NO332516B1 - Fremgangsmåte for fremstilling av biomasse, samt fermenteringsreaktor - Google Patents

Description

Tittel: Fremgangsmåte for fremstilling av biomasse, samt fermenteringsreaktor Denne oppfinnelsen angår forbedringer av og i forhold til fremgangsmåter for fermentering av mikroorganismer, for eksempel dannelsen av biomasse eller fremstillingen av materialer fremstilt ved hjelp av mikroorganismer, og fermentorapparater for utførelsen derav, spesielt fremgangsmåter for å dyrke mikroorganismer i en løkkereaktor ved anvendelse av et gassholdig næringsstoff. Nylig har mye oppmerksomhet vært rettet mot utviklingen av nye proteinkilder som kan inkorporeres i mat for humant og/eller dyreforbruk. En rekke forskjellige proteininneholdende materialer er blitt foreslått som substitutter for mer tradisjonelle proteinkilder slik som fiskemel, soyaprodukter og blodplasma, i menneskefor og som dyrefor. Disse materialene inkluderer encellede mikroorganismer slik som sopp, gjær og bakterier som inneholder høye andeler av proteiner. Disse kan dyrkes ved reproduksjon og produsere biomasse gjennom veksten av mikroorganismene på hydrokarbon eller andre substrater. I dag er de mest anvendte proteininneholdende mikroorganismene (også henvist til heri som "enkeltcelle proteiner") de som er utledet fra sopp eller gjær. Enkeltcelleproteinmateriale kan anvendes direkte i mat, for eksempel som et forstøvningstørket produkt eller biomassen kan ytterligere bearbeides, for eksempel ved hjelp av hydrolyse og/eller separasjon før anvendelse.

Ved siden av kun å anvendes som kilde for biomasse, kan mikroorganismer dyrkes og høstes og tjene som kilder for anvendelige kjemikalier, for eksempel medikamentforbindelser, proteiner, karotenoider osv. For eksempel beskriver Du Pont i WO 02/18617, WO 02/20815, WO 02/20728 og WO 02/20733 anvendelsen av metanotrofe bakterier og spesielt Methylomonas 16a (ATCC PTA 2402) for fremstillingen av karotenoider.

I DK-B-170824 og EP 0418187 (Dansk Bioprotein A/S) og WO 01/60974 (Norferm DA) beskrives en løkkereaktor for anvendelse i dyrking av mikroorganismer for å danne biomasse, for eksempel for dyrking av metanotrofe bakterier for å danne et materiale som for eksempel kan anvendes i eller som en forløper til mat for mennesker eller dyr.

WO 00/70014 (UniBioTech A/S) gjør kjent en biomasseproduksjonsprosess ved dyrking av en mikroorganisme i et vandig flytende kulturmedium som sirkulerer i en løkkereaktor med en avløpsgassfjerningssone hvorfra

karbondioksidinneholdende avløpsgass fjernes fra reaktoren.

Løkkereaktoren som beskrives i DK-B-170824 har en toppenhet bundet til en kanal med, i rekkefølge, en nedstrømsseksjon, en i alt vesentlig horisontal strømseksjon, en oppstrømsseksjon og en ikke-vertikal utstrømsseksjon. Toppenheten er sylindrisk og dens akse er vertikal og med nedstrømsseksjonen til kanalen bundet til sitt fundament. Utstrømsdelen til kanalen strekker seg tangentielt fra en side av toppenheten. På denne måten kan avløpsgass og flytende kulturmedium som strømmer inn i toppenheten fra utstrømsseksjonen separeres effektivt, og hvor gassen trekkes tilbake fra hoderommet til toppenheten og væsken returneres til nedstrømsdelen av kanalen. Det vandige flytende kulturmediet drives rundt reaksjonsløkken, med gassholdige og ikke-gassholdige næringsstoffer (for eksempel oksygen-, metan-, nitrogenkilder og mineraler) som introduseres i kanalen og blandes med det flytende kulturmediet deri, og hvor biomasseinneholdende kulturmedium trekkes ut fra kanalen og hvor avløpsgass (for eksempel karbondioksidinneholdende gass) trekkes ut fra toppenheten. Næringstilførsel og avløpsgassuttrekking skjer generelt kontinuerlig mens biomasseuttrekking skjer kontinuerlig eller satsvis.

I løkkereaktoren som beskrives i DK-B-170824 er sirkuleringshastigheten til reaksjonsmediet generelt omtrent 30 til 90 sekunder pr sirkulering. Ettersom ubenyttet oksygen og metan i avløpsgassen ville gjøre denne potensielt eksplosiv og uøkonomisk, siden oksygen og metan ville være bortkastet, kunne ikke gassholdig næringstilførsel skje ved alle punktene langs kanalen. På samme måte, for å sikre avløpsseparering av karbondioksid fra det flytende reaksjonsmediet for avluftning fra toppenheten, kunne heller ikke gass/væskeblanding utføres ved alle punktene langs kanalen. I løkkereaktoren i DK-B-170824 foregår i praksis gassholdig næringstilførsel ved at det oppløste oksygeninnholdet i kulturmediet faller til omtrent null ved det tidspunktet kulturmediet når toppen av utstrømsseksjonen til kanalen.

Mens løkkereaktoren beskrevet i DK-B-170824 imidlertid med hell kan anvendes for biomasseproduksjon når den anvender høybiomassekonsentrasjoner (for eksempel over 5 g/l), er produksjonsprosessen utsatt for tilfeldige plutselige feil og dette krever at prosessen startes på nytt med ferske levende bakterier.

Vi har nå funnet at dette problemet kan reduseres eller unngås dersom næringsgassen (for eksempel metan og/eller oksygen, spesielt oksygen) tilføres i kanalen for slik å redusere den tiden kulturmediet i alt vesentlig er fritt for et vesentlig næringsstoff og/eller for slik å unngå eller minimalisere perioder med urimelig høye konsentrasjoner av næringsgasser i kulturmediet.

I ett aspekt ved oppfinnelsen tilveiebringes følgelig en fremgangsmåte for fremstillingen av biomasse ved å dyrke en mikroorganisme, fortrinnsvis en metanotrof bakterie, i et vandig flytende kulturmedium som sirkulerer i en løkkereaktor med en avløpsgassfjerningssone hvorfra karbondioksidinneholdende avløpsgass fjernes fra reaktoren, hvori fremgangsmåten er kjennetegnet ved at løkkereaktoren har oppstrøms for avløpsgassfjerningssonen en avgassingssone hvori en drivgass introduseres for å drive karbondioksid i den flytende fasen inn i en separerbar avløpsgassfase, og videre har oppstrøms for nevnte avgassingssone er en næringsgassintroduksjonssone hvori oksygen og fortrinnsvis også metan introduseres inn i reaktoren og blandes med det flytende kulturmediet deri, hvori oksygenintroduksjon i nevnte næringsgassintroduksjonssone utføres på flere steder langs strømningsveien gjennom nevnte løkkereaktor ved en hastighet slik at det gjennomsnittlige oppløste oksygeninnholdet i nevnte flytende kulturmedium, målt ved anvendelse av en polarografisk oksygenelektrode (for eksempel i blandingsfrie seksjoner av reaktoren) ikke overskrider 25 ppm, mer foretrukket 20 ppm, spesielt 15 ppm, mer spesielt 10 ppm og fortrinnsvis også slik at det oppløste oksygeninnholdet i det flytende kulturmediet ved hver nevnte lokalitet (med det valgfrie unntaket for den første nevnte lokalitet nedstrøms for nevnte avgassingssone) er ved i det minste 0,5 ppm, spesielt ved i det minste 1 ppm, nærmere bestemt ved i det minste 3 ppm.

I dette aspektet ved oppfinnelsen er oksygenintroduksjonsposisjonene fortrinnsvis slik plassert at strømningstiden mellom posisjonene er mindre enn 20 sekunder, fortrinnsvis mindre enn 16 sekunder, nærmere bestemt mindre enn 6 sekunder, mer foretrukket mindre enn 5 sekunder, enda mer foretrukket mindre enn 4 sekunder, bortsett fra mellom den første og den siste posisjonen (det vil si de som er plassert umiddelbart oppstrøms og nedstrøms for avgassingssonen).

Med gjennomsnittlig oppløst oksygeninnhold menes gjennomsnittet langs en diameter av tverrsnittsplanet til reaktoren. Når reaktoren ikke er sirkulær i tverrsnitt, skal uttrykket diameter forstås å bety maksimal dimensjon mellom veggenes innside. Et slikt gjennomsnitt kan tas ved å måle oppløst oksygeninnhold ved flere, for eksempel 3, 5 eller 7 punkter med lik avstand langs diameteren.

Det oppløste oksygeninnholdet bør fortrinnsvis måles ved blanderfrie seksjoner i løkkereaktoren, det vil si plasseres inne i reaktoren hvor tverrsnittet gjennom reaktoren ikke passerer gjennom en blandingsanordning. Fortrinnsvis måles det oppløste oksygeninnholdet ved blandingsfrie deler nedstrøms for oksygenintroduksjonssonene og de følgende blanderne.

Det oppløste oksygeninnholdet i kulturmediet måles følgelig passende ved anvendelse av en polarografisk oksygenelektrode (kommersielt tilgjengelig for eksempel fra Ingold) ved posisjoner mellom oksygenintroduksjonsstedene tilstrekkelig langt nedstrøms for det foregående stedet slik at blandingen av oksygen og kulturmedium i alt vesentlig er fullstendig.

For at oksygenkonsentrasjonsekstremene skal kunne unngås ved oksygenintroduksjon, utføres introduksjon fortrinnsvis gjennom flere apparater ved hvert introduksjonssted, for eksempel en oppstilling av apparater plassert fra hverandre i det tversgående planet til strømningsretningen og eventuelt også langs strømningsretningen. Dette kan oppnås ved å spre flerarmede perforerte gassfordelere, fortrinnsvis med trykkfallet fra innsiden til utsiden av, fordeleren er opp til 6 bar, for eksempel 0,4 til 3 bar, spesielt 0,6 til 1 bar i reaktoren. Slike fordelere plasseres passende i mellomrommene mellom tilstøtende statiske blandings oppstillinger i reaktoren. I en foretrukket utførelsesform settes også gassfordelere innenfor de statiske blanderoppstillingene, for eksempel ved å plassere perforerte rør langs blandingskanaler eller ved å anvende perforerte bølgede paneler som fungerer både som gassfordelere og som plater inne i blanderoppstillingen. Hule panelblanderplater hvori kjølemiddel (for eksempel kaldt vann) strømmer gjennom, kan også anvendes for å avkjøle kulturmediet i reaktoren.

Det oppløste oksygeninnholdet måles fortrinnsvis oppstrøms for hvert oksygenintroduksjonssted hvor måleverdiene registreres i en datamaskin som er satt opp for å kontrollere næringsintroduksjonshastigheter, avkjøling, biomasseuttrekk osv. På denne måten kan det oppløste oksygeninnholdet opprettholdes innenfor det ønskede området gjennom reaktoren og i lengre operasjonsperioder.

Oksygeninnholdet i kulturmediet av avløpsgassfjerningssonen, eller ved det laveste oppløste oksygenkonsentrasjonspunktet i løkken er om ønskelig mindre enn 0,1 ppm regnet på vekt. Dette gir biomasseproduktet med større biotilgjengelighet som forstoff.

Mens det oppløste oksygeninnholdet i det flytende kulturmediet kan falle til neglisjerbare eller ikke påvisbare nivåer, det vil si omtrent 0 ppm regnet på vekt, er det foretrukket at det bør forbli ved påvisbare nivåer over i det minste en signifikant del av strømningsdelve i lengden gjennom reaktoren. Følgelig tilveiebringer enkelte utførelsesformer av oppfinnelsen en fremgangsmåte for fremstillingen av biomasse ved å dyrke en mikroorganisme, fortrinnsvis en metanotrof bakterie, i et vandig flytende kulturmedium som sirkulerer i en løkkereaktor med en avløpsgassfjerningsfase hvorfra karbondioksidinneholdende avløpsgass fjernes fra reaktoren og oppstrøms derav en avgassingssone hvori en drivgass introduseres for å drive karbondioksidet i den flytende fasen inn i en separerbar avløpsgassfase og hvor det oppstrøms for nevnte avgassingssone er en næringsgassintroduksjonssone hvori oksygen og fortrinnsvis også metan introduseres inn i reaktoren og blandes med det flytende kulturmediet deri, kjennetegnet ved at oksygenintroduksjonen i nevnte næringsgassintroduksjonssone er slik at slik at oksygeninnholdet i det flytende kulturmediet ikke faller under 3 ppm regnet på vekt (fortrinnsvis i det minste 4 ppm, spesielt i det minste 5 ppm) mellom nevnte

næringsgassintroduksjonssone og nevnte avgassingssone.

Enkelte utførelsesformer av oppfinnelsen tilveiebringer en fremgangsmåte for fremstilling av biomasse ved å dyrke en mikroorganisme, fortrinnsvis en metanotrof bakterie, i et vandig flytende kulturmedium som sirkulerer i en løkkereaktor med en avløpsgassfjerningssone hvorfra karbondioksidinneholdende avløpsgass fjernes fra reaktoren og oppstrøms for denne en avgassingssone hvori en drivgass introduseres for å drive karbondioksid i den flytende fasen inn i en separerbar avløpsgassfase og hvor det oppstrøms for nevnte avgassingssone er en næringsgassintroduksjonssone hvori oksygen og fortrinnsvis også metan introduseres inn i reaktoren og blandes med det flytende kulturmediet deri, kjennetegnet ved at oksygenintroduksjonen i nevnte flytende kulturmedium utføres slik at det oppløste oksygeninnholdet i nevnte flytende kulturmedium ikke faller under 3 ppm regnet på vekt (fortrinnsvis i det minste 4, spesielt i det minste 5 ppm) i løpet av strømningslengden til løkkereaktoren som tilsvarer mer enn 30 sekunder, fortrinnsvis 20 sekunder, mer foretrukket 10 sekunder, spesielt 5 sekunder.

Enkelte utførelsesformer av oppfinnelsen tilveiebringer en fremgangsmåte for fremstillingen av biomasse ved å dyrke en mikroorganisme, fortrinnsvis en metanotrof bakterie, i et vandig flytende kulturmedium som sirkulerer i en løkkereaktor med en avløpsgassfjerningssone hvorfra karbondioksidinneholdende avløpsgass fjernes fra reaktoren, og oppstrøms for denne, med en avgassingssone hvori en drivgass introduseres for å drive karbondioksid i den flytende fasen inn i en separerbar avløpsgassfase og hvor det oppstrøms for nevnte avgassingssone er en næringsgassintroduksjonssone hvori oksygen og fortrinnsvis også metan introduseres inn i reaktoren og blandes med det flytende kulturmediet deri, kjennetegnet ved at oksygenintroduksjon i nevnte næringsgassintroduksjonssone er slik at det oppløste oksygeninnholdet i det flytende kulturmediet ikke faller under X ppm regnet på vekt, hvori X er definert gjennom

hvori B er biomasseinnholdet til kulturmediet i g/l og Y er fra 0,75 til 1,25, fortrinnsvis 0,80 til 1,20, spesielt 0,85 til 1,15, mer foretrukket 0,90 til 1,10, mer foretrukket 0,95 til 1,05 og B er større enn 5, spesielt større enn 10, spesielt 15 til 30, spesielt dl 8 til 25 mellom nevnte næringsgassintroduksjonssone og nevnte avgassingssone.

Enkelte utførelsesformer av oppfinnelsen tilveiebringer en fremgangsmåte for fremstilling av biomasse ved å dyrke en mikroorganisme, fortrinnsvis en metanotrof bakterie, i et flytende vandig kulturmedium som sirkulerer i en løkkereaktor med en avløpsgassfjerningssone hvorfra karbondioksidinneholdende avløpsgass fjernes fra reaktoren og oppstrøms derav, en avgassingssone hvori en drivgass introduseres for å drive karbondioksid i den flytende fasen inn i en separerbar avløpsgassfase og som har oppstrøms for nevnte avgassone en næringsgassintroduksjonssone hvor oksygen og fortrinnsvis også metan introduseres inn i reaktoren og blandes med det flytende kulturmediet deri, kjennetegnet ved at oksygenintroduksjon i nevnte næringsgassintroduksjonssone er slik at det oppløste oksygeninnholdet til det flytende kulturmediet er i det minste 30% (fortrinnsvis i det minste 50%, mer foretrukket i det minste 60%) av strømningslengdeveien til løkke reaktoren er i det minste 10 ppm regnet på vekt, det oppløste oksygeninnholdet til det flytende kulturmediet umiddelbart forut for introduksjon av nevnte drivgass i nevnte avgassingssone er i det minste 3 ppm regnet på vekt (fortrinnsvis i det minste 4 ppm, spesielt i det minste 5 ppm), og oksygeninnholdet i nevnte avløpsgass er i det minste 1 mol% (fortrinnsvis i det minste 2 mol%, for eksempel 2 til 8 mol%).

Disse fremgangsmåtene som er beskrevet heri som tilveiebrakt i enkelte utførelsesformer av oppfinnelsen, kombineres fortrinnsvis med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen som først definert.

I fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er det foretrukket å drive det flytende kulturmediet rundt løkkereaktoren ved anvendelse av en propell. Det er spesielt foretrukket å anvende en propell med overlappende eller flere radielt kurvede blader, det vil si en lavkavitasjonspropell. Slike lavkavitasjonspropeller er velkjente i fagområdet design av undervannsbåter. Med overlappende blader menes at det eksisterer minst én linje som er parallell til propellaksen og som passerer gjennom i det minste to blader. Med et radielt kurvet blad menes at det er en vinkel mellom radiallinjene som passerer gjennom grunnelementet og bladtuppen.

Ved anvendelse av slike lavkavitasjonspropeller er det mulig å pumpe væske med et større gassinnhold enn ved konvensjonelle propeller, og følgelig er det mulig å introdusere næringsgasser inn i det flytende kulturmediet nærmere oppstrøms for propellen enn hva ellers er mulig. På denne måten kan proporsjonen på reaktorløpslengden som har lavt oppløst gassinnhold reduseres.

Blandingen av næringsgassene inn i det flytende kulturmediet er et viktig aspekt ved utøvelsen av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Vi har funnet at anvendelsen av statiske blandere, som hver omfatter en oppstilling av blanderplater posisjonert nedstrøms for næringsgassinjeksjonspunktene, resulterer i en spesielt effektiv oppløsning av næringsgassene selv om gass:væskevolumforholdet er relativt liten. Følgelig, i foretrukne utførelsesformer blandes næringsgassen og det flytende kulturmedium i nevnte løkkereaktor ved passering gjennom en statisk blander som omfatter en stabel av parallelle, bølgede, fleksible (og fortrinnsvis perforerte) plater arrangert slik at stabelretningen er vinkelrett på retningen av gjennomstrømningen av nevnte flytende medium og med bølgeformede riller derav vinklet til nevnte gjennomstrømningsretning (for eksempel ved en vinkel på 20 til 70°, fortrinnsvis 40 til 50°, spesielt 45°, relativ til gjennomstrømningsretningen) og hvor deres vinkel til retningen av gjennomstrømningen i alt vesentlig er lik og motsatt av tilstøtende plater.

Stabelretningen, det vil si normalen til overflaten av en plan plate plassert over en av hovedoverflatene til en blanderplate, kan være hvor som helst mellom vertikal og horisontal. Imidlertid er det foretrukket at stabelretningen mellom påfølgende stabler fortrinnsvis roteres gjennom 90°, fortrinnsvis 80 til 90°, mer foretrukket omtrent 90°, 0°, 90°, 0° osv eller +45°, -45°, -45° i forhold til vertikalen. Spesielt foretrukket er ikke stabelretningen for påfølgende stabler 0°, 0°, 0° osv i forhold til vertikalen.

I de fleste utførelsesformer av oppfinnelsen, er løkkereaktoren fortrinnsvis en som har en senterlinje, det vil si gjennomstrømnings veilengde på i det minste 40 m, mer foretrukket i det minste 80 m.

Fortrinnsvis dyrkes en mikroorganisme i et flytende reaksjonsmedium som sirkulerer i en løkkereaktor med et avløpsgass-væskereaksjonsmedium-separeringssone oppstrøms for en avløpsgassfjerningssone, og oksygen og/eller metan fores inn i det flytende reaksjonsmediet i nevnte separeringssone.

Løkkereaktoren anvendt i fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelsen er fortrinnsvis en som er avhengig av fremdrift heller enn gassheving for å bevege det flytende kulturmediet rundt løkken. Siden det er enklere å opprettholde næringsgass og flytende kulturmedium godt blandet i en i alt vesentlig horisontal del av løkken, og siden masseoverføring (det vil si overføring av næringsgass inn i den flytende fasen) øker med økt trykk i kulturmediet, omfatter løkken fortrinnsvis en i alt vesentlig vertikal nedstrømningssone fra avløpsgassfjerningssonen etterfulgt av en i alt vesentlig horisontal (det vil si "U"-formet) sone i sving etterfulgt av en i alt vesentlig vertikal oppstrømningssone som leder tilbake til avløpsgassfjernings-sonen. For at avgassingen og avløpsgass/flytende kulturmedium skal være spesielt effektivt mellom den i alt vesentlige vertikale oppstrømningssonen og avløpsgass-fjerningssonen, er det ønskelig å ha en i alt vesentlig ikke-vertikal, for eksempel horisontal utstrømningssone mellom de to. Dette, hvori mesteparten eller all avløpsgass/fly tende kulturmediumseparering skjer, kan ha en enhetlig gradient, kan gradvis bli mer horisontal eller kan endres trinnvis mot horisontalt. Drivgassen, det vil si gassen som anvendes for å fortrenge karbondioksid fra den oppløste fasen (vanligvis nitrogen men valgfritt andre inerte ikke brennbare gasser) kan for eksempel introduseres ved ett eller flere punkter fra begynnelsen av den i alt vesentlig vertikale oppstrømningssonen for å gå inn i avløpsgassfjerningssonen, imidlertid introduseres den spesielt foretrukket ved ett eller flere punkter mellom den øvre delen (for eksempel de øvre 20%, mer foretrukket øvre 10%) av den vertikale delen av oppgjennomstrømningssonen og begynnelsen av den flateste (det vil si mest horisontale) delen av utstrømningssonen. Spesielt foretrukket introduseres drivgassen i den øvre delen av den vertikale delen av oppstrømningssonen. I denne betydningen skal det forstås at "punkt" hvorved en gass kan introduseres kan ha en forlenget lengde innen den flytende strømningsveien inne i løkken, for eksempel hvor gass introduseres gjennom en serie av innløpsporter eller gjennom flere perforerte innløpsporter.

Generelt vil dette være gjennom løkkesvingen heller enn gjennom en skarp vinkel bøyd for slik å forbedre gjennomstrømningsegenskapene til det flytende kulturmediet når senterlinjen til løkken, på utsiden av gassavløpsfjerningssonen, endrer retning.

Gasstrykket i hoderommet i gassavløpsfjerningssonen vil fortrinnsvis være fra -0,5 til +1,0 atmosfære relativ til omgivelsestrykket, spesielt +0,2 til +0,6. Det vertikale fallet mellom gass-væskeoverflaten og enden av utstrømningssonen og senterlinjen til løkken i den horisontale sonen er fortrinnsvis i det minste 10 m, spesielt i det minste 18 m, for eksempel 18 til 30 m.

Tverrsnittsområdet til løkkereaktoren (på utsiden av gassavløpsfjerningssonen) kan være konstant, men økes fortrinnsvis ved i det minste utløpssonen, for eksempel til en maksimal verdi på i det minste 2,0 ganger, mer foretrukket i det minste 4,0 ganger som i den minimale tverrsnittsområdedelen til nedstrømssonen og den horisontale strømnings sonen (som typisk er før propellen). Vanligvis er den indre diameteren til løkken, på utsiden av gassavløpsfjerningssonen i området 30 cm til 3,0 m, spesielt 1,0 til 2,5 m. Senterlinjen til løkken, bortsett fra gassavløpsfjerningssonen, har en lengde i området fra 40 til 200 m, fortrinnsvis 80 til 150 m, fortrinnsvis er i det minste 50%, mer foretrukket i det minste 60%, spesielt i det minste 70% av denne i den horisontale sonen. Utstrømningssonen har fortrinnsvis en senterlinjelengde på 0,5 til 10 m, spesielt 1,5 til 8 m.

Løkkereaktoren vil vanligvis være sirkelformet i tverrsnittet på utsiden av gassfjerningssonen; i separeringssonen kan imidlertid andre konfigurasjoner, for eksempel rektangulære, elliptiske eller eggformede tverrsnitt tilpasses for å øke gass-væskeseparering.

Næringsgassintroduksjon i løkken utføres fortrinnsvis ved i det minste 3, mer foretrukket ved i det minste 6 posisjoner langs løkke lengden hvor fortrinnsvis i det minste 60% introduseres i den horisontale sonen. Mens det er foretrukket at næringsgasser introduseres i nedstrømsdelen, kan dette kreve anvendelsen av en lavkavitasjonspropell for påfølgende fremdrift av det flytende kulturmediet. Slik propellutforming er velkjent på området for konstruksjon av undervannsbåter. Typiske lavkavitasjonspropeller kan ha overlappende blader eller flere (for eksempel i det minste 6) radielt kurvede blader (det vil si blader hvor grunnelementet og tuppen er radielt skjøvet fra hverandre). Til forskjell fra tidligere reaktorutforminger hvor næringsgassinnløp ble konstruert for å gi i alt vesentlig intet oppløst oksygeninnhold i kulturmediet ved begynnelsen av avgassingssonen, er det ønskelig å introdusere næringsgass, spesielt oksygen, i slike mengder at oppløst oksygeninnhold ved begynnelsen av avgassingssonen er i det minste 3 ppm. Ved denne enden introduseres fortrinnsvis noe av næringsgassen, for eksempel opp til omtrent 25% av næringsgassen, i oppstrømssonen.

Ettersom overskudd av næringsgass gir en risiko for toksitetsproblemer for mikroorganismene som dyrkes i reaktoren, introduseres fortrinnsvis oksygen for å oppnå et maksimalt oppløst oksygeninnhold i det flytende kulturmediet på ikke mer enn 25 ppm, spesielt ikke mer enn 20 ppm, mer bestemt ikke mer enn 15 ppm. På samme måte, for å maksimalisere prosesseffektiviteten i forhold til biomasseproduksjon, introduseres fortrinnsvis metan i et 1:1 til 1:3, spesielt 1:1,2 til 1:2,5, nærmere bestemt omtrent 1:1,8, molforhold til oksygen.

Metan kan anvendes i renset form eller i en gassblanding, for eksempel naturgass eller metanberiket naturgass. På samme måte kan renset oksygen eller oksygen i en gassblanding (for eksempel luft eller oksygenberiket luft) anvendes. Når luft anvendes, er det fortrinnsvis filtrert for å unngå introduksjon av toksiske urenheter.

Anvendt metan og oksygen kan på samme måte være i gassholdig (for eksempel komprimert) eller flytende form; i det sistnevnte tilfellet vil imidlertid forhåndsoppvarming kreves for å forhindre at næringsgassen avkjøler det flytende kulturmediet urimelig.

Naturgass består hovedsakelig av metan, selv om dens sammensetning vil variere fra forskjellige gassfelter. Vanligvis kan naturgass forventes å inneholde omtrent 90% metan, omtrent 5% etan, omtrent 2% propan og noe høyere hydrokarboner. Gjennom fermenteringen av naturgass oksideres metan ved hjelp av metanotrofe bakterier til biomasse og karbondioksid. Metanol, formaldehyd og maursyre er metabolske mellomprodukter. Formaldehyd og i noen grad karbondioksid assimileres til biomasse. Metanotrofe bakterier er imidlertid ikke i stand til å anvende substrater som omfatter karbon-karbonbindinger for vekst og gjenværende komponenter i naturgass, for eksempel etan, propan og i noen grad høyere hydrokarboner, oksideres av metanotrofe bakterier som produserer de korresponderende karboksylsyrene (for eksempel oksideres etan til eddiksyre). Slike produkter kan være inhibitoriske for metanotrofe bakterier og det er derfor viktig at deres konsentrasjoner forblir lave, fortrinnsvis under 50 mg/l, gjennom fremstillingen av biomassen. En løsning på dette problemet er den kombinerte anvendelsen av en eller flere heterotrofe bakterier som er i stand til å utnytte metabolittene fremstilt av de metanotrofe bakteriene. Slike bakterier er også i stand til å utnytte organisk materiale frigjort i fermenteringsblandingen ved hjelp av cellelyse. Dette er viktig for å unngå skumdannelse og også for å minimalisere risikoen for at kulturen kontamineres med uønskede bakterier. En kombinasjon av metanotrofe og heterotrofe bakterier resulterer i en stabil kultur med høy ytelse.

Ved siden av oksygen og metan, kan andre næringsstoffer som for eksempel mineraler og en nitrogenkilde (for eksempel ammoniakk, nitrater, urea osv) vanligvis tilsettes til det flytende kulturmediet. I motsetning til oksygen og metan, påvirker imidlertid avgassingsoperasjonen ikke kritisk deres konsentrasjon og tilsetningen derav kan vanligvis utføres ved ett, to eller tre punkter langs løkken. For visse mineraler, spesielt kobber, kan det imidlertid være ønskelig å utføre introduksjonen av et høyere antall punkter langs løkken. For kobber er dette relevant ettersom økt kobberkonsentrasjon gir økt metanforbruk.

Luft eller rent oksygen kan anvendes for oksygenering og ammoniakk anvendes fortrinnsvis som nitrogenkilden. I tillegg til disse næringsstoffene vil bakteriekulturen vanligvis kreve vann, fosfat (for eksempel fosforsyre) og flere mineraler som kan inkludere magnesium, kalsium, kalium, jern, kobber, sink, mangan, nikkel, kobolt og molybdenum, vanligvis anvendt som sulfater, klorider eller nitrater. Alle mineralene anvendt i fremstillingen av enkeltcellematerialet bør være av matvarekvalitet.

I fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er det ønskelig å måle karbondioksid-, oksygen- og metaninnhold i avløpsgassen og biomassen, nitrogen, oppløst oksygen, fosfat og mineralinnhold i kulturmediet. Biomasseinnhold kan måles ved å bruke prøver av biomasseinneholdende medium ekstrahert for ytterligere bearbeiding; for eksempel ved å separere biomasse fra væske ved hjelp av sentrifugering og veiing. Nitrogen-, fosfat- og mineralinnhold kan også måles i dette ekstraherte materialet, for eksempel ved å anvende standardprosedyrer, for eksempel atomabsorpsjon osv. Oppløst oksygeninnhold, igjen målt ved hjelp av standardprosedyrer, overvåkes fortrinnsvis ved to eller flere punkter rundt løkken. Avløpsgass samles fortrinnsvis og avkjøles til omtrent 5°C, hvoretter oksygen fortrinnsvis bestemmes ved å måle gassens paramagnetisme og metan og karbondioksid ved hjelp av infrarød spektrometri. Typiske oksygeninnhold er fortrinnsvis omtrent 7,5% (volum/volum), metaninnhold omtrent 4% (volum/volum) og karbondioksidinnhold omtrent 35%

(volum/volum) når fremgangsmåten kjøres glatt.

Ammoniakkonsentrasjon er fortrinnsvis opp til 200 ppm regnet på vekt, spesielt 0,1 til 5 ppm regnet på vekt.

Biomassekonsentrasjon er fortrinnsvis opp til 30 g/l, for eksempel 5 til 20 g/l.

Fosfatinnhold i kulturmediet er fortrinnsvis i det minste 10 ppm regnet på vekt for å minimalisere skumdannelse ved reaktortoppen, spesielt omkring 100 til 200 ppm.

Kalium-, magnesium- og kalsiuminnhold i kulturmediet er fortrinnsvis i det minste henholdsvis 5, 0,5 og 0,5 ppm regnet på vekt, spesielt omkring henholdsvis 100-200, 20-50 og 20-50 ppm. Kobber- og jerninnhold kan passende måles i den ekstraherte biomassen; fortrinnsvis er deres minimumsinnhold henholdsvis 5 og 200 mg/kg.

Gjennom produksjonen av enkeltcellemateriale, reguleres gjerne fermenteringsblandingen pH til mellom omtrent 5,5 og 7,5, for eksempel 6,5 ± 0,3. Egnede syrer/baser for pH-regulering kan lett velges av fagfolk på området. Spesielt egnet for anvendelse i denne forbindelse er natriumhydroksid og svovelsyre. Gjennom fermentering bør temperaturen inne i fermentoren fortrinnsvis opprettholdes innenfor området fra 40°C til 50°C, mest foretrukket 45°C + 2°C.

I driften av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, sprayes fortrinnsvis væsken (for eksempel noe eller alt av de flytende næringsstoffene, væsken tilført for å kompensere for biomassefjerning, en fraksjon av væsken trukket ut fra reaktoren, avkjølt og returnert til reaktoren for å kontrollere temperaturen osv), eventuelt inneholdende antiskummiddel, på overflaten av det flytende kulturmediet i avgassingssonen for å redusere skumoppbygging. På samme måte er den horisontale strømningsdelen til avgassingssonen fortrinnsvis tilveiebrakt i dens øvre del med utgående skjermer på tvers for å bekjempe skumoppbygging. Som et ytterligere antiskumdannende middel, kan reaktoren ha dampinnløp plassert for å injisere damp i hoderommet ovenfor den flytende overflaten i avgassingssonen.

Ethvert enkeltcelle proteinmateriale kan fremstilles i henhold til fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Imidlertid inkluderer foretrukne mikroorganismer bakterier og gjær. Enhver bakterie eller gjær tilpasset for anvendelse i forprodukter kan anvendes og egnede arter kan lett velges av fagfolk på området. Spesielt foretrukket vil enkeltcellene som anvendes i oppfinnelsen være en mikrobiell kultur som inneholder metanotrofe bakterier, eventuelt i kombinasjon med en eller flere heterotrofe bakteriearter, spesielt foretrukket en kombinasjon av metanotrofe og heterotrofe bakterier. Som anvendt heri, omfatter uttrykket "metanotrof enhver bakterie som utnytter metan eller metanol for vekst. Uttrykket "heterotrof" anvendes for bakterier som utnytter organiske substrater andre enn metan eller metanol for vekst.

Mens fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er spesielt egnet for fremstillingen av biomasse som kan anvendes med relativt lite videre bearbeiding som et forstoff eller fortilskudd, kan fremgangsmåten også anvendes for fremstilling av spesifikke kjemikalier som dannes av mikroorganismen/mikroorganismene i det flytende kulturmediet. I henhold til dette, vil behandlingen av kulturmediet etter fermentering omfatte separering av de spesifikke kjemikaliene av interesse, for eksempel ved hjelp av konvensjonelle kjemiske teknikker, eventuelt etterfulgt av lysis av mikroorganismecellene for å frigjøre kjemikaliene av interesse. I denne utførelsesformen av oppfinnelsen kan mikroorganismer som naturlig fremstiller kjemikaliene av interesse (for eksempel proteiner, medikamenter, karotenoider osv) eller som er genetisk modifisert til å fremstille kjemikaliene av interesse, anvendes. Mange slike mikroorganismer er kjent fra litteraturen; imidlertid er det spesielt foretrukket å anvende metanotrofe bakterier.

Foretrukne bakterier for anvendelse i oppfinnelsen inkluderer Methylococcus capsulatus (Bath), en termofil bakterie opprinnelig isolert fra de varme kildene i Batn, England og deponert som NCIMB 11132 ved The National Collections of Industrial and Marine Bacteria, Aberdeen, Skottland. M. capsulatus (Bath) har optimal vekst ved omtrent 45°C, selv om vekst også kan skje mellom 37°C og 52°C. Det er en gramnegativ, ikke-bevegelig sfærisk celle som vanligvis opptrer i par. De intracellulære membranene er arrangert som bunter av blæreskiver karakteristisk for type I metanotrofer. M. capsulatus (Bath) er genetisk en svært stabil organisme uten kjente plasmider. Den kan utnytte metan eller metanol for vekst og ammoniakk, nitrat eller molekylært nitrogen som en nitrogenkilde for proteinsyntese.

Andre bakterier egnet for anvendelse i oppfinnelsen inkluderer de heterotrofe bakteriene Ralstonia sp. (tidligere Alcaligenes acidovorans), DB3 (stamme NCIMB 13287), Brevibacillus agri (tidligere Bacillus firmus) DB5 (stamme NCIMB 13289) og Aneurinibacillus sp. (tidligere Bacillus brevis) DB4 (stamme NCIMB 13288) som hver har optimal vekst ved en temperatur på omtrent 45°C.

Ralstonia sp. DB3 er en gramnegativ, aerob, bevegelig stavbakterie som tilhører Pseudomonadaceae-familien som kan anvende etanol, acetat, propionat og butyrat for vekst. Aneurinibacillus sp. DB4 er en gramnegativ, endosporedannende, aerob stavbakterie som tilhører slekten Bacillus som kan utnytte acetat, D-fruktose, D-mannose, ribose og D-tagatose. Brevibacillus agri DB5 er en gramnegativ, endosporedannende, bevegelig, aerob stavbakterie av -Sac/V/ws-slekten som kan utnytte acetat, N-acetylglukosamin, citrat, glukonat, D-glukose, glyserol og mannitol.

Spesielt foretrukket for anvendelse i oppfinnelsen er en mikrobiell kultur som omfatter en kombinasjon av den metanotrofe bakterien Methylococcus capsulatus (Bath) (stamme NCIMB 11132) og den heterotrofe bakterien Ralstonia sp. DB3 (stamme NCIMB 13287) og Brevibacillus agri DB5 (stamme NCIMB 13289), eventuelt i kombinasjon med Aneurinibacillus sp. DB4 (stamme NCIMB 13288). Ralstonia sp. DB3 sin rolle er å utnytte acetat og proptionat fremstilt av M. capsulatis (Bath) fra etan og propan i naturgassen. Ralstonia sp. DB3 kan stå for opp til 10%, for eksempel omtrent 6 til 8%, av det totale celletallet i den resulterende biomassen. Rollen til Aneurinibacillus sp. DB4 og Brevibacillus agri DB 5 er å utnytte lysisprodukter og metabolitter i mediet. Typisk vil Aneurinibacillus sp. DB4 og Brevibacillus agri DB5 hver stå for mindre enn 1% av celletallet gjennom kontinuerlig fermentering.

Egnede gjær for anvendelse i fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan velges fra gruppen bestående av Saccharomyces og Candida.

Om ønskelig kan fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen utføres ved anvendelse av bakterier (eller gjær) som er genetisk modifisert for å danne en ønsket kjemisk forbindelse som deretter kan ekstraheres fra den intracellulære væsken eller biomassen høstet fra reaktoren. Den vitenskapelige litteraturen og patentlitteraturen inneholder flere eksempler på slike genetisk modifiserte mikroorganismer, inkludert blant annet metanotrofe bakterier.

I en spesielt foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen, utføres fremgangsmåten ved å anvende metanotrofe bakterier av den type som er beskrevet i WO 02/18617 for å fremstille karotenoider, for eksempel anteraxantin, adonixantin, astaxantin, cantaxantin, zeaxantin og de andre karotenoidene nevnt på sidene 39 og 40 i WO 02/18617. Den metanotrofe bakterien Methylomonas 16a (ATCC PTA 2402) kan være spesielt foretrukket å anvende. Karotenoider fremstilt på denne måten kan separeres ut fra det flytende kulturmediet som beskrevet i WO 02/18617, WO 02/20728 og WO 02/20733.

Ideelt omfatter biomassen fremstilt fra fermentering av naturgass fra 60 til 80 vekt% ubearbeidet protein; fra 5 til 20 vekt% ubearbeidet fett; fra 3 til 15 vekt% aske; fra 3 til 15 vekt% nukleinsyrer (RNA og DNA); fra 10 til 30 g/kg fosfor; opp til 500 mg/kg jern; og opp til 250 mg/kg kobber. Spesielt foretrukket omfatter biomassen fra 68 til 73 vekt%, for eksempel omtrent 70 vekt% ubearbeidet protein; fra 9 til 11 vekt%, for eksempel omtrent 10 vekt% ubearbeidet fett; fra 5 til 10 vekt%, for eksempel 7 vekt% aske; fra 8 til 12 vekt%, for eksempel omtrent 10 vekt% nukleinsyrer (RNA og DNA); fra 10 til 25 g/kg fosfor; opp til 310 mg/kg jern; og opp til 110 mg/kg kobber. Aminosyreprofilen til proteininnholdet bør næringsmessig fortrinnsvis ha en høy andel av de mer viktige aminosyrene cystein, metionin, treonin, lysin, tryptofan og arginin. Typisk kan disse være tilstede i mengder på henholdsvis omtrent 0,7%, 3,1%, 5,2%, 7,2%, 2,5% og 6,9% (uttrykt som en prosent av den totale mengden aminosyrer). Generelt vil fettsyrene omfatte hovedsakelig den mettede palmitinsyren (tilnærmet 50%) og den monoumettede palmitoleinsyren (tilnærmet 36%). Mineralinnholdet i produktet vil typisk omfatte høye mengder fosfor (omtrent 1,5 vekt%), kalium (omtrent 0,8 vekt%) og magnesium (omtrent 0,2 vekt%).

Biomasseproduktet ifølge oppfinnelsen er spesielt anvendelig som en komponent eller forløper i forprodukter, spesielt når det anvendes som et substitutt for naturlig plasma i dyrefor og kjæledyrfor. Når det anvendes i kjæledyrfor kan i tillegg ytterligere ingredienser tilsettes til produktet slik som fett, sukker, salt, smaksstoffer, mineraler osv. Produktet kan deretter formes til klumper som etterligner naturlige kjøttklumper av utseende og tekstur. Produktet ifølge oppfinnelsen har den ytterligere fordelen at det lett formuleres slik at det inneholder nødvendige næringsstoffer, fordøyes lett av dyrene og er tiltalende for dyret.

Produktet ifølge oppfinnelsen kan ytterligere anvendes som et strukturelement i kjøttprodukter (for eksempel kjøttboller), som en erstatning for plasmaproteiner som vanligvis anvendes som fyllstoffer i ferskt kjøtt for å øke vekt og volum, som et emulgeringsmiddel (for eksempel i dressinger osv) og i bakeriprodukter for å øke deigens egenskaper.

Når det anvendes i forprodukter, kan biomassen eller det bearbeidede biomassematerialet vanligvis anvendes i en mengde fra omtrent 1 til 10 vekt%, fortrinnsvis opp til 5 vekt%. Den eksakte andelen avhenger av den ønskede funksjonen til materialet og kan lett bestemmes av fagfolk på området. Typisk kan det være tilstede i en mengde på opp til 20 vekt%, for eksempel 5 til 10 vekt%

(basert på tørrstoffinnhold i produktet) når det anvendes som gelatineringsmiddel.

Når reaktoren ble kjørt uten å møte de oppløste oksygeninnholdsbetingelsene som angitt ovenfor (spesielt når alt for høyt innhold av oppløst oksygen opptrer), og når et visst biomasseinnhold ble nådd, selv om reaktoren fortsatte å virke tilfredsstillende i mange timer, falt relativt brått ammoniakkforbruket innen et tidsrom på kun to eller tre timer. Den levende bakteriepopulasjonen (og følgelig biomasseinnholdet til materialet dersom dette fortsatt ble ekstrahert fra reaktoren) falt til så å si null. Selv om i noen tilfeller umiddelbart opphør av ammoniakktilførsel, reduksjon eller opphør av biomasseekstraksjon fra reaktoren og økning eller reduksjon av oksygentilførsel kunne "helbrede" mikroorganismepopulasjonen og gjenopprette biomasseutbyttet, var dette i mange tilfeller ikke tilstrekkelig. Undersøkelser av de døde bakteriene viste at selv om disse ikke hadde lysert, var den indre organellestrukturen signifikant ødelagt. Dette indikerte at bakteriegenomet var vert for hittil ikke oppdagede virusnukleinsyresekvenser som ble aktivert og uttrykte produkter som medførte avbryting av normale celleoperasjoner under de ekstraordinære betingelsene opplevd i reaktoren. Det er antatt at slik genomisk profag, heller enn viral plasmidinfeksjon av monocellulære mikroorganismer, hittil ikke har blitt identifisert og som likeledes kan vise seg å være problematisk i høy-biomassedrift av aerobe løkke re aktorfermentorer, for eksempel med bakterier, sopp (for eksempel fusarium), gjær eller genetisk modifiserte celler (for eksempel bakterier, pattedyrceller (for eksempel humane, hamster, mus osv), og enkelte utførelsesformer av oppfinnelsen anvender løsningene ifølge oppfinnelsen relatert til reduksjonen av banelengden med redusert oppløst oksygen i reaktoren i aerobe løkkereaktorfermenteringer av bakterier, sopp, gjær eller genetisk modifiserte celler, for eksempel i fremstillingen av alkoholer (spesielt metanol eller etanol), for- og matvareadditiver eller forløpere derav, farmasøytiske midler, antistoffer osv.

Rearrangementet av mikroorganismeorganellene som ble observert ved prosessfunksjonsfeil kan også anvendes som en kontrollparameter for tilbakemeldingskontroll av fermenteringsreaktorer generelt, og løkkereaktorer spesielt, for eksempel ved observasjon av organellerearrangement i det hele tatt, eller over et terskelnivå, som medfører igangsetning av økt næringstilførsel, spesielt oksygen- og/eller metantilførsel, eller å redusere eller stanse ammoniakktilførsel osv. Slik observasjon kan for eksempel utføres ved anvendelse av gjennomstrømningscytometri på celler fjernet fra en ekstraksjon eller prøveport i reaktoren.

En primær indikator for funksjonsfeil i driften av prosessen ifølge oppfinnelsen, er når en hemmet pH i kulturmediet inntreffer og som skjer igjen til tross for pH-justering med basetilførsel (for eksempel NaOH). Dette synes å skyldes maursyreoppbygging eller utilstrekkelig maursyre-til-karbondioksidomdanning ved hjelp av de metanotrofe bakteriene. Et forhåndsvarsel av dette problemet kan oppnås ved å overvåke den intracellulære maursyrekonsentrasjonen i bakterien, for eksempel ved å ta prøver av kulturmediet, lysere cellene og spektrometrisk måle maursyre. Når påvisning av maursyrekonsentrasjonen øker over et på forhånd satt terskelnivå, kan man igangsette forebyggende handlinger, for eksempel ved å redusere oksygen- og/eller ammoniakktilførselshastighetene osv. Ved siden av intracellulær maursyre, kan ekstracellulær maursyre konsentrasjon overvåkes og anvendes som en prosesskontrollparameter. På samme måte kan oppløst oksygenkonsentrasjon, oppløst metankonsentrasjon og oppløst ammoniakkonsentrasjon overvåkes og anvendes som prosesskontrollparametere. Fortrinnsvis utføres slik overvåkning på stedet, det vil si ved reaktoren, og konvensjonelle overvåkingsapparater (for eksempel spektrometre og lignende) kan anvendes.

Sett fra et ytterligere aspekt ved oppfinnelsen, tilveiebringes en fermenteringsløkkereaktor i følge krav 14.

Når en løkkereaktor anvendes for celledyrking, er fjerning av oppløst karbondioksid fra kulturmediet viktig og nitrogen er i denne sammenhengen spesielt egnet til dette (det vil si som en drivgass som nevnt ovenfor).

Som et resultat er det spesielt fordelaktig å plassere reaktoren i nærheten av (for eksempel innen 1 km av) et apparat med et stort behov for oksygen, for eksempel et alkohol- eller etanolproduksjonsanlegg. På denne måten kan nitrogen produsert i luftseparering (for eksempel kondensert) for å fremstille oksygen for ett anlegg anvendes i fermenteringsapparater, sammen med om ønsket en liten del av oksygenet (for eksempel som en næringsgass i fermentoren). Når fermentorproduktet skal tørkes, og spesielt når det er oksygenfølsomt ved tørking slik som tilfellet er med biomasseproduksjon for bioproteiner, kan videre nitrogenet også anvendes som tørkegass i en forstøvningstørker.

Når storskaladrift av prosessen ifølge oppfinnelsen er ønskelig, er det selvfølgelig mulig å enkelt øke dimensjonene på reaktoren og kraften til drivmotoren. Et alternativ er imidlertid å drifte et sett av reaktorer, for eksempel arrangert slik at de radierer ut fra en sentral enhet som huser avgassingssonene for alle reaktorene. En fordel ved å anvende et sett (for eksempel 2, 3, 4 eller 5) av reaktorer er at reaksjonsstarten i en reaktor kan igangsettes ved inokulering med flytende kulturmedium fra en reaktor som allerede er i drift. Siden reaktorene vanligvis ikke har noen unyttbar tid for rensing eller reparasjon, sikrer et slikt arrangement at driften kan være kontinuerlig og at starttiden for de individuelle reaktorene signifikant kan reduseres.

Utførelsesformer av fremgangsmåten og apparat ifølge oppfinnelsen vil nå bli beskrevet ytterligere med henvisning til de tilhørende tegningene, hvori: Figur 1 er en skjematisk tegning av en løkkereaktor i henhold til oppfinnelsen; Figur 2 er et tverrsnitt gjennom en horisontal del av reaktoren i figur 1 og viser skjematisk arrangementet av platene til den statiske blanderen deri; Figur 3 er et skjematisk bilde av en ytterligere løkkereaktor i henhold til oppfinnelsen; og Figur 4 er et tverrsnitt gjennom en horisontal del av reaktoren i figur 1 eller figur 3 som viser skjematisk arrangementet av platene til den statiske blanderen deri.

Med henvisning til figur 1, vises det der en løkkereaktor 1, hvor løkken omfatter en toppenhet 2 for avløpsgassfjerning, en vertikal nedstrømsdel 3, en horisontal strømsdel 4, en vertikal oppstrømsdel 5, og en horisontal avløpsgass/fly tende reaktormediumsepareringsdel 6. Nedstrømsdelen 3 er festet til det koniske elementet til sylindrisk toppenhet 2 mens separeringsdelen 6 går inn i toppenheten 2 tangentielt ved en side for slik å oppnå syklonisk gass/væskeseparering. Fra toppen til toppenhet 2 fjernes avløpsgass gjennom utløpsport 7. Toppen til toppenheten er også tilveiebrakt med en reserveventil 8 som åpnes automatisk dersom avløpsgasstrykket i toppenheten overskrider et på forhånd satt maksimalt nivå, for eksempel 0,5 atmosfære over omgivelsestrykk.

Det flytende kulturmediet 9 sirkuleres rundt løkken ved av propeller 10 drevet av motor 11 (for eksempel en 650 kW motor). Oppstrøms for propellen 10 er utgangsport 12 hvorfra biomasse fjernes for avvanning og ytterligere bearbeiding, for eksempel hydrolyse, forstøvningstørking osv.

Inne i den horisontale delen 4 til løkken, er den serie av innløp 13 (for eksempel sprederapparater) for næringsgasser (for eksempel O2og CH4) og statiske blandere 14 plassert. Næringsgassinnløp 15 og 16 er fortrinnsvis også tilveiebrakt i nedstrøms- og oppstrømsseksjonene 3 og 5. Ammoniakk- og mineralinnløp 17 og 18 og prøvetakingsporter er fortrinnsvis tilveiebrakt rundt løkken. Overvåkings- og prøvetakingsporter (ikke vist) er også fortrinnsvis tilveiebrakt rundt løkken og i hoderommet til toppenheten 2.

Mot toppen av utstrømsdelen 5 er det tilveiebrakt et drivgassinnløp 19 (for eksempel for nitrogen), for eksempel en sprederplate. 1 elementet til separeringsdelen 6 er det fortrinnsvis tilveiebrakt en porøs spreder 20 for næringsgass (spesielt oksygen) som forlenges langs strømningsretningen for slik å tilføre næringsgass i væsken som separeres ut i denne delen.

Ved henvisning til figur 2, er løkkereaktoren vist å inneholde en stabel av parallelle horisontale bølgede perforerte plater 21 plassert oppå hverandre med bølgene i registrer, men med vekslende retning for slik å tilveiebringe strømningskanaler 22 for kulturmediet.

Ved henvisning til figur 3, er det vist en løkkereaktor 1, hvor løkken derav omfatter en toppenhet 2 for avløpsgassfjerning, en vertikal nedstrømsdel 3, en horisontal strømningsdel 4, en vertikal oppstrømsdel 5, og en horisontal avløpsgass/fly tende reaksjonsmediumseparasjonsdel 6. Nedstrømsdel 3 er festet til det koniske elementet til sylindrisk toppenhet 2, mens separeringsdelen 6 går inn i toppenheten 2 ved en side. Fra toppen av toppenhet 2 fjernes avløpsgass gjennom utløpsport 7. Toppen til toppenheten er også tilveiebrakt med reserveventil som åpnes automatisk dersom avløpsgasstrykket i toppenheten overskrider et på forhånd satt maksimum, for eksempel 0,5 atmosfære over omgivelsestrykk.

Det flytende kulturmediet 9 sirkuleres rundt løkken ved hjelp av en propell drevet av en vertikalt plassert drivaksel drevet ved hjelp av motor (for eksempel en 650 kW motor). Oppstrøms for en propell drevet av en vertikalt plassert drivaksel, er en utgangsport 12 hvorfra biomasse fjernes for avvanning og ytterligere bearbeiding, for eksempel hydrolyse, forstøvningstørking osv.

Inne i den horisontale delen 4 til løkken er det plassert en rekke næringsgass (for eksempel O2og CH4) -innløp 13 (for eksempel sprederplater) og statiske blandere. Ammoniakk- og mineralinnløp 17 og 18 og prøvetakingsporter er fortrinnsvis tilveiebrakt rundt løkken. Overvåknings- og prøvetakingsporter (ikke vist) er også fortrinnsvis tilveiebrakt rundt løkken og i hoderommet til toppenheten 2.

Mot toppen av utstrømsdelen 5 er det tilveiebrakt et drivgassinnløp 19 (for eksempel nitrogen), for eksempel en sprederplate.

Oppløst oksygeninnhold måles ved hjelp av prober 23 inne i reaktoren. Ammoniakkonsentrasjon og celletetthet måles ved hjelp av prober 24 og 25 i høstingsutløpet til reaktoren, gassammensetning (CO2, O2, CH4) måles ved hjelp av probe 26 i avgassventileringslinjen. Temperatur og pH måles inne i reaktoren ved hjelp av prober 27 og 28. Informasjonen fra disse probene anvendes for tilbakemeldingskontroll hvorved et utbytte-optimal gass- og ammoniakkfordeling forhold beregnes basert på en mekanisk modell for fermenteringsprosessen og som tilveiebringer repeterende optimale innstillinger for O2-, CH4- og NH3-introduksjonsventiler, for den bortledede strømmen av kulturmedium fra reaktoren inn i varmevekslere og tilbake til reaktoren, og for syre/basedosering for å optimalisere pH.

I figur 4 er et mer foretrukket blandingsarrangement vist. I denne utførelsesformen er de parallelle vertikale bølgede perforerte platene 21 plassert med sine korrugeringer vinklet i forhold til strømningsretningen og i vekselvis orientering.

Blanderplatene er fortrinnsvis fleksible i den forstand at de er selvrensende. De er fortrinnsvis dannet av rustfritt stål og med en tykkelse på minst 0,2 mm, for eksempel omtrent 0,5 til 1,5 mm, spesielt 0,8 til 1,2 mm tykkelse. Det maksimale mellomrommet mellom platene, det vil si kanalhøyden mellom bølgene, er fortrinnsvis minst 25 mm, for eksempel 50 til 250 mm, nærmere bestemt 80 til 150 mm, spesielt 90 til 110 mm.

Det følgende ikke-begrensende eksempelet illustrerer oppfinnelsen ytterligere.

Eksempel 1 - Fremstilling av homogenisert biomasse

En mikrobiell kultur som omfatter Methylococcus capsulatus (Bath) (stamme NCIMB 11132), Ralstonia sp. (tidligere Alcaligenes acidovorans) DB3 (stamme NCIMB 13287) og Brevibacillus agri (tidligere Bacillus firmus) DB5 (stamme NCIMB 13289) og eventuelt og fortrinnsvis Aneurinibacillus sp. DB4 (stamme NCIMB 13288) fremstilles i en løkketypefermentor ved kontinuerlig aerob fermentering av naturgass i et ammoniakk/mineralsaltmedium (AMS) ved 45°C, pH 6,5. AMS-mediet inneholder følgende pr liter: 10 mg NH3, 75 mg H3PO4, 380 mg MgS04.7H20, 100 mg CaCl2.2H20, 200 mg K2S04, 75 mg FeS04.7H20, 1,0 mg CuS04.5H20, 0,86 mg ZnS04.7H20, 120 ug CoCl2.6H20, 48 ug MnCl2.4H20, 36 Hg H3BO3, 24 ug NiCl2.6H20 og 1,20 ug NaMo04.2H20.

Fermentoren fylles med vann som er varmesterilisert ved 125°C i 10 sekunder. Tilsetning av de ulike næringsstoffene reguleres i henhold til forbruket derav. Med gradvis oppbygging over tid, kjøres kontinuerlig fermentering med 1-3% biomasse (på en tørrvektbasis).

Biomassen utsettes for sentrifugering i en industriell kontinuerlig sentrifuge ved 3000 rpm, eventuelt etterfulgt av homogenisering i en industriell homogenisator (trykkfall: 1000 bar (100 MPa); innløpstemperatur: 15°C for å fremstille en homogenisert biomasse), etterfulgt av ultrafiltrering ved anvendelse av membraner med en eksklusjonsstørrelse på 200000 Dalton.

Claims (14)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av biomasse ved dyrking av en mikroorganisme i et vandig flytende kulturmedium som sirkulerer i en løkkereaktor med en avløpsgassfjerningssone hvorfra karbondioksidinneholdende avløpsgass fjernes fra reaktoren, karakterisert vedat løkkereaktoren oppstrøms for avløpsgassfjerningssonen har en avgassingssone hvori en drivgass introduseres for å drive karbondioksid i den flytende fasen inn i en separerbar avløpsgassfase og videre har oppstrøms for nevnte avgassingssone en næringsgassintroduksjonssone hvori oksygen introduseres i reaktoren og blandes med det flytende kulturmediet deri, hvori oksygenintroduksjon i nevnte næringsgassintroduksjonssone utføres flere steder langs strømningslengden gjennom nevnte løkkereaktor ved en hastighet slik at det gjennomsnittlig oppløste oksygeninnholdet i nevnte flytende kulturmedium målt ved anvendelse av en polarografisk oksygenelektrode ikke overskrider 25 ppm.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat nevnte flytende kulturmedium inneholder en metanotrof bakterie og hvori oksygen og metan introduseres i nevnte reaktor og blandes med nevnte flytende kulturmedium.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 og 2, karakterisert vedytterligere å omfatte høsting av biomasse fra nevnte reaktor og eventuelt bearbeiding av den høstede biomassen.

4. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1 og 2, karakterisert vedytterligere å omfatte høsting av biomasse som inneholder flytende kulturmedium fra nevnte reaktor og å separere derfra en kjemisk forbindelse fremstilt av nevnte mikroorganisme.

5. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1 og 4, karakterisert vedat oksygenintroduksjon i nevnte næringsgassintroduksjonssone utføres ved flere steder langs strømningslengden gjennom nevnte løkkereaktor ved en hastighet slik at det gjennomsnittlige oppløste oksygeninnholdet i nevnte flytende kulturmedium målt ved anvendelse av en polarografisk oksygenelektrode ikke overskrider 15 ppm.

6. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1 og 5, karakterisert vedat oksygenintroduksjon i nevnte næringsgassintroduksjonssone utføres ved flere steder langs strømningslengden gjennom nevnte løkkereaktor ved en hastighet slik at det oppløste oksygeninnholdet i nevnte flytende kulturmedium ved hvert sted, med unntak av det første nevnte stedet nedstrøms for nevnte avgassingssone, er i det minste 0,5 ppm.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert vedat oksygenintroduksjonen utføres ved en hastighet slik at det oppløste oksygeninnholdet i nevnte flytende kulturmedium ved første sted nedstrøms for nevnte avgassingssone er i det minste 0,5 ppm.

8. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1 og7, karakterisert vedat oksygenintroduksjon i nevnte næringsgassintroduksjonssone er slik at mellom nevnte næringsgassintroduksjonssone og nevnte avgassingssone faller det oppløste oksygeninnholdet i det flytende kulturmediet ikke under 3 ppm regnet på vekt.

9. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1 og 8, karakterisert vedat oksygenintroduksjon i nevnte flytende kulturmedium utføres slik at det oppløste oksygeninnholdet i nevnte flytende kulturmedium ikke faller under 3 ppm regnet på vekt over en banelengde av løkkereaktoren svarende til mer enn 30 sekunder.

10. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1 og 9, karakterisert vedat nevnte flytende kulturmedium sirkuleres gjennom nevnte løkkereaktor under virkning av en propell med overlappende eller flere, radielt kurvede blader.

11. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1 og 10, karakterisert vedat næringsgass og flytende kulturmedium blandes i nevnte løkkereaktor ved å passere gjennom en statisk blander som omfatter en stabel av parallelt bølgede fleksible plater arrangert med stabelretningen perpendikulært til retningen av strømningen av nevnte flytende medium og hvor de bølgeformede furene derav er vinklet til nevnte strømningsretning og hvor deres vinkling til strømningsretningen i alt vesentlig er lik eller motsatt til tilstøtende plater.

12. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1 og 11, karakterisert vedat oksygenintroduksjon i nevnte næringsgassintroduksjonssone er slik at mellom nevnte næringsgassintroduksjonssone og nevnte avgassingssone faller ikke det oppløste oksygeninnholdet i det flytende kulturmediet under X ppm regnet på vekt, hvor X er definert gjennom X = 1,35 Y.B hvor B er biomasseinnholdet i kulturmediet i g/l og Y er fra 0,75 til 1,25, og B er større enn 5.

13. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1 og 12, karakterisert vedat nevnte løkkereaktor her en strømningsbane på i det minste 40 m.

14. Fermenteringsløkkereaktor tilpasset for anvendelse i en fremgangsmåte ifølge ethvert av de foregående krav karakterisert vedat reaktoren har: - en avløpsgassfjerningssone omfattende en avløpsgassventil; - en avgassingssone oppstrøms for avløpsgassfjerningssonen omfattende et drivgassinnløp; og - en næringsgassintroduksjonssone oppstrøms for nevnte avgassingssone omfattende flere innløp for oksygen langs strømningslengden gjennom reaktoren.