RU127073U1 - Устройство для выделения летучих продуктов из ферментационных сред - Google Patents

Abstract

1. Устройство для выделения летучих продуктов из ферментационных сред, характеризующееся тем, что оно содержит биореактор, узел подачи газа, первапорационный разделительный блок, обратный холодильник, циркуляционный термостат и вакуумированный сборник продукта, причем узел подачи газа подсоединен к входу биореактора, выход по газу которого подключен к первапорационному разделительному блоку, связанному по выходу газа с обратным холодильником, выходы которого по осушенному газу подсоединены к линии сброса осушенного газа и линии рецикла в узел подачи газа, а по конденсату по линии возврата конденсата - к первапорационному разделительному блоку, выходы которого по ретентату и пермеату подсоединены соответственно к биореактору и к вакуумированному сборнику продукта, при этом циркуляционный термостат связан с вакуумированным сборником продукта и первапорационным разделительным блоком линиями циркуляции теплоносителя.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первапорационный разделительный блок выполнен в виде корпуса с рубашкой термостатирования, в полости которого размещена, по меньшей мере, одна половолоконная лиофильная первапорационная мембрана с нанесенным на ее внутреннюю поверхность гидрофильным покрытием.

Description

Полезная модель относится к области биотехнологии, в частности, к техническим средствам выделения летучих продуктов, например, этанола, ацетона, бутанола, из ферментационных сред.

Актуальность разработки подобного рода устройств объясняется тем, что при проведении биотехнологических процессов по получению ферментационных сред концентрация целевых летучих продуктов в ферментационной среде недостаточна для эффективного их выделения с помощью дистилляции или ректификации в связи с большим расходом энергии на нагрев ферментационных сред до температуры кипения.

Известно устройство для получения этанола путем ферментации и последующего выделения, состоящее из биореактора, мембранного клапана, первапорационной мембраны и водоселективной мембраны. Сущность работы указанного устройства заключается в том, при достижении минимальной требуемой концентрации этанола в биореакторе мембранный клапан открывается, ферментационная среда подается на первапорационную мембрану, пермеат конденсируется и обезвоживается с помощью водоселективной мембраны (JP 2005279455, 2005).

Недостатками указанного устройства являются низкая надежность, обусловленная непосредственным контактом первапорационной мембраны с ферментационной средой, что приводит к риску загрязнения мембраны, а также неизбежные потери этанола с пермеатом из-за неидеальной селективности водоселективной мембраны.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство выделения этанола, входящее в состав системы для переработки компонентов синтез-газа с получением жидких продуктов, состоящее из фильтрующего блока, вакуумной ректификационной колонны, компрессора, теплообменника сжатых паров, двух водоселективных первапорационных мембран, теплообменника продукта (WO 2009108503, 2009). Принцип работы известного устройства заключается в том, ферментационная среда фильтруется, подвергается вакуумной ректификации, пары с верха колонны сжимаются компрессором, направляются через теплообменник сжатых паров на первую мембрану для отделения воды первапорацией, пермеат первой мембраны возвращается в биореактор, а обогащенный этанолом ретентат направляется на вторую мембрану. Пермеат второй мембраны возвращается в ректификационную колонну, а ретентат охлаждается теплообменником продукта и представляет собой целевой продукт - этанол.

Недостатками известного устройства являются низкая надежность, обусловленная применением фильтрующего блока для отбора жидкой ферментационной среды, и высокий расход энергии, обусловленный необходимостью компримирования паров, отбираемых с верха колонны, для осуществления процесса мембранного разделения.

Задачей предлагаемой полезной модели является разработка устройства для выделения летучих продуктов из ферментационных сред, обеспечивающего повышение надежности работы устройства за счет исключения непосредственного контакта разделяющей мембраны с ферментационной средой и снижение энергозатрат за счет исключения стадий компримирования продукта.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для выделения летучих продуктов из ферментационных сред содержит биореактор, узел подачи газа, первапорационный разделительный блок, обратный холодильник, циркуляционный термостат и вакуумированный сборник продукта, причем узел подачи газа подсоединен к входу биореактора, выход по газу которого подключен к первапорационному разделительному блоку, связанному по выходу газа с обратным холодильником, выходы которого по осушенному газу подсоединены к линии сброса осушенного газа и линии рецикла в узел подачи газа, а по конденсату по линии возврата конденсата к первапорационному разделительному блоку, выходы которого по ретентату и пермеату подсоединены, соответственно, к биореактору и к вакуумированному сборнику продукта, при этом циркуляционный термостат связан с вакуумированным сборником продукта и первапорационным разделительным блоком линиями циркуляции теплоносителя.

А также тем, что первапорационный разделительный блок выполнен в виде корпуса с рубашкой термостатирования, в полости которого размещена, по меньшей мере, одна половолоконная лиофильная первапорационная мембрана с нанесенным на ее внутреннюю поверхность гидрофильным покрытием.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1, показана принципиальная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 приведен вариант исполнения первапорационного блока.

Предлагаемое устройство состоит из узла подачи газа 1 в биореактор 2, первапорационного разделительного блока 3, обратного холодильника 4, вакуумируемого сборника продукта 5 и циркуляционного термостата 6. Сборник продукта 5 вакуумируется с помощью вакуумного насоса (на фиг.1 не показан). Биореактор 2 соединен с разделительным блоком 3 линией 7, по которой в разделительный блок 3 поступает газ, прошедший через биореактор 2. Разделительный блок 3 соединен с обратным холодильником 4 линией 8, по которой в холодильник подается газ, прошедший через разделительный блок 3. По линии 9 возврата конденсата из холодильника 4 в разделительный блок 3 возвращается конденсат. Разделительный блок 3 соединен с вакуумируемым сборником продукта 5 линией 10, по которой в сборник продукта самотеком поступает пермеат. По линии 11, соединяющей биореактор 2 и разделительный блок 3, в биореактор поступает ретентат. С помощью циркуляционного термостата 6 осуществляется охлаждение разделительного блока 3 и сборника продукта 5 за счет циркуляции теплоносителя по линиям 12. Выходы обратного холодильника 4 по осушенному газу подсоединены к линии сброса 13 и линией рецикла 14 в узел подачи газа 1.

Первапорационный разделительный блок 3 в варианте исполнения, показанном на фиг.2, состоит из корпуса 15, оснащенного рубашкой для термостатирования 16. В корпусе 15 установлена, по меньшей мере, одна лиофильная первапорационная мембрана 17, на внутренние поверхности которой нанесено гидрофильное покрытие 18.

Производительность первапорационного разделительного блока пропорциональна площади лиофильной мембраны. Для увеличения производительности первапорационного разделительного блока в него могут устанавливаться несколько половолоконных лиофильных мембран 17 с внутренним гидрофильным покрытием 18 таким образом, чтобы оси мембран 17 располагались параллельно оси корпуса разделительного блока, все внутренние объемы половолоконных мембран сообщались с биореактором 2 и обратным холодильником 4, а объем разделительного блока за пределами лиофильных мембран - с вакуумируемым сборником продукта 5.

Устройство работает следующим образом.

Газ, подаваемый с помощью узла подачи газа 1, барботируется через ферментационную среду в биореакторе 2, насыщаясь при этом водой и летучими продуктами биотехнологического процесса (этанолом, ацетоном или бутанолом). Газ по линии 7, насыщенный водой и летучими продуктами, проходит через первапорационный разделительный блок 3, в котором происходит частичная конденсация воды и летучих продуктов. Частично осушенный газ по линии 8 поступает в обратный холодильник 4. В холодильнике 4 происходит дальнейшая конденсация воды и летучих продуктов. Так как летучесть органических продуктов выше, чем летучесть воды, отношение содержания органических продуктов и воды в паровой фазе превышает отношение содержания органических продуктов и воды в ферментационной среде, и конденсат, образующийся в разделительном блоке 3 и холодильнике 4, обогащен органическими продуктами по сравнению с ферментационной средой. Через рубашку холодильника 4 циркулирует хладагент, температура которого поддерживается с помощью циркуляционного криостата (на фиг. не показан) на уровне не выше температуры биореактора, предпочтительно около +5°С. Через рубашку разделительного блока 3 циркулирует хладагент, температура которого поддерживается с помощью циркуляционного термостата 6 на уровне не выше температуры хладагента в рубашке холодильника 4, предпочтительно около -5°С. Конденсат по линии 9 возвращается в разделительный блок 3, где происходит испарение летучих органических продуктов через лиофильную первапорационную мембрану 17 в объем разделительного блока 3, сообщающегося с вакуумируемым сборником продукта 5. Летучие органические продукты, прошедшие через мембрану 17 в виде паров пермеата, конденсируются на стенках корпуса разделительного блока 15, образуя пермеат, который по линии 10 поступает в сборник продукта 5, расположенный в ванне циркуляционного термостата 6. Так как проницаемость лиофильной мембраны по отношению к органическим продуктам выше, чем по отношению к воде, пермеат 10 в сборнике продукта 5 обогащен органическими продуктами по сравнению с конденсатом 9, образующимся в разделительном блоке 3 и холодильнике 4. Обедненный органическими летучими продуктами ретентат по линии 11 возвращается в биореактор 2. Осушенный газ на выходе холодильника может быть направлен в линию сброса 13 или направлен на рецикл в линию 14.

Работа устройства иллюстрируется следующим примером.

В стерилизованный паром биореактор объемом 10 л помещают стерильную ферментационную среду (состав указан в г/л), содержащую глюкозу (30,0), дрожжевой экстракт (5,0), хлорид аммония (2,0), фосфат калия однозамещенный (1,0), сульфат магния семиводный (0,30) и дистиллированную воду. Осуществляют засев биореактора культурой дрожжей-продуцентов этанола. Ферментационную среду продувают стерильным диоксидом углерода, биореактор выдерживают при температуре 30,0°С в течение 24 часов, затем запускают устройство для выделения летучих продуктов из ферментационных сред и осуществляют барботаж стерильного диоксида углерода через биореактор. Поддерживают температуру хладагента в рубашке холодильника на уровне +5,0°С, а в рубашке разделительного блока на уровне -5,0°С. После включения вакуумного насоса выдерживают устройство для выделения летучих продуктов из ферментационных сред в рабочем режиме в течение 1 часа, затем отключают вакуумный насос, отбирают пробы ферментационной среды из биореактора, конденсата из холодильника и пермеата из сборника продукта. Содержание этанола составляет 41,3 г/л в ферментационной среде, 352 г/л в конденсате и 691 г/л в пермеате.

Предлагаемое устройство обладает следующими преимуществами: простота, обусловленная отсутствием клапанов и других движущихся частей, кроме деталей вакуумного насоса, высокая надежность работы, обусловленная отсутствием фильтрационных элементов и отсутствием контакта разделительной мембраны с ферментационной средой, пониженное потребление энергии, обусловленное отсутствием стадий компримирования паров продукта.

Claims (2)

1. Устройство для выделения летучих продуктов из ферментационных сред, характеризующееся тем, что оно содержит биореактор, узел подачи газа, первапорационный разделительный блок, обратный холодильник, циркуляционный термостат и вакуумированный сборник продукта, причем узел подачи газа подсоединен к входу биореактора, выход по газу которого подключен к первапорационному разделительному блоку, связанному по выходу газа с обратным холодильником, выходы которого по осушенному газу подсоединены к линии сброса осушенного газа и линии рецикла в узел подачи газа, а по конденсату по линии возврата конденсата - к первапорационному разделительному блоку, выходы которого по ретентату и пермеату подсоединены соответственно к биореактору и к вакуумированному сборнику продукта, при этом циркуляционный термостат связан с вакуумированным сборником продукта и первапорационным разделительным блоком линиями циркуляции теплоносителя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первапорационный разделительный блок выполнен в виде корпуса с рубашкой термостатирования, в полости которого размещена, по меньшей мере, одна половолоконная лиофильная первапорационная мембрана с нанесенным на ее внутреннюю поверхность гидрофильным покрытием.

Images