PL198449B1 - Sposób obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie i bioreaktor do obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie - Google Patents

Abstract

1. Sposób obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie za pomoc a mikroorganizmów umieszczonych na no snikach pod lozo- wych, w którym dostarcza si e niebiodegradowalne no sniki pod lozo- we zawieraj ace unieruchomione na nich mikroorganizmy w stanie biologicznie czynnym, i styka si e substancj e przetwarzaln a biolo- gicznie z no snikami pod lo zowymi w takich warunkach, ze wytwarza si e i oddziela z nich przetworzony materia l, albo skupia si e i unieruchamia si e elementy substancji przetwarzalnej biologicznie, znamienny tym, ze rozmieszcza si e no sniki pod lozowe w odst epach od siebie w uk ladzie umo zliwiaj acym bierne pionowe krazenie gazu przez ten uk lad. 18. Bioreaktor do obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie zawieraj acy górn a komor e rozdzielcz a, komor e bioreaktora umiesz- czon a pod komor a rozdzielcz a, elementy do doprowadzania sub- stancji przetwarzalnej biologicznie do komory rozdzielczej, elementy do odprowadzania substancji przetwarzalnej biologicznie z komory rozdzielczej do komory bioreaktora oraz wiele niebiodegradowal- nych no sników pod lozowych zamontowanych w komorze bioreakto- ra z unieruchomionymi na nich mikroorganizmami w stanie aktyw- no sci biologicznej, komor e zbieraj ac a, operacyjnie po laczon a z komor a bioreaktora, i elementy usuwaj ace materia l przetworzony lub unieruchomione elementy z komory zbierajacej, znamienny tym, ze no sniki pod lozowe s a rozmieszczone w odst epach od siebie i bioreaktor zawiera ponadto wlot powietrza, umieszczony na komorze zbieraj acej i zainstalowany tak, ze umo zliwia bierne kr aze- nie powietrza w pionowym ruchu wznosz acym w bioreaktorze. PL PL PL PL

Description

1. Sposób obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie za pomocą mikroorganizmów umieszczonych na nośnikach podłożowych, w którym dostarcza się niebiodegradowalne nośniki podłożowe zawierające unieruchomione na nich mikroorganizmy w stanie biologicznie czynnym, i styka się substancję przetwarzalną biologicznie z nośnikami podłożowymi w takich warunkach, że wytwarza się i oddziela z nich przetworzony materiał, albo skupia się i unieruchamia się elementy substancji przetwarzalnej biologicznie, znamienny tym, że rozmieszcza się nośniki podłożowe w odstępach od siebie w układzie umożliwiającym bierne pionowe krążenie gazu przez ten układ.

18. Bioreaktor do obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie zawierający górną komorę rozdzielczą, komorę bioreaktora umieszczoną pod komorą rozdzielczą, elementy do doprowadzania substancji przetwarzalnej biologicznie do komory rozdzielczej, elementy do odprowadzania substancji przetwarzalnej biologicznie z komory rozdzielczej do komory bioreaktora oraz wiele niebiodegradowalnych nośników podłożowych zamontowanych w komorze bioreaktora z unieruchomionymi na nich mikroorganizmami w stanie aktywności biologicznej, komorę zbierającą, operacyjnie połączoną z komorą bioreaktora, i elementy usuwające materiał przetworzony lub unieruchomione elementy z komory zbierającej, znamienny tym, że nośniki podłożowe są rozmieszczone w odstępach od siebie i bioreaktor zawiera ponadto wlot powietrza, umieszczony na komorze zbierającej i zainstalowany tak, że umożliwia bierne krążenie powietrza w pionowym ruchu wznoszącym w bioreaktorze.

PL 198 449 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest sposób obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie i bioreaktor do obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie. Pozwalają one uzyskać materiał przetworzony.

Bioreaktor jest zaprojektowany tak, aby umożliwić obróbkę ciekłej, stałej lub gazowej substancji przetwarzalnej biologicznie, za pomocą mikroorganizmów takich, jak drożdże, grzyby podobne do drożdży, bakterie lub ich mieszaniny. Obróbka substancji przetwarzalnej biologicznie pozwala otrzymać materiał, tu dalej określany nazwą materiał przetworzony, który jest biologicznie kompatybilny, pozbawiony toksyn i/lub nadaje się do ponownego użycia.

Wraz ze wzrostem urbanizacji, rozwojem technologii przemysłowych i przekształcaniem społeczeństwa w coraz bardziej konsumpcyjne, nastąpił szybki wzrost produkcji substancji przetwarzalnych biologicznie. Aby rozwiązać ten problem, podjęto wiele prób, opartych na charakterze substancji przetwarzalnych biologicznie.

Jednym z najbardziej powszechnych sposobów obchodzenia się z domowymi odpadkami jest wykorzystanie sanitarnych składowisk w zagłębieniach terenu, gdzie organiczne i nieorganiczne substancje przetwarzalne biologicznie, składuje się i następnie odzyskuje z warstwą gleby. Chociaż ta procedura jest najtańsza spośród technologii gospodarowania substancjami przetwarzalnymi biologicznie, to substancja organiczna ulega powolnemu, rozkładowi za pomocą procesów zachodzących w warunkach beztlenowych, wytwarzając znaczne ilości metanu gazowego i metali ciężkich albo innych niebezpiecznych substancji, zanieczyszczających wodę gruntową. Ponieważ ta metoda pozostawia również znaczne ilości substancji nieorganicznej w środowisku naturalnym, dokonywano znacznych wysiłków w celu odzyskania i rewaloryzacji takich produktów, jak tworzywa sztuczne, papiery i metale, przyczyniając się w ten sposób do zmniejszenia ilości odpadków zrzucanych każdego roku w zagłębieniach terenu.

Chociaż znaczna część produkcji odpadów stałych takich, jak szkło, metale i tworzywa sztuczne, jest chemicznie obojętna, to kilka stałych lub ciekłych odpadów takich, jak odpady kuchenne, szlam ze ścieków kanalizacyjnych lub odpady pochodzenia zwierzęcego, mogą ulegać rozkładowi. Kompostowanie tych odpadów organicznych okazuje się być interesującą alternatywą dla obróbki odpadów organicznych. Krótko mówiąc, kompostowanie polega na przetwarzaniu odpadów organicznych z wykorzystaniem mikrobiologicznego ekosystemu w substancję podobną do humusu, którą można zastosować jako glebę do upraw. Ta technika jest bardziej kompleksowa niż likwidacja w zagłębieniach terenu, ponieważ wymaga ona wstępnego sortowania substancji stałej, przetwarzalnej biologicznie na substancję organiczną i nieorganiczną.

Powszechny problem, obserwowany w przypadku tych ostatnich rozwiązań dotyczących gospodarowania substancjami przetwarzalnymi biologicznie, stanowi ich niezdolność do obróbki cieczy przetwarzalnej biologicznie pochodzenia domowego lub przemysłowego. Przetwarzalną biologicznie wodę, pochodzącą z gospodarstwa domowego, usuwa się na ogół do kanałów ściekowych, podczas gdy ścieki przemysłowe często trzeba poddać obróbce przed usunięciem. Ponadto, uzdatnianie ciekłych substancji przetwarzalnych biologicznie takich jak produkty uboczne w instalacjach do produkcji mleka lub nawóz zwierzęcy jest często bardzo ograniczone, ponieważ ich obróbka nie jest ekonomicznie opłacalna albo charakteryzuje się niską wydajnością.

Istotnie, przebadano techniki takie jak bioprzetwarzanie substancji przetwarzalnej biologicznie, wykorzystujące kłaczkowanie, dekantację i mikrobiologiczną obróbkę wody przetwarzalnej biologicznie. Zanieczyszczone osady kanalizacyjne często pozostają obecne i ich waloryzacja ogranicza się do nawożenia. Inne procesy biochemiczne skłaniają do zastosowania mikroorganizmów w urządzeniach w rodzaju bioreaktora, do obróbki substancji przetwarzalnych biologicznie, gdzie bakterie najczęściej wykorzystuje się jako komórki drobnoustrojów na organicznym nośniku podłożowym, którym często jest torf. Chociaż procesy te okazały się dobrymi rozwiązaniami dla problemów zanieczyszczeń, to są one bardzo energochłonne, a tym samym dość kosztowne. Co do innych technologii, opartych na fermentacji w atmosferze tlenowej, które rozwinięto w celu wytwarzania gazu z nawozu świńskiego, to ich wysoki koszt ogranicza zastosowanie takich technologii, ponieważ koszty produkcji trzeba utrzymywać na możliwie najniższym poziomie.

Poza koniecznością dostarczania znacznych ilości energii, technologie te często wymagają procesów prowadzonych okresowo, podczas gdy ekonomika i uwarunkowania techniczne na ogół

PL 198 449 B1 faworyzują wykorzystywanie do obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie procesu prowadzonego w sposób ciągły. Z kilkoma wyjątkami, handlowe procesy reprodukowania mikroorganizmów prowadzi się jako procesy okresowe lub półokresowe. Stwierdzono, że obróbka ciągła jest trudna, a nawet niepożądana dla wielu układów reprodukowania mikroorganizmów, z powodu niezdolności, między innymi do uzyskania wymaganego w takich procesach stopnia kontroli. To jest szczególnie zgodne z rzeczywistością w przypadku kontroli stężenia substancji gazowych, potrzebnych, lub pożądanych w procesie reprodukcji, takich, jak tlen w układach do reprodukcji w atmosferze tlenu.

Drugim istotnym ograniczeniem możliwości zastosowania obróbki ciągłej w układach do reprodukcji mikroorganizmów jest w zasadzie uniwersalny wymóg, aby pożywka hodowlana została oczyszczona w celu usunięcia z niej mikroorganizmów lub innych substancji, które mogłyby zanieczyścić pożądane mikroorganizmy albo produkty, które chce się z nich uzyskać. Wymagany stopień oczyszczenia jest na ogół dość wysoki i może wymagać pewnej liczby obróbek termicznych, filtracji lub innych środków do usuwania z pożywki hodowlanej niepożądanych substancji, takich jak bakterie chorobotwórcze. W takich okolicznościach dość trudno jest wywołać proces który, od oczyszczenia pożywki poprzez reprodukcję mikroorganizmów, byłby naprawdę ciągły.

Wykonano kilka prób w celu udoskonalenia technologii z wykorzystaniem bioreaktora aby poprawić jego ekonomiczną niezawodność w aspekcie zapotrzebowania na energię, obróbki prowadzonej w sposób ciągły oraz waloryzacji substancji przetwarzalnych biologicznie. Znaczną część tych wysiłków poświęcono przemysłowi rolnemu, w szczególności przeróbce nawozu świńskiego. W chwili obecnej istnieje wiele technologii stosowanych do likwidacji produktów pochodzenia świńskiego, przetwarzalnych biologicznie, z których większość stwarza pewną formę zanieczyszczenia. Najczęściej stosowanym sposobem likwidacji jest budowa dużych sztucznych stawów lub otwartych basenów albo wykorzystanie naturalnych zbiorników i zrzucanie do nich ścieków pochodzenia zwierzęcego, w celu dalszego rozpłynięcia się ich na działce, zarezerwowanej do takich zastosowań. Wskutek takiej praktyki powstają duże obszary o nieprzyjemnym zapachu, które przyciągają muchy i komary oprócz tego, że stanowią poważne niebezpieczeństwo zanieczyszczenia źródeł otaczającej wody.

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3846558 ujawnia waloryzację ścieków pochodzenia świńskiego przez przekształcenie ich, w wysokobiałkowy dodatek do karmy zwierzęcej, wykorzystując do tego celu biokonwersję drobnoustrojami.

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5202935 ujawnia ciągły proces obróbki substancji przetwarzalnych biologicznie, w bioreaktorze z zastosowaniem mikroorganizmów tlenowych. Ale pozostaje jeszcze problem dotyczący zapotrzebowania na energię do przeprowadzenia napowietrzania.

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4665027 ujawnia sposób wytwarzania lotnego produktu fermentacji, z nielotnego substratu fermentacji. Sposób wymaga użycia unieruchomionych komórek w separatorze reaktorowym, w którego skład wchodzi, sekcja wzbogacająca fermentora i sekcja odpędzająca fermentora. Podczas działania, brzeczka fermentacyjna styka się zarówno z unieruchomionymi komórkami, jak i odpędzającą fazą gazową.

Uwzględniając opisany wyżej stan techniki, byłoby zatem pożądane opracowanie sposobu lub urządzenia, które przekształcają różne rodzaje substancji przetwarzalnych biologicznie, w nadający się do ponownego użycia lub pozbawiony toksyn materiał, i wykazują przy tym ekonomiczne korzyści, w procesie prowadzonym ciągle lub okresowo.

Zadaniem niniejszego wynalazku jest przekształcenie substancji przetwarzalnej biologicznie w biomasę. Innym zadaniem niniejszego wynalazku jest dostarczenie sposobu usuwania różnych związków lub składników z substancji przetwarzalnej biologicznie. Jeszcze innym zadaniem niniejszego wynalazku jest opracowanie modułowego bioreaktora, który nie wymaga mechanicznego napowietrzania i pracuje w sposób ciągły, dzięki czemu koszty pracy ulegają obniżeniu.

Innym zadaniem niniejszego wynalazku jest opracowanie sposobu obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie, polegającego na przekształceniu substancji przetwarzalnej biologicznie w biomasę, za pomocą zetknięcia przedmiotowej substancji przetwarzalnej biologicznie z drożdżami, unieruchomionymi na nośniku podłożowym.

Jeszcze innym zadaniem niniejszego wynalazku jest zapewnienie urządzenia do mikrobiologicznej obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie, za pomocą zetknięcia substancji przetwarzalnej biologicznie z drożdżami, unieruchomionymi na nośniku podłożowym, przekształcając w ten sposób substancję przetwarzalną biologicznie w biomasę.

PL 198 449 B1

Kolejnym zadaniem wynalazku jest usuwanie metali ciężkich z zanieczyszczonego medium za pomocą wiążącego działania drożdży. Innym zadaniem niniejszego wynalazku jest skupienie metali ciężkich w wyznaczonym miejscu, co może ułatwić dalsze postępowanie z nimi lub ich obróbkę.

Jeszcze innym zadaniem niniejszego wynalazku jest opracowanie sposobu waloryzacji substancji przetwarzalnej biologicznie poprzez wytwarzanie biomasy, takiej jak biomasa drożdżowa, którą można wykorzystywać, na przykład, jako źródło pokarmu lub jako nawóz sztuczny. Jeszcze innym zadaniem niniejszego wynalazku jest ocena stopnia przekształcenia substancji przetwarzalnej biologicznie w biomasę, za pomocą co najmniej jednego parametru spośród zawartości białka, ciężaru objętości, liczby komórek, albo całkowitej ilości fosforanów adenozyny w mikroorganizmach, jako odnośnika porównawczego.

Sposób obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie za pomocą mikroorganizmów umieszczonych na nośnikach podłożowych, w którym dostarcza się niebiodegradowalne nośniki podłożowe zawierające unieruchomione na nich mikroorganizmy w stanie biologicznie czynnym, i styka się substancję przetwarzalną biologicznie z nośnikami podłożowymi w takich warunkach, że wytwarza się i oddziela z nich przetworzony materiał, albo skupia się i unieruchamia się elementy substancji przetwarzalnej biologicznie, odznacza się według wynalazku tym, że rozmieszcza się nośniki podłożowe w odstępach od siebie w układzie umożliwiającym bierne pionowe krążenie gazu przez ten układ.

Korzystnie mikroorganizmami są drożdże, grzyby typu drożdże, bakterie lub ich mieszaniny.

Korzystnie mikroorganizmami są komórki drożdży.

Korzystnie umożliwia się mikroorganizmom unieruchomienie, absorpcję, metabolizm, zmianę, przekształcenie, strawienie, lub degradację substancji przetwarzalnej biologicznie.

Korzystnie umożliwia się mikroorganizmom spowodowanie fermentacji substancji przetwarzalnej biologicznie.

Korzystnie przetwarza się co najmniej około 0,1 do 90% substancji przetwarzalnej biologicznie w przetworzony materiał.

Korzystnie skupia się elementy obecne w substancji przetwarzalnej biologicznie oraz unieruchamia i odzyskuje się je.

Korzystnie do substancji przetwarzalnej biologicznie, przed jej zetknięciem z mikroorganizmami, dodaje się źródło węgla, źródło azotu, substancję mineralną, sól, aminokwas lub produkt zawierający te substancje.

Korzystnie źródło węglowodanu wybiera się z grupy składającej się ze skrobii, amigdaliny, arabinozy, celobiozy, eskuliny, fruktozy, galaktozy, glukozy, glukonianu, laktozy, maltozy, mannitu, mannozu, malezytozy, melibiozy, rafinozy, ramnozy, rybozy, salicyny, sorbitu, sacharozy, trehalozy, ksylozy, celulozy, i kwasów organicznych lub ich mieszanin oraz produktów zawierających te substancje.

Korzystnie substancje przetwarzalną biologicznie wybiera się z grupy składającej się z nawozu, frakcji mleka lub pochodnej mleka, rozpuszczalnika, substancji organicznej lub nieorganicznej, przetworzonej żywności, produktu ubocznego przy produkcji żywności, metalu ciężkiego, i roztworu wodnego.

Korzystnie substancję przetwarzalną biologicznie poddaje się obróbce w procesie prowadzonym ciągle lub okresowo.

Korzystnie substancję przetwarzalną biologicznie poddaje się zetknięciu z mikroorganizmami w bioreaktorze.

Korzystnie mikroorganizmy stanowi szczep drożdży typu dzikiego lub szczep drożdży modyfikowany genetycznie.

Korzystnie mikroorganizmy stanowi co najmniej jeden szczep drożdży.

Korzystnie mikroorganizmy unieruchamia się na nośniku podłożowym, w warunkach aktywujących tworzenie glikokaliksu.

Korzystnie mikroorganizmy unieruchamia się na nośnikach podłożowych za pomocą środka tiksotropowego.

Korzystnie przetworzony materiał zawiera biomasę, złożoną z poddanej obróbce substancji przetwarzalnej biologicznie, mikroorganizmów odłączonych z nośników podłożowych, lub ich mieszaniny.

Bioreaktor do obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie zawierający górną komorę rozdzielczą, komorę bioreaktora umieszczoną pod komorą rozdzielczą, elementy do doprowadzania substancji przetwarzalnej biologicznie do komory rozdzielczej, elementy do odprowadzania substancji przetwarzalnej biologicznie z komory rozdzielczej do komory bioreaktora oraz wiele niebiodegradowalnych nośników

PL 198 449 B1 podłożowych zamontowanych w komorze bioreaktora z unieruchomionymi na nich mikroorganizmami w stanie aktywności biologicznej, komorę zbierającą, operacyjnie połączoną z komorą bioreaktora, i elementy usuwające materiał przetworzony lub unieruchomione elementy z komory zbierającej charakteryzuje się według wynalazku tym, że nośniki podłożowe są rozmieszczone w odstępach od siebie i bioreaktor zawiera ponadto wlot powietrza, umieszczony na komorze zbierającej i zainstalowany tak, że umożliwia bierne krążenie powietrza w pionowym ruchu wznoszącym w bioreaktorze.

Korzystnie substancja przetwarzalna biologicznie stanowi co najmniej jedną ciekłą, stałą lub gazową substancję przetwarzalna biologicznie.

Korzystnie komora rozdzielcza zawiera wylot umieszczony tak, że umożliwia wyjście powietrza unoszącego się ku górze w bioreaktorze.

Korzystnie komora rozdzielcza zawiera co najmniej jeden spryskiwacz, połączony z elementami doprowadzającymi do rozsiewającego rozprowadzenia substancji przetwarzalnej biologicznie na nośniku podłożowym.

Korzystnie bioreaktor zawiera elementy do wtryskiwania substancji przetwarzalnej biologicznie w postaci gazowej do komory zbierającej i umożliwienia tej substancji wznoszenia się i stykania w niej z nośnikami podłożowymi i opuszczenia reaktora przez wylot.

Korzystnie nośniki podłożowe są zamocowane do zewnętrznej ściany komory bioreaktora.

Korzystnie nośniki podłożowe są ułożone poziomo, pionowo, ukośnie lub spiralnie.

Korzystnie komora zbierająca zawiera elementy umożliwiające pasywne lub czynne wejście gazu do bioreaktora.

Korzystnie gazem jest zanieczyszczone powietrze, gaz pochodzenia organicznego, gaz pochodzenia nieorganicznego, lub gaz niezanieczyszczony.

Korzystnie mikroorganizmami są drożdże, grzyby typu drożdży, bakterie lub ich mieszaniny.

Korzystnie mikroorganizmami są komórki drożdży.

Korzystnie komórki drożdży składają się z co najmniej jednego gatunku komórek drożdży.

Korzystnie mikroorganizmy są unieruchomione na nośnikach podłożowych za pomocą procesów sztucznych lub naturalnych.

Korzystnie komórki drożdży są unieruchomione na nośnikach podłożowych, w warunkach aktywujących tworzenie glikokaliksu.

Korzystnie komórki drożdży są unieruchomione na nośnikach podłożowych za pomocą środka tiksotropowego.

Korzystnie nośniki podłożowe są wykonane z polimeru.

Korzystnie nośniki podłożowe mają kształt płaski i są umieszczone pionowo.

Ogólnie mówiąc przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie, polegający na wprowadzeniu nośników podłożowych, posiadających unieruchomione na nich komórki drożdży w stanie rozmnażania i na zetknięciu substancji przetwarzalnej biologicznie z nośnikami podłożowymi, w warunkach odpowiednich do wytworzenia i wydzielenia z nich, przetworzonego materiału, odznaczający się tym, że rozmieszcza się nośniki podłożowe w odstępach od siebie w układzie umożliwiającym bierne pionowe krążenie gazu przez ten układ.

Korzystnie, wynalazek pozwala unieruchomić komórki drożdży, zaabsorbować, metabolizować, zmienić, przetworzyć, strawić lub rozłożyć substancję przetwarzalną biologicznie.

Bardziej korzystnie, wynalazek pozwala komórkom drożdży spowodować fermentację substancji przetwarzalnej biologicznie.

Zgodnie z korzystnym przykładem wykonania, co najmniej około 0,1 do 90% substancji przetwarzalnej biologicznie, przekształca się w materiał przetworzony.

Zgodnie z innym korzystnym przykładem wykonania, do substancji przetwarzalnej biologicznie, przed zetknięciem jej samej z komórkami drożdży dodaje się źródło węglowodanów, źródło azotu, substancję mineralną, sól lub aminokwas.

Źródło węglowodanów korzystnie wybiera się z grupy składającej się z amigdaliny, arabinozy, celobiozy, eskuliny, fruktozy, galaktozy, glukozy, glukoniau, laktozy, maltozy, mannitu, mannozy, malezytozy, melibiozy, rafinozy, ramnozy, rybozy, salicyny, sorbitu, sacharozy, trehalozy, ksylozy, i tym podobnych.

Źródło azotu korzystnie wybiera się z grupy składających się z mocznika, siarczanu amonu, i tym podobnych, które zawierają łatwo przyswajalny azot.

Substancja przetwarzalna biologicznie, którą normalnie poddaje się obróbce sposobem według wynalazku, zwykle stanowi nawóz, frakcję mleka lub pochodną mleka, rozpuszczalnik, substancję

PL 198 449 B1 organiczną lub nieorganiczną, przetworzony pokarm, produkt uboczny przy produkcji żywności, metal ciężki, lub roztwór wodny.

Sposób według wynalazku można prowadzić jako proces ciągły lub okresowy.

Korzystnie, substancję przetwarzalna biologicznie poddaje się zetknięciu z komórkami drożdży w bioreaktorze.

Komórki drożdży pochodzą korzystnie ze szczepu dzikiego typu lub genetycznie modyfikowanego szczepu drożdży. Zwykle stosuje się co najmniej jeden szczep drożdży.

Drożdże unieruchamia się korzystnie na nośniku podłożowym za pomocą glikolemu.

Przetworzony materiał zwykle stanowi biomasa, złożona z obrobionej substancji przetwarzalnej biologicznie, komórek drożdży odłączonych z nośników podłożowych, lub ich mieszaniny.

Przedmiotem wynalazku jest również bioreaktor do obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie, zawierający:

górną komorę rozdzielczą, komorę bioreaktora umieszczoną poniżej komory rozdzielczej, elementy służące do zasilania komory rozdzielczej substancją przetwarzalną biologicznie, elementy do przenoszenia substancji przetwarzalnej biologicznie z komory rozdzielczej do komory bioreaktora, wiele nośników podłożowych, zamocowanych w komorze bioreaktora, posiadających komórki drożdży osadzone i unieruchomione na nich, w stanie zdolnym do życia, przy czym te nośniki podłożowe są rozmieszczone tak, aby zapewnić zetknięcie komórek drożdży z substancją przetwarzalną biologicznie, i przekształcić ją samą w materiał przetworzony, komorę zbierającą, operacyjnie połączoną z komorą bioreaktora w celu zbierania przetworzonego materiału, i elementy do odprowadzania przetworzonego materiału z komory zbierającej.

Bioreaktor zgodnie z wynalazkiem zawiera wlot powietrza, zainstalowany na komorze zbierającej w taki sposób, że powietrze może biernie krążyć w pionowym ruchu wznoszącym bioreaktorze.

Substancją przetwarzalną biologicznie jest co najmniej jedna substancja przetwarzalną biologicznie, ciekła, stała lub gazowa, lub ich mieszanina.

Zgodnie z innym korzystnym przykładem wykonania, komora rozdzielcza zawiera wylot umieszczony w taki sposób, aby powietrze lub inne gazy przesuwające się do góry, mogły opuścić bioreaktor.

Korzystnie, komora rozdzielcza zawiera co najmniej jeden spryskiwacz połączony z elementami zasilającymi, rozmieszczony tak, aby substancję przetwarzalną biologicznie rozprowadzić na nośniku podłożowym.

Bioreaktor według wynalazku może również zawierać środki do wtryskiwania substancji przetwarzalnej biologicznie w postaci gazowej, do komory zbierającej i pozwalające jej samej na zetknięcie z obecnymi w komorze nośnikami podłożowymi, i opuszczenie reaktora przez wylot.

Nośniki podłożowe są normalnie zamocowane do zewnętrznej ściany komory bioreaktora.

Komora zbierająca korzystnie zawiera elementy umożliwiające pasywne lub czynne wejście do bioreaktora gazu, na przykład zanieczyszczonego powietrza, gazu organicznego, gazu nieorganicznego, lub powietrza niezanieczyszczonego.

Komórki drożdży składają się zwykle z co najmniej jednego gatunku komórek drożdży i unieruchamia się je korzystnie na nośnikach podłożowych za pomocą sztucznych lub naturalnych procesów. Na przykład, komórki drożdży można unieruchomić na podłożach za pomocą glikokaliksu.

Nośniki podłożowe normalnie wykonuje się z materiału odpornego na biodegradację, na przykład polimeru lub tworzywa sztucznego.

Nośniki podłożowe mają korzystnie kształt płaski i są ułożone pionowo. Mogą one być również ułożone ukośnie lub w inny odpowiedni sposób, co jest zrozumiale dla specjalisty w tej dziedzinie.

Zgodnie z niniejszym wynalazkiem, poddawana obróbce substancja przetwarzalną biologicznie, może pochodzić z przemysłu lub gospodarstwa domowego, a w skład substancji przetwarzalnej biologicznie może wchodzić co najmniej jedna substancja ciekła, stała lub gazowa. Substancjami przetwarzalnymi biologicznie mogą być materiały organiczne albo nieorganiczne, które były już wcześniej poddane jakiemuś rodzajowi obróbki, lub stanowią po prostu surowiec.

Zgodnie z niniejszym wynalazkiem, drożdże rodzaju dzikiego albo genetycznie modyfikowane szczepy rosną aż do utworzenia warstwy drożdży na nośnikach podłożowych, w które jest wyposażona komora bioreaktora według wynalazku, która to warstwa drożdży może składać się z drożdży należących do tego samego szczepu lub kombinacji różnych szczepów. Aby to zrobić, szczepy drożdży wybiera się przed obróbką substancji przetwarzalnej biologicznie, zaszczepia na nośniku podłożowym

PL 198 449 B1 i pozwala na ich rozmnożenie na tym nośniku podłożowym. Rozmnożenie drożdży polega na poddaniu ich warunkom otoczenia, które są korzystne do rozmnażania wegetatywnego drożdży, natomiast nie są korzystne do rozmnażania wegetatywnego innych mikroorganizmów, takich jak bakterie chorobotwórcze. Te warunki otoczenia obejmują parametry takie jak temperatura, pH i składniki pokarmowe oraz dostępność tlenu.

Warstwę drożdży można unieruchomić na nośnikach podłożowych, umieszczonych w bioreaktorze, za pomocą procesów sztucznych lub naturalnych. Na przykład, bez zamiaru ograniczania postępowania tylko do niego, proces naturalny może obejmować unieruchomienie drożdży za pomocą glikokaliksu, wyprodukowanego przez same drożdże. Nośnik podłożowy sporządza się korzystnie z materiału, odpornego na biodegradację takiego na przykład jak polimer lub tworzywo sztuczne. Poza tym, materiałem tym jest korzystnie materiał nadający się do zmywania. Nośnik podłożowy można rozmieścić w różnych konfiguracjach lub układach. Może on mieć konfigurację plastra miodu pszczelego, siatki z oczkami, lub elementu o kształcie płaskim. Nośniki podłożowe można ułożyć poziomo, pionowo lub ukośnie w komorze fermentacyjnej w zależności od tego, czy substancją przetwarzalną biologicznie, którą poddaje się obróbce, jest ciecz, ciało stałe, lub gaz, względnie ich mieszanina. Nośniki podłożowe można ułożyć tak, aby rozciągały się do wewnątrz od zewnętrznej ściany w komorze bioreaktora, pojedynczo albo w kombinacji z innymi nośnikami podłożowymi.

Zgodnie z niniejszym wynalazkiem, urządzenie ma przeważnie postać długiego, pionowego cylindra, tworzącego kolumnę, składającego się głównie, z górnej komory rozdzielczej, środkowego z bioreaktora lub komory fermentacyjnej i dolnej sekcji zbierającej. Komora rozdzielcza pozwala zoptymalizować opadanie substancji przetwarzalnej biologicznie na nośniki podłożowe, podczas gdy komora zbierająca pozwala powietrzu krążyć w biofermentorze i zbiera substancję przetwarzalną biologicznie lub drożdże, które spadają w dół z komory bioreaktora. Powietrze dostarcza się w sposób bierny lub mechaniczny. Cyrkulację powietrza można przeprowadzić tylko za pomocą wznoszącego się ruchu gorącego powietrza w bioreaktorze.

Bioreaktor lub komora fermentacyjna zawiera jeden lub wiele nośników podłożowych, na których osadzone są unieruchomione drożdże. Nośniki podłożowe rozmieszcza się w komorze bioreaktora tak, że umożliwia się swobodne krążenie co najmniej jednej spośród substancji stałej, ciekłej lub gazowej, przy czym gaz zawiera powietrze.

Dla celów niniejszego wynalazku zdefiniowano poniżej następujące określenia.

Określenie „przepływ laminarny”, które zastosowano w opisie, oznacza przepływ spokojny albo przepływ, który nie jest turbulentny.

Określenie „biomasa”, w stosowanym tu znaczeniu, oznacza masę żyjącego lub biologicznego materiału, obecnego w określonym obszarze.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia w przekroju wzdłużnym, modułowy bioreaktor według wynalazku, zawierający komorę rozdzielczą, komorę bioreaktora, i komorę zbierającą, fig. 2 - w przekroju wzdłużnym komorę rozdzielczą o konfiguracji do zasilania bezpośredniego, fig. 3 - w przekroju wzdłużnym komorę rozdzielczą o konfiguracji do zasilania zanurzeniowego, fig. 4A do 4C - w częściowych widokach perspektywicznych nośniki podłożowe z komórkami drożdży, wykonane odpowiednio z materiału wygładzonego, albo materiału w rodzaju siatki z oczkami, czy materiału typu pianki o otwartych komórkach i fig. 5 przedstawia w przekroju wzdłużnym komorę zbieraaącą, posiadającą podwyższone ściany zewnętrzne dla wstawienia tam komory bioreaktora.

W odniesieniu do rysunków, bardziej szczegółowo fig. 1, można zobaczyć, że urządzenie według niniejszego wynalazku ma postać korzystnie cylindrycznego modułowego bioreaktora 10, zawierającego górną komorę rozdzielczą 12, środkową komorę 14 bioreaktora i dolną, komorę zbierającą 16. Bioreaktor 10 zawiera również system rurociągów do zasilania go substancją przetwarzalną biologicznie oraz do odprowadzania z niego substancji przetworzonej. Aby to osiągnąć, zainstalowano przewód zasilający 30, posiadający pierwszą część 31, zamontowaną na zewnątrz bioreaktora 10 tak, jak pokazano, i drugą część 32, zamontowaną poziomo wewnątrz górnej komory rozdzielczej 12, również tak, jak pokazano na fig. 1. Aby wprowadzić substancję przetwarzalną biologicznie do przewodu zasilającego 30, zainstalowano wlot 33 dla substancji przetwarzalnej biologicznie.

System rurociągów również zawiera przewód wylotowy 34, który kończy się z jednej strony w komorze zbierającej 16, a z drugiej strony jest połączony z pompą 35, co zapewnia cyrkulację substancji przetwarzalnej biologicznie i materiału przetworzonego w przestrzeni bioreaktora, i może być również zastosowane do zawracania nieprzetworzonej substancji przetwarzalnej biologicznie,

PL 198 449 B1 co zostanie omówione później. Przy braku pompy 35, należy stwierdzić, że otwór wylotowy 36 do odzysku jest przewidziany po to, aby odzyskać w zasadzie całą ilość przetworzonego materiału, zebranego w komorze zbierającej 16, który wyładowuje się przez przewód wylotowy 34, gdzie ostatecznie opuszcza on bioreaktor 10 przez otwór wylotowy 36 do odzysku. Nieprzetworzoną substancję przetwarzalną biologicznie, przechodzącą przez przewód wylotowy 34, oddziela się od materiału przetworzonego w jakikolwiek sposób znany specjalistom w tej dziedzinie, a następnie kieruje do pompy 35 w celu zawrócenia do komory rozdzielczej 12, przez część 31 przewodu.

Górna komora rozdzielcza 12 jest skonstruowana tak, aby umożliwić równomierne i optymalne dozowanie poddawanej obróbce substancji przetwarzalnej biologicznie, do komory 14 bioreaktora. W tym celu, część 32 przewodu rozciąga się prawie na całą szerokość komory rozdzielczej 12 i jest połączona w znany sposób z wieloma spryskiwaczami 24, o znanej konstrukcji, w tym przypadku w liczbie czterech, które są zamontowane wstępująco w znany sposób wewnątrz komory rozdzielczej 12 i są rozmieszczone tak, aby wyrzucać i rozpraszać cząstki lub krople substancji przetwarzalnej biologicznie, lub mgłę gazową na stożkową przegrodę 37. Spryskiwacze 24 są oczywiście dopasowane do charakteru poddawanej obróbce substancji przetwarzalnej biologicznie, oraz konstrukcji komory 14 bioreaktora. W zależności od stanu skupienia substancji przetwarzalnej biologicznie, to jest od tego, czy jest to gaz, ciecz lub ciało stałe względnie mieszanina tych stanów, spryskiwacze 24 konstruuje się korzystnie tak, aby utrzymywać w komorze 14 bioreaktora laminarny przepływ. Jak pokazano, stożkową przegrodę 37 stanowi przegroda, rozciągająca się od ścian 21 ku dołowi komory rozdzielczej 12, i zaopatrzona w otwór 40, którego przeznaczenie zostanie omówione dalej.

Widać również, że górna komora rozdzielcza 12 zawiera ścianę zewnętrzną 21, i górną przegrodę 7, do której jest przyłączony przewód wylotowy 20. Przewód ten jest ostatecznie wyposażony w układ 22 do skapywania wilgoci, o znanej konstrukcji, którego celem jest regulowanie objętości powietrza lub gazu, które mogą krążyć w bioreaktorze 10, i chwytanie większej części mgły substancji przetwarzalnej biologicznie, która może znajdować się w wychodzącym powietrzu, co zostanie omówione bardziej szczegółowo później.

Ostatecznie uzyskuje się to, że komora rozdzielcza 12 jest otwarta u dołu, co pozwala na całkowity kontakt z komorą 14 bioreaktora, jak przedstawiono na fig. 1.

Jak powyżej wspomniano, i jak pokazano na fig. 1, bioreaktor 10 również zawiera środkowa komorę 14 bioreaktora. Komora ta jest również, korzystnie, cylindryczna, i jak pokazano, jest otwarta u góry i u dołu, aby odbierać z jednej strony cząstki, krople lub mgłę, które są odprowadzane z komory rozdzielczej 12, a z drugiej strony, bezpośrednio dostarczać przetworzony materiał do komory zbierającej 16. Trzeba też zauważyć, że komora 14 bioreaktora jest szersza od komory rozdzielczej 12 tak, ażeby uchronić cząstki, krople lub mgłę przed spadaniem na zewnątrz komory 14 bioreaktora, podczas przenoszenia z komory rozdzielczej 12. Jednakże komora 14 bioreaktora jest węższa od komory zbierającej 16 z tego samego powodu, to znaczy, aby uchronić przetworzony materiał przed wyrzuceniem poza komorę zbierającą 16. Oczywiście, można zastosować jakiekolwiek inne rozmieszczenie znane specjalistom w tej dziedzinie o ile tylko materiał nie wydostanie się z bioreaktora 10.

W przedstawionym na fig. 1 przykładzie wykonania, komora 14 bioreaktora zawiera cylindryczną ścianę 41, otwartą na obu końcach, wskutek czego powstaje cylindryczny pojemnik, wyznaczający kolumnę, którą wyposaża się, w, rozmieszczone obok siebie i oddzielone od siebie, pionowo zamontowane nośniki podłożowe 43, posiadające komórki drożdży, niepokazane, w stanie rozmnażania, osadzone i unieruchomione na tych nośnikach.

Kolumna jest wypełniona nośnikami podłożowymi 43, z których każdy korzystnie ma grubość od około 0,01 mm do 5 mm, chociaż ta wartość może być inna, co jest rzeczą dobrze znaną specjalistom, w tej dziedzinie. Nośniki podłożowe 43 są pionowo upakowane w komorze 14 bioreaktora tak, aby umożliwić swobodne krążenie pomiędzy nimi albo stałych albo ciekłych cząstek, albo kropli i/lub gazów, takich jak powietrze. Odległość między nośnikami podłożowymi specjalista w tej dziedzinie może wybrać w sposób dowolny, jednak w praktyce stwierdzono, że dopuszczalna jest odległość w zakresie od 2 do 15 mm. Jest oczywiście zrozumiałe, że zakres tej odległości może różnić się zasadniczo od tego, który wyżej podano.

Odnosząc się ponownie do fig. 1, jak wyżej wspomniano, bioreaktor 10 zawiera również komorę zbierającą 16. Komora ta jest również cylindryczna i, jak powyżej wspomniano, jest ona szersza od komory 14 bioreaktora w celu objęcia dolnej części komory 14 bioreaktora między jej zewnętrznymi ścianami 44. Mówiąc dokładniej, komora zbierająca 16 ma postać cylindrycznej kadzi, posiadającej górną przegrodę 45 w kształcie odwróconego stożka ściętego. Oczywiście, można

PL 198 449 B1 zastosować jakikolwiek inny odpowiedni kształt tej przegrody, co będzie zrozumiałe dla specjalisty w tej dziedzinie. Przewód 34 do odzysku przetworzonego materiału, wspomniany wyżej, otwiera się ku górnej przegrodzie 45, tak jak pokazano, w celu odprowadzenia mieszaniny substancji przetwarzalnej biologicznie i przetworzonego materiału, wytworzonego w komorze 14 bioreaktora, która jest przesyłana w kierunku wylotu 36. Jak omówiono wyżej, przetworzony materiał odzyskuje się poprzez wylot 36, podczas gdy pozostałą substancję przetwarzalną biologicznie zawraca się do obiegu w kierunku komory rozdzielczej, poprzez pompę 35 oraz kanały 31 i 32.

Normalnie jest wymagane doprowadzenie powietrza do bioreaktora 10 w celu zapewnienia warunków tlenowych lub jedynie przewietrzenia bioreaktora. Umożliwia się to instalując zamontowany poziomo, perforowany kanał 46, który jest połączony z wlotem gazu 47 tak, jak pokazano. Można, dzięki temu sposobem biernym lub wymuszonym wprowadzić powietrze do komory bioreaktora 14.

Z drugiej strony, jeśli zamierza się poddać obróbce tylko gazową substancję przetwarzalną biologicznie, można tę substancję wprowadzić poprzez wlot 47, skąd będzie ona przemieszczać się przez komorę 14 bioreaktora, ulegając w niej obróbce i przez komorę rozdzielczą 12, opuszczając układ poprzez wylot 20 jako gaz niezanieczyszczony.

Na fig. 2 można zobaczyć, że spryskiwacze 24 są zorientowane ku dołowi, w celu bezpośredniego zasilania i rozdziału substancji przetwarzalnej biologicznie do komory 14 bioreaktora. Należy zauważyć, że w tym przypadku nie występuje przegroda 37.

Spryskiwacze przystosowuje się do rodzaju substancji przetwarzalnej biologicznie wymagającej obróbki oraz do konfiguracji komory 14 bioreaktora. W zależności od stanu skupienia substancji przetwarzalnej biologicznie, to jest od tego, czy jest to gaz, ciecz lub ciało stałe względnie ich mieszanina, spryskiwacze są skonstruowane tak, aby utrzymywać laminarny przepływ w komorze 14 bioreaktora. Komora rozdzielcza 12, posiadająca prostą konfigurację, to jest taką, w której spryskiwacze bezpośrednio wyładowują substancję przetwarzalną biologicznie na nośniki podłożowe jak w przykładach wykonania, przedstawionych na fig. 2, może być użyta do obróbki gazowej i stałej/ciekłej substancji przetwarzalnej biologicznie. Stosując tę konfigurację, roztworem substancji przetwarzalnej biologicznie można bezpośrednio spryskać nośniki podłożowe 43 komory 14 bioreaktora. Spryskiwacze są oczywiście zaprojektowane dla równego rozprowadzania substancji przetwarzalnej biologicznie w komorze 14 bioreaktora.

Odnośnie do fig. 3, to ten przykład wykonania jest przystosowany do bezpośredniego kontaktu substancji przetwarzalnej biologicznie z drożdżami wtedy, gdy stosuje się substancję przetwarzalną biologicznie w roztworze. W tym przypadku, spryskiwacze 24 są zorientowane ku dołowi i są całkowicie zanurzone poniżej przegrody 37 w roztworze substancji przetwarzalnej biologicznie poddawanej obróbce przetwarzającej; w ten sposób mogą one wywoływać ruch cyklonowy wokół stożkowej ściany przegrody 37 w komorze rozdzielczej 12. Taka konfiguracja sprzyja skupianie zawracanych do obiegu drożdży z boku, w kierunku środka komory 14 bioreaktora i ku dołowi do komory zbierającej 16, i jest w szczególności stosowana do obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie, zanieczyszczonej na przykład metalami ciężkimi lecz bez ograniczenia tylko do nich.

Drożdże mogą stanowić jeden szczep lub wcześniej wybraną mieszaninę szczepów drożdży. Nośniki podłożowe 43 mają korzystnie strukturę płaską i są korzystnie rozmieszczone pionowo lub ukośnie w komorze 14 bioreaktora. Korzystnie można zastosować wielokrotne nośniki podłożowe 43, grupując je w komorze 14 bioreaktora, aby zwiększyć do maksimum powierzchnię obróbki. Odległość miedzy nośnikami podłożowymi 43 w konfiguracji wielokrotnej może być zmienna ale jednocześnie musi być wystarczająca, aby umożliwić cyrkulację gazu, cieczy i/lub substancji stałej. Korzystnie, odległość między dwoma nośnikami podłożowymi 43 zmienia się w zakresie od 3,0 mm do 13,0 mm, zwłaszcza wówczas, gdy substancją przetwarzalną biologicznie są materiały ciekłe i stałe. Ponadto, przestrzeń oddzielająca dwa nośniki podłożowe 43 z drożdżami musi być wystarczająca, aby umożliwić swobodne spadanie nadmiaru drożdży do komory zbierającej 16 i cyrkulację świeżego powietrza w górę komory 14 bioreaktora. Grubość nośników podłożowych może również się zmieniać, ale korzystna jest grubość od 0,001 mm do 5 mm, ponieważ umożliwia swobodna cyrkulację zarówno powietrza jak i cieczy między płytami, przy zwiększeniu do maksimum powierzchni obróbki.

Nośniki podłożowe 43 sporządza się z dowolnego odpowiedniego materiału, pozwalającego mikroorganizmom rosnąć jako warstwa na jego powierzchni. Materiał może być albo hydrofilowy albo hydrofobowy, taki jak sita tkane o luźnej strukturze, chroniące przed owadami, materiały włókiennicze, ekrany słoneczne i tym podobne. Może on stanowić również nie tkany materiał o gładkiej lub żłobkowanej powierzchni. Jednakże zaleca się materiał nadający się do mycia tak, aby płyty nadawały się do

PL 198 449 B1 ponownego użycia w przeciwieństwie do materiału nienadającego się ponownie do użytku. Mimo, że nośniki podłożowe 43 można sporządzić z wielu materiałów, to zalecanym jest materiał odporny na biodegradację, taki jak polimer lub tworzywo sztuczne. Inne nośniki podłożowe, takie jak torf, są bardziej podatne na biodegradację. PCV, PP, PE, drewno, metal lub podobne nośniki podłożowe, można stosować w zależności od rodzaju komórek drożdży, zastosowanych do obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie.

Oprócz chemicznego składu nośników podłożowych 43, ich strukturę wybiera się w oparciu o skład substancji przetwarzalnej biologicznie przeznaczonej do obróbki, aby zapewnić maksymalną wymianę tlenu oraz zachować przepływ laminarny. Wybór pozostaje całkowicie w gestii specjalisty w tej dziedzinie.

Odnosząc się teraz do fig. 4A, 4B i 4C, to nośniki podłożowe 43 okazują się być płytką o pełnej, drobnosiatkowej lub porowatej powierzchni. Nośnik podłożowy o pełnej powierzchni stosuje się korzystnie do obróbki substancji przetwarzalnych biologicznie, zanieczyszczonych metalami ciężkimi, podczas gdy nośnik podłożowy wykonany z materiału w postaci drobnej siatki jest odpowiedni do obróbki substancji ciekłych i stałych.

Do obróbki gazowych zanieczyszczeń zaleca się jednak stosować porowaty nośnik podłożowy 43, wykonany z materiału o strukturze piankowej o otwartych komórkach, posiadającego zmienną gęstość i rozkład otworów. Poza tym, nośniki podłożowe 43 są korzystnie ukształtowane z ostrą, górną krawędzią 50 w taki sposób, aby zapewnić odpowiednią dyfuzję substancji przetwarzalnej biologicznie, kiedy jej lepkość jest bardzo niska.

Aby unieruchomić drożdże na nośniku podłożowym 43 tak, jak tu określono, zaszczepia się je i pozostawia do rozmnożenia na nośniku podłożowym przed ich zetknięciem z substancją przetwarzalną biologicznie. Drożdże zaszczepione na nośniku podłożowym może stanowić szczep wybrany przed zaszczepieniem na podłożu dla ściśle określonej substancji przetwarzalnej biologicznie przeznaczonej do obróbki. Wybrane drożdże mogą należeć do tego samego szczepu lub stanowić kombinację wielu szczepów, kiedy te ostatnie są szczepami rodzaju dzikiego lub szczepami modyfikowanymi genetycznie. Umożliwienie rozmnożenia drożdży polega na poddaniu drożdży warunkom środowiska, które wpływa korzystnie na ich rozmnażanie wegetatywne, natomiast niekorzystnie na rozmnażanie innych mikroorganizmów, przy czym te warunki środowiska obejmują temperaturę, pH, dostępność składników pokarmowych i tlenu. Drożdże rozwijają się, aż utworzą warstwę, podczas gdy wzrost innych mikroorganizmów, w tym baterii chorobotwórczych, jest powstrzymany.

Drożdże unieruchamia się na zamocowanym nośniku podłożowym za pomocą procesów sztucznych lub naturalnych, przy czym proces naturalny polega na unieruchomieniu za pomocą wydzielanego przez drożdże glikokaliksu.

Przetworzoną i odrzuconą substancję przetwarzalną biologicznie oraz oddzielone drożdże można zastosować jako dodatek do gleby lub karmy.

Bioreaktor 10 ma korzystnie postać kolumny, co ułatwia naturalną wentylację lub natlenianie komory 14 bioreaktora. Ponieważ biokonwersja substancji przetwarzalnej biologicznie za pomocą drożdży jest procesem egzotermicznym, otaczające powietrze w komorze 14 bioreaktora ogrzewa się i wychodzi w sposób naturalny poprzez przewód wylotowy 20, umieszczony u góry komory rozdzielczej 12, wytwarzając dzięki temu strefę niskiego, ujemnego ciśnienia w bioreaktorze. Świeże powietrze wprowadza się w sposób bierny do bioreaktora poprzez komorę zbierającą 16. Perforowany przewód 46 powietrza doprowadza powietrze niezbędne do tlenowej obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie i do koniecznej regulacji temperatury w komorze 14 bioreaktora. Ponadto, perforowany przewód 46 powietrza można stosować, do wtryskiwania wspólnie z powietrzem zanieczyszczonego gazu. Powietrze jest odpowiednio rozpraszane w komorze 14 bioreaktora przez otwory 50, w które jest wyposażony perforowany przewód 46 powietrza. Przewód 34 umożliwia ponowne wykorzystanie drożdży, które spadają do komory zbierającej 16, i recyrkulację substancji przetwarzalnej biologicznie, która nie uległa przetworzeniu podczas przejścia przez komorę 14 bioreaktora. Podczas obróbki, działanie drożdży ogrzewa powietrze, które jest później usuwane, przez co zwiększa się efekt kominowy i w jego następstwie wzrasta dostępność tlenu. Zwiększenie cyrkulacji powietrza w komorze 14 bioreaktora, jako skutek efektu kominowego, ochładza bioreaktor 10, co pozwala utrzymać optymalną aktywność drożdży bez regulacji z zewnątrz. Ponieważ powietrze, potrzebne do procesu fermentacji, krąży w sposób swobodny w bioreaktorze, zmniejsza to konieczność napowietrzania mechanicznego, wskutek czego obniża się zapotrzebowanie na energię do napowietrzania. Powietrze, samo lub w kombinacji z innymi gazami można mechanicznie wtłoczyć do bioreaktora, dowolnymi znanymi

PL 198 449 B1 sposobami. Układ 22 do skapywania wilgoci umieszczony u góry komory rozdzielczej 12, steruje wychodzeniem powietrza z bioreaktora przez przewód wylotowy 20 i wychwytuje większość resztkowej mgły, wytworzonej przez roztwór substancji przetwarzalnej biologicznie, znajdującej się w wydalanym powietrzu.

Ilość powietrza, potrzebną do procesu tlenowego można wprowadzić swobodnie lub wtłoczyć do bioreaktora 10 poprzez komorę zbierającą 16, gdzie krąży ono przeciwprądowo w kierunku do góry. Swobodna cyrkulacja powietrza i cienka warstwa ciekłego medium odżywczego sprzyjają dyfuzji środka odżywczego i rozpuszczeniu tlenu, które to zjawiska są niezbędne do przekształcenia substancji przetwarzalnej biologicznie w biomasę za pomocą komórek drożdży. Ponadto, obecność wielowarstwowych nośników podłożowych znacznie zwiększa powierzchnię reakcji w bioreaktorze, co z drugiej strony pozwala na zmniejszenie wielkości kolumny. Końcowy produkt, taki jak białko, uzyskany w procesie biotransformacji za pomocą komórek drożdży, zbiera się u dołu kolumny przechodząc przewodem 34, co pozwala prowadzić proces obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie w sposób ciągły lub okresowy. Pompa 35 umożliwia ponowne wprowadzenie do obiegu u góry komory 12 bioreaktora, nieprzetworzonej substancji przetwarzalnej biologicznie i drożdży, które wysypują się do komory zbierającej 16.

Wynalazek pozwala na obróbkę szerokiej gamy substancji przetwarzalnych biologicznie. Wynalazek można stosować do obróbki gazu, cieczy, substancji stałej lub ich kombinacji. Oprócz fizycznego stanu substancji przetwarzalnej biologicznie, jej charakter chemiczny też może być różny; na przykład, substancja przetwarzalna biologicznie może być organiczna, nieorganiczna lub mieszana. Może ona mieć pochodzenie przemysłowe lub może pochodzić z gospodarstwa domowego. Niniejszy wynalazek dostarcza skutecznego sposobu obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie, pochodzącej z fabryk żywności, fabryk serów, rzeźni, i tym podobnych, produktów ubocznych otrzymywanych w produkcji zwierząt, takich jak świnie, bydło, kurczaki i tym podobne, oraz w produkcji warzyw, w nie spożywczych gałęziach przemysłu, takich jak przemysł celulozowo - papierniczy, przemysł kartonowy (produkujący tekturę), i tym podobne oraz w instalacjach wytwarzających szkodliwe gazy, takie jak styren, ksylen i tym podobne, oraz substancji przetwarzanych biologicznie pochodzenia domowego z komór fermentacyjnych, z zakładów oczyszczania, i tym podobnych. Substancja przetwarzalna biologicznie może być surowcem lub materiałem, który już wcześniej, zanim przetworzono go w biomasę opisanym tu sposobem, poddano jakiejś obróbce. Na przykład, fazy ciekłą i stałą można oddzielić, a następnie fazę ciekłą można poddać obróbce, stosując sposób tu opisany, podczas gdy fazę stałą stosuje się bezpośrednio jako nawóz sztuczny. Złożoną ciekłą substancję przetwarzalna biologicznie, która uwalnia gazy, można stosować jako źródło pożywki dla drożdży tam, gdzie gazy wprowadza się wspólnie z powietrzem, wymaganym dla procesu przebiegającego z udziałem tlenu w bioreaktorze. Poza tym, substancję przetwarzalną biologicznie, którą poddano już obróbce sposobem według wynalazku, można zawrócić do modułowego bioreaktora 10, wprowadzając ją ponownie do komory rozdzielczej 12, za pomocą systemu 30 rurociągów.

Podczas gdy poddany obróbce roztwór substancji przetwarzalnej biologicznie, uzyskany w komorze zbierającej 16 utrzymuje stężenie tlenu wynoszące co najmniej 0,25 ppm, a niepoddaną obróbce substancję przetwarzalną biologicznie i środki odżywcze wprowadza się do systemu 30 rurociągów i miesza z zawracanym roztworem poddanej obróbce substancji przetwarzalnej biologicznie, to równoważną objętość roztworu poddanej obróbce substancji przetwarzalnej biologicznie odprowadza się przez otwór wylotowy 36. Ciągły proces w bioreaktorze 10 pozwala zatem na produkcję biomasy w komorze 14 bioreaktora i jej odzyskiwanie u podstawy tej komory. Ta cecha pozwala na ciągłą pracę bioreaktora 10, ograniczając tym samym inwestycje potrzebne dla obróbki okresowej i zapewniając stałą kontrolę układu. Ciągły proces w bioreaktorze przebiega przy minimalnym zużyciu energii, ponieważ pompa 35 i, w niektórych przypadkach wentylator (niepokazany) są jedynymi elementami, wymagającymi dostarczenia energii, co w rezultacie pozwala na zmniejszenie kosztu obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie. Alternatywnie, bioreaktor 10 można zastosować do obróbki substancji przetwarzalnej biologicznie w procesie prowadzonym okresowo.

Uniwersalność bioreaktora zapewnia się, pozwalając na modyfikacje komory rozdzielczej 12, komory 14 bioreaktora i komory zbierającej 16, które można niezależnie od siebie przystosować do substancji przetwarzalnej biologicznie przeznaczonej do obróbki. Alternatywnie, różne sekcje komór bioreaktora według niniejszego wynalazku można uszczelnić tak, aby utworzyć jednoblokowy bioreaktor, zapobiegając w ten sposób wymianie cieczy lub powietrza między wnętrzem bioreaktora a jego środowiskiem zewnętrznym. Każdy specjalista w tej dziedzinie rozpozna, że bioreaktor według

PL 198 449 B1 niniejszego wynalazku można wytworzyć jako jednoczęściowy moduł, zawierający trzy opisane powyżej komory.

Według niniejszego wynalazku, substancję przetwarzalną biologicznie można zetknąć z warstwą drożdży przy użyciu lub bez, uzupełniających środków odżywczych, które mogą obejmować źródło węgla, źródło azotu, substancje mineralne, sole i aminokwasy.

Przekształcenie substancji przetwarzalnej biologicznie w biomasę inicjuje się stykając substancję przetwarzalną biologicznie z drożdżami, co zwykle następuje w sposób mechaniczny.

Kilka komórek do obróbki może być zasilanych przez tę samą komorę rozdzielczą. To modułowe podejście umożliwia łatwe dostosowanie pojemności bioreaktora do objętości materiału przeznaczonego do obróbki, i do różnych scenariuszy samego procesu, na przykład zmiany komórek podczas obróbki oraz tych, które są w spoczynku. Można również zgromadzić zapasy pomocniczych komórek, na długie kilkumiesięczne okresy, przed ich użyciem.

Dla łatwiejszego zrozumienia niniejszego wynalazku przedstawiono następujące przykłady, które są ilustracją wynalazku, ale nie stanowią jego ograniczenia do nich.

P r z y k ł a d 1

Obróbka nawozu świńskiego

Nawóz świński wtryskuje się u góry bioreaktora według wynalazku, który posiada konfigurację do natrysku bezpośredniego, ponieważ w skład nawozu świńskiego wchodzą substancje stałe, ciekłe i gazowe, wymagające utworzenia mgły w powietrzu w celu przeprowadzenia optymalnej reakcji biokonwersji. Ponieważ nawóz świński jest bogaty w amoniak, obróbka drożdżami zawierającymi płyn musi być uzupełniona źródłem węgla takim, jak melasa i dostarczanym w sposób ciągły tlenem. Bioreaktor można alternatywnie napowietrzyć u dołu zanieczyszczonym powietrzem pochodzącym z chlewu świńskiego, które zawiera amoniak.

Wyboru drożdży lub innych mikroorganizmów do unieruchomienia na nośnikach podłożowych, dokonuje się według zdolności odmian do unieruchomienia i do przekształcenia, jeśli potrzeba, substratu poddawanego obróbce. Jako nośniki podłożowe w komorze bioreaktora stosuje się perforowane membrany poliestrowe lub winylowe, posiadające mnóstwo otworków o średnicy wynoszącej od 1,6 do 6,5 mm, gdzie każdy z nośników podłożowych utrzymuje się w odstępie od pozostałych przy maksymalnej odległości równej 1,3 mm. Nośniki podłożowe stosowane do obróbki substratu takiego jak nawóz świński, mogą na przemian zawierać otwarte kratownice z włókna szklanego i/lub poliestrowego pokrytego PCW, o średnicy otworów równej 1,6 mm - taka konstrukcja nośników podłożowych umożliwia unieruchomienie drożdży i wymianę tlenu. Kratownicę utrzymuje się pionowo za pomocą podpory mechanicznej; obramowanie utrzymuje każdy nośnik podłożowy w pozycji płaskiej i pionowej, a ramy są opasane razem panelami z polimerowymi. Wynikiem tego procesu jest utworzenie z nawozu świńskiego biomasy i znaczące zmniejszenie nieprzyjemnych zapachów, uzyskane wskutek usunięcia amoniaku za pomocą drożdży.

Zawartość amoniaku w ciekłych i stałych frakcjach zmniejszono do mniej niż 10% w stosunku do zawartości początkowej. Zawartość fosforu w cieczy zmniejszono w takim samym stopniu. Większość fosforu była skupiona we frakcji stałej.

P r z y k ł a d 2

Obróbka serwatki z sera

Serwatkę z sera, zawierającą około 4%-5% laktozy miesza się z roztworem zawierającym 40% mocznika za pomocą statycznej mieszarki i wtryskuje u góry bioreaktora tak, jak opisano w przykładzie 1. Bioreaktor napowietrza się powietrzem atmosferycznym. Drożdże wybrane i unieruchomione w bioreaktorze mogą asymilować źródło węgla z laktozy, i azot z mocznika do wytworzenia biomasy drożdżowej. Roztwór uzyskany u dołu bioreaktora charakteryzuje się zawartością laktozy niższą niż 0,1%, wartością pH niższą od 4,5 i zawartością substancji organicznej równą w przybliżeniu 2%-3% (biomasa drożdżowa).

Roztwór uzyskany u dołu poddaje się odwirowaniu. Większość część drożdży ulega koncentracji do poziomu rzędu 15%-18%. Zawartość białka we frakcji stałej, biomasie, jest bliska poziomowi 50% (w stosunku do suchej masy). pH frakcji ciekłej zwiększa się do 6 za pomocą dodatku wapna. Zapotrzebowanie na tlen chemiczny w pozostałej frakcji ciekłej zmniejsza się do wartości niższej niż 15% w stosunku do wyjściowej masy serwatki z sera.

PL 198 449 B1

P r z y k ł a d 3

Obróbka ścieków z browaru

Ścieki uzyskane z pierwszego płukania zbiornika do składowania piwa miesza się w mieszarce statycznej z roztworem sacharozy i wtryskuje u góry bioreaktora tak, jak w przykładach 1 i 2. Ścieki zawierają frakcję brzeczki piwnej, a mikroorganizmami unieruchomionymi w bioreaktorze są drożdże. Powietrze wpływa do bioreaktora przez sekcję dolną, a przepływ jest przeciwprądowy.

Biomasę wytwarza się i uzyskuje u dołu bioreaktora. Następnie biomasę poddaje się odwirowaniu i usuwa z frakcji ciekłej. Zapotrzebowanie pozostałej frakcji ciekłej na tlen chemiczny zmniejsza się do wartości niższej niż 40% w stosunku do wyjściowej masy ścieków.

P r z y k ł a d 4

Obróbka powietrza zawierającego ksylen

Powietrze zawierające ksylen z fabryki luster przemywa się wodnym roztworem kapiącym cienkim strumieniem, aby wyłapać ksylen w ciekłym materiale. Wodny roztwór zwierający ksylen miesza się z roztworem mocznika w mieszarce statycznej i wtryskuje u góry bioreaktora. Wybrana kultura drożdży unieruchamia ksylen. Powietrze wyprowadzone na zewnątrz instalacji zawierało ksylen w stężeniu zmniejszonym o 60% w stosunku do jego zawartości początkowej.

Wreszcie jest rzeczą zrozumiałą, że dwie lub więcej substancji przetwarzalnych biologicznie można równocześnie poddać obróbce w tym samym bioreaktorze.

Chociaż wynalazek opisano w połączeniu z jego szczególnymi przykładami wykonania, to jest zrozumiałe, że są możliwe jego dalsze modyfikacje, a zamiarem niniejszego zgłoszenia jest objęcie jego zakresem dowolnych odmian, zastosowań lub adaptacji wynalazku, spełniających ogólnie zasady wynalazku i obejmujących takie odstępstwa od niniejszego ujawnienia, które wchodzą w zakres znanej lub zwyczajowej praktyki w dziedzinie, do której ten wynalazek należy, i które można zastosować do zasadniczych, wcześniej przytoczonych cech wynalazku.

Claims (32)

1. Sposób obróbki substancjj prr^e^ttw^rz^i^lrn^j biologicznie za pomocą mi^rc^c^rc^E^rnz^rmt^w uzoczonych na nośnikach podłożowych, w którym dostarcza się niebiodegradowalne nośniki podłożowe zawierające unieruchomione na nich mikroorganizmy w stanie biologicznie czynnym, i styka się substancję przetwarzalną biologicznie z nośnikami podłożowymi w takich warunkach, że wytwarza się i oddziela z nich przetworzony materiał, albo skupia się i unieruchamia się elementy substancji przetwarzalnej biologicznie, znamienny tym, że rozmieszcza się nośniki podłożowe w odstępach od siebie w układzie umożliwiającym bierne pionowe krążenie gazu przez ten układ.

2. Sposób według zastrz^. 1, znamienny tym, że mikroorganizmami są drożdże, typu drożdże, bakterie lub ich mieszaniny.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mikroorganizmami są komórki drożdży.

4. Sposób według zas-trz. 1, znamienny tym, że umożllwia się mikroorganizmom unieruchomienie, absorpcję, metabolizm, zmianę, przekształcenie, strawienie, lub degradację substancji przetwarzalnej biologicznie.

5. Sposób według 1, znamienny tym, że umożNwia sżę Γϋτοοίττnizmom spowodowanie fermentacji substancji przetwarzalnej biologicznie.

6. Sposób według 3, znamienny tym, że p^ewa^a sżę co na-mniej okoto 0,1 do 90% substancji przetwarzalnej biologicznie w przetworzony materiał.

7. Spooób weeług zassi-z. 1, zr^c^r^i^r^r^\y tym, że skupiasśę elemej^tyobbCj^e w substancjj przetwarzalnej biologicznie oraz unieruchamia i odzyskuje się je.

8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do substan^j przetwarzalnej biologicznie, przed jej zetknięciem z mikroorganizmami, dodaje się źródło węgla, źródło azotu, substancję mineralną, sól, aminokwas lub produkt zawierający te substancje.

9. Spooób według zastrz. 8, znamienny tym, że źr^r^c^ł^ węglowodanu wybieea ssę; z grupy skkadającej się ze skrobii, amigdaliny, arabinozy, celobiozy, eskuliny, fruktozy, galaktozy, glukozy, glukonianu, laktozy, maltozy, mannitu, mannozu, malezytozy, melibiozy, rafinozy, ramnozy, rybozy, salicyny, sorbitu, sacharozy, trehalozy, ksylozy, celulozy, i kwasów organicznych lub ich mieszanin oraz produktów zawierających te substancje.

PL 198 449 B1

10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że substancję przetwarzalną biologiczniewybiera się z grupy składającej się z nswszu, fzskcji mleks luS pschsdnej mleks, zszpuszczslniks, suSstsncji srgsnicznej luS niesrgsnicznej, przerwsrzsnej żywnsści, prsdukru uSscznegs przy prsdukcji żywnsści, metslu ciężkiegs, i rszrwsru wsdnegs.

11. Spogóbweeługsaatrz. 1, snamienny tym, Se substancjęprzetwarzalną bidosicznieposdaje się sSróSce w prscesie prswsdzsnym ciągle luS skressws.

12. Sposóbwedług saatrz. 1, snamienny tym, Se substancjęprzetwarzalną biolosiczniepoSdaje się zetknięciu z mikrssrgsnizmsmi w Sisreskrsrze.

13. SpogSbweeług zzatrz. 1, snamiennytym, Sż- mikroogzanizmy staaowi ssccep drosddżlypu dzikiegs luS szczep drsżdży msdyfikswsny genetycznie.

14. Sposób według zas^z. 1, znamienny t^i^, że mikroorganizmy silanowi co n^lrmn^e jeden szczep drsżdży.

15. Sposób wedługzaatrz. 1, znymiennytym, że uni^tLg^j^£^mi£- się na nośniku psdłsżswym, w wsrunksch skrywujących rwsrzenie gliksksliksu.

16. Sposób według zas^z. 1, znamienny tym, że mikcΌO-ganizmy unieeuchamia się na nośniksch psdłsżswych zs psmscą śrsdks rikssrrspswegs.

17. Sposób według zastyz. 1, znamienny tym, że przetwogzony ma-eπa- zawieea biomasę, złożsną z psddsnej sSróSce suSsrsncji przerwsrzslnej Sislsgicznie, mikrssrgsnizmów sdłączsnych z nsśników psdłsżswych, luS ich mieszsniny.

18. Bio-eakror do obróbkć substancji przetwarzalne- bidogicznie zawier'ający górną komesę rozdzielczą, ksmsrę Sisreskrsrs umieszczsną psd ksmsrą rszdzielczą, elementy ds dsprswsdzsnis suSsrsncji przerwsrzslnej Sislsgicznie ds ksmsry rszdzielczej, elementy ds sdprswsdzsnis suSsrsncji przerwsrzslnej Sislsgicznie z ksmsry rszdzielczej ds ksmsry Sisreskrsrs srsz wiele nieSisdegrsdswslnych nsśników psdłsżswych zsmsnrswsnych w ksmsrze Sisreskrsrs z unieruchsmisnymi ns nich mikrssrgsnizmsmi w srsnie skrywnsści Sislsgicznej, ksmsrę zSiersjącą, sperscyjnie psłączsną z ksmsrą Sisreskrsrs, i elementy usuwsjące msrerisł przerwsrzsny luS unieruchsmisne elementy z ksmsry zSiersjącej, ζηθ,ϊθηηι tyi, że nsśniki psdłsżswe są rszmieszczsne w sdsrępsch sd sieSie i Sisreskrsr zswiers psnsdrs wlsr pswierrzs, umieszczsny ns ksmsrze zSiersjącej i zsinsrslswsny rsk, że umsżliwis Sierne krążenie pswierrzs w pisnswym ruchu wznsszącym w Sisreskrsrze.

19. Bioreaktor według zastrz. 18, znamienny tyin, że suSstancca przetwarzalna Sidogicznie srsnswi cs nsjmniej jedną ciekłą, srsłą luS gszswą suSsrsncję przerwsrzslns Sislsgicznie.

20. Bisreskrsr według zssrrz. 18, zyaiieyyy tyi, że ksmsrs rszdzielczs zswiers wylsr umieszczsny rsk, że umsżliwis wyjście pswierrzs unsszącegs się ku górze w Sisreskrsrze.

21. Bio-eakro- według zassrz. 18, znamienny tym, że komoro rozdzżelcza zawieea co najmniej jeden spryskiwscz, psłączsny z elemenrsmi dsprswsdzsjącymi ds rszsiewsjącegs rszprswsdzenis suSsrsncji przerwsrzslnej Sislsgicznie ns nsśniku psdłsżswym.

22. Bioreakkor według z^^tr^^. 18, znamienny tym. że zawiera e!ementy do wtryskiwania subsrsncji przerwsrzslnej Sislsgicznie w pssrsci gszswej ds ksmsry zSiersjącej i umsżliwienis rej suSsrsncji wznsszenis się i sryksnis w niej z nsśniksmi psdłsżswymi i spuszczenis reskrsrs przez wylsr.

23. Bioreaktar według zassic 18, znamienny tym, że nośniki podłożowe są zamocowane do zewnęrrznej ścisny ksmsry Sisreskrsrs.

24. Bio-eakro- według zas^z. 23, znamienny tym, że nośniki podłożowe są ułożone poziomo, pisnsws, uksśnie luS spirslnie.

25. Bisreskrsr według zsstrz. 18, zyarnieyyy tyii, że ksmora zSiersjącs zswiers e^me^^y umsżliwisjące pssywne luS czynne wejście gszu ds Sisreskrsrs.

26. Bioreaktar według zas^z. 25, znamienny tym, że gazem rest zanieczyszczone gsz pschsdzenis srgsnicznegs, gsz pschsdzenis niesrgsnicznegs, luS gsz niezsnieczyszczsny.

27. Bio-eakro-wedłuu zaatyz. 18, znamienny tym, że mikrΌO-ganizmami są drożżże, grzyby typu drsżdży, Sskrerie luS ich mieszsniny.

2,. Bisreskrsr według zssrrz. 27, zyaiieyyy tyi, że mikrssrgsnizmsmi są ksmórki drsżdży.

29. Bioreaktar według zas-trz. 28, znamienny tym. że komórki drożdży składają się z co najj mniej jednegs gsrunku ksmórek drsżdży.

PL 198 449 B1

30. Bioreaktor według zastrz. 27,znamienny tym, że mikroorganizmy są unieruchomione na nośnikach podłożowych as pomocą procesów tatnhaayhO lnb estnralayhO.

31. Bioreaatorweaługzaktrz.27, z namiennytym, że żkmyrkidduoede są unierugcomiooe ze nośnikach podłożowych, w waunnkacO aktywujących twouaania alikokaliktn.

37. BioreaStorweaługzaktrz.27, z namiennytym, że żkmyrkidrooede są unierughomiooe nn nośnikach podłoeowych aa pomocą środka tiktotropowago.

33. Bioreaktor według zastrz. 18, znamienny tym, że nośniki podłożowe są w/konane a polimaun.

34. BioreaStorweaługaaktrz.1 8, z namiennytym, żen nośiki pρOłoOewemąjąkkątaS ptimąk i s ą nmiaąacaona pionowo.