RU2064016C1 - Method for production of biomass of methane-oxidizing microorganisms and method for control of continuous process of production of biomass of methane-oxidizing microorganisms - Google Patents
Method for production of biomass of methane-oxidizing microorganisms and method for control of continuous process of production of biomass of methane-oxidizing microorganisms Download PDFInfo
- Publication number
- RU2064016C1 RU2064016C1 RU92008481A RU92008481A RU2064016C1 RU 2064016 C1 RU2064016 C1 RU 2064016C1 RU 92008481 A RU92008481 A RU 92008481A RU 92008481 A RU92008481 A RU 92008481A RU 2064016 C1 RU2064016 C1 RU 2064016C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- medium
- biomass
- growing
- methane
- concentration
- Prior art date
Links
Landscapes
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
- Treatment Of Sludge (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к микробиологической и медицинской промышленности, а именно к способам получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов, выращиваемых, в частности, на природном газе, а также к способам управления этим процессом. The invention relates to the microbiological and medical industries, in particular to methods for producing biomass of methane-oxidizing microorganisms grown, in particular, on natural gas, as well as to methods for controlling this process.
Процессы выращивания микроорганизмов, использующих в качестве источника углерода метан, в частности, из природного газа, осуществляются в водно-минеральной среде выращивания с подачей в нее метансодержащего газа, источника свободного кислорода, источников минерального питания, а также воды. В непрерывном процессе вода может частично или полностью быть повторно использована из технологического процесса получения образующихся в процессе роста микроорганизмов продуктов, в частности биомассы микроорганизмов, со стадий выделения этих продуктов, следующих после стадии выращивания микроорганизмов. Процессы выращивания микроорганизмов осуществляют при стабильных значениях рН среды выращивания и ее температуры в широком диапазоне давлений. The processes of growing microorganisms that use methane as a carbon source, in particular, from natural gas, are carried out in a water-mineral growing medium with the supply of methane-containing gas, a source of free oxygen, sources of mineral nutrition, as well as water. In a continuous process, water can be partially or completely reused from the technological process for obtaining products formed during the growth of microorganisms, in particular biomass of microorganisms, from the stages of isolation of these products following the stage of microorganism growth. The processes of growing microorganisms are carried out at stable pH values of the growing medium and its temperature over a wide pressure range.
Известны способы управления процессом выращивания метанокисляющих микроорганизмов, включающие стабилизацию тех или иных параметров процесса. Known methods of controlling the process of growing methane-oxidizing microorganisms, including the stabilization of certain process parameters.
Известен способ получения пищевых продуктов посредством выращивания одного микроорганизма или смеси микроорганизмов так, чтобы парциальное давление кислорода и общее давление в системе было таково, что парциальное давление растворенного кислорода превышало парциальное давление растворенного углерода настолько, чтобы их отношение превышало в 5 раз весовое стехиометрическое соотношение потребленного кислорода к потребленному метану, подаваемому в процесс выращивания в виде углеводородсодержащей жидкости (Патенты Англии 1320722, 1320723, кл. С 12 B 1/20, 1973). A known method of producing food products by growing one microorganism or a mixture of microorganisms so that the partial pressure of oxygen and the total pressure in the system is such that the partial pressure of dissolved oxygen exceeds the partial pressure of dissolved carbon so that their ratio exceeds 5 times the stoichiometric ratio of oxygen consumed to the consumed methane supplied to the growing process in the form of a hydrocarbon-containing liquid (Patents of England 1320722, 1320723, l. 12 B 1/20, 1973).
К недостаткам этого способа относится отсутствие условий, обеспечивающих безопасность ведения процесса, а в случае обеспечения безопасных условий ведения процесса по этому способу не достигаются эффективные процессы выращивания микроорганизмов как по использованию источников питания, так и по производительности и утилизации отходящих газов. The disadvantages of this method include the lack of conditions ensuring the safety of the process, and in the case of ensuring safe conditions for the process, this method does not achieve effective processes for growing microorganisms both in the use of power sources and in the productivity and utilization of exhaust gases.
Известен способ автоматического управления процессом выращивания микроорганизмов, согласно которому давление в аппарате регулируют в зависимости от концентрации растворенного кислорода, а расходы воздуха и метана регулируют в зависимости от общего давления в процессе, при этом поддерживают заданное оптимальное соотношение потоков метана и воздуха (А. с. СССР 810801). Способ реализуется подачей в процесс выращивания воздуха и метана в предельном для используемого аппарата количестве для обеспечения максимального массопереноса. В процессе выращивания измеряется парциальное давление (концентрация) растворенного кислорода. Для обеспечения необходимого уровня парциального давления растворенного кислорода заданными условиями выращивания регулируют общее давление процесса. A known method for automatically controlling the process of growing microorganisms, according to which the pressure in the apparatus is regulated depending on the concentration of dissolved oxygen, and the flow of air and methane are regulated depending on the total pressure in the process, while maintaining a given optimal ratio of methane and air flows (A. C. USSR 810801). The method is implemented by supplying the process of growing air and methane in a limit to the amount used for the apparatus to ensure maximum mass transfer. During the growing process, the partial pressure (concentration) of dissolved oxygen is measured. To ensure the required level of partial pressure of dissolved oxygen by the specified growing conditions, the total process pressure is regulated.
Способ осуществляют следующим образом. При изменении парциального давления (концентрации) растворенного кислорода в процессе выращивания микроорганизмов ниже нижнего значения в диапазоне оптимальных значений производится повышение давления процесса. Поскольку повышение давления приводит к снижению скорости движения потоков газовой фазы в среде выращивания (снижение объемной скорости подачи газовых потоков), для сохранения скорости газовых потоков на прежнем уровне и, следовательно, сохранения условий массообмена одновременно с повышением давления производят пропорциональное увеличение массовых потоков воздуха и метана, подаваемых в процесс, выдерживая соотношение этих потоков. При повышении парциального давления растворенного кислорода выше оптимального уровня производят снижение давления процесса с одновременным снижением расхода метана и воздуха. The method is as follows. When the partial pressure (concentration) of dissolved oxygen changes during the growth of microorganisms below the lower value in the range of optimal values, the process pressure increases. Since an increase in pressure leads to a decrease in the velocity of the gas phase flows in the growing medium (decrease in the volumetric flow rate of gas flows), in order to maintain the gas flow velocity at the same level and, therefore, to maintain mass transfer conditions, a proportional increase in the mass flows of air and methane simultaneously with an increase in pressure fed into the process, maintaining the ratio of these flows. When the partial pressure of dissolved oxygen is increased above the optimum level, the process pressure is reduced while the consumption of methane and air is reduced.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является "Усовершенствованный процесс ферментации с целью превращения метана в белковый продукт", патент Англии 1463295 (аналог заявка ФРГ Р2417848) с приоритетом 12.04.73. The closest technical solution to the invention is the "Advanced fermentation process for the conversion of methane into a protein product", patent of England 1463295 (analogue of the application of Germany R2417848) with priority 12.04.73.
В соответствии с этим способом осуществляют процесс выращивания метанокисляющих микроорганизмов в водно-минеральной среде с непрерывной подачей в процесс выращивания компонентов минерального и газового питания, причем рН среды выращивания поддерживается в пределах 5,5 7,0 подачей аммиака, гидроокиси аммония, гидроокиси натрия. Они могут служить азотным питанием для микроорганизмов и концентрация аммония в среде выращивания не должна превышать 300 мг/л, предпочтительно 2-100 мг/л. Выращенную биомассу концентрируют и сушат. Отходящей газ процесса культивирования, содержащий метан, утилизируют с получением энергии, используемой для обеспечения технологических потребностей процесса получения биомассы. In accordance with this method, the process of growing methane-oxidizing microorganisms in a water-mineral medium is carried out with continuously feeding mineral and gas components into the process of growing, and the pH of the growing medium is maintained within 5.5-7.0 by supplying ammonia, ammonium hydroxide, sodium hydroxide. They can serve as nitrogen nutrition for microorganisms and the concentration of ammonia in the growing medium should not exceed 300 mg / l, preferably 2-100 mg / l. The grown biomass is concentrated and dried. The waste gas from the cultivation process containing methane is disposed of to produce the energy used to meet the technological needs of the biomass process.
Недостатком способа является поддержание производительности процесса выращивания более низкой, чем максимально достижимая в тех же условиях, отсутствие рециркуляции газовых и жидкостных потоков, относительно высокие затраты на транспортировку отходящих газов в связи с тем, что процесс осуществлен при атмосферном давлении. The disadvantage of this method is to maintain the productivity of the growing process lower than the maximum achievable under the same conditions, the lack of recirculation of gas and liquid flows, the relatively high cost of transporting exhaust gases due to the fact that the process is carried out at atmospheric pressure.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение производительности процесса получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов. The problem to which the invention is directed, is to increase the productivity of the process for producing biomass of methane-oxidizing microorganisms.
Предлагаемое изобретение базируется на следующих основных теоретических и экспериментальных положениях. The present invention is based on the following basic theoretical and experimental provisions.
1. Оптимальный режим выращивания обеспечивается при поддержании оптимальных остаточных концентраций компонентов питания в среде выращивания, причем подача этих компонентов в процесс выращивания должна осуществляться пропорционально скорости роста (производительности процесса). 1. The optimal growing regime is ensured while maintaining optimal residual concentrations of food components in the growing medium, and the supply of these components to the growing process should be proportional to the growth rate (process productivity).
2. При осуществлении процесса выращивания со стабилизацией рН среды выращивания поток стабилизирующего рН вещества или раствора пропорционален скорости роста (производительности процесса). При этом любое изменение скорости роста вызывает наиболее быстрый отклик (минимальное запаздывание) в изменении величины потока, стабилизирующего рН среды выращивания микроорганизмов. 2. When carrying out the growing process with stabilization of the pH of the growing medium, the flow of the pH stabilizing substance or solution is proportional to the growth rate (process productivity). Moreover, any change in the growth rate causes the fastest response (minimal delay) in the change in the magnitude of the flow, stabilizing the pH of the medium for growing microorganisms.
3. Ограничение производительности процесса выращивания метанокисляющих микроорганизмов определяется ограничением скорости переноса кислорода из газовой фазы в среду выращивания. Увеличение скорости переноса кислорода достигается увеличением общего давления в среде выращивания. При этом, если возможности по скорости переноса кислорода превышают потребности в нем культуры при достигнутом значении скорости роста (производительности процесса), то концентрация растворенного кислорода достигает значений, превышающих оптимальные значения и ингибирующих рост выращиваемой культуры (снижающие производительность процесса). 3. The performance limitation of the process of growing methane-oxidizing microorganisms is determined by the limitation of the rate of oxygen transfer from the gas phase to the growth medium. An increase in the oxygen transfer rate is achieved by increasing the total pressure in the growing medium. At the same time, if the possibilities for oxygen transfer rate exceed the needs of the culture at the achieved growth rate (process productivity), then the concentration of dissolved oxygen reaches values that exceed the optimal values and inhibit the growth of the grown culture (reducing the productivity of the process).
Применение давления в процессе выращивания микроорганизмов выше атмосферного необходимо также для того, чтобы обеспечить транспортировку выходящей из процесса выращивания газовой смеси (с составом выше верхнего предела воспламеняемости забалластированных метанкислородных смесей) на энергетическую утилизацию. The use of pressure in the process of growing microorganisms above atmospheric is also necessary in order to ensure transportation of the gas mixture leaving the process of growing (with a composition above the upper flammability limit of ballasted methane-oxygen mixtures) for energy recovery.
4. Возврат отработанной среды выращивания после стадии концентрирования повышает экономическую эффективность процесса получения биомассы. При этом установлено, что до определенного уровня введение в процесс выращивания потока отработанной среды выращивания может стимулировать процесс выращивания (повышать производительность), а затем может приводить к снижению производительность. При этом оптимальное значение возвращаемого в процесс выращивания микроорганизмов зависит от многих неконтролируемых и неуправляемых факторов. 4. The return of the spent growing medium after the concentration stage increases the economic efficiency of the biomass production process. It was found that, to a certain level, the introduction of a cultivated growth medium into the growing process can stimulate the growing process (increase productivity), and then can lead to a decrease in productivity. At the same time, the optimal value of microorganisms returned to the process of growing depends on many uncontrolled and uncontrolled factors.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в процессе получения биомассы устанавливают величину потоков компонентов питания выращиваемых метанокисляющих микроорганизмов (подаваемых как в растворенном виде, так и газообразном) пропорционально потоку, подаваемому для стабилизации рН среды выращивания, а скорость протока жидкой фазы процесса (потока отбираемой из процесса выращивания суспензии, содержащей биомассу микроорганизмов) устанавливают также пропорционально потоку вещества, подаваемого в процесс для стабилизации рН среды выращивания микроорганизмов, при этом поток возвращаемой в процесс отработанной среды выращивания устанавливают пропорциональным скорости протока (потоку отбираемой из процесса суспензии) таким образом, чтобы обеспечить максимальное значение потока, подаваемого для стабилизации рН среды выращивания микроорганизмов, с периодической корректировкой коэффициентов пропорциональности по изменению величины потока, подаваемого для стабилизации рН среды выращивания, а давление процесса при этом поддерживают на минимальном уровне, необходимом для обеспечения оптимальной концентрации растворенного кислорода, но не ниже давления, необходимого для обеспечения эффективной транспортировки и энергетической утилизации отходящих из процесса выращивания газовых потоков. The essence of the proposed method lies in the fact that in the process of biomass production, the value of the flows of the nutrition components of the grown methane-oxidizing microorganisms (supplied both in dissolved form and gaseous) is established in proportion to the flow supplied to stabilize the pH of the growing medium, and the flow rate of the liquid phase of the process (selected flow from the process of growing a suspension containing biomass of microorganisms) is also established in proportion to the flow of the substance supplied to the process for stabilization the pH of the growth medium of microorganisms, while the flow returned to the process of the spent growing medium is set proportional to the flow rate (flow taken from the process of suspension) in such a way as to ensure the maximum value of the flow supplied to stabilize the pH of the growth medium of microorganisms, with periodic adjustment of the proportionality coefficients according to the change in the value the flow supplied to stabilize the pH of the growing medium, while the process pressure is kept to a minimum Necessary for ensuring an optimal dissolved oxygen concentration, but not below the pressure necessary to ensure efficient transport and energy recovery from exhaust gas streams cultivation process.
Эффективность способа получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов по предлагаемому способу складывается из совместного действия признаков, используемых в нем. The effectiveness of the method for producing biomass of methane-oxidizing microorganisms according to the proposed method consists of the combined action of the features used in it.
Поток, в частности водного раствора аммиака (аммиачной воды), подаваемый для стабилизации рН среды выращивания, значение которого изменяется за счет жизнедеятельности микроорганизмов, пропорционален производительности процесса выращивания, и его величина является оценкой производительности. При этом при любом изменении условий ведения процесса происходит изменение скорости роста микроорганизмов, вызывающее изменение величины потока, идущего на стабилизацию рН среды выращивания, причем изменение величины этого потока дает наиболее быстрый отклик по сравнению с другими технологическими характеристиками процесса, показывающими тенденцию изменения производительности процесса. В связи с этим по величине потока, подаваемого для стабилизации рН среды выращивания, можно достоверно судить о состоянии технологического процесса. The flow, in particular aqueous ammonia (ammonia water), supplied to stabilize the pH of the growing medium, the value of which changes due to the vital activity of microorganisms, is proportional to the productivity of the growing process, and its value is an estimate of productivity. Moreover, with any change in the conditions of the process, there is a change in the growth rate of microorganisms, causing a change in the value of the flow going to stabilize the pH of the growing medium, and a change in the value of this flow gives the fastest response in comparison with other technological characteristics of the process, showing a trend in the process productivity. In this regard, by the magnitude of the flow supplied to stabilize the pH of the growing medium, one can reliably judge the state of the process.
Взаимосвязь между потоком, стабилизирующим рН среды выращивания, и производительностью процесса непрерывного выращивания микроорганизмов при стабильной величине рН среды выращивания можно записать в следующем виде:
Fт = (αн/[OH-])FoX,
где Fо поток отбираемой из процесса суспензии, содержащей биомассу;
αн стехиометрический коэффициент процесса роста культуры микроорганизмов по ионам водорода;
Fт поток, подаваемый на стабилизацию рН среды выращивания;
[ОН-] мольная концентрация ионов ОН- в потоке, подаваемом на стабилизацию рН среды выращивания;
X концентрация биомассы микроорганизмов в среде выращивания.The relationship between the flow, stabilizing the pH of the growing medium, and the performance of the process of continuous growth of microorganisms with a stable pH of the growing medium can be written in the following form:
FT = (αn / [OH -]) FoX,
where F0 is a stream of a biomass-containing suspension taken from the process;
αн stoichiometric coefficient of the process of growth of microorganism culture by hydrogen ions;
FT stream supplied to stabilize the pH of the growing medium;
[OH-] the molar concentration of OH- ions in the stream supplied to stabilize the pH of the growth medium;
X is the concentration of biomass of microorganisms in the growing medium.
При этом величина потока отбираемой из процесса суспензии Fо связана с удельной скоростью роста микроорганизмов в условиях стационарного непрерывного процесса соотношением:
Fo = μVж = μVф(1-Φ),
где Vж количество (объем) жидкой среды в аппарате;
μ удельная скорость роста микроорганизмов;
Vф геометрический объем аппарата;
v газосодержание среды выращивания ( отношение объема, занятого газовой фазой в среде пузырями к объему жидкой фазы рабочему объему среды выращивания).In this case, the flow rate of the suspension Fo taken from the process is related to the specific growth rate of microorganisms in a stationary continuous process by the ratio:
Fo = μVzh = μVf (1-Φ),
where Vzh is the amount (volume) of liquid medium in the apparatus;
μ specific growth rate of microorganisms;
Vf geometric volume of the apparatus;
v gas content of the growing medium (the ratio of the volume occupied by the gas phase in the medium with bubbles to the volume of the liquid phase to the working volume of the growing medium).
В процессе получения биомассы микроорганизмов суспензия, отбираемая из процесса выращивания, подвергается концентрированию, в частности посредством центробежной сепарации, эффективная работа которой зависит от концентрации биомассы, подаваемой на эту стадию, и стабильности этой концентрации в течение всего процесса. Наиболее эффективная работа стадии концентрирования в части минимизации потерь биомассы и снижения энергетических затрат достигается при обеспечении концентрации биомассы во входном потоке не ниже определенного значения заданной концентрации биомассы Хзад, и это значение может быть достигнуто при изменении производительности процесса посредством изменения величины потока отбираемой из процесса выращивания Fo. Таким образом, величина потока Fо при заданной концентрации биомассы в процессе выращивания Хзад связана с потоком, подаваемым для стабилизации рН среды выращивания, пропорциональной зависимостью:
Fо kFт,
где k = [OH-]/αн Xзад..In the process of obtaining biomass of microorganisms, the suspension taken from the growing process is concentrated, in particular by centrifugal separation, the effective operation of which depends on the concentration of biomass fed to this stage and the stability of this concentration throughout the process. The most efficient work of the concentration stage in terms of minimizing biomass losses and reducing energy costs is achieved by ensuring that the biomass concentration in the input stream is not lower than a certain value of the given biomass concentration Khzad, and this value can be achieved by changing the process productivity by changing the flow rate taken from the growing process Fo . Thus, the flow rate Fо at a given biomass concentration during the Khzad cultivation process is related to the flow supplied to stabilize the pH of the growing medium, proportional to the dependence:
Fo kFt,
where k = [OH -] / αn X
При этом диапазон изменения величины потока отбираемой из процесса суспензии определяется с одной стороны минимальным значением, определяемым стадией концентрирования, а с другой стороны максимальной скоростью потока отбираемой суспензии, определяемой возможностями микроорганизмов по максимальному значению их удельной скорости роста. In this case, the range of variation in the flow rate of the suspension taken from the process is determined, on the one hand, by the minimum value determined by the concentration stage, and, on the other hand, by the maximum flow rate of the selected suspension, determined by the capabilities of microorganisms by the maximum value of their specific growth rate.
Очевидно, что при увеличении производительности процесса выращивания может изменяться концентрация биомассы X > Хзад, что вызывает необходимость корректировки коэффициента пропорциональности между величинами потоков Fо и Fт. Obviously, with an increase in the productivity of the growing process, the biomass concentration X> Xzad can change, which makes it necessary to adjust the proportionality coefficient between the values of fluxes Fо and Фт.
В процессе непрерывного культивирования метанокисляющих микроорганизмов по предлагаемому способу величину потока отбираемой суспензии Fо при поддержании постоянного объема жидкой фазы процесса определяют в основном два потока, подаваемые в процесс выращивания: поток технологической воды Fтв и поток отработанной среды выращивания со стадии концентрирования биомассы (сепарирования) Fвоз. In the process of continuous cultivation of methane-oxidizing microorganisms according to the proposed method, the size of the flow of the selected suspension Fo while maintaining a constant volume of the liquid phase of the process is mainly determined by two flows supplied to the growing process: the flow of process water Ft and the flow of the spent growing medium from the stage of biomass concentration (separation) Ft.
Известно, что технологическая вода, получаемая в условиях промышленного производства из природных источников, содержит ингибиторы роста микроорганизмов, состав и содержание которых можно отнести к неконтролируемым и нерегулируемым возмущениям. В то же время отработанная среда выращивания практически не содержит этих ингибиторов, однако содержит продукты метаболизма и лизиса микроорганизмов. В процессе выращивания метанокисляющих микроорганизмов участвуют сопутствующие микроорганизмы, растущие на продуктах метаболизма метанокисляющих культур, что снижает ингибирующее действие метаболитов. В результате, зависимость производительности от соотношения потоков технологической воды и возвращаемой отработанной среды выращивания имеет экстремальный характер, причем оптимальное соотношение может меняться в течение длительного процесса в зависимости от качества технологической воды и от эффективности работы стадии концентрирования биомассы. It is known that process water obtained in industrial production from natural sources contains inhibitors of the growth of microorganisms, the composition and content of which can be attributed to uncontrolled and unregulated disturbances. At the same time, the spent growing medium practically does not contain these inhibitors, however, it contains the products of metabolism and lysis of microorganisms. In the process of growing methane-oxidizing microorganisms, concomitant microorganisms participating in the products of the metabolism of methane-oxidizing cultures are involved, which reduces the inhibitory effect of metabolites. As a result, the dependence of productivity on the ratio of the flows of process water and the returned waste cultivation medium is extreme, and the optimal ratio may vary over a long process depending on the quality of the process water and the efficiency of the biomass concentration stage.
В связи с этим для получения максимального значения производительности процесса необходимо проводить периодическую корректировку соотношения между потоком возвращаемой в процесс отработанной среды выращивания и потоком отбираемой суспензии Fо. Корректировку осуществляют посредством изменения величины потока Fвоз и, следовательно, потока Fтв и определением изменения величины потока, идущего на стабилизацию рН среды выращивания, Fт. В случае увеличения потока, идущего на стабилизацию рН среды выращивания, производится дальнейшее изменение величины потока Fвоз до достижения максимального значения Fт. В случае уменьшения потока титрующего агента при изменении Fвоз следующие шаги делают в обратном направлении до достижения максимального значения Fт, и в последующем устанавливают новое значение коэффициента пропорциональности между потоками Fвоз и Fо, или, очевидно, между потоками Fвоз и Fт, обеспечивающее более высокую производительность процесса. In this regard, in order to obtain the maximum value of the process productivity, it is necessary to periodically adjust the ratio between the flow of the spent growing medium returned to the process and the flow of the selected suspension F0. Correction is carried out by changing the flux Fvo and, consequently, the flux Ft and determining the change in the flux used to stabilize the pH of the growing medium, Ft. In the case of an increase in the flow that goes to stabilize the pH of the growing medium, a further change in the flux value Fvo is made until the maximum value of Ft is reached. In the case of a decrease in the flow of the titrating agent with a change in FЗ, the following steps are taken in the opposite direction until the maximum value of Фт is reached, and subsequently, a new value of the proportionality coefficient is established between the fluxes ФЗ and Фо, or, obviously, between the flows ФЗ and Фт, providing a higher process productivity .
Производительность процесса непосредственно связана с давлением в среде выращивания, которое выполняет задачу интенсификации ввода метана и кислорода в жидкую фазу среды выращивания. При этом избыточная концентрация растворенного метана практически не оказывает ингибирующего воздействия на процессы роста микроорганизмов, в то время как избыточная концентрация растворенного кислорода ингибирует рост, и существует оптимальная концентрация растворенного кислорода. The performance of the process is directly related to the pressure in the growing medium, which performs the task of intensifying the introduction of methane and oxygen into the liquid phase of the growing medium. Moreover, an excess concentration of dissolved methane has practically no inhibitory effect on the growth processes of microorganisms, while an excess concentration of dissolved oxygen inhibits growth, and there is an optimal concentration of dissolved oxygen.
При поддержании оптимальной концентрации растворенного кислорода и при обеспечении условий взрывобезопасности процесса, при которых концентрация метана в потоке отходящего газа выше концентрации кислорода, концентрация растворенного метана выше оптимального значения и не ограничивает роста. While maintaining the optimal concentration of dissolved oxygen and ensuring the explosion-proof conditions of the process, in which the concentration of methane in the exhaust gas stream is higher than the concentration of oxygen, the concentration of dissolved methane is above the optimal value and does not limit growth.
Наличие избыточного давления в процессе выращивания упрощает управление подачей источника кислорода для обеспечения оптимального значения концентрации растворенного кислорода. Однако повышение давления в среде выращивания имеет и отрицательные последствия. Прежде всего, при повышении давления возрастает концентрация растворенного в среде выращивания углекислого газа, который может оказывать непосредственно или косвенно ингибирующее влияние на рост микроорганизмов. При наличии системы очистки газовых потоков от углекислого газа при повышении давления требуется ее более интенсивная работа для снижения содержания углекислого газа в газовых потоках и, следовательно, более высокие затраты. При отсутствии такой системы повышение давления приводит к снижению производительности процесса и снижению его устойчивости. The presence of excess pressure during the growing process simplifies the control of the supply of an oxygen source to ensure the optimal concentration of dissolved oxygen. However, an increase in pressure in the growing medium has negative consequences. First of all, with increasing pressure, the concentration of carbon dioxide dissolved in the growing medium increases, which can directly or indirectly inhibit the growth of microorganisms. If there is a system for cleaning carbon dioxide gas streams with increasing pressure, it requires more intensive work to reduce the carbon dioxide content in gas streams and, therefore, higher costs. In the absence of such a system, an increase in pressure leads to a decrease in the productivity of the process and a decrease in its stability.
Кроме того, природный газ, используемый обычно как источник метана, содержит примеси, одни из которых (гомологи метана) дают при окислении продукты метаболизма, ингибирующие рост метанокисляющих микроорганизмов, а другие, в частности серусодержащие соединения, являются непосредственными ингибиторами роста. Повышение давления приводит к увеличению парциальных давлений этих примесей и, следовательно, к увеличению ингибирования процесса и снижению производительности по сравнению с максимально достижимой в этих условиях. In addition, natural gas, usually used as a source of methane, contains impurities, some of which (methane homologs) produce metabolic products during oxidation that inhibit the growth of methane oxidizing microorganisms, while others, in particular sulfur-containing compounds, are direct growth inhibitors. An increase in pressure leads to an increase in the partial pressures of these impurities and, consequently, to an increase in the inhibition of the process and a decrease in productivity compared with the maximum attainable under these conditions.
Еще одним последствием повышения давления является повышение газосодержания среды выращивания при повышении давления и, следовательно, снижение рабочего объема среды выращивания и производительности. Another consequence of the increase in pressure is an increase in the gas content of the growing medium with increasing pressure and, consequently, a decrease in the working volume of the growing medium and productivity.
В связи с указанными последствиями повышения давления, его целесообразно увеличивать для увеличения скорости процессов массопередачи лишь в тех случаях, когда содержание кислорода в газовой фазе (отходящем газовом потоке) достигает установленного по соображениям взрывобезопасности ограничения, а концентрация растворенного кислорода продолжает оставаться ниже оптимального значения. Во всех остальных случаях давление в среде выращивания следует поддерживать на минимально необходимом уровне. В этом случае снижается ингибирование процесса за счет снижения образования продуктов метаболизма из гомологов метана, что позволяет увеличить долю возвращаемой в процесс отработанной среды выращивания, позволяет увеличить общий проток процесса. In connection with the indicated consequences of increasing pressure, it is advisable to increase it to increase the speed of mass transfer processes only in cases where the oxygen content in the gas phase (exhaust gas stream) reaches the limit established for reasons of explosion safety, and the concentration of dissolved oxygen continues to remain below the optimal value. In all other cases, the pressure in the growing medium should be maintained at the minimum necessary level. In this case, the inhibition of the process is reduced due to a decrease in the formation of metabolic products from methane homologs, which allows an increase in the fraction of the spent growing medium returned to the process, and allows an increase in the overall process flow.
Для обеспечения требуемой производительности процесса непрерывного выращивания микроорганизмов требуется подача всех компонентов питания в количестве, необходимом для выращивания микроорганизмов, при поддержании на оптимальном уровне концентраций в среде выращивания, помимо растворенного кислорода, также концентраций компонентов минерального питания, таких как фосфор, медь и т.п. Это достигается непрерывной подачей в процесс выращивания микроорганизмов сбалансированной по составу и компонентам минерального питания концентрированной минеральной питательной среды, величина потока которой пропорциональна потоку, идущему на стабилизацию рН среды выращивания, с корректировкой коэффициента пропорциональности между этими потоками по уровню концентрации одного из компонентов минерального питания в среде выращивания (обычно по концентрации фосфора). To ensure the required productivity of the process of continuous cultivation of microorganisms, it is necessary to supply all the nutrition components in an amount necessary for the cultivation of microorganisms, while maintaining the optimal concentration levels in the growing medium, in addition to dissolved oxygen, also the concentrations of mineral nutrition components such as phosphorus, copper, etc. . This is achieved by continuously supplying a concentrated mineral nutrient medium balanced in composition and components of the mineral nutrition to the process of growing microorganisms, the flow rate of which is proportional to the flow going to stabilize the pH of the growing medium, with the proportionality coefficient between these flows adjusted for the concentration level of one of the components of the mineral nutrition in the medium cultivation (usually by the concentration of phosphorus).
В целом за счет совместного действия признаков способа достигается следующий технический результат. In General, due to the combined action of the signs of the method, the following technical result is achieved.
Производительность процесса непрерывного выращивания метанокисляющих микроорганизмов повышается на 7-10% а за счет стабилизации процесса концентрирования и снижения потерь производительность по целевому продукту процесса получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов по сравнению с прототипом повышается на 10-15%
Предлагаемый способ реализуется в системе автоматического управления процессом непрерывного культивирования метанокисляющих микроорганизмов.The productivity of the process of continuous cultivation of methane-oxidizing microorganisms increases by 7-10% and due to the stabilization of the concentration process and reduce losses, the productivity of the target product of the biomass of methane-oxidizing microorganisms increases by 10-15% compared to the prototype
The proposed method is implemented in an automatic control system for the continuous cultivation of methane-oxidizing microorganisms.
На чертеже представлена блок-схема системы управления для реализации способа получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов, выполненная с использованием средств автоматики. The drawing shows a block diagram of a control system for implementing a method for producing biomass of methane-oxidizing microorganisms, made using automation.
Технологическая часть оборудования включает в себя ферментер 1, в который по трубопроводу 2 подают поток, содержащий свободный кислород (воздух, технологический кислород), по трубопроводу 3 метансодержащий газ (в частности, природный газ), по трубопроводу 4 технологическую воду, по трубопрободу 5 концентрированный раствор источников минерального питания, сбалансированный по удельным потребностям в них выращиваемой культуры микроорганизмов, по трубопроводу 6 раствор для стабилизации рН среды выращивания (аммиачная вода), выполняющий в процессе также роль источника азота для культуры микроорганизмов, по трубопроводу 7 отработанную среду выращивания, подаваемую со стадии концентрирования биомассы, по трубопроводу 8 хладагент в теплообменное устройство ферментера для стабилизации температуры среды выращивания. По трубопроводу 9 из аппарата непрерывно выводят на последующую обработку суспензию, содержащую биомассу, а по трубопроводу 10 - поток отработанного газа. The technological part of the equipment includes a fermenter 1, into which a stream containing free oxygen (air, process oxygen) is supplied through line 2, methane-containing gas (in particular, natural gas) through line 3, process water through line 4, and concentrated pipe 1 through line 5 a solution of mineral nutrition sources, balanced according to the specific needs of the grown culture of microorganisms, through pipeline 6 a solution to stabilize the pH of the growing medium (ammonia water), performing in essays role as a source of nitrogen for the culture of microorganisms on the waste line 7 cultivation medium supplied with the biomass concentration step, through line 8 to a refrigerant heat exchange device for stabilizing fermenter cultivation medium temperature. A slurry containing biomass is continuously withdrawn from the apparatus through a pipe 9 from the apparatus for subsequent processing, and a waste gas stream through a pipe 10.
Трубопроводы 2-7 и 9 снабжены расходомерами 11-16, соответственно. На всех трубопроводах установлены регулирующее клапаны. Ферментер оснащен анализаторами содержания в газовой фазе среды выращивания (отходящем потоке газовой фазы) кислорода 17 и метана 18, а также датчиками уровня 19, содержания одного из компонентов минерального питания в среде выращивания 20, величины рН 21, давления 22, концентрации растворенного кислорода 23 и температуры 24. Расходомеры 11-16 связаны с соответствующими регуляторами расходов 25-29. Pipelines 2-7 and 9 are equipped with flow meters 11-16, respectively. All pipelines are equipped with control valves. The fermenter is equipped with analyzers of the content in the gas phase of the growth medium (exhaust gas phase) of oxygen 17 and methane 18, as well as level sensors 19, the content of one of the components of the mineral nutrition in the growth medium 20, pH 21, pressure 22, dissolved oxygen concentration 23 and temperature 24. Flow meters 11-16 are associated with the respective flow controllers 25-29.
Датчик температуры 24 связан с регулятором температуры 30, датчик давления 22 с регулятором давления 31, датчик концентрации метана в отходящем газе 18 с регулятором 32, датчик уровня 19 с регулятором уровня 33, датчик содержания одного из компонентов минерального питания в среде выращивания 20 с регулятором 34, датчик рН 21 с регулятором 35. Система управления снабжена устройствами 36-40 умножения входного сигнала на переменный коэффициент, величина которого устанавливается дистанционно подаваемыми управляющими сигналами (входные и выходные сигналы изображены горизонтальными линиями, управляющие сигналы вертикальными). В систему управления входит также устройство 41 ограничения увеличения выходного сигнала при превышении управляющим сигналом заданной величины, программно-логическое устройство 42, программа которого будет описана ниже, и экстремальный регулятор 43 с командным таймером 44. The temperature sensor 24 is connected with a temperature controller 30, a pressure sensor 22 with a pressure controller 31, a methane concentration sensor in the exhaust gas 18 with a controller 32, a level sensor 19 with a level controller 33, a sensor for the content of one of the components of the mineral nutrition in the growing medium 20 with a controller 34 pH 21 sensor with a regulator 35. The control system is equipped with devices 36-40 multiplying the input signal by a variable coefficient, the value of which is set remotely by the control signals (input and output signals are shown by horizontal lines, control signals are vertical). The control system also includes a device 41 for limiting the increase in the output signal when the control signal exceeds a predetermined value, a program-logic device 42, the program of which will be described below, and an extreme controller 43 with a command timer 44.
Система управления работает следующим образом. The control system operates as follows.
Системой регулирования, состоящей из датчика уровня 19 и регулятора 33, поддерживается постоянный объем жидкой фазы в ферментере за счет регулирования подачи технологической воды по трубопроводу 4. Системой регулирования, состоящей из датчика рН 21 и регулятора 35, поддерживается постоянная величина рН в среде выращивания за счет регулирования подачи титранта по трубопроводу 6. Системой регулирования, состоящей из датчика температуры 24 и регулятора 30, поддерживается постоянная температура среды выращивания за счет регулирования подачи хладагента в теплообменник по трубопроводу 8. Подача метансодержащего газа по трубопроводу 3 регулируется системой, состоящей из расходомера 12 и регулятора 26. Задание регулятору 26 устанавливается пропорциональным потоку, идущему на стабилизацию рН, измеряемому расходомером 14. Сигнал этого расходомера перед подачей в качестве задания регулятору 26 умножается устройством 37, величина которого зависит от управляющего сигнала устройства 37. Этот управляющий сигнал вырабатывается регулятором 32 с постоянным заданием, работающим с датчиком концентрации метана 18. При отклонении концентрации метана в газовой фазе от заданного значения сигнал на выходе регулятора 32 изменяется, и соответственно изменяется величина коэффициента блока 37. Так, при концентрации метана в газовой фазе выше заданного значения выходной сигнал регулятора 32 уменьшается и соответственно уменьшается величина коэффициента, на который умножает входной сигнал устройство 37. Выходной сигнал блока 37 уменьшается, уменьшается задание регулятору расхода метансодержащего газа 26, и подача метансодержащего газа уменьшается до приведения в соответствие заданного и фактического содержания метана в газовой фазе ферментера. Такое каскадное построение системы обеспечивает достаточно точную стабилизацию концентрации метана в газовой фазе ферментера: при росте потребления метана микроорганизмами сразу же возрастает расход титранта, и задание регулятору расхода 26 будет пропорционально увеличено, не ожидая отклонения от задания концентрации метана в газовой фазе ферментера. Задание концентрации метана в газовой фазе ферментера определяется системой управления энергетической утилизации отходящих газов и может изменяться в течение процесса. A control system consisting of a level sensor 19 and a regulator 33 maintains a constant volume of the liquid phase in the fermenter by regulating the supply of process water through the pipe 4. A control system consisting of a pH sensor 21 and a regulator 35 maintains a constant pH in the growing medium due to regulating the flow of titrant through the pipeline 6. The control system, consisting of a temperature sensor 24 and a regulator 30, maintains a constant temperature of the growing medium by regulating the flow of coolant dagent to the heat exchanger through pipeline 8. The supply of methane-containing gas through pipeline 3 is regulated by a system consisting of a flow meter 12 and a regulator 26. The reference to regulator 26 is set proportional to the flow that stabilizes the pH measured by the flow meter 14. The signal of this flow meter before being fed to the regulator 26 multiplied by the device 37, the magnitude of which depends on the control signal of the device 37. This control signal is generated by the controller 32 with a constant reference, working with the sensor the methane concentration 18. When the concentration of methane in the gas phase deviates from the set value, the signal at the output of the regulator 32 changes and the coefficient of the block 37 changes accordingly. So, when the methane concentration in the gas phase is higher than the set value, the output signal of the regulator 32 decreases and, accordingly, the coefficient decreases , by which the input signal is multiplied by the device 37. The output signal of the block 37 decreases, the task of the flow regulator of methane-containing gas 26 decreases, and the supply of methane-containing gas decreases etsya to align the set and actual content of methane in the gas-phase fermentor. Such a cascade construction of the system provides fairly accurate stabilization of the methane concentration in the gas phase of the fermenter: with an increase in methane consumption by microorganisms, the titrant consumption immediately increases, and the task to the flow regulator 26 will be proportionally increased, without expecting a deviation from the task of the methane concentration in the gas phase of the fermenter. The task of methane concentration in the gas phase of the fermenter is determined by the control system for energy utilization of exhaust gases and may vary during the process.
Аналогичным образом функционирует система управления подачей концентрированного раствора источников минерального питания. Подача этого раствора по трубопроводу 5 регулируется системой, состоящей из расходомера 13 и регулятора 27, задание которому устанавливается пропорционально расходу титранта. Величина коэффициента пропорциональности определяется устройством 38, которое управляется через регулятор 34 от датчика концентрации одного из компонентов минерального питания. Поскольку во входном растворе источников минерального питания, подаваемом по трубопроводу 5, концентрации источников минерального питания сбалансированы по стехиометрическим коэффициентам их потребления культурой, концентрации компонентов минерального питания в среде выращивания также сбалансированы, вследствие чего коррекция подачи этого раствора по одному из компонентов достаточна. Коррекция производится, в частности, при изменении степени концентрированности входного раствора, при изменении скорости протока и т.п. The control system for supplying a concentrated solution of mineral nutrition sources operates in a similar way. The supply of this solution through pipeline 5 is controlled by a system consisting of a flow meter 13 and a regulator 27, the task of which is set in proportion to the titrant flow rate. The value of the proportionality coefficient is determined by the device 38, which is controlled through a regulator 34 from the concentration sensor of one of the components of the mineral nutrition. Since in the input solution of mineral nutrition sources supplied through pipeline 5, the concentrations of mineral nutrition sources are balanced by stoichiometric coefficients of their consumption by the crop, the concentrations of the components of the mineral nutrition in the growing medium are also balanced, as a result, the correction of the supply of this solution to one of the components is sufficient. Correction is made, in particular, when changing the degree of concentration of the inlet solution, when changing the flow rate, etc.
Подача источника кислорода по трубопроводу 2 регулируется системой, состоящей из расходомера 11 и регулятора 25. Задание регулятору 25 устанавливается пропорционально потоку, идущему на стабилизацию рН среды выращивания в ферментере. Сигнал от расходомера 14 потока, идущего на стабилизацию рН, умножается устройством 36 на коэффициент, величина которого зависит от управляющего сигнала, формируемого в программно-логическом устройстве 42. В задание регулятору 25 сигнал от устройства 36 поступает через ограничивающее устройство 41, связанное с анализатором кислорода в газовой фазе 17. В том случае, когда концентрация кислорода в газовой фазе достигает установленного предельного значения, устройство 41 прекращает увеличение своего выходного сигнала в задание регулятору 25, и поддерживает этот сигнал на том уровне, на котором он при этом оказался, пока концентрация кислорода в газовой фазе не снизится. The supply of an oxygen source through pipeline 2 is controlled by a system consisting of a flowmeter 11 and a regulator 25. The task of the regulator 25 is set in proportion to the flow that goes to stabilize the pH of the growing medium in the fermenter. The signal from the flow meter 14, which goes to stabilize the pH, is multiplied by the device 36 by a factor, the value of which depends on the control signal generated in the program-logic device 42. In the task of the controller 25, the signal from the device 36 is supplied through the limiting device 41 associated with the oxygen analyzer in the gas phase 17. In the case when the oxygen concentration in the gas phase reaches the set limit value, the device 41 stops increasing its output signal to the task of the regulator 25, and under keeps this signal at the level at which it turned out to be until the oxygen concentration in the gas phase decreases.
Система регулирования давления в ферментере включает в себя измеритель давления 22 и регулятор 31. Задание регулятору 31 формируется в программно-логическом устройстве 42. В устройство 42 поступают сигналы о давлении в ферментере от измерителя 22, о концентрации кислорода в газовой фазе от анализатора 17 и о концентрации растворенного в среде выращивания кислорода от анализатора 23. Устройство 42 функционирует следующим образом:
если давление в ферментере выше установленного минимального и при этом концентрация кислорода в газовой фазе ниже установленного предельного значения, сигнал от устройства 42 на задание регулятору давления 31 медленно уменьшается, пока сохраняется указанная ситуация; давление в ферментере при этом медленно снижается;
если давление в ферментере больше установленного минимума, но меньше установленного предельного значения и при этом концентрация кислорода в газовой фазе достигла предельного установленного значения, а концентрация растворенного кислорода ниже заданного значения, сигнал от устройства 42 на задание регулятору 31 медленно увеличивается, пока сохраняется указанная ситуация; давление в ферментере при этом медленно возрастает;
если концентрация кислорода в газовой фазе меньше установленного предельного значения, а концентрация растворенного кислорода ниже заданного значения, сигнал от устройства 42 на коррекцию коэффициента блока 36 медленно увеличивается, пока сохраняется указанная ситуация; величина коэффициента блока 36 при этом увеличивается, сигнал задания регулятору 25 также увеличивается, и расход кислорода медленно увеличивается;
если концентрация растворенного кислорода больше заданного значения, и при этом давление в ферментере достигло установленного минимума, сигнал от устройства 42 на коррекцию коэффициента блока 36 медленно увеличивается, пока сохраняется указанная ситуация; величина коэффициента блока 36 при этом уменьшается, сигнал задания peгулятору 25 также уменьшается, и расход источника кислорода медленно уменьшается.The pressure control system in the fermenter includes a pressure meter 22 and a regulator 31. The task for the regulator 31 is generated in the program-logic device 42. The device 42 receives signals about the pressure in the fermenter from the meter 22, oxygen concentration in the gas phase from the analyzer 17 and о the concentration of oxygen dissolved in the growth medium from the analyzer 23. The device 42 operates as follows:
if the pressure in the fermenter is above the set minimum and the oxygen concentration in the gas phase is below the set limit value, the signal from the device 42 to the task of the pressure regulator 31 slowly decreases, while the specified situation remains; the pressure in the fermenter slowly decreases;
if the pressure in the fermenter is greater than the set minimum, but less than the set limit value and the oxygen concentration in the gas phase has reached the set limit value, and the dissolved oxygen concentration is lower than the set value, the signal from the device 42 to the task of the regulator 31 slowly increases until the specified situation is saved; the pressure in the fermenter is slowly increasing;
if the concentration of oxygen in the gas phase is less than the set limit value, and the concentration of dissolved oxygen is lower than the set value, the signal from the device 42 for correction of the coefficient of the block 36 slowly increases until the specified situation is saved; the coefficient of the block 36 increases while the reference signal to the controller 25 also increases, and the oxygen flow rate increases slowly;
if the concentration of dissolved oxygen is greater than a predetermined value, and the pressure in the fermenter has reached the set minimum, the signal from the device 42 for correction of the coefficient of the block 36 slowly increases until the specified situation is saved; the value of the coefficient of the block 36 decreases, the reference signal to the regulator 25 also decreases, and the flow rate of the oxygen source decreases slowly.
В результате такого функционирования систем регулирования расхода источника кислорода и давления в ферментере обеспечивается поддержание постоянного значения концентрации растворенного в среде выращивания кислорода при минимально необходимом для этого давлении в ферментере. As a result of such functioning of the oxygen source flow rate and pressure control systems in the fermenter, a constant value of the concentration of oxygen dissolved in the growth medium is maintained at a minimum pressure necessary for this in the fermenter.
Система регулирования отбора суспензии биомассы по трубопроводу 9 включает в себя расходомер 16 и регулятор 29. Задание регулятору 29 устанавливается пропорциональным величине потока, идущего на стабилизацию рН среды, Сигнал от расходомера 14 потока, идущего на стабилизацию рН, перед подачей в задание регулятору 29 умножается на корректируемый коэффициент в устройстве 40. Сигнал коррекции в устройство 40 поступает от экстремального регулятора 43. The control system for the selection of biomass suspension through pipeline 9 includes a flow meter 16 and a regulator 29. The task to the regulator 29 is set proportional to the value of the flow that goes to stabilize the pH of the medium. The signal from the flow meter 14 that goes to stabilize the pH is multiplied by the adjustable coefficient in the device 40. The correction signal in the device 40 comes from the extreme controller 43.
Система регулирования подачи в ферментер отработанной среды выращивания по трубопроводу 7 построена аналогично. Она включает в себя расходомер 15 и регулятор 28, задание которого пропорционально величине потока, идущего на стабилизацию pH. Корректируемым коэффициентом пропорциональности обладает устройство 39, управляемое от экстремального регулятора 43. The system for regulating the supply to the fermenter of the spent growing medium through the pipeline 7 is constructed similarly. It includes a flowmeter 15 and a regulator 28, the task of which is proportional to the magnitude of the flow going to stabilize the pH. The corrected coefficient of proportionality is possessed by a device 39 controlled from an extreme controller 43.
Устройство 43 представляет собой двухканальный экстремальный регулятор, работающий с командным таймером 44. Поиск максимального значения потока, идущего на стабилизацию рН среды выращивания, при котором обеспечивается максимальная производительность, осуществляется следующим образом. The device 43 is a two-channel extreme controller that works with the command timer 44. The search for the maximum value of the flow going to stabilize the pH of the growing medium, which ensures maximum productivity, is as follows.
Периодически, по командам командного таймера 44 осуществляются поочередные изменения сигналов от устройства 43 на коррекцию коэффициентов пропорциональности устройств 39 и 40. После каждого очередного изменения сигнала коррекции по прошествии установленной выдержки времени определяется направление изменения величины потока, идущего на стабилизацию рН среды выращивания. Если имело место снижение величины потока, идущего на стабилизацию рН, устройство 43 возвращает корректирующий сигнал к прежнему значению. Если наблюдается рост величины потока, идущего на стабилизацию рН, устройство 43 переходит к изменению второго корректирующего сигнала. После достижения области максимального значения потока, идущего на стабилизацию рН среды выращивания, и соответственно максимальной производительности периодические изменения корректирующих сигналов не прекращаются. Система будет "рыскать" в экстремальной области. Этим предотвращается уход из экстремальной области. Periodically, according to the commands of the command timer 44, the signals from the device 43 are changed one by one to correct the proportionality coefficients of the devices 39 and 40. After each next change of the correction signal after a set time delay, the direction of the change in the flux going to stabilize the pH of the growing medium is determined. If there has been a decrease in the amount of flow going to stabilize the pH, the device 43 returns the correction signal to its previous value. If there is an increase in the magnitude of the flow going to stabilize the pH, the device 43 proceeds to change the second correction signal. After reaching the region of the maximum value of the flow going to stabilize the pH of the growing medium, and accordingly the maximum productivity, periodic changes in the correction signals do not stop. The system will "scour" in an extreme area. This prevents leaving the extreme area.
В программу поиска максимума в устройстве 43 заложен ряд ограничений. Так, отношение величины потока, идущего на стабилизацию рН среды выращивания, к величине потока отбираемой из ферментера суспензии не должно быть меньше установленного минимума, тем самым устанавливается нижний предел задаваемой концентрации биомассы в отбираемой суспензии. Отношение расхода возвращаемой в ферментер отработанной среды выращивания не должно быть ниже заданной величины, обусловленной, в частности, условиями работы очистных сооружений. Ограничения сверху наложены на величину обоих корректирующих работу устройств 39 и 40 сигналов в зависимости от величины потока, идущего на стабилизацию рН среды выращивания. Эти ограничения не допускают задание расходов отбираемой суспензии и расхода возвращаемой отработанной среды выращивания выше возможностей технологической аппаратуры и средств КИП и А. The maximum search program in device 43 has a number of limitations. Thus, the ratio of the flow rate going to stabilize the pH of the growing medium to the flow rate of the suspension taken from the fermenter should not be less than the established minimum, thereby setting the lower limit of the preset biomass concentration in the selected suspension. The ratio of the flow rate of the spent growing medium returned to the fermenter should not be lower than a predetermined value, due, in particular, to the operating conditions of treatment facilities. Restrictions on top are imposed on the value of both signal-correcting devices 39 and 40, depending on the magnitude of the flow going to stabilize the pH of the growing medium. These restrictions do not allow the task of the costs of the selected suspension and the flow rate of the returned waste growing medium above the capabilities of the technological equipment and means of instrumentation and automation A.
Техническим результатом использования описанной системы автоматического управления, обеспечивающей реализацию предлагаемого способа получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов, является практически полное автоматическое управление процессом на стандартных средствах КИП и А с достижением оптимальных показателей. The technical result of using the described automatic control system that provides the implementation of the proposed method for producing biomass of methane-oxidizing microorganisms is almost complete automatic control of the process on standard means of instrumentation and automation with achieving optimal performance.
Для иллюстрации предлагаемого изобретения приводится пример его использования, не ограничивающий его сущности. To illustrate the invention, an example of its use is given, not limiting its essence.
Пример. Example.
Выращивание бактериальной культуры Methylococcus capsulatus шт. ВСБ-874 осуществлялось в непрерывном процессе в двухэтажном ферментере с эжекционной системой перемешивания и газораспределения с объемом среды выращивания по монолитной жидкости 350 куб.м. Температура процесса 42-43oС поддерживалась циркуляцией оборотной воды через теплообменник ферментера. Значение рН среды выращивания 5,6-5,8 стабилизировалось подачей водного раствора аммиака. Минеральная питательная среда приготавливалась в виде концентрированного раствора всех компонентов минерального питания и имела следующий состав (на 1 куб.м раствора):
ортофосфорная кислота 3,5 л
хлористый калий 13 кг
сульфат магния 10 кг
сульфат железа 0,11 кг
сульфат меди 0,10 кг
сульфат марганца 0,05 кг
сульфат цинка 0,02 кг
сульфат кобальта 0,003 кг
борная кислота 0,06 кг
молибдат натрия 70,003 кг
Степень концентрирования раствора 50.Cultivation of a bacterial culture of Methylococcus capsulatus pcs. VSB-874 was carried out in a continuous process in a two-story fermenter with an ejection mixing and gas distribution system with a growing medium volume of 350 cubic meters of monolithic liquid. The temperature of the process 42-43 o With maintained circulation of circulating water through the heat exchanger of the fermenter. The pH of the growth medium 5.6-5.8 was stabilized by the supply of an aqueous solution of ammonia. The mineral nutrient medium was prepared in the form of a concentrated solution of all components of the mineral nutrition and had the following composition (per 1 cubic meter of solution):
phosphoric acid 3.5 l
potassium chloride 13 kg
magnesium sulfate 10 kg
iron sulfate 0.11 kg
copper sulfate 0.10 kg
manganese sulfate 0.05 kg
zinc sulfate 0.02 kg
cobalt sulfate 0.003 kg
boric acid 0.06 kg
sodium molybdate 70.003 kg
The degree of concentration of the solution is 50.
Источником углеродного питания был природный газ с содержанием метана 95% источником кислорода технологический кислород с содержанием кислорода 95%
Значения потоков природного газа, кислорода и раствора минеральной питательной среды устанавливались пропорционально расходу аммиачной воды с корректировкой коэффициента пропорциональности по показаниям газоанализаторов на кислород и метан в отходящем потоке газовой фазы и измерениям концентрации фосфора в среде выращивания.The carbon power source was natural gas with a methane content of 95% oxygen source, process oxygen with an oxygen content of 95%
The values of the flows of natural gas, oxygen and a solution of a mineral nutrient medium were set in proportion to the flow rate of ammonia water with the adjustment of the proportionality coefficient according to the readings of gas analyzers for oxygen and methane in the exhaust gas phase stream and measurements of the phosphorus concentration in the growing medium.
Процесс выращивания осуществлялся под давлением с непрерывным отбором суспензии, содержащей биомассу из ферментера на центробежные сепараторы. Концентрированная биомасса подвергалась температурной обработке и высушивалась на распылительных сушилках, топливом которых являлся отходящий газ, выходящий из процесса выращивания. Отработанная среда выращивания после сепараторов распределялась на два потока, один из которых возвращался в процесс выращивания, а другой направлялся на систему биологической очистки воды. The growing process was carried out under pressure with continuous selection of a suspension containing biomass from the fermenter to centrifugal separators. The concentrated biomass was subjected to heat treatment and dried on spray dryers, the fuel of which was exhaust gas leaving the growing process. The spent growing medium after the separators was distributed into two streams, one of which returned to the growing process, and the other went to the biological water treatment system.
В контрольном процессе в течение 5 суток поддерживались на постоянном уровне величина протока (70 куб.м/ч), поток возвращаемой отработанной среды выращивания (21 куб. м/ч) и давление в ферментере (0,3 МПа). Подача источников питания осуществлялась автоматически. In the control process, for 5 days the flow rate (70 cubic meters / h), the flow of the returned cultivation medium (21 cubic meters / hour) and the pressure in the fermenter (0.3 MPa) were maintained at a constant level. Power supply was carried out automatically.
В течение контрольного периода наблюдалось изменение концентрации биомассы в отбираемом из ферментера потоке суспензии в диапазоне от 11 до 16 г/л (в среднем 15 г/л), что приводило к изменению концентрации биомассы в потоке отработанной среды выращивания после сепарации от 0,15 до 0,4 г/л (в среднем 0,25 г/л). Среднесуточное количество биомассы, поступающей на сушку в контрольном процессе составляло 25,0 т и потери составляли 0,25 т (10%). During the control period, a change in the concentration of biomass in the suspension flow taken from the fermenter was observed in the range from 11 to 16 g / l (average 15 g / l), which led to a change in the concentration of biomass in the flow of the spent growing medium after separation from 0.15 to 0.4 g / l (average 0.25 g / l). The average daily amount of biomass fed to drying in the control process was 25.0 tons and losses were 0.25 tons (10%).
При включении системы автоматического управления, представленной на чертеже и реализующей предлагаемый способ, в течение контрольного пробега той же длительности величина протока изменялась в диапазоне 65-80 куб.м/ч (в среднем 78 куб.м/ч), возврат отработанной среды выращивания изменялся в диапазоне 11-32 куб.м/ч (в среднем 30 куб.м/ч) и давление в ферментере изменялось в диапазоне 0,24-0,30 МПа (в среднем 0,28 МПа). Концентрация биомассы в отбираемой на сепарацию суспензии поддерживалась на постоянном уровне 15+0,2 г/л. На постоянном уровне выдерживалась и концентрация биомассы в отработанной среде выращивания 0,15+0,03 г/л. Среднесуточное количество биомассы, поступающей на сушку при испытаниях способа, составляло 28,0 т при потерях 0,16 т (6%), что показало повышение средней производительности процесса на 12% при снижении потерь с 10 до 6% When you turn on the automatic control system shown in the drawing and that implements the proposed method, during the control run of the same duration, the flow rate varied in the range of 65-80 cubic meters per hour (average 78 cubic meters per hour), the return of the cultivation medium changed in the range of 11-32 cubic meters per hour (average 30 cubic meters per hour) and the pressure in the fermenter varied in the range 0.24-0.30 MPa (average 0.28 MPa). The biomass concentration in the suspension taken for separation was maintained at a constant level of 15 + 0.2 g / l. At a constant level, the concentration of biomass in the waste cultivation medium was also maintained at 0.15 + 0.03 g / l. The average daily amount of biomass fed to drying during the tests of the method was 28.0 tons with losses of 0.16 tons (6%), which showed an increase in the average productivity of the process by 12% with a decrease in losses from 10 to 6%
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU92008481A RU2064016C1 (en) | 1992-11-26 | 1992-11-26 | Method for production of biomass of methane-oxidizing microorganisms and method for control of continuous process of production of biomass of methane-oxidizing microorganisms |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU92008481A RU2064016C1 (en) | 1992-11-26 | 1992-11-26 | Method for production of biomass of methane-oxidizing microorganisms and method for control of continuous process of production of biomass of methane-oxidizing microorganisms |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU92008481A RU92008481A (en) | 1996-07-10 |
| RU2064016C1 true RU2064016C1 (en) | 1996-07-20 |
Family
ID=20132649
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU92008481A RU2064016C1 (en) | 1992-11-26 | 1992-11-26 | Method for production of biomass of methane-oxidizing microorganisms and method for control of continuous process of production of biomass of methane-oxidizing microorganisms |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2064016C1 (en) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2613365C1 (en) * | 2016-04-07 | 2017-03-16 | Ооо "Гипробиосинтез" | Strain of methane-oxidizing bacteria methylococcus capsulatus gbs-15 for obtaining of microbial protein mass |
| RU2626592C2 (en) * | 2015-12-16 | 2017-07-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр Промышленной Биотехнологии имени Княгини Е.Р. Дашковой" | Method and device for obtaining haprin |
| RU2699293C1 (en) * | 2018-08-14 | 2019-09-04 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение Биосинтез" | Method of producing biomass of methane-oxidising bacteria |
| RU2706074C1 (en) * | 2018-12-24 | 2019-11-13 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Производственное Объединение Биоситнез" | Methylococcus capsulatus concept-8 bacteria strain - producer of protein biomass |
| WO2020076190A1 (en) * | 2018-10-11 | 2020-04-16 | Общество с ограниченной ответственностью "ГИПРОБИОСИНТЕЗ" | Stenotrophomonas acidaminiphila strain for producing microbial biomass |
| RU2720121C1 (en) * | 2019-10-29 | 2020-04-24 | Ооо "Гипробиосинтез" | Method of producing microbial protein based on hydrocarbon material |
| RU2755539C1 (en) * | 2020-08-11 | 2021-09-17 | Сергей Юрьевич Симонян | Method for producing a biomass of methane-oxidising microorganisms and a line for production thereof |
| RU2768401C1 (en) * | 2021-04-02 | 2022-03-24 | Общество с ограниченной ответственностью "Комита Биотехнологии" | Method for cultivating aerobic methane-assimilating microorganisms |
| RU2779644C1 (en) * | 2020-12-01 | 2022-09-12 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Био Протеин Инжиниринг" | Method for production of microbial protein mass, and system for its implementation |
-
1992
- 1992-11-26 RU RU92008481A patent/RU2064016C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| GB, патент 1320722, С 12 В 1/20, 1973. SU, авторское свидетельство 10001, С 12 N 1/26, 1979. GB, патент 1463296, С 12 N 1/00, 1996. * |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2626592C2 (en) * | 2015-12-16 | 2017-07-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр Промышленной Биотехнологии имени Княгини Е.Р. Дашковой" | Method and device for obtaining haprin |
| RU2613365C1 (en) * | 2016-04-07 | 2017-03-16 | Ооо "Гипробиосинтез" | Strain of methane-oxidizing bacteria methylococcus capsulatus gbs-15 for obtaining of microbial protein mass |
| RU2699293C1 (en) * | 2018-08-14 | 2019-09-04 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение Биосинтез" | Method of producing biomass of methane-oxidising bacteria |
| WO2020076190A1 (en) * | 2018-10-11 | 2020-04-16 | Общество с ограниченной ответственностью "ГИПРОБИОСИНТЕЗ" | Stenotrophomonas acidaminiphila strain for producing microbial biomass |
| RU2706074C1 (en) * | 2018-12-24 | 2019-11-13 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Производственное Объединение Биоситнез" | Methylococcus capsulatus concept-8 bacteria strain - producer of protein biomass |
| RU2706074C9 (en) * | 2018-12-24 | 2020-01-09 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение Биосинтез" | Methylococcus capsulatus concept-8 bacteria strain – producer of protein biomass |
| RU2720121C1 (en) * | 2019-10-29 | 2020-04-24 | Ооо "Гипробиосинтез" | Method of producing microbial protein based on hydrocarbon material |
| RU2755539C1 (en) * | 2020-08-11 | 2021-09-17 | Сергей Юрьевич Симонян | Method for producing a biomass of methane-oxidising microorganisms and a line for production thereof |
| RU2779644C1 (en) * | 2020-12-01 | 2022-09-12 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Био Протеин Инжиниринг" | Method for production of microbial protein mass, and system for its implementation |
| RU2768401C1 (en) * | 2021-04-02 | 2022-03-24 | Общество с ограниченной ответственностью "Комита Биотехнологии" | Method for cultivating aerobic methane-assimilating microorganisms |
| WO2022211674A1 (en) * | 2021-04-02 | 2022-10-06 | Общество с ограниченной ответственностью "Комита Биотехнологии" | Method of cultivating aerobic methane-assimilating microorganisms |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zoetemeyer et al. | Influence of temperature on the anaerobic acidification of glucose in a mixed culture forming part of a two-stage digestion process | |
| US7521203B2 (en) | Feeding processes for fermentation | |
| US20060275858A1 (en) | Optimization of Process Variables in Oxygen Enriched Fermentors Through Process Controls | |
| RU2064016C1 (en) | Method for production of biomass of methane-oxidizing microorganisms and method for control of continuous process of production of biomass of methane-oxidizing microorganisms | |
| JPH0687784B2 (en) | Method and apparatus for performing microbiological or enzymatic treatment | |
| Volcke et al. | Controlling the nitrite: ammonium ratio in a SHARON reactor in view of its coupling with an Anammox process | |
| AU2017224899B2 (en) | Method for the culture of photosynthetic organisms using a CO2 source | |
| NO143668B (en) | METHOD AND APPARATUS FOR AEROBIC CULTIVATION OF MICRO-ORGANISMS | |
| Byun et al. | Reactor comparison and scale-up for the microaerobic production of 2, 3-butanediol by Enterobacter aerogenes at constant oxygen transfer rate | |
| RU2699293C1 (en) | Method of producing biomass of methane-oxidising bacteria | |
| O'beirne et al. | Oxygen availability and the growth of Escherichia coli W3110: a problem exacerbated by scale-up | |
| RU2768401C1 (en) | Method for cultivating aerobic methane-assimilating microorganisms | |
| CN107338275A (en) | The method for producing pentanediamine using accessory substance carbon dioxide automatic control pH whole-cell catalytic | |
| RU2032737C1 (en) | Method of growing methane-oxidizing microorganisms | |
| RU2755539C1 (en) | Method for producing a biomass of methane-oxidising microorganisms and a line for production thereof | |
| US11959063B2 (en) | Optimization of fermentation processes | |
| FI130795B1 (en) | A method for recovery of ammonia within a biogas plant and a biogas plant | |
| SU1149230A1 (en) | Aerobic multi-stage microorganism growing automatic control method | |
| SU1366530A1 (en) | Automatic control system for process of growing microorganisms | |
| SU1008715A1 (en) | Continuous micro organism growing process automatic control method | |
| RU2021353C1 (en) | Method and device for cultivation of microorganisms | |
| SU1712420A1 (en) | Method for cultivation of microorganisms | |
| Villadsen | Design of ideal Bioreactors | |
| SU698920A1 (en) | Method of automatic control of phosphorus anhydride hydration | |
| SU981964A1 (en) | Micro organism continuous growing process automatic control system |