PL225780B1 - Sposób fermentacji brzeczki w bioreaktorze membranowym oraz układ do fermentacji brzeczki w bioreaktorze membranowym - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób fermentacji brzeczki membran w bioreaktorze membranowym oraz układ do fermentacji brzeczki z czyszczeniem membran w bioreaktorze membranowym.

Podczas filtracji fermentujących roztworów w bioreaktorze membranowym zachodzi konieczność okresowego usuwania osadów z powierzchni membran powstających podczas fermentacji roztworów.

Powstające w bioreaktorach roztwory pofermentacyjne wymagają dalszego rozdziału i oczys zczenia. W pierwszym etapie należy oddzielić mikroorganizmy, co jak przedstawiono w rozwiązaniach patentowych WO 01/25178 oraz WO 2004/101479 wykonuje się metodą wirowania lub separacji membranowej.

Połączenie bioreaktora z separatorem membranowym pozwala selektywnie wydzielić produkty bioreakcji oraz zatrzymać wewnątrz bioreaktora mikroorganizmy oraz część pożywek i substratów. Przykładowe rozwiązanie z selektywnym wydzielaniem oczyszczonej wody przedstawiono w opisie patentowym US 2010/0140167 „Water reclamation without biosludge production”. W rozwiązaniu zastosowano moduły z membranami zanurzeniowymi, co pozwala uzyskiwać dobrą wydajność modułu nawet przy wysokim stężeniu biomasy. Mikroorganizmy oraz inne separowane składniki akumulują się na powierzchni membran (fouling), co zmniejsza wydajność modułu. Zjawisko to eliminuje się stosując cykliczny proces czyszczenia membran. W rozwiązaniu zanieczyszczenie membran ograniczono poprzez zwiększenie turbulencji przepływu wody. Efekt oczyszczania powierzchni membran wzmocniono poprzez rozproszenie w cieczy pęcherzyków gazu, głównie powietrza. Takie rozwiązanie zapropon owano także w patencie CA 2342346 Al (US6524481) „Apparatus and method for cleaning membrane filtration modules”.

Oczyszczanie hydrodynamiczne, jak w powyższych rozwiązaniach, jest z reguły zbyt mało wydajne, aby zapewnić długotrwałą czystość powierzchni membran. Z tego względu dodatkowo periodyczne stosuje się czyszczenie chemiczne. W przypadku filtracji roztworów biologicznych, jak brzeczki fermentacyjne, do czyszczenia chemicznego stosuje się roztwory alkaliczne zawierające oprócz zasad także wiele innych składników, jak w patencie CN103041709 „Ultrafiltration membrane cleaning metod”. Typowy cykl takiego czyszczenia zawiera wstępne mycie modułu wodą, czyszczenie ś rodkami chemicznymi i ponowne płukanie modułu wodą. W efekcie tych procedur powstają znaczne ilości ścieków. Problem ten rozwiązano stosując sposób według wynalazku.

Wynalazek dotyczy takiego sposobu prowadzenia fermentacji brzeczki i układu do fermentacji brzeczki, który umożliwia czyszczenie membran podczas fermentacji.

Sposób fermentacji brzeczki, według wynalazku, w bioreaktorze membranowym w którym fermentującą brzeczkę, stanowiącą nadawę, recyrkuluje się przez zewnętrzny moduł membranowy w którym jest filtrowana, a moduł membranowy periodycznie czyści się rozpoczynając czyszczenie od zamknięcia odpływu permeatu z modułu i maksymalnego zmniejszenia ciśnienia po stronie nadawy oraz zamknięcia dopływu do modułu brzeczki z bioreaktora charakteryzuje się tym, że otwiera się dopływ roztworu NaOH do modułu membranowego, który to roztwór przetłacza się po stronie nadawy wypierając znajdującą się w nim brzeczkę, która kieruje się do bioreaktora do momentu, gdy nadawa na wypływie z modułu uzyska wartość pH powyżej 8. Odcina się przepływ nadawy do bioreaktora, a otwiera przepływ do zbiornika NaOH. Następnie recyrkuluje się roztwór NaOH przez moduł membranowy do momentu odzyskania wymaganej jego wydajności, po czym zamyka się dopływ NaOH, a otwiera dopływ brzeczki. Brzeczka wypiera roztwór NaOH z modułu membranowego. W momencie stwierdzenia spadku wartości pH na wylocie z modułu zamyka się odpływ do zbiornika NaOH, a otwiera przepływ do bioreaktora, po czym dla wznowienia filtracji otwiera się wylot permeatu i ustawia wymagane ciśnienie po stronie nadawy, natomiast używany do płukania roztwór NaOH wykorzystuje się do stabilizacji pH brzeczki w bioreaktorze. Korzystnie roztwór NaOH wykorzystuje się kilkakrotnie do płukania modułu. Na okres płukania modułu wyłącza się podawanie NaOH do bioreaktora i prowadzi fermentację bez stabilizacji pH brzeczki.

Układ do fermentacji brzeczki, według wynalazku, w bioreaktorze membranowym z filtracją brzeczki w zewnętrznym module membranowym, zawierający bioreaktor połączony z układem regulacji pH składających się z czujnika pH, pompy dozującej, zbiornika NaOH, obieg do recyrkulacji roztworu NaOH przez moduł membranowy, zawory, manometr, charakteryzuje się tym, że układ regulacji pH oraz obieg recyrkulacji NaOH połączone są z tym samym zbiornikiem NaOH. Zbiornik NaOH połączoPL 225 780 B1 ny jest poprzez dozownik NaOH z bioreaktorem, w którym znajduje się czujnik pH połączony ze sterownikiem dozownika NaOH.

Zbiornik NaOH poprzez drugi zawór i pompę połączony jest z wlotem do modułu membranowego i dalej poprzez czwarty zawór z obiegiem powrotnym do zbiornika NaOH, a czwarty zawór podłączony jest do trójnika przed którym znajduje się czujnik pH, a za trójnikiem, na rurze powrotu do bior eaktora zamontowany jest trzeci zawór.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala na okresowe czyszczenie membran w trakcie fermentacji brzeczki. Eliminuje płukanie modułu wodą przed czyszczeniem i po czyszczeniu, co w rezultacie powoduje iż nie powstają ścieki z mycia membran.

Rozwiązanie według wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania i na rysunku, który przedstawia schematycznie układ do prowadzenia fermentacji z oczyszczaniem membran według wynalazku. Przykład pierwszy jest przykładem porównawczym, w którym wykazano wpływ wartości pH brzeczki na żywotność bakterii, a przykład 2 wskazuje jakie ilości NaOH należy dodać aby uzyskać dane wartości pH.

P r z y k ł a d 1

Do badań zastosowano bioreaktor o objętości 2 L (LiFlusGX, Biotron Inc, Korea). Stosując bakterie Citrobacter freundii prowadzono fermentacje glicerolu przez okres trzech dni, w temperaturze 300 K i przy pH=7. Stałą wartość pH utrzymywano dozując do brzeczki 10 molowy roztwór NaOH. Chwilowe wzrosty pH nie przekraczały wartości 7,2. Litr roztworu przygotowanego do fermentacji 3,4 g, KH2PO4-1.3 g, MgSO4-7H₂O 0,4 g, (NH^SO^ g, CaCl₂-2H₂O 0,1 g oraz CoCl₂-6H₂O 0,004 g.

Liczebność komórek badano standardową metodą posiewów i określano wartością CFU/ml. J ako podłoże zastosowano agar MRS (BTL, Poland), a inkubację prowadzono przez 24 h w 303 K. Lic zba bakterii dla hodowli przy pH = 7 wynosiła od 4E + 12 do 5 E + 12.

W celu zbadania wpływu pH na żywotność bakterii w bioreaktorze trzeciego dnia fermentacji zwiększano odpowiednio dozowanie NaOH i co 30 minut pobierano próbki do posiewów. Uzyskane wyniki zamieszczono w tabeli 1.

T a b e l a 1

Wartość pH brzeczki	t = 0 pH = 7	t = 30 min	t = 60 min
7,0	4,23E + 12	4,42E + 12	4,47E + 12
8,5	4,12E + 12	1,68E + 12	6,74E + 11
9,1	4,61E + 12	5,25E + 11	3,58E + 10
10,0	4,01E + 12	0	0

P r z y k ł a d 2

Do próbek roztworu po trzech dniach fermentacji z przykładu 1, o wartości pH = 7, dozowano roztwór NaOH (o stężeniu 5 moli/L). W tabeli 2 przedstawiono uzyskane wartości pH w zależności od ilości dodanego roztworu zasady do jednego litra brzeczki.

T a b e l a 2

Wartość pH	8,5	9,4	10
NaOH 5M [g/L brzeczki]	4,45	10,5	13,5

P r z y k ł a d 3

Zastosowano układ zawierający bioreaktor 1 połączony z układem regulacji pH oraz obieg recyrkulacji NaOH, które połączone są z tym samym zbiornikiem NaOH 4. Układ regulacji pH składa się ze zbiornika NaOH 4, który połączony jest poprzez dozownik NaOH 3 z bioreaktorem 1, w którym znajduje się czujnik pH 2 połączony ze sterownikiem dozownika NaOH 3. Obieg recyrkulacji NaOH składa się ze zbiornika NaOH 4, który poprzez zawór Z2 i pompę 5 połączony jest z wlotem do modułu membranowego 6 i dalej poprzez zawór Z4 z obiegiem powrotnym do zbiornika NaOH 4. Zawór Z4 podłączony jest do trójnika, przed którym znajduje się czujnik pH 7, a za trójnikiem, na rurze powrotu do bioreaktora 1 zamontowany jest zawór Z3.

Trzy litry brzeczki, o składzie jak w przykładzie 1, umieszczono w bioreaktorze 1 o pojemności 4 L. Fermentację prowadzono w temperaturze 300 K i pH=7 utrzymywanym przez układ regulacji pH

PL 225 780 B1 dozujący automatycznie 2% NaOH ze zbiornika NaOH 4. Po dobie fermentacji stężenie glicerolu w brzeczce zmniejszyło się z 20 do 0,3 g/L. Po dobie prowadzenia fermentacji włączono pompę 5 i rozpoczęto filtrację brzeczki w module membranowym 6. Podczas filtracji systematycznie dozowano do bioreaktora 1 glicerol, utrzymując jego stężenie w zakresie 0,5-1 g/L. W module membranowym 6 zamontowano membranę ceramiczną firmy TAMI (Francja), o średnicy 10/6 mm i długości 25 cm i stopniu zatrzymania 350 Daltonów. Brzeczkę pobieraną poprzez otwarty pierwszy zawór Z1 tłoczono pompą 5 przez moduł membranowy 6 z natężeniem 400 L/h, a ciśnienie na wylocie z modułu, ustawione trzecim zaworem Z3, wynosiło 0,4 MPa, natomiast piąty zawór Z5 odpływu permeatu był całk owicie otwarty.

Po dwóch godzinach filtracji wydajność modułu membranowego 6 zmniejszyła się ze 170 do

L/m h i proces filtracji prowadzono przez kolejne 7 godzin, uzyskując końcową wydajność ₂

L/m h. Następnie wyłączono układ stabilizacji pH i zamknięto piaty zawór Z5 i całkowicie otworzono trzeci zawór Z3, przez co wskazania ciśnienia na manometrze P spadły prawie do zera, oraz zamknięto pierwszy zawór Z1 i otworzono drugi zawór Z2 i pompą 5 podawano roztwór zasady ze zbiornika NaOH 4, który to roztwór przetłaczano po stronie nadawy wypierając znajdującą się w nim brzeczkę, którą kieruje się do bioreaktora 1. Po wzroście pH na wypływie z modułu membranowego 6 powyżej pH = 8, mierzonego drugim czujnikiem pH 7, zamknięto trzeci zawór Z3 i otworzono czwarty Z4, przez co roztwór NaOH powracał do zbiornika NaOH 4. Wartość pH w bioreaktorze 1 wzrosła do 7,5. Recyrkulację NaOH prowadzono przez 30 min, po czym otworzono pierwszy zawór Z1 a zamknięto drugi zawór Z2. Gdy mierzona pH-metrem 7 wartość pH zmniejszyła się poniżej 9, trzeci zawór Z3 otworzono, a zamknięto czwarty zawór Z4. W efekcie płukania wydajność modułu wzrosła do ₂

169 L/m²h. Podczas płukania dozownik NaOH 3 był wyłączony, w rezultacie pH brzeczki w bioreaktorze 1 zmniejszyła się do 6,1. Po wznowieniu pompowania brzeczki jej pH w bioreaktorze 1 wzrosła do wartości 8,1, po czym systematycznie wartość pH zmniejszała się i gdy zbliżyła się do poziomu pH = 7 włączono układ regulacji pH. Do bioreaktora 1 dodano 60 g glicerolu i fermentację kontynuowano przez kolejną dobę, uzyskując końcowe stężenie glicerolu 1,2 g/L i 21 g/L głównego produktu 1,3-propanodiolu. Następnie ponownie uruchomiono pompę 5 i prowadzono filtrację w module membra₂ nowym 6, którą zakończono po pięciu godzinach, przy wydajności zmniejszonej do 27 L/m h. Następnie opisanym powyżej sposobem przeprowadzono 30 minutowe płukanie roztworem NaOH pozosta₂ łym w zbiorniku NaOH 4 z dnia poprzedniego, w efekcie uzyskując wydajność modułu 170 L/m h. Do bioreaktora 1 dodano 40 g glicerolu i fermentację kontynuowano, stosując roztwór NaOH po płukaniu modułu jako roztwór zasilający dozownik NaOH 3.

P r z y k ł a d 4

Zastosowano bioreaktor membranowy i warunki filtracji jak w przykładzie 3. Proces fermentacji prowadzono przez dobę, uzyskując końcowe stężenie glicerolu 0,4 g/L i 8,7 g/L 1,3-propanodiolu. Następnie uruchomiono proces filtracji brzeczki, którą prowadzono przez 180 minut, w efekcie czego wydajność modułu membranowego 6 zmniejszyła się ze 177 do 22,3 L/m h. Następnie wymieniono brzeczkę na wodę destylowaną i dla wody wydajność modułu wzrosła do 77,4 L/m h. Następnie jak w przykładzie 3 włączono przepływ zasady ze zbiornika 4 i moduł płukano 1% roztworem NaOH przez 15 min, w efekcie wydajność modułu membranowego 6 wzrosła do 140 L/m h, a po kolejnych 15 min płukania NaOH odzyskano wydajność początkową modułu.

P r z y k ł a d 5

Prowadzono fermentację glicerolu jak w przykład 1, z tą różnicą że jako roztwór zobojętniający zastosowano roztwór NaOH po płukaniu instalacji filtracyjnej z przykład 3, do którego dodano NaOH do stężenia 5 moli/L. Podczas fermentacji utrzymywano pH=7, a jej przebieg i uzyskane stężenia pr oduktów były podobne do wyników poprzednich fermentacji, w których zastosowano czysty roztwór NaOH.

Claims (6)

1. Sposób fermentacji brzeczki w bioreaktorze membranowym, w którym fermentującą brzeczkę stanowiącą nadawę, recyrkuluje się przez zewnętrzny moduł membranowy, w którym jest filtrowana, a moduł membranowy periodycznie czyści się rozpoczynając czyszczenie od zamknięcia odpływu permeatu z modułu i maksymalnego zmniejszenia ciśnienia po stronie nadawy oraz zamknięcia dopływu do modułu brzeczki z bioreaktora, znamienny tym, że otwiera się dopływ roztworu NaOH do modułu membranowego, który to roztwór przetłacza się po stronie nadawy wypierając znajdującą się w nim brzeczkę, którą kieruje się do bioreaktora do momentu, gdy nadawa na wypływie z modułu uzyska wartość pH powyżej 8, po czym odcina się jej przepływ do bioreaktora, a otwiera przepływ do zbiornika NaOH, następnie recyrkuluje się roztwór NaOH przez moduł membranowy do momentu odzyskania jego wymaganej wydajności, po czym zamyka się dopływ NaOH a otwiera dopływ brzec zki, która wypiera roztwór NaOH z modułu i w momencie stwierdzenia spadku wartości pH na wylocie z modułu membranowego zamyka się odpływ do zbiornika NaOH, a otwiera przepływ do bioreaktora, po czym dla wznowienia filtracji otwiera się wylot permeatu i ustawia wymagane ciśnienie po stronie nadawy, natomiast używany do płukania roztwór NaOH wykorzystuje się do stabilizacji pH brzeczki w bioreaktorze.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że roztwór NaOH wykorzystuje się kilkakrotnie do płukania modułu.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że na okres płukania modułu wyłącza się podawanie NaOH do bioreaktora i prowadzi fermentację bez stabilizacji pH brzeczki.

4. Układ do fermentacji brzeczki w bioreaktorze membranowym z filtracją brzeczki w zewnętrznym module membranowym, jak określono w zastrz. 1-3 zawierający bioreaktor połączony z układem regulacji pH składającym się z czujnika pH, pompy dozującej, zbiornika NaOH, obieg do recyrkulacji roztworu NaOH przez moduł membranowy, zawory, manometr, znamienny tym, że układ regulacji pH oraz obieg recyrkulacji NaOH połączone są z tym samym zbiornikiem NaOH (4).

5. Układ według zastrz. 4, znamienny tym, że zbiornik NaOH (4) połączony jest poprzez dozownik NaOH (3) z bioreaktorem (1), w którym znajduje się czujnik pH (2) połączony ze sterownikiem dozownika NaOH (3).

6. Układ według zastrz. 4, znamienny tym, że zbiornik NaOH (4) poprzez drugi zawór (Z2) i pompę (5) połączony jest z wlotem do modułu membranowego (6) i dalej poprzez czwarty zawór (Z4) z obiegiem powrotnym do zbiornika NaOH (4), a czwarty zawór Z4 podłączony jest do trójnika przed którym znajduje się czujnik pH (7), a za trójnikiem, na rurze powrotu do bioreaktora (1) zamontowany jest trzeci zawór (Z3).