PL217366B1 - Bioreaktor membranowy do fermentacji z destylacją membranową - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest konstrukcja bioreaktora membranowego do prowadzenie procesu fermentacji z wydzielaniem produktów metodą destylacji membranowej.

Znane są bioreaktory połączone z układem do separacji membranowej, tak zwane bioreaktory membranowe. Nazwa ta obejmuje rozwiązania, które istotnie różnią się nie tylko konstrukcją, ale także sposobem działania. W pierwszej grupie separator membranowy pełni funkcję etapu oczyszczania. Przykładem jest rozwiązanie opisane w patencie PL 178667, gdzie mikrofiltrację zastosowano do wstępnego usunięcia ze ścieku emulsji związków ropopochodnych, a filtrat ze związkami rozpuszczonymi oczyszczano w kolejnym stopniu metodą biologiczną. Drugą grupę stanowią rozwiązanie, w których separator membranowy służy do zatrzymania w bioreaktorze mikroorganizmów. Zazwyczaj proces membranowy prowadzi się w oddzielnej instalacji, przez którą recyrkuluje się zawartość bioreaktora. W rozwiązaniach tych stosuje się moduły membranowe do realizacji procesu mikro- lub ultrafiltracji, uzyskując zatrzymanie biomasy wewnątrz reaktora a odbierając filtrat. Wadą takiego rozwiązania jest obecność w filtracie obok produktów także nieprzereagowanych surowców. Wariantem tego rozwiązania są bioreaktory z membranami zanurzonymi, jak opisane w patencie PL 203416. Wiązki luźno wiszących membran kapilarnych umieszczono bezpośrednio w zbiorniku bioreaktora, w którym oczyszczano wodę lub ścieki metodą biologiczną. Wewnątrz kapilar wytwarzano podciśnienie, co powodowało filtrację wody przez ścianki membran, a mikroorganizmy zatrzymywały się na zewnętrznej powierzchni membran. Metodą barbotażu powietrza wprawiano wiązki kapilar w falowanie, co powodowało częściowe usunięcie utworzonego osadu mikroorganizmów. Dodatkowo membrany czyszczono stosując przepływ wsteczny czystej wody.

W trzeciej grupie bioreaktorów membrany stosowane są do selektywnego wydzielania wybranych składników brzeczki. W przypadku lotnych produktów, jak alkohole, można je selektywnie odparować przez membrany a mikroorganizmy, substraty i pożywki zatrzymać w bioreaktorze, co pozwala zmniejszyć straty produkcyjne. Do metod separacji selektywnej należy perwaporacja (PV). Przykłady jej zastosowania przedstawiono w patentach: US 5 167 825 oraz US 4 960 519. W procesie PV stosuje się nieporowate membrany, których materiał wykazuje selektywną sorpcję etanolu, a w znikomym stopniu chłonie wodę. Zaadsorbowany w membranie alkohol odparowuje po jej drugiej stronie, gdzie jest wykraplany. Taki mechanizm pozwala uzyskać wysokie wartości współczynnika wzbogacenia. Wadą są trudności z utrzymaniem po drugiej stronie membrany próżni, która jest niezbędna do uzyskania efektu odparowania alkoholu. Ponadto, w przypadku wydzielania etanolu z roztworów czynnych biologicznie membrany PV ulegają szybkiemu zniszczeniu.

Do separacji fermentujących roztworów można zastosować destylację membranową (MD). Z opisu patentowego PL 187817 znany jest układ do fermentacji połączony z instalacją MD, którą zastosowano do ciągłego wydzielania produkowanego alkoholu. W rozwiązaniu zastosowano membrany uformowane w kształcie cienkich porowatych rurek, wykonanych z polipropylenu. Zadaniem zamontowanych membran jest utrzymywanie szczeliny gazowej pomiędzy fermentującym roztworem i skroplonym roztworem alkoholu. Membrany nie są zwilżane przez fermentujący roztwór jak i otrzymywany roztwór alkoholu. Wyklucza to filtrację stosowaną w typowych bioreaktorach membranowych. W patencie membrany kapilarne zamontowano w pozycji pionowej, a fermentująca brzeczka przepływała wewnątrz kapilar, natomiast roztwór chłodzący przestrzenią pomiędzy membranami kapilarnymi.

W powyższym rozwiązaniach nie można od razu odebrać powstających w bioreaktorze produktów, które są wydzielane w zewnętrznych instalacjach membranowych, a ich gromadzenie w reaktorze zmniejsza efektywność procesu biologicznego. Problem ten można rozwiązać wprowadzając separator membranowy bezpośrednio do wnętrza bioreaktora.

Bioreaktor membranowy do fermentacji z destylacją membranową według wynalazku zawierający wymiennik ciepła, pompy i zbiorniki oraz komorę z membranami kapilarnymi wyposażoną w króćce i przelewy, charakteryzuje się tym, że ma komorę wyposażoną w przelew znajdujący się w odległości nie mniej niż 0,15 m od górnej krawędzi komory oraz w króćce boczne: górny usytuowany co najmniej 0,005 m poniżej dolnej krawędzi przelewu i dolny. Średnica przelewu wynosi co najmniej 0,012 cm i jest tak dobrana, aby wypływająca ciecz zajmowała nie więcej jak połowę jego przekroju. Wewnątrz komory rozmieszczone są równomiernie hydrofobowe membrany kapilarne, a ich końcówki zamocowane są w sposób szczelny w górnym i dolnym króćcu bocznym. Króćce boczne: górny i dolnym połączone są w obieg zamknięty przez wymiennik ciepła i pompę, a przelew połączony jest zgiętą ku dołowi rurą przelewu ze zbiornikiem buforowym. Zbiornik buforowy wyposażony jest w płaszcz

PL 217 366 B1 grzejny i połączony jest poprzez pompę cyrkulacyjną z dolnym wejściem do komory, umiejscowionym poniżej dolnego króćca bocznego. Nad zbiornikiem buforowym znajduje się zbiornik zasilający, z dna którego wyprowadzona jest rura zasilania wprowadzona co najmniej 0,1 m w głąb zbiornika buforowego, przy czym dolna krawędź rury przelewu znajduje się przynajmniej 0,05 m poniżej dolnej krawędzi rury zasilania. Komora ma dno stożkowe zakończone zaworem spustowym, zaś na górze ma króciec odpowietrzający zamknięty zaworem sprężającym. Hydrofobowe membrany kapilarne zamocowano umieszczając je w siatkach mieszających zamontowanych w poprzek komory. Jako hydrofobowe membrany kapilarne stosuje się membrany polipropylenowe.

Wynalazek jest bliżej objaśniony w zamieszczonych przykładach i na rysunku przedstawiającym schemat bioreaktora.

P r z y k ł a d 1

Bioreaktor ma komorę 1 wykonaną z rury szklanej o długości 1,3 m i średnicy 0,05 m. W odległości 0,15 m od górnego końca rury wykonano przelew 11 przez zamocowanie króćca o średnicy wewnętrznej 0,012 m. Po przeciwległej stronie komory 1 zamocowano dwa króćce boczne: górny 3 i dolny 4, każdy o średnicy 0,02 m, pierwszy umieszczony 0,005 m poniżej dolnej krawędzi przelewu 11, a następny 0,90 m poniżej. Wewnątrz komory 1 zamocowano 12 membran polipropylenowych 2, o średnicy dz/dw = 0,0026/0,0018 mm, o porowatości 70% i średnicy porów 0,2 mikrometra. Hydrofobowe membrany kapilarne 2 równomiernie rozmieszczono w przekroju komory 1, przekładając je przez oczka trzech siatek mieszających 17, umiejscowionych w poprzek komory 1 w odległości 0,3 m od siebie nawzajem. Końce hydrofobowych membran kapilarnych 2 wyciągnięto na zewnątrz przez króćce boczne 3 i 4 i wklejono szczelnie w tulei PCV wciśniętej na króćce. Na te tuleje założono węże PCV, których drugie końce przyłączono do płaszczowo-rurowego wymiennika ciepła 8 o po₂ wierzchni 0,05 m². Wymiennik ciepła posiadał także odprowadzenie destylatu 9. Do przestrzeni międzyrurowej wymiennika ciepła 8 podłączono wodę kranową, jako medium chłodzące. Pomiędzy wymiennikiem ciepła 8 a dolnym króćcem bocznym 4 zamontowano pompę 7 perystaltyczną o wydajności 8,3-10^-6 m³/s. Zbiornik buforowy 16 w postaci butli szklanej (0,002 m³) umiejscowiono w termostacie pełniącym rolę płaszcza grzejnego 18. Poprzez korek zbiornika buforowego 16 wyprowadzono dwie rurki o średnicy 0,012 m, uzyskując rurę przelewu 12 i rurę zasilania 14. Rurę przelewu 12 połączono z przelewem, a rurę zasilania 14 wprowadzono do korka szczelnie zamykającego zbiornik zasilający 13, który wykonano w postaci 1 litrowej kolby zamontowanej bezpośrednio nad zbiornikiem buforowym 16. Zbiornik zasilający posiadał także zawór zasilania 15. Rura zasilania 14 wchodziła 0,1 m w głąb zbiornika buforowego 16, a rurę przelewu 12 wprowadzono do tego zbiornika 0,05 m głębiej. Odpływ ze zbiornika buforowego 16 poprzez pompę cyrkulacyjną 6 połączono z wlotem do komory 1, umiejscowionym 0,05 m poniżej dolnego króćca bocznego 4, przez który wyprowadzono dolne końce hydrofobowych membran kapilarnych 2. Komora 1 od góry była zamknięta korkiem gumowymi z jednym otworem, w którym zamocowano wężyk o średnicy 0,006 m, który wprowadzono do kolby wypełnionej wodą destylowaną (słup 0,250 m H2O), co pozwoliło uzyskać funkcję zaworu sprężającego 10. Na dole komorę 1 uformowano w kształt stożka, zakończanego zaworem spustowym 5.

Zastosowany roztwór do fermentacji zawierał 100 kg/m³ sacharozy oraz 5 kg/m³ liofilizowanych drożdży gorzelnianych. Do sporządzenia roztworu zastosowano tandylizowaną wodę kranową. Kąpiel w termostacie, który pełnił rolę płaszcza grzejnego 18, miała temperaturę 310 K. Na początku procesu obieg chłodzący wnętrze hydrofobowych membran kapilarnych 2 napełniono wodą destylowaną, która w wymienniku ciepła 8 schłodziła się do 293 K. Zbiornik zasilający 13 poprzez zawór zasilający 15 ₃ napełniono wodą z rozpuszczonym cukrem (100 kg/m³). Do analizy składu otrzymywanego destylatu i fermentującego roztworu zastosowano metody chromatograficzne. Proces fermentacji prowadzono przez 5 dni, bez problemów z hydrauliką systemu. Ciecz w przelewie 11 zajmowała około połowy jego przekroju, a powstająca piana swobodnie spływała do zbiornika buforowego 16, zanikając w trakcie tego spływu.

Wydzielanie przez membrany etanolu pozwalało utrzymać niskie stężenie alkoholu w brzeczce, ₃ poniżej 30 kg etanolu/m³, a uzyskiwany współczynnik wzbogacenia destylatu wynosił 5 - 8. Uzyskiwa₃ no produktywność przekraczającą 2,5 kg etanolu/m³ brzeczki, a efektywność fermentacji wynosiła 90 - 96% wydajności teoretycznej.

Po zakończeniu procesu w bioreaktorze, na dole komory 1 zebrało się 0,07 m osadu komórek drożdży. Po otworzeniu dolnego zaworu spustowego 5 całość została wypchnięta na zewnątrz pod wpływem wypływającego roztworu.

PL 217 366 B1

P r z y k ł a d 2

Zastosowano instalację i warunki jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że zmniejszono do 0,007 m średnicę rury zasilającej 14 prowadzącej od zbiornika zasilającego 13. Średnica okazał się za mała i następowało blokowanie swobodnego wypływu roztworu cukru.

P r z y k ł a d 3

Zastosowano instalację i warunki jak w przykład 1 z tą różnicą, że zamontowano rurę przelewu 12, łączącą przelew 11 ze zbiornikiem buforowym 16, o średnicy 0,007 m. W trakcie procesu zauważono, że w przelewie 12 gromadzi się nadmierna ilość piany (pęcherzyki CO2 powstającego podczas fermentacji), co utrudniało spływ brzeczki z komory 1 do zbiornika buforowego 16.

Wykaz oznaczeń

- komora bioreaktora

- membrany kapilarne

- króciec boczny górny

- króciec boczny dolny

- zawór spustowy 6, 7 - pompy

- wymiennik ciepła

- odprowadzenie produkowanego destylatu

- zawór sprężający

- przelew

- rura przelewu

- zbiornik zasilający

- rura zasilania

- zawór zasilania

- zbiornik buforowy

17- siatki mieszające

- płaszcz grzejny

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Bioreaktor membranowy do fermentacji z destylacją membranową zawierający wymiennik ciepła, pompy i zbiorniki oraz komorę z membranami kapilarnymi wyposażoną w króćce i przelewy, znamienny tym, że ma komorę (1) wyposażoną w przelew (11) o średnicy co najmniej 0,012 m, znajdujący się w odległości nie mniej niż 0,15 m od górnej krawędzi komory (1) oraz w króćce boczne, górny (3) usytuowany co najmniej 0,005 m poniżej dolnej krawędzi przelewu (11) i dolny (4), przy czym hydrofobowe membrany kapilarne (2) rozmieszczone są równomiernie w komorze (1), a ich końcówki zamocowane są w sposób szczelny w górnym (3) i dolnym (4) króćcu bocznym, zaś króćce (3) i (4) połączone są w obieg zamknięty przez wymiennik ciepła (8) i pompę (7), a przelew (11) połączony jest zgiętą ku dołowi rurą przelewu (12) ze zbiornikiem buforowym (16), połączonym poprzez pompę cyrkulacyjną (6) z dolnym wejściem do komory (1), umiejscowionym poniżej dolnego króćca bocznego (4), przy czym nad zbiornikiem buforowym (16) znajduje się zbiornik zasilający (13), z dna którego wyprowadzona jest rura zasilania (14) wprowadzona co najmniej 0,1 m w głąb zbiornika buforowego (16), przy czym dolna krawędź rury (12) znajduje się przynajmniej 0,05 m poniżej dolnej krawędzi rury zasilania (14), a komora (1) ma dno stożkowe zakończone zaworem spustowym (5), zaś na górze ma króciec odpowietrzający zamknięty zaworem sprężającym (10).
2. 2. Bioreaktor membranowy według zastrz. 1, znamienny tym, że hydrofobowe membrany kapilarne (2) zamocowano umieszczając je w siatkach mieszających (17) zamontowanych w poprzek komory (1).
3. 3. Bioreaktor membranowy według zastrz. 1, znamienny tym, że zbiornik buforowy (16) wyposażony jest w płaszcz grzejny (18).
4. 4. Bioreaktor membranowy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że jako hydrofobowe membrany kapilarne (2) stosuje się membrany polipropylenowe.