances 0.000 description 1
- 230000005514 two-phase flow Effects 0.000 description 1
- 235000019156 vitamin B Nutrition 0.000 description 1
- 239000011720 vitamin B Substances 0.000 description 1
- 239000002912 waste gas Substances 0.000 description 1
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
- B01F23/20—Mixing gases with liquids
- B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
- B01F23/232—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using flow-mixing means for introducing the gases, e.g. baffles
- B01F23/2322—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using flow-mixing means for introducing the gases, e.g. baffles using columns, e.g. multi-staged columns
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
- B01F23/20—Mixing gases with liquids
- B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
- B01F23/234—Surface aerating
- B01F23/2341—Surface aerating by cascading, spraying or projecting a liquid into a gaseous atmosphere
- B01F23/23412—Surface aerating by cascading, spraying or projecting a liquid into a gaseous atmosphere using liquid falling from orifices in a gaseous atmosphere, the orifices being exits from perforations, tubes or chimneys
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
- B01F23/20—Mixing gases with liquids
- B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
- B01F23/237—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media
- B01F23/2373—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media for obtaining fine bubbles, i.e. bubbles with a size below 100 µm
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
- B01F23/20—Mixing gases with liquids
- B01F23/29—Mixing systems, i.e. flow charts or diagrams
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
- B01F25/20—Jet mixers, i.e. mixers using high-speed fluid streams
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
- B01F33/80—Mixing plants; Combinations of mixers
- B01F33/81—Combinations of similar mixers, e.g. with rotary stirring devices in two or more receptacles
- B01F33/813—Combinations of similar mixers, e.g. with rotary stirring devices in two or more receptacles mixing simultaneously in two or more mixing receptacles
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
- C12M29/04—Filters; Permeable or porous membranes or plates, e.g. dialysis
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
- C12M29/06—Nozzles; Sprayers; Spargers; Diffusers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
- B01F23/20—Mixing gases with liquids
- B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
- B01F23/231—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids by bubbling
- B01F23/23105—Arrangement or manipulation of the gas bubbling devices
- B01F23/2312—Diffusers
- B01F23/23123—Diffusers consisting of rigid porous or perforated material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
- B01F23/20—Mixing gases with liquids
- B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
- B01F23/231—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids by bubbling
- B01F23/23105—Arrangement or manipulation of the gas bubbling devices
- B01F23/2312—Diffusers
- B01F23/23124—Diffusers consisting of flexible porous or perforated material, e.g. fabric
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Zoology (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
- Degasification And Air Bubble Elimination (AREA)
- Accessories For Mixers (AREA)
Abstract
В изобретении представлена система генерации микропузырьков с повышенной эффективностью и гибкостью по сравнению с известными системами. Кроме того, в изобретении представлен способ генерации микропузырьков. В частности, изобретение относится к повышению эффективности реакции ферментации путем уменьшения размера пузырьков и повышения абсорбции газа в жидком ферментативном бульоне.
Description
Настоящее изобретение относится к системе для уменьшения размера пузырьков газа в жидкости и к соответствующим способам применения. Более конкретно, настоящее изобретение относится к повышению эффективности реакции ферментации путем уменьшения размера пузырьков и повышения абсорбции газа в жидком ферментативном бульоне.
Уровень техники
Газ, растворенный в жидком субстрате, используют во множестве процессов. Для обеспечения максимального растворения газа в жидкости площадь поверхности пузырьков газа должна быть максимальной. Это может быть достигнуто минимизацией размера пузырьков.
Известны способы и устройства для получения таких микропузырьков, например, такие как описаны в US4938865 и AU677542. Устройство, описанное в указанных документах, известно как флотационная машина Джеймсона, которая облегчает введение газа в поток жидкости с получением слоя пены. Во флотационной машине Джеймсона используют одну вертикальную струю жидкости для обеспечения захватывания атмосферного воздуха за счет эффекта Бернулли, благодаря которому воздух разбивается на очень мелкие пузырьки в зоне очень высокого напряжения сдвига при попадании этой струи в жидкость.
Во флотационной машине Джеймсона газ впрыскивается в верхней части колонны и захватывается жидкостью, текущей с высокой скоростью. Для обеспечения возможности захвата газа во флотационной машине Джеймсона необходимо обеспечить минимальную скорость струи. В разных случаях ее значение составляет 8 или 15 м/с. Было бы преимуществом обеспечить возможность получения микропузырьков с меньшей минимальной скоростью струи для повышения энергоэффективности системы и повышения гибкости путем обеспечения возможности варьирования скорости струи в зависимости от требований конкретного применения.
Механизм захвата газа во флотационной машине Джеймсона требует, чтобы отверстие газовпускного патрубка и струя жидкости были окружены трубой с нисходящим потоком для создания эффекта всасывания. Во флотационной машине Джеймсона также необходима емкость, присоединенная к указанной трубе, для приема струи жидкости и смеси. Флотационная машина Джеймсона предназначена для применения при пенной флотации минералов и, в частности, ускоряет прикрепление мелких частиц в зоне высокого сдвига, что приводит к высоким скоростям вязкого рассеяния в теплоту. Для этого необходима высокая турбулентность для улучшенного контакта между минеральными частицами и пузырьками газа. Поэтому флотационная машина Джеймсона характеризуется высокой турбулентностью в трубе с нисходящим потоком. Высокая турбулентность снижает эффективность системы в целом и может наносить вред клеткам или белкам при использовании для конкретных применений, таких как ферментация с помощью микроорганизмов.
В реакции ферментации с применением микроорганизмов необходимые субстраты подают в газообразной форме. Например, потоки газов, содержащие СО, и/или CO2, и/или O2, и/или H2, могут быть закачаны в биореактор так, что они проходят через ферментативный бульон в виде пузырьков, и/или они могут быть обеспечены в любом свободном пространстве в биореакторе. Часть газов в указанных потоках растворяется в ферментативном бульоне, так что затем она может быть использована микробами, активными в конкретной реакции. Доступность или концентрация газов в ферментативном бульоне может оказывать значительное влияние на производительность процессов ферментации. Однако такие газы, как СО и O2, имеют слабую растворимость, по существу, в водном бульоне, содержащемся в биореакторах, что затрудняет и/или замедляет растворение желаемых количеств газов в бульоне для использования микроорганизмами в процессе ферментации.
Потенциальный способ повышения эффективности ферментации газов путем повышения массопереноса из газа в жидкость заключается в барботировании дисперсией микропузырьков. Такое усовершенствование было продемонстрировано для ферментации синтез-газа с применением Butyribacterium methylotrophicum, выращиваемых в реакторе непрерывного действия с механическим перемешиванием с применением тангенциального фильтра для общей рециркуляции клеток (Bredwell and Worden 1998, Biotechnol. Prog. 14, 31-38).
Задача настоящего изобретения заключается в преодолении одного или более указанных недостатков известного уровня техники или, по меньшей мере, в обеспечении общества подходящей альтернативной.
Краткое описание изобретения
В первом аспекте настоящего изобретения представлена система генерации микропузырьков, содержащая:
a) колонну;
b) перфорированную пластину, выполненную с возможностью облегчения введения жидкости в колонну; и
c) рассекатель газа, выполненный с возможностью барботирования газа в колонне, причем перфорированная пластина расположена над рассекателем газа. На практике часть жидкости течет из перфорированной пластины и контактирует со слоем пены, полученным барботированием
- 1 031074 газа в жидкость, содержащуюся в колонне.
В конкретном варианте реализации изобретения перфорированная пластина, по существу, заполняет поперечное сечение колонны.
В конкретном варианте реализации колонна дополнительно содержит отверстие для входа жидкости, выполненное с возможностью приема жидкости и ее подачи на перфорированную пластину.
В конкретном варианте реализации колонна дополнительно содержит отверстие для входа газа, выполненное с возможностью приема потока газа и его подачи к рассекателю газа.
В конкретном варианте реализации колонна дополнительно содержит отверстие для выхода жидкости, выполненное с возможностью приема микропузырькового продукта, образованного в системе.
В конкретном варианте реализации колонна дополнительно содержит клапан выпуска газа. Предпочтительно клапан выпуска газа расположен в колонне на уровне, который находится, по существу, близко и ниже уровня перфорированной пластины.
В конкретном варианте реализации колонна содержит часть, расширяющуюся в направлении основания колонны, где ширина колонны увеличивается относительно ширины в направлении верхней части колонны. На практике, указанная расширяющаяся часть имеет эффект снижения скорости перемещения жидкости вниз и обеспечивает возможность более стабильного и эффективного образования пузырьков при помощи рассекателя газа.
В конкретном варианте реализации система дополнительно содержит сепаратор пена/жидкость, выполненный с возможностью приема микропузырькового продукта из колонны.
В конкретном варианте реализации сепаратор пена/жидкость выполнен с возможностью подачи по меньшей мере части, по существу, жидкой фракции в отверстие для входа жидкости в колонну, предпочтительно с помощью гидравлического насоса.
В конкретном варианте реализации сепаратор пена/жидкость выполнен с возможностью подачи по меньшей мере части, по существу, фракции пены в пеноудаляющий бак.
В конкретном варианте реализации пеноудаляющий бак содержит противопенный спрей.
В конкретном варианте реализации пеноудаляющий бак выполнен с возможностью получения продукта в виде пеноконденсата для удаления из системы.
В конкретном варианте реализации колонна представляет собой биореактор для ферментации газообразного субстрата с получением одного или более продуктов. В альтернативном варианте реализации биореактор соединен с колонной и выполнен с возможностью приема из колонны микропузырькового продукта, содержащего микропузырьки газообразного субстрата. В указанном альтернативном варианте реализации биореактор содержит отверстие для выхода бульона, выполненное с возможностью приема ферментативного бульона из биореактора и его подачи в колонну.
В конкретном варианте реализации система генерации микропузырьков сконфигурирована с возможностью обеспечения массопереноса газообразного субстрата к одному или более микроорганизмам в ферментативном бульоне.
В конкретном варианте реализации биореактор содержит ферментативный бульон, содержащий культуру одного или более карбоксидотрофных микроорганизмов, способных вырабатывать один или более продуктов путем ферментации микропузырькового продукта, содержащего СО.
В конкретном варианте реализации система дополнительно содержит первичный сепаратор газжидкость, выполненный с возможностью приема ферментативного бульона из биореактора. В конкретных вариантах реализации первичный сепаратор газ-жидкость дополнительно выполнен с возможностью подачи по меньшей мере части, по существу, газообразного компонента бульона в колонну с помощью компрессора/воздуходувки и рассекателя газа. В дополнительном варианте реализации первичный сепаратор газ-жидкость выполнен с возможностью удаления из системы по меньшей мере части, по существу, газообразного компонента бульона.
В конкретном варианте реализации первичный сепаратор газ-жидкость дополнительно содержит противопенный спрей.
В конкретном варианте реализации первичный сепаратор газ-жидкость выполнен с возможностью подачи по меньшей мере части бульона во вторичный сепаратор газ-жидкость и/или подачи по меньшей мере части бульона в отверстие слива продукта для выделения продукта.
В конкретном варианте реализации вторичный сепаратор газ-жидкость выполнен с возможностью приема свежей среды и/или подачи по меньшей мере части бульона в отверстие для входа жидкости в колонну предпочтительно с помощью гидравлического насоса. Вторичный сепаратор газ-жидкость необязательно содержит отверстие для выхода газа для удаления по меньшей мере части газа, выделенного из бульона.
В конкретном варианте реализации система генерации микропузырьков представляет собой часть системы абсорбции микропузырьков газа.
В конкретном варианте реализации система дополнительно содержит сепаратор газ-жидкость, выполненный с возможностью приема микропузырькового продукта из колонны.
В конкретном варианте реализации сепаратор газ-жидкость выполнен с возможностью удаления из системы по меньшей мере части, по существу, газообразного компонента микропузырькового продукта.
- 2 031074
В конкретном варианте реализации сепаратор газ-жидкость выполнен с возможностью подачи по меньшей мере части, по существу, жидкой части микропузырькового продукта в колонну, предпочтительно с помощью гидравлического насоса.
В конкретном варианте реализации две или более систем генерации микропузырьков установлены друг на друга с образованием блока реакторов. В конкретном варианте реализации единый газообразный поток разделяют и подают в каждую из двух или более систем генерации микропузырьков, образующих блок реакторов. В конкретном варианте реализации две или более систем генерации микропузырьков, образующих блок реакторов, соединены друг с другом при помощи механической опорной конструкции.
В соответствии со вторым аспектом настоящее изобретение обеспечивает способ генерации микропузырьков, включающий:
a) барботирование газа в колонну, содержащую жидкость, при помощи рассекателя газа с образованием пузырьков газа; и
b) введение в колонну жидкости через перфорированную пластину, расположенную над рассекателем газа, с получением струи жидкости, так что струя жидкости контактирует с пузырьками с образованием микропузырьков.
Вводимая жидкость может быть такой же жидкостью, которая уже содержится в колонне, или может быть другой жидкостью. Струи жидкости разбивают пузырьки, образованные путем барботирования газа в жидкость, содержащуюся в колонне.
В конкретном варианте реализации изобретения струя жидкости контактирует со слоем пены, образованным из множества пузырьков на поверхности жидкости, содержащейся в колонне.
В конкретном варианте реализации изобретения верх слоя пены поддерживают на уровне перфорированной пластины.
В конкретном варианте реализации изобретения диаметр пор в перфорированной пластине является таким, чтобы для данного общего объемного потока жидкости можно было поддерживать требуемую скорость струи жидкости. Предпочтительно поры имеют размер от примерно 0,1 до примерно 0,5 мм. Предпочтительно поры имеют диаметр примерно 0,2 мм.
В конкретном варианте реализации изобретения жидкость, содержащаяся в колонне, и/или поток жидкости, введенный в колонну, содержит одно или более поверхностно-активных веществ. В конкретных вариантах реализации указанные поверхностно-активные вещества включают белки, пептиды, ионные или неионогенные поверхностно-активные вещества, био-ПАВ, гидрофильные или амфифильные частицы, включая, но не ограничиваясь ими, клетки некоторых микроорганизмов.
В конкретном варианте реализации изобретения пузырек, образованный из рассекателя с размером пор 0,5 мм, имеет диаметр приблизительно 3 мм.
В конкретном варианте реализации изобретения диаметр микропузырька, полученного после контакта струи жидкости с одним или более пузырьками, составляет от примерно 200 до примерно 10 мкм.
В конкретном варианте реализации жидкость вводят в колонну с определенной скоростью потока входящей жидкости, газ барботируют с определенной скоростью потока барботирования, и указанные скорости потоков регулируют так, чтобы скорость образования пузырьков была равна скорости, с которой пузырьки разбиваются на микропузырьки под действием струй жидкости.
В конкретном варианте реализации указанный способ дополнительно включает выделение микропузырькового продукта из колонны через отверстие для выхода жидкости. Предпочтительно отверстие для выхода жидкости расположено на уровне выше уровня рассекателя для обеспечения возможности образования пузырьков в слое жидкости, не содержащем микропузырьков.
В конкретном варианте реализации объемное отношение жидкости к газу в микропузырьковом продукте, выделенном из колонны, регулируют путем подбора скорости, при которой барботируют газ, и скорости, при которой в колонну вводят жидкость.
В конкретном варианте реализации размер пузырьков в микропузырьковом продукте регулируют путем подбора первоначального размера пузырьков и скорости струи. Скорость струи регулируют за счет объемной скорости течения жидкости через пористую пластину, количества пор и диаметра пор. Первоначальный размер пузырьков регулируют путем подбора диаметра пор рассекателя и скорости потока барботированного газа.
В конкретном варианте реализации общие массовые расходы потоков газов в обоих направлениях равны друг другу при работе генератора микропузырьков в непрерывном режиме.
В конкретном варианте реализации давление газа в колонне снижают при помощи клапана выпуска газа. Предпочтительно клапан выпуска газа расположен в колонне на уровне, который находится достаточно близко и ниже уровня перфорированной пластины.
В конкретном варианте реализации указанный способ включает применение системы генерации микропузырьков, описанной в первом аспекте.
В конкретном варианте реализации способ генерации микропузырьков используют вместе со способом ферментации газа для получения одного или более продуктов ферментации. В конкретном варианте реализации ферментацию выполняют в биореакторе, причем биореактор может быть колонной, описанной в настоящем документе, или одной или более отдельными биореакторными емкостями.
- 3 031074
В конкретном варианте реализации указанный способ включает стадию массопереноса из газообразного субстрата к одному или более микроорганизмам в ферментативном бульоне, содержащем микропузырьковый продукт.
В конкретном варианте реализации ферментативный бульон содержит культуру одного или более карбоксидотрофных микроорганизмов, способных вырабатывать один или более продуктов путем ферментации микропузырькового продукта, содержащего СО.
В конкретном варианте реализации в первичный сепаратор газ-жидкость подают по меньшей мере часть бульона из биореактора. В конкретных вариантах реализации, по меньшей мере часть, по существу, газообразного компонента бульона выделяют при помощи первичного сепаратора газ-жидкость и подают в колонну с помощью компрессора/воздуходувки и рассекателя газа. В дополнительном варианте реализации из системы удаляют по меньшей мере часть, по существу, газообразного компонента бульона при помощи первичного сепаратора газ-жидкость.
В конкретном варианте реализации в первичном сепараторе газ-жидкость происходит добавление противопенного спрея к указанной части бульона.
В конкретном варианте реализации первичный сепаратор газ-жидкость обеспечивает подачу по меньшей мере части бульона во вторичный сепаратор газ-жидкость и/или подачу по меньшей мере части бульона в отверстие слива продукта для выделения продукта.
В конкретном варианте реализации к бульону во вторичном сепараторе газ-жидкость добавляют свежую среду до подачи по меньшей мере части бульона в отверстие для входа жидкости в колонну, предпочтительно с помощью гидравлического насоса. В конкретном варианте реализации по меньшей мере часть газа, выделенного из бульона во вторичном сепараторе газ-жидкость, подают в отверстие для выхода газа для удаления из системы.
В конкретном варианте реализации бульон, полученный из первичного сепаратора газ-жидкость, возвращают непосредственно в отверстие для входа жидкости в колонну, предпочтительно с помощью гидравлического насоса.
В конкретном варианте реализации способ генерации микропузырьков используют вместе со способом фракционирования пены для получения одного или более поверхностно-активных веществ.
В конкретном варианте реализации по меньшей мере часть микропузырькового продукта подают из колонны в сепаратор пена/жидкость для фракционирования.
В конкретном варианте реализации сепаратор пена/жидкость обеспечивает подачу по меньшей мере части по существу жидкой фракции в отверстие для входа жидкости в колонну, предпочтительно с помощью гидравлического насоса.
В конкретном варианте реализации сепаратор пена/жидкость обеспечивает подачу по меньшей мере части фракции по существу пены в пеноудаляющий бак. При наличии в микропузырьковом продукте поверхностно-активных веществ, фракция пены содержит более высокую концентрацию вещества.
В конкретном варианте реализации во фракцию по существу пены добавляют противопенный спрей с получением продукта в виде пеноконденсата, который удаляют из системы для дальнейшей переработки.
В конкретном варианте реализации указанный способ включает систему абсорбции микропузырьков газа, в которой первый газообразный компонент, содержащий один или более газов, отделяют от второго газообразного компонента, содержащего один или более газов, причем первый газообразный компонент, по существу, растворим в жидкости, а второй газообразный компонент менее растворим или по существу не растворим в жидкости.
В конкретном варианте реализации изобретения многокомпонентный поток газа барботируют в колонну, содержащую жидкость, с получением микропузырькового продукта, который затем подают из колонны в сепаратор газ-жидкость.
В конкретном варианте реализации сепаратор газ-жидкость обеспечивает удаление по меньшей мере части менее растворимого или по существу не растворимого газообразного компонента из микропузырькового продукта с получением жидкого компонента, содержащего растворенный по существу растворимый газообразный компонент.
В конкретном варианте реализации указанный жидкий компонент удаляют из системы, а затем он может быть подвергнут бурному вспениванию, известному специалистам в данной области техники, для обеспечения возможности сбора выделенного газа.
В конкретном варианте реализации первый газообразный компонент содержит CO2, а жидкость содержит моноэтаноламин или воду.
В третьем аспекте настоящее изобретение обеспечивает продукт, полученный при помощи способа согласно второму аспекту.
В конкретном варианте реализации продукт представляет собой продукт ферментации, выбранный из группы, состоящей из этанола, бутанола, 2,3-бутандиола, ацетона, изопропанола, уксусной кислоты, молочной кислоты, фосфорной кислоты и биомассы.
В конкретном варианте реализации продукт представляет собой поверхностно-активное вещество, выделенное при помощи способа фракционирования пены. Предпочтительно указанное вещество выбра
- 4 031074 но из группы, состоящей из белков, пептидов, ионных или неионогенных поверхностно-активных веществ или био-ПАВ.
Дополнительные аспекты настоящего изобретения, которое следует толковать во всех его новых аспектах, станут понятны специалистам в данной области техники при прочтении следующего описания, которое дает по меньшей мере один пример практического применения изобретения.
Краткое описание чертежей
Далее описаны варианты реализации настоящего изобретения, которые представлены лишь в качестве примера со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлен схематический чертеж генератора микропузырьков согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 изображен вариант реализации настоящего изобретения, используемый для фракционирования микропузырьковой пены;
на фиг. 3 изображен вариант реализации настоящего изобретения, используемый для генерации микропузырьков в системе ферментации газа;
на фиг. 4 изображено расположение пор в пористой пластине, используемой в одном из вариантов реализации настоящего изобретения;
на фиг. 5 представлена фотография микропузырьков на уровне, расположенном достаточно близко и ниже перфорированной пластины в колонне генератора микропузырьков;
на фиг. 6 представлено кумулятивное распределение пузырьков по размеру и показано, что средний размер пузырьков составляет примерно половину от максимального размера пузырьков;
на фиг. 7 представлен пример альтернативной конфигурации составных микропузырьковых реакторов, в которой один реактор установлен поверх другого с образованием блока реакторов.
Подробное описание предпочтительных вариантов реализации
Определения.
Рассекатель включает устройство для введения газа в жидкость для ее перемешивания или для растворения газа в жидкости. В конкретном варианте реализации рассекатель может представлять собой перфорированную пластину, спеченное стекло, спеченную сталь, пористую резиновую трубку, пористую металлическую трубку, пористый керамический материал или пористый материал из нержавеющей стали. Рассекатель может быть разных марок (пористости) для получения пузырьков определенного размера.
Колонна представляет собой сосуд, в который вводят один или более газообразных и жидких потоков для генерации пузырьков и генерации микропузырьков, а также для последующего контакта газа с жидкостью, абсорбции газа, био/химической реакции, адсорбции поверхностно-активного материала. В колонне газообразные и жидкие фазы текут в вертикальном направлении. В колонне более крупные пузырьки газа, для которых выталкивающая сила больше, чем влекущая сила жидкости, поднимаются вверх, тогда как более мелкие пузырьки, для которых выталкивающая сила меньше или равна влекущей силе жидкости, опускаются вниз вместе с жидкостью. Колонна не ограничена каким-либо конкретным аспектным отношением (отношением высоты к диаметру). Колонна не ограничена каким-либо конкретным материалом и может быть сделана из любого материала, подходящего для указанного процесса, такого как, но не ограничиваясь ими, нержавеющая сталь или ПВХ. Колонна может содержать внутренние компоненты, такие как, но не ограничиваясь ими, один или более статических смесителей, которые обычно используют в био/химических технологических процессах. Колонна может состоять из внешних или внутренних нагревательных или охлаждающих устройств, таких как, но не ограничиваясь ими, водяные рубашки. Перфорированная пластина содержит пластину или аналогичное устройство, предназначенное для облегчения введения жидкости в колонну в форме множества жидких струй (называемых в настоящем документе жидкими струями). Как правило, перфорированная пластина имеет поры, равномерно распределенные по пластине, которые обеспечивают возможность течения жидкости с одной стороны пластины на другую. В альтернативных вариантах реализации изобретения пластина может содержать одно или более сопл, выполненных с возможностью генерации жидких струй, которые текут в колонну. Пластина может содержать каналы в любом порядке или расположении, причем такие каналы выполнены с возможностью приема жидкости и облегчения ее протекания в колонну. Пластина может быть изготовлена из нержавеющей стали с заданным количеством выжженных лазером отверстий или пор. Конкретный размер пор зависит от применения, в котором будет использована система генерации микропузырьков. В конкретном варианте реализации изобретения размер пор составляет примерно 130 мкм в диаметре. Предпочтительно поры расположены рядами со смещением, чтобы каждая пора в ряду находилась на равном расстоянии от двух пор, расположенных в ближайшем верхнем и нижнем ряду относительно указанной поры. В качестве рассекателя газа могут быть использованы перфорированные пластины с одинаковой и разной пористостью.
При использовании в настоящем документе пена представляет собой множество пузырьков газа в матрице жидкой пленки. Объемная фракция жидкости в пене предпочтительно составляет менее 10%, предпочтительно менее 5%, предпочтительно менее 2%.
Сепаратор пена/жидкость представляет собой устройство, предназначенное для отделения пены
- 5 031074 от жидкости путем обеспечения возможности оседания микропузырьков, содержащих смесь газа и жидкости, в течение определенного количества времени (времени пребывания), в течение которого пузырьки газа поднимаются и собираются на поверхности жидкости с образованием слоя пены, а внутренняя жидкость из пены спускается в жидкую фазу, расположенную под слоем пены, под действием силы тяжести. Примеры сепараторов пена/жидкость известны специалистам в данной области техники, но в качестве примера сепаратор пена/жидкость может быть вертикальной емкостью, в которую через отверстие в средней части непрерывно вводят смесь газа и жидкости, содержащую микропузырьки. Пену непрерывно извлекают из отверстия, расположенного в верхней части емкости, а жидкость, выделенную из пены, непрерывно сливают через отверстие, расположенное в нижней части емкости. Для поддержания границы раздела пена/жидкость внутри емкости путем регулирования скорости слива жидкости может быть использован клапан, регулирующий уровень жидкости.
При использовании в настоящем документе пеноудаляющий бак представляет собой емкость, в которой пена полностью разрушается с образованием жидкой формы (пеноконденсата), концентрированной по содержанию поверхностно-активных веществ. Газ, первоначально находившийся в пузырьках, высвобождается и удаляется. Например, пеноудаляющий бак может быть емкостью из нержавеющей стали, в которую вводят пену через подходящую систему трубопроводов, а на пену разбрызгивают пеногаситель (противопенный агент), чтобы вызвать разрушение пузырьков в пене. Для облегчения распределения пеногасителя в объеме пены, содержащейся в баке, может быть использован механический смеситель. При непрерывной эксплуатации в емкость непрерывно подают пену и непрерывно удаляют пеноконденсат.
Сепаратор газ/пена представляет собой устройство, предназначенное для отделения газа от пены. Примеры сепараторов газ/пена известны специалистам в данной области техники. Зона классификации пузырьков представляет собой часть микропузырьковой колонны согласно настоящему изобретению, в которой происходит одновременный подъем более крупных пузырьков и оседание микропузырьков на основании разности размера пузырьков из-за разности относительной величины влекущей силы и выталкивающей силы, действующих на пузырьки.
Сепаратор газ/жидкость представляет собой устройство, предназначенное для отделения газа от жидкости путем обеспечения возможности оседания смеси газа и жидкости в течение определенного времени (времени пребывания), в течение которого, по существу, жидкая фракция оседает в нижней части емкости, откуда ее сливают. Газ, выделившийся из смеси газа и жидкости, собирается в верхней части емкости, откуда его выпускают или подвергают рециклингу. В конкретных случаях, когда жидкая фаза содержит один или более поверхностно-активных веществ, а газ заключен в стабильных пузырьках, для разрушения пузырьков используют пеногаситель (противопенный агент), что приводит к высвобождению газа из пузырьков. В конкретных случаях, когда смесь газа и жидкости сжимают, и один или более газообразных компонентов растворяются в жидкости, емкость сепаратора газ/жидкость может обеспечивать сброс давления в смеси газа-жидкости, что приводит к высвобождению газа из жидкости для последующего выделения. Примеры сепараторов газ/жидкость известны специалистам в данной области техники, но в качестве примера сепаратор газ/жидкость может быть вертикальной емкостью, изготовленной из нержавеющей стали и оснащенной подходящей системой трубопровода, отверстиями и насосами, причем смесь газа и жидкости вводят в емкость через отверстие, расположенное в средней части, жидкость сливают снизу, а газ выделяют через отверстие, расположенное в верхней части. В другом примере сепаратор газ/жидкость поднимают на более высокий уровень, где давление ниже, чем в верхней емкости, откуда поступает смесь газа и жидкости, что вызывает высвобождение растворенного газа из жидкости, который затем выделяют. При использовании в настоящем документе противопенный спрей относится к динамическому скоплению мелких капель противопенного агента (пеногасителя), диспергированных в газе, выходящем из распылителя подходящего типа, такого как распылительное сопло. В конкретных вариантах реализации изобретения распылитель противопенного агента содержит распылительное сопло, через которое сжатый пеногаситель распределяют по поверхности слоя пены в форме мелких капель, а затем происходит разрушение пены под действием противопенного агента (пеногасителя).
При использовании в настоящем документе поверхностно-активные вещества относятся к соединениям, которые имеют меньшее поверхностное натяжение жидкости и которые стабилизируют дисперсию газа и жидкости, такой как пена или микропузырьки. В конкретных вариантах реализации изобретения поверхностно-активные соединения включают белки, пептиды, ионные или неионогенные поверхностно-активные вещества, или био-ПАВ. Поверхностно-активные вещества могут быть образованы естественным образом за счет деятельности микроорганизмов в процессе ферментации, или они могут быть добавлены в раствор искусственно.
При использовании в настоящем документе микропузырек представляет собой пузырек газа диаметром от примерно 200 до примерно 10 мкм.
При использовании в настоящем документе микропузырьковый продукт представляет собой смесь жидкости и газа, содержащую микропузырьки.
При использовании в настоящем документе ферментативный бульон представляет собой культуральную среду, содержащую, по меньшей мере, питательную среду и бактериальные клетки.
- 6 031074
Термины повышение эффективности, повышенная эффективность и т.п. при использовании в отношении процесса ферментации включают, но не ограничиваются ими, увеличение одного или более из показателей скорости роста микроорганизмов, катализирующих ферментацию, увеличения и/или скорости выработки продукта при повышенных концентрациях продукта, объема требуемого продукта, полученного на единицу объема потребленного субстрата, скорости выработки или степени выработки требуемого продукта и относительного содержания выработанного требуемого продукта по сравнению с другими побочными продуктами ферментации.
Выражение субстрат, содержащий монооксид углерода и подобные термины следует понимать как включающие любой субстрат, в котором монооксид углерода доступен одному или более штаммам бактерий, например, для роста и/или ферментации.
Выражение газообразный субстрат, содержащий монооксид углерода и подобные выражения и термины включают любой газ, который содержит некоторое количество монооксида углерода. В некоторых вариантах реализации субстрат содержит по меньшей мере от примерно 20 до примерно 100 об.% СО, от 20 до 70 об.% СО, от 30 до 60 об.% СО и от 40 до 55 об.% СО. В конкретных вариантах реализации субстрат содержит примерно 25, или примерно 30, или примерно 35, или примерно 40, или примерно 45, или примерно 50, или примерно 55, или примерно 60 об.% СО.
Хотя субстрат не обязательно содержит водород, присутствие H2 не должно оказывать неблагоприятного воздействия на образование продукта в соответствии со способами настоящего изобретения. В конкретных вариантах реализации присутствие водорода приводит к улучшению общей эффективности выработки спирта. Например, в конкретных вариантах реализации в субстрате соотношение Н2:СО может составлять приблизительно 2:1 или 1:1 или 1:2. В одном из вариантов реализации субстрат содержит примерно 30 об.% или менее H2, 20% или менее Н2 по объему, примерно 15% или менее Н2 по объему или 10% или менее H2 по объему. В других вариантах реализации изобретения поток субстрата содержит низкие концентрации H2, например менее 5, или менее 4, или менее 3, или менее 2, или менее 1% или, по существу, не содержит водорода. Субстрат также может содержать некоторое количество CO2, например от примерно 1 до примерно 80% CO2 по объему или от 1 до примерно 30% CO2 по объему. В одном из вариантов реализации субстрат содержит менее или равно примерно 20% CO2 по объему. В конкретных вариантах реализации субстрат содержит менее или равно примерно 15% CO2 по объему, менее или равно примерно 10% CO2 по объему, менее или равно примерно 5% CO2 по объему или по существу не содержит CO2.
В конкретных вариантах реализации изобретения газообразный субстрат, содержащий СО, представляет собой промышленный отходящий или отработанный газ. Промышленные отработанные или отходящие газы следует понимать в широком смысле, включающем любые газы, содержащие СО, образующиеся в промышленных процессах, и включают газы, образованные в результате производства продукции черной металлургии, производства продукции цветной металлургии, процессов переработки нефти, газификации угля, газификации биомассы, производства электроэнергии, производства технического углерода и производства угля. Дополнительные примеры могут быть представлены в любом месте настоящего документа.
Если из контекста не следует иное, то выражения ферментация, процесс ферментации или реакция ферментации и т.п. при использовании в настоящем документе предназначены для охвата и фазы роста, и фазы биосинтеза продукта в указанном процессе. В настоящем документе далее описано, что в некоторых вариантах реализации биореактор может содержать первый реактор роста и второй реактор ферментации. Следовательно, добавление материалов в реакцию ферментации следует понимать как добавление в любой или в оба этих реактора.
Термин биореактор (или колонна, если колонна также представляет собой биореактор), используемый в настоящем документе, включает устройство для ферментации, состоящее из одной или более емкостей и/или башен или трубопроводов, которые включают смесительный реактор непрерывного действия (CSTR), реактор с иммобилизованными клетками (ICR), реактор с орошаемым слоем (TBR), барботажную/микробарботажную колонну, газолифтный ферментер или другую емкость или другое устройство, подходящее для контакта газа с жидкостью. В некоторых вариантах реализации биореактор может содержать первый реактор роста и второй реактор ферментации. Следовательно, при упоминании добавления субстрата в биореактор или в реакцию ферментации следует понимать добавление в любой или в оба этих реакторов, если это уместно.
При использовании в настоящем документе блок реакторов или реакторный блок представляет собой конструкцию из нескольких микропузырьковых реакторов, в которой один реактор расположен сверху другого, с соответствующими патрубками, насосами, трубами, фитингами и механической опорной конструкцией. Блок реакторов обеспечивает повышение производительности реакторной системы без существенного увеличения необходимой площади.
Авторы настоящего изобретения разработали систему генерации микропузырьков с повышенной эффективностью и гибкостью по сравнению с известными системами.
В изобретении используют несколько струй жидкости для разрушения в колонне крупных пузырьков с образованием микропузырьков. Крупные пузырьки первоначально образуются под действием газа,
- 7 031074 барботируемого с помощью рассекателя газа, расположенного внизу или в нижней части колонны. Указанные крупные пузырьки перемещаются вверх вместе с жидкостью в слой пены, находящийся поверх жидкости. Струи жидкости образуются в результате прокачки жидкости через перфорированную пластину в слой пены. Указанные струи обеспечивают разрушение пузырьков пены на более мелкие микропузырьки, которые опускаются вниз колонны вместе с потоком жидкости. Более крупные пузырьки остаются в слое пены, подлежащем разрушению на более мелкие пузырьки, или если они смываются вниз, то снова перемещаются вверх. Микропузырьковый продукт, содержащий смесь жидкости/пузырьков, удаляют из колонны через отверстие для выхода жидкости, и он может быть использован для других применений, которые известны специалистам в данной области техники или могут быть описаны в настоящем документе.
Как правило, является желательным получить наименьшие возможные пузырьки при определенных энергозатратах. Настоящее изобретение обеспечивает преимущества в сравнении с известными системами в том отношении, что оно обеспечивает повышенную энергоэффективность получения микропузырькового продукта с конкретным размером пузырьков при требуемом соотношении газа/жидкости. Это обусловлено тем, что газ вводят непосредственным барботажем в форме крупных пузырьков газа, а не захвата, для которого необходимо высокоскоростное относительное движение между фазами жидкости и газа. Микропузырьки согласно настоящему изобретению получают путем разрушения крупных пузырьков газа, а не путем разрушения поверхности жидкости.
Кроме того, система генерации микропузырьков согласно настоящему изобретению может работать в широком диапазоне производительностей, при которых размер микропузырьков продукта можно поддерживать постоянным. Размер пузырьков зависит от скорости струи и времени пребывания газообразной фазы в колонне. Для определенной скорости барботирования газа при снижении скорости жидкости происходит автоматическое увеличение времени пребывания газа.
Настоящее изобретение не имеет какого-либо конкретного требования в отношении скорости струи, и она может варьироваться в зависимости от требований конкретного применения. Турбулентность, возникающая согласно настоящему изобретению, является минимальной по сравнению с известными системами (такими как флотационная машина Джеймсона). Это имеет преимущество в отношении повышенной энергоэффективности и меньшего воздействия (обусловленного сдвигом и турбулентностью) среды для белков или микроорганизмов, находящихся в жидкости.
Дополнительное преимущество настоящего изобретения заключается в том, что генерация микропузырьков происходит в одной емкости (колонне) с гораздо меньшим количеством движущихся деталей по сравнению с известными системами. Это обеспечивает снижение стоимости, сложности, требований технического обслуживания и способствует поддержанию непрерывной эксплуатации.
В конкретном варианте реализации, изображенном на фиг. 1, колонна 1 через отверстие 2 для входа жидкости первоначально, по меньшей мере, частично заполнена жидкостью, содержащей одно или более поверхностно-активных веществ, таких как, но не ограничиваясь ими, белки, пептиды, ионные или неионогенные поверхностно-активные вещества или био-ПАВ, до требуемого уровня. Колонна также может содержать один или более дополнительных отверстий для входа жидкости или отверстий для выхода жидкости в любом подходящем положении колонны для облегчения введения и выведения жидкости из колонны. Колонна 1 содержит рассекатель 3, соединенный с отверстием 4 для входа газа, который обеспечивает барботирование газа в жидкость. Рассекатель расположен так, чтобы пузырьки 5, которые он образует, проходили вверх через зону 9 классификации под действием их выталкивающей силы в слой 6 пены колонны 1. Диаметр пузырьков, образованный в рассекателе 3, достаточно большой, чтобы иметь некоторую поднимающую скорость, чтобы они не опускались вниз под действием струй жидкости, текущих через перфорированную пластину 7.
Пузырьки, образованные в рассекателе, проходят в верхнюю часть жидкости и образуют слой 6 пены. Первоначально толщина слоя пены увеличивается по мере барботирования газа, но ее толщина остается постоянной при непрерывном режиме эксплуатации. Верхняя часть колонны 1 содержит перфорированную пластину 7, через которую может проходить жидкость с образованием в колонне множества струй жидкости. Перфорированная пластина расположена над рассекателем газа для обеспечения возможности контакта струй жидкости со слоем пены, образованным рассекателем. Специалистам в данной области техники понятно, что перфорированная пластина не обязательно должна быть расположена непосредственно над рассекателем; она может быть расположена со смещением или любым подходящим образом, обеспечивающим возможность введения струй жидкости в слой пены. Кроме того, в зависимости от требований конкретного применения колонна может быть расположена не вертикально. Предпочтительно верхнюю часть слоя 6 пены поддерживают на уровне перфорированной пластины 7. Диаметр пор должен быть таким, чтобы для определенного общего объемного потока жидкости можно было обеспечить требуемую скорость струи жидкости. Струя потока, образованная при протекании жидкости через пористую пластину, пробивает поверхность пены, разрушая пузырьки в слое 6 пены с образованием микропузырьков.
В зависимости от желаемого применения микропузырьки могут иметь диаметр менее 200 мкм, предпочтительно менее 150 мкм, предпочтительно менее 100 мкм, предпочтительно менее 60 мкм. Мик- 8 031074 ропузырьки проходят вниз через зону 9 классификации внутри колонны с жидкостью, и в то же время внизу или в нижней части колонны при помощи рассекателя газа образуются новые пузырьки. Скорость потока входящей жидкости и скорость потока входящего газа регулируют так, чтобы скорость, с которой образуются новые пузырьки, была равна скорости, с которой пузырьки в верхней части слоя пены разрушаются с образованием микропузырьков.
Колонна дополнительно содержит отверстие 8 для выхода жидкости, через которое микропузырьковый продукт 10 выходит из колонны. Для прямой колонны без какого-либо увеличения или уменьшения ширины/диаметра расстояние между отверстием 8 для выхода жидкости и рассекателем 3 должно быть таким, чтобы пузырьки образовывались в зоне, отстоящей от зоны классификации и, по существу, не содержащей микропузырьков. При барботировании пузырьков непосредственно в зону 9 классификации размер пузырьков, обеспечиваемый рассекателем, труднее регулировать из-за скорости жидкости, двигающейся вниз. В результате могут образовываться очень крупные пузырьки и пузырьки неподходящего размера.
Объемное отношение газа к жидкости в микропузырьковом продукте 10, выходящем из колонны, регулируют скоростью потока входящего газа и скоростью потока входящей жидкости. Размер пузырьков в микропузырьковом продукте регулируют подбором первоначального размера пузырьков и скорости струй. Скорость струй регулируют за счет объемной скорости потока жидкости и количества пор и за счет диаметра пор. Первоначальный размер пузырьков регулируют подбором диаметра отверстий рассекателя и скорости потока барботируемого газа.
Настоящее изобретение характеризуется одновременным движением более крупных пузырьков вверх и движением микропузырьков вниз внутри колонны. Для инертного газа общие массовые расходы газообразных потоков в обоих направлениях равны друг другу при работе генератора микропузырьков в непрерывном режиме. Для химически активного газа массовый расход входящего газа равен сумме массового расхода газа, текущего вниз, и массового расхода газа, израсходованного в реакции. Если поток газа больше, чем могут разрушить струи жидкости, под перфорированной пластиной образуется слой газа. В таком случае для облегчения выпуска газа колонна может дополнительно содержать клапан для выпуска газа. Давление внутри колонны можно регулировать при помощи необязательного клапана сброса давления, соединенного с отверстием 8 для выхода жидкости.
Обогащение и экстракция поверхностно-активных веществ.
В конкретном варианте реализации система генерации микропузырьков представляет собой часть процесса фракционирования микропузырьковой пены и устройства обогащения и экстракции поверхностно-активных веществ (таких как белки, пептиды, ионные или неионогенные поверхностно-активные вещества, или био-ПАВ) из раствора. При наличии поверхностно-активных веществ в микропузырьковом продукте фракция пены содержит более высокую концентрацию такого вещества, и поэтому необходима дополнительная переработка, включая экстракцию и/или очистку, транспортировку, хранение.
В варианте реализации, изображенном на фиг. 2, микропузырьковый продукт получают барботированием газа из рассекателя 13, поступающего из отверстия 19 для входа газа, а струю жидкости получают подачей жидкости через перфорированную пластину 11. По меньшей мере часть микропузырькового продукта 18 подают из колонны 12 в сепаратор 14 пена/жидкость для фракционирования. Сепаратор пена/жидкость обеспечивает прохождение по меньшей мере части, по существу, жидкой фракции 17 в отверстие для входа жидкости в колонну, предпочтительно с помощью гидравлического насоса 15. Перед возвратом в колонну 12, по существу, жидкая фракция может быть пополнена свежей жидкой питательной средой 16. По меньшей мере часть, по существу, жидкой фракции может быть удалена из системы через отверстие 25 для выхода жидкости. Сепаратор пена/жидкость обеспечивает прохождение по меньшей части фракции 20 по существу пены в пеноудаляющий бак 21. На фракцию по существу пены наносят противопенный спрей 22 с получением продукта 23 пеноконденсата, который удаляют из системы для дополнительной переработки и экстракции требуемых поверхностно-активных веществ. Возможный избыточный газ может быть удален из пеноудаляющего бака через отверстие 24 для выхода газа.
В конкретном варианте реализации изобретения процесс фракционирования микропузырьковой пены может быть использован для экстракции белков из молочного сырья. Белки адсорбируются на поверхности микропузырьков в пене, которую можно удалить и разрушить с получением обогащенного продукта. Если пузырьки слишком малы, то удельная площадь поверхности, на которой могут адсорбироваться белки, становится больше. Существующие способы генерации мелких пузырьков являются энергозатратными, и в них образуются зоны очень высокого напряжения сдвига, в которых может происходить денатурация белка. Кроме того, из-за высокой удельной площади поверхности микропузырьки, полученные согласно настоящему изобретению, превосходно подходят для адсорбции на поверхности раздела.
В конкретном варианте реализации процесс фракционирования микропузырьков может быть использован для удаления белка из потока отходов, например потока, образованного при очистке сточных вод, в результате чего снижается биологическое потребление кислорода (БПК). Это имеет особую пригодность для очистки потоков отходов перед их сбросом в окружающую среду или дальнейшей обработкой. В этом случае настоящее изобретение, как ожидается, обеспечит удаление значительной части белка
- 9 031074 из сырьевого потока. В конкретных вариантах реализации часть поверхностно-активных веществ, удаляемых из раствора, составляет более 50, 60, 70, 80 или 90% относительно общего количества веществ в растворе.
Микропузырьковая система ферментации газа.
В конкретном варианте реализации система генерации микропузырьков представляет собой часть системы ферментации газа. Конкретная система ферментации газа согласно настоящему изобретению содержит биореактор, содержащий микроорганизм и ферментативный бульон. Микроорганизмы используют газы, растворенные в бульоне, для выработки по меньшей мере одного продукта, такого как этанол или 2,3-бутандиол. Биореактор системы может быть колонной, описанной ранее как часть системы генерации микропузырьков, или может быть отдельной емкостью.
В типичных процессах ферментации газов, особенно с применением относительно нерастворимых газообразных веществ, таких как O2 и СО, одним из главных ограничений является количество газа, который может быть растворен в ферментативном субстрате, и скорость, с которой он может быть растворен. В настоящем изобретении представлен усовершенствованный способ массопереноса из газообразного субстрата к одному или более микроорганизмам в ферментативном бульоне, содержащем микропузырьковый продукт.
В конкретном варианте реализации, изображенном на фиг. 3, жидкость вводят в колонну 32 через перфорированную пластину 31 для создания струй жидкости. В этом конкретном варианте реализации колонна также представляет собой биореактор. Газ 29 барботируют через жидкость с образованием пены, которая разрушается с образованием микропузырькового продукта 30, который, в свою очередь, подают в первичный сепаратор 34 газ/жидкость. По существу, газообразный компонент бульона выделяют при помощи первичного сепаратора газ/жидкость и подают 35 в колонну через компрессор/воздуходувку 38 и рассекатель газа. Часть, по существу, газообразного компонента бульона может быть удалена из системы 46 при помощи первичного сепаратора 34 газ/жидкость. Первичный сепаратор газ/жидкость может обеспечивать добавление противопенного спрея 37 в часть бульона, содержащуюся в нем.
Первичный сепаратор газ/жидкость обеспечивает подачу 41 по меньшей мере части бульона во вторичный сепаратор газ/жидкость 36 и/или подачу по меньшей мере части бульона в отверстие 42 слива продукта для выделения продукта. В бульон во вторичном сепараторе 36 газ/жидкость добавляют свежую среду 43 до того, как по меньшей мере часть бульона 44 с низким содержанием газа подают в отверстие для входа жидкости в колонну, предпочтительно с помощью гидравлического насоса 47. По меньшей мере часть газа, выделенного из бульона во вторичном сепараторе газ/жидкость, подают в дополнительное отверстие 48 для выхода газа для его удаления из системы.
В варианте реализации, изображенном на фиг. 2 и 3, можно видеть, что колонна содержит расширяющуюся часть (отмеченную числом 13 на фиг. 3) в нижней части колонны. В этой части скорость жидкости мала, что способствует образованию и подъему пузырьков, образованных рассекателем. В этом варианте реализации отверстие для выхода жидкости расположено не на боковой части колонны, как на фиг. 1, и может быть расположено в других положениях, таких как основание колонны.
Микропузырьковый продукт обычно подают (или получают) в биореактор. Микропузырьковый продукт имеет преимущество в том, что высокая площадь поверхности между газом и жидкостью усиливает абсорбцию газа жидкостью. При использовании газов с низкой растворимостью, таких как СО или O2, необходимо максимизировать абсорбцию газа для облегчения роста и продуктивности микроорганизмов.
Выделение газов из потока газа.
В конкретном варианте реализации изобретения указанный способ включает систему абсорбции микропузырьков газа, в которой первый газообразный компонент, содержащий один или более газов, отделяют от второго газообразного компонента, содержащего один или более газов, причем первый газообразный компонент по существу растворим в жидкости, а второй газообразный компонент менее растворим или по существу нерастворим в жидкости.
В этом варианте реализации систему используют для выделения газообразного компонента из многокомпонентного потока газа путем растворения газообразного компонента в жидкости. Этот вариант реализации особенно подходит для удаления газов из многокомпонентной газовой смеси, в которой газ, подлежащий растворению, демонстрирует высокую растворимость в жидкости по сравнению с другими газами, которые останутся в газовой фазе. Жидкости могут содержать любые подходящие растворы, такие как вода или моноэтаноламин. В конкретном варианте реализации может быть необходимо выделить CO2 из потока отходящего газа, содержащего множество других газов. Для максимизации выделения CO2 используют генератор микропузырьков согласно настоящему изобретению для получения микропузырьков в жидкости, абсорбирующей CO2. Затем жидкость (с растворенным CO2) отделяют от газообразного компонента смеси и выделяют CO2 при помощи стандартных технологий выделения газа, таких как понижение давления, повышение температуры или встряхивание.
- 10 031074
Способы получения.
В одном из вариантов реализации настоящего изобретения газообразный субстрат, ферментируемый микроорганизмами, представляет собой газообразный субстрат, содержащий СО. Газообразный субстрат может представлять собой содержащий СО отходящий газ, полученный в качестве побочного продукта промышленного процесса или из любого другого источника, например из выхлопного автомобильного газа. В некоторых вариантах реализации промышленный процесс выбран из группы, состоящей из промышленного производства черных металлов, такого как сталелитейный завод, производства продуктов цветной металлургии, процессов на нефтеперерабатывающих заводах, газификации угля, производства электроэнергии, производства технического углерода, производства аммиака, производства метанола и производства кокса. В этих вариантах реализации газ, содержащий СО, можно улавливать из промышленного процесса перед его выбросом в атмосферу при помощи любого стандартного способа. СО может быть компонентом синтез-газа (газа, содержащего монооксид углерода и водород). СО, полученный в результате промышленных процессов, обычно сжигают с получением CO2, и поэтому настоящее изобретение особенно подходит для снижения выбросов парникового газа CO2 и получения биотоплива. В зависимости от состава газообразного субстрата, содержащего СО, может быть желательно также очистить его для удаления всех нежелательных примесей, таких как частицы пыли, перед его подачей на ферментацию. Например, газообразный субстрат можно отфильтровать или промыть известными способами.
Следует понимать, что для роста бактерий и получения продуктов в биореактор, помимо газообразного субстрата, содержащего СО, необходимо подавать подходящую жидкую питательную среду.
В конкретных вариантах реализации различных аспектов указанного способа ферментация происходит в водной культуральной среде. В конкретных вариантах реализации различных аспектов указанного способа ферментация субстрата происходит в биореакторе.
Субстрат и среда могут поступать в биореактор непрерывно, периодически или с периодическим пополнением. Питательная среда содержит витамины и минералы, достаточные для обеспечения возможности роста используемых микроорганизмов. В данной области техники известны анаэробные среды, подходящие для ферментации с применением СО. Например, подходящая среда описана у Biebel (2001). В одном из вариантов реализации настоящего изобретения среда является такой, как описано далее в разделе Примеры.
Ферментацию желательно проводить в подходящих условиях ферментации для получения биотоплива. Условия реакции, которые следует учитывать, включают давление, температуру, скорость потока газа, скорость потока жидкости, рН среды, окислительно-восстановительный потенциал среды, скорость перемешивания (при использовании смесительного реактора непрерывного действия), содержание инокулята, максимальные концентрации газообразного субстрата, чтобы содержание СО в жидкой фазе не стало лимитирующим, и максимальные концентрации продукта во избежание ингибирования процесса.
Кроме того, часто желательно повышать концентрацию СО в потоке субстрата (или парциальное давление СО в газообразном субстрате) и увеличивать, таким образом, эффективность реакций ферментации, в которых субстрат представляет собой СО. Эксплуатация при повышенном давлении обеспечивает возможность значительного увеличения скорости переноса СО из газовой фазы в жидкую фазу, где он может быть потреблен микроорганизмами в качестве источника углерода для протекания ферментации. Это, в свою очередь, означает, что время пребывания (определяемое как объем жидкости в биореакторе, деленный на скорость подачи газового потока) может быть сокращено, если биореакторы поддерживают при повышенном давлении, а не при атмосферном давлении. Оптимальные условия реакции частично зависят от конкретных используемых микроорганизмов согласно настоящему изобретению. Однако, как правило, предпочтительно, если ферментацию выполняют при давлении выше давления окружающей среды. Кроме того, поскольку данная скорость конверсии СО частично зависит от времени удерживания субстрата, а достижение требуемого времени удерживания, в свою очередь, определяет необходимый объем биореактора, то применение систем под давлением может значительно уменьшить необходимый объем биореактора и, следовательно, капитальные затраты на оборудование для ферментации. В соответствии с примерами, приведенными в патенте США № 5593886, объем реактора может быть линейно пропорционально уменьшен при повышении рабочего давления в реакторе, т.е. биореакторы, эксплуатируемые при давлении в 10 атм, занимают лишь одну десятую от объема реакторов, эксплуатируемых при давлении в 1 атм.
Например, были описаны преимущества выполнения ферментации газа в этанол при повышенном давлении. Например, в WO 02/08438 описана ферментация газа в этанол, выполненная под давлением 30 psig (фунт/кв.дюйм) и 75 psig (фунт/кв.дюйм), в результате чего производительность по этанолу составила 150 и 369 г/л/сутки соответственно. Однако было обнаружено, что в иллюстративных ферментациях, выполненных с применением одинаковой среды и одинакового состава входящего газа при атмосферном давлении, получено в 10-20 раз меньше этанола на 1 л в сутки.
Желательно также, чтобы скорость введения газообразного субстрата, содержащего СО, была такой, чтобы концентрация СО в жидкой фазе не стала лимитирующей. Это обусловлено тем, что из-за ограниченного содержания СО может происходить потребление культурой одного или более продуктов.
- 11 031074
Состав потоков газа, используемых для подачи в реакцию ферментации, может оказывать существенное влияние на эффективность и/или стоимость такой реакции. Например, О2 может снижать эффективность процесса анаэробной ферментации. Переработка нежелательных или лишних газов на стадиях процесса ферментации до или после ферментации может увеличивать нагрузку на эти стадии (например, если газовый поток сжимают перед подачей в биореактор, то лишняя энергия может быть использована для сжатия газов, которые не нужны для ферментации). Соответственно может быть желательно очистить потоки субстрата, в частности потоки субстрата, полученные из промышленных источников, для удаления нежелательных компонентов и повышения концентрации требуемых компонентов.
В некоторых вариантах реализации культуру бактерий согласно изобретению содержат в водной культуральной среде. Предпочтительно водная культуральная среда представляет собой минимальную анаэробную среду для роста микроорганизмов. Подходящие среды известны в данной области техники и описаны, например, в патентах США № 5173429 и 5593886, а также в WO 02/08438, и описаны в разделе Примеры, представленном ниже.
Продукты могут быть выделены из ферментативного бульона при помощи способов, известных в данной области техники, таких как фракционная перегонка или выпаривание, диффузное испарение, отдувка газом и экстрактивная ферментация, в том числе, например, жидкостно-жидкостная экстракция. Продукты также могут диффундировать или скрываться в среде, из которой их можно экстрагировать разделением фаз.
В некоторых предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения продукты выделяют из ферментативного бульона непрерывным удалением части бульона из биореактора, отделением микробных клеток от бульона (обычно фильтрованием) и выделением продуктов из бульона. Спирты можно легко выделить, например, перегонкой. Ацетон можно выделить, например, перегонкой. Любые образующиеся кислоты можно выделить, например, адсорбцией на активированном угле. Отделенные микробные клетки предпочтительно возвращают в ферментативный биореактор. Фильтрат, не содержащий клеток, который остался после удаления спирта (спиртов) и кислоты (кислот), также предпочтительно возвращают в ферментативный биореактор. В не содержащий клеток фильтрат могут быть добавлены дополнительные питательные вещества (такие как витамины В) для пополнения питательной среды перед ее возвратом в биореактор.
Кроме того, если рН бульона был скорректирован так, как описано выше, для улучшения адсорбции уксусной кислоты на активированном угле, то перед возвратом в биореактор рН следует снова довести до такого же рН, как в бульоне ферментативного биореактора.
В одном из конкретных вариантов реализации карбоксидотрофный микроорганизм, используемый в реакции ферментации согласно изобретению, выбран из группы карбоксидотрофных ацетогенных бактерий, содержащей Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxidivorans, Clostridium drakei, Clostridium scatologenes, Clostridium aceticum, Clostridium formicoaceticum, Clostridium magnum, Butyribacterium methylotrophicum, Acetobacterium woodii, Alkalibaculum bacchii, Blautia producta, Eubacterium limosum, Moorella thermoacetica, Moorella thermautotrophica, Sporomusa ovata, Sporomusa silvacetica, Sporomusa sphaeroides, Oxobacter pfennigii и Thermoanaerobacter kiuvi.
В одном конкретном варианте реализации микроорганизм выбран из кластера этанологенных, ацетогенных бактерий Clostridia, включающих виды С. autoethanogenum, С. ljungdahlii и С. ragsdalei, а также родственных изолятов. Они включают, но не ограничиваются ими, штаммы С. autoethanogenum JAI-1T (DSM10061) (Abrini, Naveau, and Nyns 1994), С. autoethanogenum LBS1560 (DSM19630) (WO/2009/064200), С autoethanogenum LBS1561 (DSM23693), С. ljungdahlii PETCT (DSM13528 = ATCC 55383) (Tanner, Miller, and Yang 1993), С ljungdahlii ERI-2 (ATCC 55380) (патент США 5593886), С. ljungdahlii C-01 (ATCC 55988) (патент США 6368819), С. ljungdahlii 0-52 (ATCC 55989) (патент США 6368819), С. ragsdalei P11T (ATCC BAA-622) (WO 2008/028055), родственные изоляты, такие как С. coskatii (US20110229947) и виды Clostridium (Tyurin and Kiriukhin 2012) или мутированные штаммы, такие как С. ljungdahlii OTA-1 (Tirado-Acevedo О. Production of Bioethanol from Synthesis Gas Using Clostridium ljungdahlii. Кандидатская диссертация, университет штата Северная Каролина, 2010). Эти штаммы образуют подкластер в кластере I pPHK Clostridial, а их 16S ген рРНК идентичен более чем на 99% и имеет такое же низкое содержание GC, составляющее примерно 30%. Однако эксперименты реассоциации ДНК-ДНК и ДНК-генотипоскопии показали, что эти штаммы принадлежат к разным видам (WO 2008/028055).
Все виды этого кластера имеют одинаковую морфологию и размер (логарифмически растущие клетки имеют размер в диапазоне 0,5-0,7 х 3-5 мкм), являются мезофильными (оптимальная температура роста составляет в диапазоне 30-37°С) и строго анаэробными (Abrini, Naveau, and Nyns 1994; Tanner, Miller, and Yang 1993)(WO 2008/028055). Кроме того, они имеют одинаковые основные филогенетические признаки, такие как одинаковый диапазон рН (рН 4-7,5 с оптимальным первоначальным рН 5,5-6), сильный аутотрофный рост на газах, содержащих СО, с одинаковой скоростью роста, и одинаковые метаболические профили, в которых основные конечные продукты ферментации представляют собой этанол и уксусную кислоту, а также небольшие количества 2,3-бутандиола и молочной кислоты, которые образуются при определенных условиях (Abrini, Naveau, and Nyns 1994; Kopke et al. 2011; Tanner, Miller, and
- 12 031074
Yang 1993) (WO 2008/028055). Для всех трех видов наблюдали также продуцирование индола. Однако указанные виды отличаются по усвоению субстрата, представляющего собой различные сахара (например, рамнозу, арабинозу), кислоты (например, глюконат, цитрат), аминокислоты (например, аргинин, гистидин) или другие субстраты (например, бетаин, бутанол). Кроме того, было обнаружено, что некоторые из этих видов являются ауксотрофами в отношении некоторых витаминов (например, тиамина, биотина), а другие - нет. Было обнаружено, что во всех видах организация и количество генов в каскаде Вуда-Льюнгдаля, отвечающих за поглощение газа, являются одинаковыми, несмотря на различия в последовательностях нуклеиновых и аминокислот (Kopke et al. 2011).
В одном из вариантов реализации родительский микроорганизм представляет собой Clostridium autoethanogenum или Clostridium ljungdahlii. В одном из конкретных вариантов реализации микроорганизм представляет собой Clostridium autoethanogenum DSM23693, производное штамма DSM10061 С. autoethanogenum. В другом конкретном варианте реализации микроорганизм представляет собой Clostridium ljungdahlii DSM13528 (или АТСС55383).
Если из контекста не следует иное, слова включает, включая и т.п. следует толковать во включительном смысле в отличие от исключительного или исчерпывающего смысла, то есть в смысле включая, но не ограничиваясь этим.
Полное описание всех заявок, патентов и публикаций, цитируемых выше и ниже, при их наличии, включены в настоящий документ посредством ссылки.
Упоминание любого известного уровня техники в данном описании не является и не должно рассматриваться как признание или любая форма предположения о том, что известный уровень техники образует часть широко известных общих знаний в области в области науки любой страны мира.
Настоящее изобретение также может быть в широком смысле описано как состоящее из частей, элементов и особенностей, упоминаемых или указанных в настоящем описании заявки, по отдельности или вместе, в любой или во всех комбинациях двух или более из указанных частей, элементов или особенностей.
Если в изложенном выше описании упомянуты целые объекты или компоненты, имеющие известные эквиваленты, то эти целые объекты включены в настоящий документ так, как если бы были выбраны индивидуально.
Следует отметить, что специалистам в данной области техники понятны различные изменения и модификации предпочтительных в настоящее время вариантов реализации, описанных в настоящем документе. Такие изменения и модификации могут быть сделаны без отклонения от общей сущности и объема настоящего изобретения, а также без уменьшения сопутствующих преимуществ. Следовательно, предполагается, что такие изменения и модификации включены в объем настоящего изобретения.
Примеры
Пример 1. Лабораторная установка фракционирования пены.
Материалы и способы.
Главная колонна имеет внутренний диаметр 90 мм и высоту 600 мм. Крупнопористый рассекатель газа в нижней части колонны представляет собой рассекатель типа трубы с отверстиями. Диаметр пор указанного рассекателя составляет около 0,5 мм. Размер пузырьков, образующихся из этого крупнопористого рассекателя газа, составляет около 3 мм.
Пример пористой пластины, используемой для генерации струй жидкости, представлен на фиг. 4. Пластина имеет 260 пор со средним диаметром 0,2 мм, расположенных в треугольной последовательности с расстоянием между порами 5 мм. Пластина изготовлена из нержавеющей стали с порами, выжжен ными лазером.
Эксперимент выполнили при помощи модельного раствора, который представлял собой 0,1 г/л додецилсульфата натрия (SDS) в дистиллированной воде. Объемная скорость течения жидкости QL составила 18,45 мл/с. В результате скорость струи Vj составила 2,3 м/с по уравнению = (1χ где N представляет собой общее количество пор в пористой пластине, a d представляет собой диа метр пор.
Приведенную скорость жидкости vl в главной колонне рассчитывают по уравнению
(2), где AC представляет собой площадь поперечного сечения колонны. В этом примере AC = 6362 мм2, поэтому VL = 2,9 мм/с.
Для той же скорости течения жидкости скорость течения газа может варьироваться в зависимости от фактического применения. В одном из примеров объемная скорость течения газа составила 27 мл/с, измеренная на выходе (колонну эксплуатировали при атмосферном давлении, высота колонны невелика, поэтому сжатием газа в колонне можно пренебречь).
- 13 031074
При постоянном объеме поток продукта должен иметь соотношение газа к жидкости 27:18,45, т.е. жидкая фракция составляет
18.45 л “ 18.45 + 27 “ 4 .
Следовательно, реальная скорость жидкости относительно неподвижной колонны составляет
Это означает, что только те пузырьки, которые имеют конечную скорость vt менее 7,25 мм/с, могут быть увлечены жидкостью, текущей вниз. Используя уравнение Стока (Wallis G.B., One-dimensional Twophase Flow, 1969), т.е.
r _ 1 18 Ml (3), можно рассчитать максимальный диаметр пузырьков db в потоке продукта. Уравнение (3) дает максимальный диаметр пузырьков в потоке продукта 0,115 мм, т.е. 115 мкм. Следует отметить, что это максимальный диаметр пузырьков для данного варианта реализации; это не означает, что все пузырьки в потоке продукта имеют указанный диаметр. Фотографические измерения (фиг. 5) демонстрируют, что средний диаметр пузырьков составляет примерно 0,06 мм, т.е. 60 мкм, что представляет собой половину от максимального диаметра пузырьков, как показано на графике на фиг. 6, который иллюстрирует кумулятивное распределение пузырьков по размеру. Существует также большая часть пузырьков, которые еще меньше и не видны на изображении на фиг. 5.
В конкретном варианте реализации параметры эксплуатации иллюстративной установки фракционирования микропузырьковой пены, представленные на фиг. 2, следующие:
поток - 16, подача жидкости - 6 мл/с, концентрация поверхностно-активного вещества - 0,1 г/л;
поток - 17, рециркуляция жидкости - 12 мл/с, концентрация поверхностно-активного вещества 0,01 г/л;
поток - 18, смесь газа и жидкости - 27 мл/с газа + 18 мл/с жидкости - 45 мл/с смеси;
поток - 19, подача инертного газа - 27 мл/с;
поток - 23, пеноконденсат (жидкость) - 0,54 мл/с, концентрация поверхностно-активного вещества 0,5 г/л;
поток - 20, 27 мл/с газа + 0,54 мл/с жидкости - 27,54 мл/с пены;
поток - 24, выход газа - 27 мл/с;
поток - 25, остаток (жидкий) - 5,46 мл/с, концентрация поверхностно-активного вещества - 0,01 г/л.
В этом процессе подаваемый раствор (6 мл/с, 0,1 г/л поверхностно-активного вещества) превратился в концентрированный поток, содержащий 0,5 г/л поверхностно-активного вещества (т.е. коэффициент обогащения 5) с выходом 91%.
Пример 2. Полупромышленный биореактор.
Используя те же принципы, которые описаны в первом примере, можно создать более крупное устройство для обеспечения контакта газа с жидкостью, которое может быть использовано как биореактор. В этом примере биореактор спроектировали для достижения 95% конверсии газообразного кислорода в 240 л полупромышленном реакторе. Расчетная объемная доля газа в микропузырьковой смеси составляет 24%.
Основная часть микропузырькового реактора имеет диаметр 0,5 и 1,2 м, с соотношением высоты к диаметру 2,4. Насос выбран так, чтобы обеспечивать приведенную высоту скорость жидкости, двигающейся вниз, 0,05 м/с на основании площади поперечного сечения главной колонны. Крупные пузырьки диаметром 2,5 мм вводят в нижнюю часть реактора с общей объемной скоростью течения газа 10 м3/ч, что соответствует приведенной скорости газа 0,014 м/с. Микропузырьки, создаваемые указанной системой, имеют диаметр 120 мкм.
Объемное содержание газа в главной колонне, обусловленное более крупными пузырьками, составляет 4,5%, а объемное содержание газа, обусловленное микропузырьками, составляет 24%. Удельную площадь поверхности смеси газа и жидкости, а, обусловленную крупными пузырьками и микропузырь ками, рассчитывают по уравнению 13 - ТГ- (4), где εο представляет собой соответствующее объемное содержание газа, обусловленное крупными пузырьками или микропузырьками, db представляет собой средний диаметр пузырьков. Уравнение 4 демонстрирует, что реактор, описанный выше, имеет удельную площадь поверхности, составляющую, по а = IZlZZi 12000м1.
меньшей мере, 0,00012 При равенстве всех остальных показателей указанный реактор имеет объемный коэффициент массопереноса, kLa, по меньшей мере в 10 раз больше, чем стандартная барботажная колонна, эксплуатируемая при объемном содержании газа 20% со средним диаметром пузырьков 1 мм и удельной площадью поверхности 1200 м-1.
Это означает, что для достижения такой же производительности биореактор, в котором используют
- 14 031074 генератор микропузырьков, может быть на 90% меньше, чем обычный реактор с барботажной колонной или реактор с барботажной колонной при стандартных условиях эксплуатации. Это, по меньшей мере, частично исключает необходимость в повышенном давлении, которое обычно связано с высоким расходом энергии, и, следовательно, увеличивает энергоэффективность системы.
Пример 3. Блоки реакторов.
Как показано во втором примере микропузырьковый реактор может быть значительно меньше по размеру, чем обычный реактор с барботажной колонной. В частности, микропузырьковый реактор может быть гораздо меньше по высоте, чем обычные реакторы с барботажной колонной. Для улучшения использования площади целесообразно устанавливать один микропузырьковый реактор поверх другого с получением общего соотношения высоты к диаметру, сравнимого с обычными реакторами с барботажной колонной.
На фиг. 7 изображен пример такой конструкции, в которой три отдельных микропузырьковых реактора (R-1, R-2, R-3) установлены в вертикальном блоке. Каждый из трех отдельных реакторов имеет такую же конструкцию, как показано на фиг. 1. Поддерживающие конструкции не включены в чертеж для простоты, но их наличие понятно специалистам в данной области техники. Поток газа из основного потока 1 разделяют на три реактора при помощи любого подходящего прибора для регулирования потока и давления, известного специалистам в данной области техники. Скорости потоков газа, подаваемых в каждый реактор, могут быть одинаковыми, но также могут отличаться друг от друга. Г аз подают в каждый из реакторов в блоке в виде крупных пузырьков при помощи соответствующих рассекателей (S-1, S-2, S3).
Потоки жидкости, содержащие микропузырьки, из каждого отдельного реактора собирают в сепараторе 4 газ-жидкость, перед которым часть жидкости удаляют из системы в виде потока продукта через клапан 3 регулирования потока. Сепаратор 4 газ-жидкость оснащен разбрызгивателем 6 жидкости, в котором свежая среда, которая может содержать некоторое количество пеногасителя или некоторое количество потока продукта из другого отдельного реактора или другого блока реакторов, разбрызгивается в сепараторе газ-жидкость для облегчения разделения газ-жидкость. Отходящий газ выходит из системы через отверстие 5, расположенное на сепараторе газ-жидкость. Дегазированную жидкость подают в генератор микропузырьков с помощью насоса 7, а затем разделяют на струи жидкости для генерации микропузырьков.
Claims (32)
- ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ1. Способ генерации микропузырьков, включающий:(a) барботирование газа в колонну, содержащую жидкость, при помощи рассекателя газа с образованием пузырьков газа, где указанные пузырьки газа перемещаются вверх к поверхности жидкости и образуют слой пены; и (b) введение в колонну дополнительной жидкости через отверстие для входа, расположенное над перфорированной пластиной, при этом указанная перфорированная пластина расположена над рассекателем газа, где указанный слой пены поддерживают ниже перфорированной пластины, при этом дополнительную жидкость пропускают вниз через перфорированную пластину с получением струй жидкости таким образом, чтобы обеспечить контакт струй жидкости с пузырьками в слое пены с образованием микропузырьков, получаемых путем разрушения пузырьков газа в пене струями, и при этом обеспечивается захват микропузырьков струями жидкости и их направление вниз колонны.
- 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перфорированная пластина стадии (b) содержит отверстия диаметром от примерно 0,1 до примерно 0,5 мм.
- 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкость, содержащаяся в колонне, или поток жидкости, вводимый в колонну, содержит по меньшей мере одно поверхностно-активное вещество, выбранное из группы, состоящей из белков, пептидов, ионных поверхностно-активных веществ, неионогенных поверхностно-активных веществ, био-ПАВ, гидрофобных частиц и амфифильных частиц.
- 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученные микропузырьки имеют диаметр от примерно 200 до примерно 10 мкм.
- 5. Способ по п.1, дополнительно включающий подачу по меньшей мере части жидкости с захваченными микропузырьками в сепаратор пена/жидкость с получением выделенного потока жидкости и выделенного потока пены.
- 6. Способ по п.5, дополнительно включающий подачу по меньшей мере части выделенного потока жидкости обратно на перфорированную пластину.
- 7. Способ по п.5, дополнительно включающий подачу по меньшей мере части выделенного потока пены в пеноудаляющий бак.
- 8. Способ по п.1, дополнительно включающий подачу по меньшей мере части жидкости с захваченными микропузырьками в сепаратор газ/жидкость с получением выделенного потока газа, содержащего, по существу, нерастворимый газ, и выделенного потока жидкости, содержащего, по существу, растворенный растворимый газ.- 15 031074
- 9. Способ по п.1, дополнительно включающий регулирование по меньшей мере одного параметра, выбранного из группы, состоящей из диаметра пор рассекателя, скорости потока барботируемого газа и скорости струи жидкости, для регулирования размера микропузырьков.
- 10. Способ по п.1, дополнительно включающий сброс давления газа из колонны при помощи клапана выпуска газа.
- 11. Способ по п.1, дополнительно включающий подачу по меньшей мере части жидкости с захваченными микропузырьками в культуру по меньшей мере одного микроорганизма в ферментативном бульоне и анаэробную ферментацию культуры с получением по меньшей мере одного продукта.
- 12. Способ по п.11, отличающийся тем, что микропузырьки содержат СО.
- 13. Способ по п.11, отличающийся тем, что указанный по меньшей мере один продукт выбран из группы, состоящей из этанола, бутанола, 2,3-бутандиола, ацетона, изопропанола, уксусной кислоты, молочной кислоты и биомассы.
- 14. Способ по п.11, отличающийся тем, что культура находится внутри колонны.
- 15. Способ по п.11, отличающийся тем, что культура находится в емкости биореактора.
- 16. Способ по п.15, дополнительно включающий подачу по меньшей мере части ферментативного бульона с захваченным газом из емкости биореактора в первичный сепаратор газ/жидкость с получением выделенного потока газа и выделенного потока ферментативного бульона.
- 17. Способ по п.16, дополнительно включающий подачу по меньшей мере части выделенного потока газа обратно в колонну через рассекатель газа.
- 18. Способ по п.16, дополнительно включающий подачу по меньшей мере части выделенного потока ферментативного бульона обратно в колонну через перфорированную пластину.
- 19. Способ по п.16, дополнительно включающий выделение по меньшей мере одного продукта из выделенного потока ферментативного бульона перед его подачей в колонну через перфорированную пластину.
- 20. Система генерации микропузырьков для осуществления способа по пп.1-19, содержащая:(a) колонну, содержащую жидкость;(b) перфорированную пластину, выполненную с возможностью облегчения введения дополнительной жидкости в колонну; и (c) рассекатель газа, выполненный с возможностью барботирования газа в колонну с образованием пузырьков газа, причем перфорированная пластина расположена над рассекателем газа.
- 21. Система по п.20, отличающаяся тем, что перфорированная пластина, по существу, заполняет поперечное сечение колонны.
- 22. Система по п.20, отличающаяся тем, что колонна дополнительно содержит отверстие для входа жидкости, выполненное с возможностью приема жидкости и ее подачи на перфорированную пластину.
- 23. Система по п.20, отличающаяся тем, что колонна дополнительно содержит отверстие для входа газа, выполненное с возможностью приема потока газа и его подачи на рассекатель газа.
- 24. Система по п.20, отличающаяся тем, что колонна дополнительно содержит клапан выпуска газа.
- 25. Система по п.20, отличающаяся тем, что ширина основания колонны больше ширины верхней части колонны.
- 26. Система по п.20, дополнительно содержащая сепаратор пена/жидкость, выполненный с возможностью приема по меньшей мере части микропузырьков из колонны, при этом указанный сепаратор пена/жидкость выполнен с возможностью разделения микропузырьков на выделенный поток жидкости и выделенный поток пены.
- 27. Система по п.26, отличающаяся тем, что сепаратор пена/жидкость содержит устройство для подачи по меньшей мере части выделенного потока пены в пеноудаляющий бак.
- 28. Система по п.20, дополнительно содержащая сепаратор газ/жидкость, выполненный с возможностью приема по меньшей мере части микропузырьков из колонны, при этом указанный сепаратор газ/жидкость выполнен с возможностью разделения микропузырьков на выделенный поток газа и выделенный поток жидкости.
- 29. Система по п.20, дополнительно содержащая емкость биореактора, содержащую ферментативный бульон.
- 30. Система по п.29, дополнительно содержащая сепаратор газ/жидкость, выполненный с возможностью приема по меньшей мере части ферментативного бульона из емкости биореактора, при этом указанный сепаратор газ/жидкость выполнен с возможностью разделения ферментативного бульона на выделенный поток газа и выделенный поток жидкости.
- 31. Система по п.30, отличающаяся тем, что сепаратор газ/жидкость содержит устройство для подачи по меньшей мере части выделенного потока газа на рассекатель газа колонны.
- 32. Система по п.30, отличающаяся тем, что сепаратор газ/жидкость содержит устройство для подачи по меньшей мере части выделенного потока жидкости в поток жидкости на перфорированную пластину колонны.- 16 031074Фиг. 1Фиг. 2- 17 031074N=260Фиг. 4Фиг. 5Фиг. 6
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201361757851P | 2013-01-29 | 2013-01-29 | |
| PCT/NZ2014/000009 WO2014120023A1 (en) | 2013-01-29 | 2014-01-29 | System and method for improved gas dissolution |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA201591341A1 EA201591341A1 (ru) | 2015-11-30 |
| EA031074B1 true EA031074B1 (ru) | 2018-11-30 |
Family
ID=51223338
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA201591341A EA031074B1 (ru) | 2013-01-29 | 2014-01-29 | Способ генерации микропузырьков газа в жидкости и соответствующая система |
Country Status (16)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9327251B2 (ru) |
| EP (1) | EP2950914B1 (ru) |
| JP (1) | JP6423366B2 (ru) |
| KR (1) | KR102102427B1 (ru) |
| CN (1) | CN104955555B (ru) |
| AU (1) | AU2014213063B2 (ru) |
| BR (1) | BR112015017860B1 (ru) |
| CA (1) | CA2899066C (ru) |
| EA (1) | EA031074B1 (ru) |
| ES (1) | ES2727528T3 (ru) |
| HU (1) | HUE045212T2 (ru) |
| MY (1) | MY176936A (ru) |
| PL (1) | PL2950914T3 (ru) |
| PT (1) | PT2950914T (ru) |
| WO (1) | WO2014120023A1 (ru) |
| ZA (1) | ZA201505676B (ru) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2748485C1 (ru) * | 2019-02-28 | 2021-05-26 | Кэнон Кабусики Кайся | Способ генерирования ультрамелких пузырьков, устройство генерирования ультрамелких пузырьков и содержащая ультрамелкие пузырьки жидкость |
| RU2768657C1 (ru) * | 2019-10-31 | 2022-03-24 | Кэнон Кабусики Кайся | Оборудование формирования содержащей сверхмелкие пузырьки жидкости и способ формирования содержащей сверхмелкие пузырьки жидкости |
| US11426996B2 (en) | 2019-02-28 | 2022-08-30 | Canon Kabushiki Kaisha | Ultrafine bubble generating method, ultrafine bubble generating apparatus, and ultrafine bubble-containing liquid |
| US11759756B2 (en) | 2019-10-31 | 2023-09-19 | Canon Kabushiki Kaisha | Ultrafine bubble-containing liquid producing apparatus and ultrafine bubble-containing liquid producing method |
| US11759723B2 (en) | 2019-02-28 | 2023-09-19 | Canon Kabushiki Kaisha | Ultrafine bubble generating method, ultrafine bubble generating apparatus, and ultrafine bubble-containing liquid |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9752165B2 (en) * | 2014-02-10 | 2017-09-05 | Cellulosic Ethanol Technologies, Llc | Processes and systems for recovering oil from fermentation products |
| CN104759229B (zh) * | 2014-12-31 | 2017-06-30 | 宁波艾迪特设备科技有限公司 | 一种用于饮料制作的自增压气液混合装置 |
| NL2014178B1 (en) * | 2015-01-22 | 2017-01-05 | Tide Microfluidics B V | System and method for controlled manufacturing of mono-disperse microbubbles. |
| WO2017195103A1 (en) * | 2015-05-09 | 2017-11-16 | String Bio Private Limited | Processes for fermentation and purification of value added products from gaseous substrates |
| US20200009478A1 (en) * | 2017-03-01 | 2020-01-09 | Unibio A/S | Fermentation reactor and fermentation process |
| CN109735452A (zh) * | 2019-03-25 | 2019-05-10 | 南京工业大学 | 一种膜管布气的气升式生物反应器及其应用 |
| CN110241023B (zh) * | 2019-06-20 | 2020-09-04 | 江南大学 | 一种用于高密度大规模动物细胞培养的生物反应器及应用 |
| CN112481072B (zh) * | 2019-09-11 | 2024-01-12 | 南京延长反应技术研究院有限公司 | 一种柠檬酸发酵系统及工艺 |
| KR102368688B1 (ko) * | 2020-01-31 | 2022-03-02 | 한국에너지기술연구원 | 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기 |
| CN111729353B (zh) * | 2020-08-06 | 2022-03-22 | 中国石油化工股份有限公司 | 用于消除脱硫胺液发泡的泡沫分离装置和方法 |
| CN113318620B (zh) * | 2021-05-20 | 2023-04-07 | 中国计量大学 | 一种利用超亲气丝控制气泡分裂和滑移的方法 |
| CN113512483A (zh) * | 2021-07-14 | 2021-10-19 | 南京延长反应技术研究院有限公司 | 一种超高效低压气源微界面强化生物发酵的装置及方法 |
| CN113546589A (zh) * | 2021-07-16 | 2021-10-26 | 南京延长反应技术研究院有限公司 | 一种微界面强化制备dmc的系统及制备方法 |
| CN113578081A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-11-02 | 浙江大学 | 一种基于表面活性剂稳定的纳米气泡及其制备方法 |
| CA3236530A1 (en) * | 2021-11-03 | 2023-05-11 | Mayur Sathe | Reactor having dynamic sparger |
| US20230132925A1 (en) * | 2021-11-03 | 2023-05-04 | Lanzatech, Inc. | System and method for generating bubbles in a vessel |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5951875A (en) * | 1996-12-20 | 1999-09-14 | Eastman Chemical Company | Adsorptive bubble separation methods and systems for dewatering suspensions of microalgae and extracting components therefrom |
| US20090035848A1 (en) * | 2007-08-03 | 2009-02-05 | Robert Hickey | Moving bed biofilm reactor (mbbr) system for conversion of syngas components to liquid products |
| US20100193408A1 (en) * | 2007-02-26 | 2010-08-05 | Newcastle Innovation Limited | Method and apparatus for flotation in a fluidized bed |
| WO2011129775A1 (en) * | 2010-04-16 | 2011-10-20 | National University Of Singapore | A microbubble generator |
| US8251228B2 (en) * | 2007-06-19 | 2012-08-28 | Renewable Algal Energy, Llc | Process and apparatus for adsorptive bubble separation |
Family Cites Families (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2657174A (en) | 1949-06-17 | 1953-10-27 | Stich Eugen Georg | Continuous manufacture of yeast |
| US3220706A (en) | 1963-06-07 | 1965-11-30 | Pacific Flush Tank Co | Sewage treatment system |
| DE2507698C2 (de) * | 1975-02-22 | 1984-10-25 | Linde Ag, 6200 Wiesbaden | Vorrichtung zum Begasen einer Flüssigkeit |
| US4336224A (en) * | 1979-01-16 | 1982-06-22 | Travenol Laboratories, Inc. | Bubble oxygenator |
| ATE105510T1 (de) | 1986-09-25 | 1994-05-15 | Univ Newcastle Res Ass | Saeulenflotationsverfahren und -vorrichtung. |
| US5173429A (en) | 1990-11-09 | 1992-12-22 | The Board Of Trustees Of The University Of Arkansas | Clostridiumm ljungdahlii, an anaerobic ethanol and acetate producing microorganism |
| US5593886A (en) | 1992-10-30 | 1997-01-14 | Gaddy; James L. | Clostridium stain which produces acetic acid from waste gases |
| CN1241149A (zh) * | 1996-12-20 | 2000-01-12 | 伊斯曼化学公司 | 显微藻悬浮液脱水的浮选分离方法和系统以及从藻中提取成分 |
| UA72220C2 (ru) | 1998-09-08 | 2005-02-15 | Байоенджініерінг Рісорсиз, Інк. | Translated By PlajНЕСМЕШИВАЕМАЯ С ВОДОЙ СМЕСЬ РАСТВОРИТЕЛЬ/СОРАСТВОРИТЕЛЬ ДЛЯ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ (ВАРИАНТЫ), СПОСОБ АНАЭРОБНОГО МИКРОБНОГО БРОЖЕНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ (ВАРИАНТЫ), МОДИФИЦИРОВАННЫЙ РАСТВОРИТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ |
| BR0112251B1 (pt) | 2000-07-25 | 2013-04-09 | mÉtodos contÍnuos para produÇço de etanol a partir da fermentaÇço bacteriana anaeràbica de um substrato gasoso. | |
| WO2005067862A1 (ja) * | 2004-01-14 | 2005-07-28 | Mitsubishi Rayon Co., Ltd. | 炭酸泉製造装置 |
| US7704723B2 (en) | 2006-08-31 | 2010-04-27 | The Board Of Regents For Oklahoma State University | Isolation and characterization of novel clostridial species |
| NZ553984A (en) | 2007-03-19 | 2009-07-31 | Lanzatech New Zealand Ltd | Alcohol production process |
| EP2217696B1 (en) | 2007-11-13 | 2015-09-16 | Lanzatech New Zealand Limited | Novel bacteria and methods of use thereof |
| JP2010247132A (ja) * | 2009-04-13 | 2010-11-04 | Kinichi Takahashi | 強制発泡型有機物混合液処理装置と処理方法 |
| US8143037B2 (en) | 2010-03-19 | 2012-03-27 | Coskata, Inc. | Ethanologenic Clostridium species, Clostridium coskatii |
-
2014
- 2014-01-28 US US14/166,567 patent/US9327251B2/en active Active
- 2014-01-29 BR BR112015017860-0A patent/BR112015017860B1/pt active IP Right Grant
- 2014-01-29 PT PT14745496T patent/PT2950914T/pt unknown
- 2014-01-29 EP EP14745496.1A patent/EP2950914B1/en active Active
- 2014-01-29 HU HUE14745496A patent/HUE045212T2/hu unknown
- 2014-01-29 KR KR1020157020962A patent/KR102102427B1/ko active IP Right Grant
- 2014-01-29 ES ES14745496T patent/ES2727528T3/es active Active
- 2014-01-29 CA CA2899066A patent/CA2899066C/en active Active
- 2014-01-29 PL PL14745496T patent/PL2950914T3/pl unknown
- 2014-01-29 EA EA201591341A patent/EA031074B1/ru not_active IP Right Cessation
- 2014-01-29 CN CN201480006382.7A patent/CN104955555B/zh active Active
- 2014-01-29 JP JP2015555124A patent/JP6423366B2/ja active Active
- 2014-01-29 AU AU2014213063A patent/AU2014213063B2/en active Active
- 2014-01-29 MY MYPI2015001827A patent/MY176936A/en unknown
- 2014-01-29 WO PCT/NZ2014/000009 patent/WO2014120023A1/en active Application Filing
-
2015
- 2015-08-06 ZA ZA2015/05676A patent/ZA201505676B/en unknown
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5951875A (en) * | 1996-12-20 | 1999-09-14 | Eastman Chemical Company | Adsorptive bubble separation methods and systems for dewatering suspensions of microalgae and extracting components therefrom |
| US20100193408A1 (en) * | 2007-02-26 | 2010-08-05 | Newcastle Innovation Limited | Method and apparatus for flotation in a fluidized bed |
| US8251228B2 (en) * | 2007-06-19 | 2012-08-28 | Renewable Algal Energy, Llc | Process and apparatus for adsorptive bubble separation |
| US20090035848A1 (en) * | 2007-08-03 | 2009-02-05 | Robert Hickey | Moving bed biofilm reactor (mbbr) system for conversion of syngas components to liquid products |
| WO2011129775A1 (en) * | 2010-04-16 | 2011-10-20 | National University Of Singapore | A microbubble generator |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2748485C1 (ru) * | 2019-02-28 | 2021-05-26 | Кэнон Кабусики Кайся | Способ генерирования ультрамелких пузырьков, устройство генерирования ультрамелких пузырьков и содержащая ультрамелкие пузырьки жидкость |
| US11426996B2 (en) | 2019-02-28 | 2022-08-30 | Canon Kabushiki Kaisha | Ultrafine bubble generating method, ultrafine bubble generating apparatus, and ultrafine bubble-containing liquid |
| US11759723B2 (en) | 2019-02-28 | 2023-09-19 | Canon Kabushiki Kaisha | Ultrafine bubble generating method, ultrafine bubble generating apparatus, and ultrafine bubble-containing liquid |
| RU2768657C1 (ru) * | 2019-10-31 | 2022-03-24 | Кэнон Кабусики Кайся | Оборудование формирования содержащей сверхмелкие пузырьки жидкости и способ формирования содержащей сверхмелкие пузырьки жидкости |
| US11759756B2 (en) | 2019-10-31 | 2023-09-19 | Canon Kabushiki Kaisha | Ultrafine bubble-containing liquid producing apparatus and ultrafine bubble-containing liquid producing method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| AU2014213063A1 (en) | 2015-08-06 |
| WO2014120023A1 (en) | 2014-08-07 |
| US9327251B2 (en) | 2016-05-03 |
| EP2950914A1 (en) | 2015-12-09 |
| BR112015017860B1 (pt) | 2021-08-24 |
| CA2899066C (en) | 2016-11-01 |
| AU2014213063B2 (en) | 2018-03-15 |
| PL2950914T3 (pl) | 2019-09-30 |
| ZA201505676B (en) | 2016-12-21 |
| ES2727528T3 (es) | 2019-10-16 |
| EP2950914A4 (en) | 2016-10-19 |
| KR20150112996A (ko) | 2015-10-07 |
| MY176936A (en) | 2020-08-27 |
| EP2950914B1 (en) | 2019-03-20 |
| CN104955555B (zh) | 2018-05-04 |
| KR102102427B1 (ko) | 2020-04-21 |
| CN104955555A (zh) | 2015-09-30 |
| CA2899066A1 (en) | 2014-08-07 |
| BR112015017860A2 (pt) | 2017-07-11 |
| JP2016505378A (ja) | 2016-02-25 |
| JP6423366B2 (ja) | 2018-11-14 |
| US20140212937A1 (en) | 2014-07-31 |
| HUE045212T2 (hu) | 2019-12-30 |
| PT2950914T (pt) | 2019-06-12 |
| EA201591341A1 (ru) | 2015-11-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EA031074B1 (ru) | Способ генерации микропузырьков газа в жидкости и соответствующая система | |
| JP6434976B2 (ja) | ガス状基質の改善された発酵 | |
| AU2011272771B2 (en) | Method for injecting a feed gas stream into a vertically extended column of liquid | |
| US20120003706A1 (en) | Process for Converting a CO and CO2 Feed Gas Stream to Liquid Products by Fermentation | |
| Sathish et al. | A novel bulk-gas-to-atomized-liquid reactor for enhanced mass transfer efficiency and its application to syngas fermentation | |
| WO2024049295A1 (en) | Multiphase biocatalytic reactor and separator system | |
| US8563299B2 (en) | Moving bed biofilm reactor (MBBR) process for conversion of syngas components to liquid products | |
| CN220090568U (zh) | 用于从液体中分离气体的系统和生物反应器系统 | |
| US11898134B2 (en) | Reactor having dynamic sparger | |
| US20230132925A1 (en) | System and method for generating bubbles in a vessel |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ BY KG TJ TM |