RU2596396C1 - Bioreactor with membrane device for gas supply of microorganisms - Google Patents
Bioreactor with membrane device for gas supply of microorganisms Download PDFInfo
- Publication number
- RU2596396C1 RU2596396C1 RU2015119704/10A RU2015119704A RU2596396C1 RU 2596396 C1 RU2596396 C1 RU 2596396C1 RU 2015119704/10 A RU2015119704/10 A RU 2015119704/10A RU 2015119704 A RU2015119704 A RU 2015119704A RU 2596396 C1 RU2596396 C1 RU 2596396C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- bioreactor
- working fluid
- methane
- separator
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
- C12M29/06—Nozzles; Sprayers; Spargers; Diffusers
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
- C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
- C12M29/06—Nozzles; Sprayers; Spargers; Diffusers
- C12M29/08—Air lift
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
- C12M41/12—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of temperature
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
- C12M41/26—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of pH
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
- C12M41/30—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration
- C12M41/34—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration of gas
Abstract
Description
Изобретение относится к области микробиологии, в частности к биореакторам для выращивания биомассы микроорганизмов в водно-минеральной среде, насыщенной газообразными углеводородами, и может быть использовано для культивирования аэробных или анаэробных микроорганизмов, а также в исследовательской практике.The invention relates to the field of microbiology, in particular to bioreactors for growing biomass of microorganisms in an aqueous-mineral medium saturated with gaseous hydrocarbons, and can be used for the cultivation of aerobic or anaerobic microorganisms, as well as in research practice.
Процесс выращивания микроорганизмов на природном газе (источник информации: http://www.zges.ru/bio.php?wr=300) заключается в том, что основными питательными веществами являются метан и кислород, которые необходимо растворить в водно-минеральной среде в оптимальном соотношении.The process of growing microorganisms in natural gas (source of information: http://www.zges.ru/bio.php?wr=300) consists in the fact that the main nutrients are methane and oxygen, which must be dissolved in an aqueous-mineral medium in optimal ratio.
Экспериментально установлено, что потребность бактерий в кислороде в 2-3 раза превышает их потребность в метане. Однако такое стехиометрическое соотношение метан:кислород лежит в интервале взрывоопасных концентраций, и с учетом этого фактора процесс культивирования ведут при составе газовой фазы, отличающейся от оптимального в сторону избытка метана при соответствующем лимите по кислороду. Одновременно с этим отмечено, что присутствие в газообразной смеси двуокиси углерода в концентрациях от 3 до 10% (по объему) улучшает рост бактерий, а содержание кислорода выше 18% (по объему) вызывает гибель клеток. Метанокисляющие бактерии растут при pH 6,5-7,1 и температурах 34-38°C. Для обеспечения эффективного роста клеток обычно используют ферментеры с интенсивным тепло- и массообменом, который обеспечивается увеличением скорости газового потока, улучшением перемешивания и повышением рабочего давления в биореакторе для повышения растворимости газов.It was experimentally established that the need for bacteria in oxygen is 2-3 times higher than their need for methane. However, such a stoichiometric methane: oxygen ratio lies in the range of explosive concentrations, and taking into account this factor, the cultivation process is carried out with the composition of the gas phase that differs from the optimal one in the direction of excess methane with the corresponding oxygen limit. At the same time, it was noted that the presence of carbon dioxide in a gaseous mixture in concentrations from 3 to 10% (by volume) improves the growth of bacteria, and an oxygen content above 18% (by volume) causes cell death. Methane-oxidizing bacteria grow at pH 6.5-7.1 and temperatures 34-38 ° C. To ensure efficient cell growth, fermenters are usually used with intensive heat and mass transfer, which is provided by increasing the gas flow rate, improving mixing and increasing the working pressure in the bioreactor to increase the solubility of gases.
Известен «Способ производства биомассы аэробных микроорганизмов» (патент RU 2322488 C2).The well-known "Method for the production of biomass of aerobic microorganisms" (patent RU 2322488 C2).
Способ предусматривает культивирование микроорганизмов в условиях непрерывной циркуляции рабочей жидкости по замкнутому контуру и при непрерывном насыщении жидкости газообразными углеводородами и аэрирующими агентами, а также в условиях протока водно-минерального раствора и отвода продуктов ферментации.The method involves the cultivation of microorganisms in a continuous circulation of the working fluid in a closed loop and with continuous saturation of the fluid with gaseous hydrocarbons and aerating agents, as well as in the flow of a water-mineral solution and removal of fermentation products.
Насыщение рабочей жидкости газообразными углеводородами и аэрирующим агентом осуществляют раздельно, причем насыщение аэрирующим агентом проводят при его однократном контакте с рабочей жидкостью, а насыщение газообразными углеводородами проводят при многократном их контакте с рабочей жидкостью посредством рециркуляции газообразных углеводородов по замкнутому контуру до полного их растворения.Saturation of the working fluid with gaseous hydrocarbons and aerating agent is carried out separately, moreover, saturation with the aerating agent is carried out at its single contact with the working fluid, and saturation with gaseous hydrocarbons is carried out upon repeated contact with the working fluid by recirculation of gaseous hydrocarbons in a closed circuit until they are completely dissolved.
Существенным недостатком этого известного способа является применение раздельных зон растворения газообразных углеводородов и аэрирующего агента, что приводит к образованию градиента растворенных газов, нарушению заданного соотношения газов и снижению скорости роста микроорганизмов. При этом каждое устройство для растворения газов содержит зоны газовых пузырей, в которых в процессе обмена рабочей жидкости образуются взрывоопасные концентрации газов, что не обеспечивает взрывобезопасную эксплуатацию биореактора.A significant disadvantage of this known method is the use of separate zones of dissolution of gaseous hydrocarbons and aerating agent, which leads to the formation of a gradient of dissolved gases, a violation of a given gas ratio and a decrease in the growth rate of microorganisms. Moreover, each device for dissolving gases contains zones of gas bubbles in which explosive concentrations of gases are formed during the exchange of the working fluid, which does not ensure the explosion-proof operation of the bioreactor.
Способ реализован в биореакторе сложной конструкции, что существенно повышает его стоимость и усложняет управление гидродинамическими и ферментационными процессами.The method is implemented in a bioreactor of complex design, which significantly increases its cost and complicates the control of hydrodynamic and fermentation processes.
Известный способ может быть применен только в биореакторах малого объема, в которых можно реализовать высокую скорость обмена рабочей жидкости, насыщенной разными газами.The known method can be applied only in small volume bioreactors in which a high exchange rate of a working fluid saturated with different gases can be realized.
Наиболее близкий аналог заявленного изобретения описан в патенте RU 2446205 C1 «Биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода газового питания».The closest analogue of the claimed invention is described in patent RU 2446205 C1 "Displacement bioreactor with a membrane gas supply device."
Известный биореактор содержит цилиндрический корпус, крышку, днище, газораспределительное устройство, газопроницаемые трубчатые мембраны, установленные вдоль оси корпуса. Внутри корпуса вдоль центральной его оси установлена несущая труба теплообменника, в которой расположена труба подвода газа, соединенная с газораспределительным устройством. Снаружи несущей трубы теплообменника установлена винтовая перфорированная поверхность, через отверстия которой проходят газопроницаемые трубчатые мембраны, закрепленные между крышкой и газораспределительным устройством.The known bioreactor comprises a cylindrical body, a cover, a bottom, a gas distribution device, gas-permeable tubular membranes mounted along the axis of the body. Inside the housing along its central axis, a support pipe of the heat exchanger is installed, in which a gas supply pipe is connected, connected to a gas distribution device. Outside of the supporting pipe of the heat exchanger, a screw perforated surface is installed, through the openings of which pass gas-permeable tubular membranes fixed between the cover and the gas distribution device.
Выращивание микроорганизмов в биореакторе осуществляется в условиях ламинарного вытеснения жидких продуктов ферментации исходной питательной средой по множественным каналам, образованным трубчатыми газопроницаемыми мембранами, надутыми питающими газами, что приводит к расслоению веществ, растворенных в питательной среде, и к снижению производительности.The growth of microorganisms in a bioreactor is carried out under conditions of laminar displacement of liquid fermentation products by the initial nutrient medium through multiple channels formed by tubular gas-permeable membranes, inflated feed gases, which leads to the delamination of substances dissolved in the nutrient medium and to a decrease in productivity.
Газовые мембраны надуваются смесью питающих газов, имеющих разную растворимость, что существенно затрудняет создание и поддержание заданного соотношения растворенных газов в рабочей жидкости, в результате чего снижается производительность биореактора.Gas membranes are inflated with a mixture of feed gases having different solubilities, which makes it difficult to create and maintain a predetermined ratio of dissolved gases in the working fluid, resulting in reduced bioreactor productivity.
Трубчатый теплообменник аналога мало эффективен из-за малой площади поверхности теплообменной трубы.The analog tubular heat exchanger is not very effective due to the small surface area of the heat exchanger pipe.
В ферментационных процессах аэрирующие газы и газы, образованные в процессе дыхательной активности микроорганизмов, образуют пену, что увеличивает объем сливаемых жидких продуктов ферментации, уменьшает рабочий объем и производительность биореактора.In fermentation processes, aeration gases and gases formed during the respiratory activity of microorganisms form a foam, which increases the volume of liquid fermentation products drained, reduces the working volume and productivity of the bioreactor.
Цель изобретенияThe purpose of the invention
Повышение производительности и взрывобезопасности биореактора за счет интенсификации перемешивания рабочей жидкости и применения раздельного, а именно диффузионного ввода метана и дисперсионного ввода аэрирующих агентов в водно-минеральную среду, засеянную микроорганизмами.Improving the productivity and explosion safety of the bioreactor due to the intensification of mixing of the working fluid and the use of separate, namely diffusion input of methane and dispersion input of aerating agents into the water-mineral medium seeded with microorganisms.
Недостатки вышеуказанного аналога устраняются при реализации вышеназванной цели настоящего изобретения с помощью биореактора с мембранным устройством газового питания микроорганизмов, содержащего цилиндрический корпус, крышку, днище, теплообменник, газораспределительное устройство, коллектор метана, газопроницаемые полимерные мембраны, патрубки для протока рабочих жидкостей и газов, в котором согласно настоящему изобретению биореактор дополнительно содержит аэратор для ввода атмосферного воздуха в рабочую жидкость в виде мелкодисперсной фракции, датчики pH, T°C и уровня жидкости, электронные расходомеры воздуха и двуокиси углерода, регулятор давления метана, отделитель отходящих газов от жидких продуктов ферментации, анализатор отходящих газов CH4, O2, CO2 и контроллер управления ферментационным процессом, при этом газораспределительное устройство выполнено в виде многоканального газлифтного насоса, прокачивающего рабочую жидкость по множественным поверхностям полимерных газопроницаемых мембран; коллектор метана сообщен трубопроводом с регулятором давления метана; аэратор через бактериальный фильтр и электронные расходомеры сообщен с источниками сжатых атмосферного воздуха и двуокиси углерода; отделитель отходящих газов от жидких продуктов ферментации сообщен с верхней полостью биореактора через регулируемую заслонку отходящих газов; анализатор газов сообщен с отделителем отходящих газов от жидких продуктов ферментации через бактериальный фильтр.The disadvantages of the aforementioned analogue are eliminated by the implementation of the above objective of the present invention using a bioreactor with a membrane gas supply device of microorganisms containing a cylindrical body, cover, bottom, heat exchanger, gas distribution device, methane collector, gas-permeable polymer membranes, nozzles for the flow of working liquids and gases, in which according to the present invention, the bioreactor further comprises an aerator for introducing atmospheric air into the working fluid in the form of fine codes ispersnoy fractions sensors pH, T ° C, and the liquid level, the electronic flow of air and carbon dioxide, methane pressure regulator separator waste gases from liquid fermentation products, flue gas analyzer CH 4, O 2, CO 2 and fermentation controller process when this gas distribution device is made in the form of a multi-channel gas lift pump pumping a working fluid over multiple surfaces of polymer gas-permeable membranes; the methane collector is in communication with a methane pressure regulator; the aerator is connected through a bacterial filter and electronic flowmeters to sources of compressed atmospheric air and carbon dioxide; a separator of exhaust gases from liquid fermentation products is in communication with the upper cavity of the bioreactor through an adjustable exhaust gas damper; a gas analyzer is communicated with a separator of exhaust gases from liquid fermentation products through a bacterial filter.
Кроме того, указанная цель достигается благодаря тому, что биореактор дополнительно содержит насос для перекачки рабочей жидкости, размещенный в разрыве трубопровода, соединяющего нижнюю часть емкости отделителя с придонной частью биореактора.In addition, this goal is achieved due to the fact that the bioreactor further comprises a pump for pumping the working fluid, located in the gap of the pipeline connecting the lower part of the separator tank with the bottom part of the bioreactor.
Кроме того, корпус газораспределительного устройства снабжен диффузором, в полости которого размещен аэратор и который направляет поток аэрирующего воздуха в зазоры между газопроницаемыми мембранами, при этом опорная часть диффузора снабжена вырезами для свободного протока рабочей жидкости.In addition, the body of the gas distribution device is equipped with a diffuser, in the cavity of which an aerator is placed and which directs the flow of aerating air into the gaps between the gas-permeable membranes, while the supporting part of the diffuser is equipped with cutouts for free flow of the working fluid.
Кроме того, коллектор метана снабжен отверстиями для свободного протока газожидкостной смеси через газораспределительное устройство.In addition, the methane collector is provided with openings for the free flow of a gas-liquid mixture through a gas distribution device.
Кроме того, отделитель отходящих газов от жидких продуктов ферментации выполнен в виде емкости и несет на себе датчик уровня рабочей жидкости.In addition, the separator of exhaust gases from liquid fermentation products is made in the form of a tank and carries a level sensor for the working fluid.
Кроме того, газораспределительное устройство удерживается в вертикальном положении посредством направляющих пластин и с опорой на днище корпуса биореактора, при этом направляющие пластины закреплены между внутренней стенкой корпуса биореактора и газораспределительным устройством.In addition, the gas distribution device is held in an upright position by means of guide plates and supported on the bottom of the bioreactor body, while the guide plates are fixed between the inner wall of the bioreactor body and the gas distribution device.
Кроме того, теплообменник выполнен в виде теплообменной рубашки.In addition, the heat exchanger is made in the form of a heat exchange jacket.
Схема биореактора согласно настоящему изобретению представлена на прилагаемом рисунке.The bioreactor scheme according to the present invention is presented in the attached figure.
Биореактор содержит:The bioreactor contains:
Цилиндрический корпус 1, крышку 2, днище 3, теплообменник в виде теплообменной рубашки 4, газораспределительное устройство 5, полимерные газопроницаемые мембраны 6, коллектор 7 метана, аэратор 8 воздуха, направляющие пластины 9, диффузор 10, отделитель 11 газов, диафрагменный насос 12 для перекачки рабочей жидкости, бактериальный фильтр 13 входящих газов, бактериальный фильтр 14 отходящих газов, заслонку 15 расхода отходящих газов, регулятор 16 давления метана, электронный расходомер 17 воздуха, электронный расходомер 18 двуокиси углерода, муфту 19 датчика pH, муфту 20 датчика температуры, управляемые клапаны 21-27, обратный клапан 28, муфту 29 датчика уровня жидкости, анализатор 30 отходящих газов CH4, O2, CO2, патрубки 31-38, контроллер 39 управления.
ИсполнениеExecution
- в качестве питающего газа в биореакторе согласно настоящему изобретению используется природный газообразный метан;- as the feed gas in the bioreactor according to the present invention uses natural gaseous methane;
- коллектор метана снабжен перфорированными отверстиями для сквозного протока газожидкостной смеси через газораспределительное устройство;- the methane collector is equipped with perforated holes for the through flow of the gas-liquid mixture through the gas distribution device;
- газораспределительное устройство снабжено диффузором, направляющим поток аэрирующего воздуха в зазоры между газопроницаемыми мембранами;- the gas distribution device is equipped with a diffuser, directing the flow of aerating air into the gaps between the gas-permeable membranes;
- в качестве аэратора применен, например, дисковый аэратор фирмы Matala, Австралия;- as an aerator used, for example, a disk aerator company Matala, Australia;
- опорная часть диффузора снабжена вырезами для свободного протока рабочей жидкости;- the supporting part of the diffuser is equipped with cutouts for the free flow of the working fluid;
- отделитель отходящих газов от жидких продуктов ферментации выполнен в виде емкости с встроенным датчиком уровня рабочей жидкости;- a separator of exhaust gases from liquid fermentation products is made in the form of a tank with a built-in level sensor for the working fluid;
- газораспределительное устройство удерживается в биореакторе в вертикальном положении посредством направляющих пластин и с опорой на днище корпуса биореактора.- the gas distribution device is held in the bioreactor in an upright position by means of guide plates and with support on the bottom of the bioreactor body.
- коллектор сообщен трубопроводом с регулятором давления метана;- the collector is connected by a pipeline with a methane pressure regulator;
- полимерные мембраны размещены в газораспределительном устройстве с зазором 5 мм между стенками мембран;- polymer membranes are placed in a gas distribution device with a gap of 5 mm between the walls of the membranes;
- полимерная мембрана имеет замкнутую, например, U-образную форму и соединена с коллектором метана;- the polymer membrane has a closed, for example, U-shape and is connected to a methane collector;
- направляющие пластины закреплены между внутренней стенкой биореактора и корпусом газораспределительного устройства с образованием проточного канала шириной 10 мм;- the guide plates are fixed between the inner wall of the bioreactor and the body of the gas distribution device with the formation of a
- аэратор размещен в полости диффузора;- the aerator is placed in the cavity of the diffuser;
- аэратор через бактериальный фильтр и клапаны посредством трубопроводов сообщен с электронными расходомерами воздуха и двуокиси углерода;- the aerator through a bacterial filter and valves through pipelines communicated with electronic flow meters of air and carbon dioxide;
- отделитель отходящих газов от жидких продуктов ферментации сообщен трубопроводом с верхней полостью биореактора через регулируемую заслонку отходящих газов;- a separator of exhaust gases from liquid fermentation products is communicated by a pipeline with the upper cavity of the bioreactor through an adjustable exhaust gas damper;
- анализатор отходящих газов сообщен трубопроводом с отделителем отходящих газов от жидких продуктов ферментации через бактериальный фильтр;- the exhaust gas analyzer is connected by a pipeline with a separator of exhaust gases from liquid fermentation products through a bacterial filter;
- диафрагменный насос размещен в разрыве трубопровода, соединяющего нижнюю часть емкости отделителя с придонной частью биореактора- the diaphragm pump is located in the gap of the pipeline connecting the lower part of the separator tank with the bottom part of the bioreactor
- теплообменник выполнен в виде теплообменной рубашки, закрепленной на корпусе биореактора;- the heat exchanger is made in the form of a heat exchange jacket mounted on the bioreactor body;
- контроллер электрически связан (на рисунке не изображено) с датчиками, клапанами и другими исполнительными механизмами.- the controller is electrically connected (not shown in the figure) with sensors, valves and other actuators.
Работа биореактораBioreactor operation
Через патрубок 33 и открытый клапан 23 в биореактор вносят водно-минеральную среду до контакта с датчиком 29 уровня в отделителе 11 газов. В процессе ввода в биореактор водно-минеральной среды воздух из биореактора отводится в атмосферу через заслонку 15 расхода, отделитель 11, бактериальный фильтр 14, анализатор 30 газов и патрубок 38.Through the pipe 33 and the
При контакте водно-минеральной среды с датчиком 29 уровня клапан 23 закрывают, теплообменную рубашку 4 нагревают до заданной температуры ферментационного процесса, а через патрубок 31 и открытый клапан 21 производят засев водно-минеральной среды культурой микроорганизмов с образованием рабочей жидкости.Upon contact of the aqueous-mineral medium with the
Клапан 21 закрывают, а через патрубок 34, электронный расходомер 17, открытый клапан 24, бактериальный фильтр 13, обратный клапан 28 и аэратор 8 с заданным расходом подают атмосферный воздух, который из дискового аэратора 8 вытесняется в рабочую жидкость в виде мелкодисперсной фракции, насыщая рабочую жидкость кислородом и двуокисью углерода воздуха.The valve 21 is closed, and through the
В коллектор 7 через патрубок 32, регулятор 16 давления и открытый клапан 22 вводят метан с заданным давлением. Метан диффундирует в рабочую жидкость через множественные поверхности газопроницаемых полимерных мембран 6, полностью растворяясь в рабочей жидкости, насыщенной аэрирующим воздухом.Methane with a predetermined pressure is introduced into the
Нерастворенные газы аэрирующего воздуха в виде мелких пузырьков, распределенных в объеме диффузора 10, поднимаются вверх по зазорам пакета полимерных газопроницаемых мембран 6, выполняя функцию газлифтного насоса, непрерывно перемещающего тонкие слои рабочей жидкости через газораспределительное устройство 5.The undissolved aerating air gases in the form of small bubbles distributed in the volume of the
На контроллере 39 управления ферментационным процессом задают частоту работы диафрагменного насоса 12, верхнее и нижнее значения pH рабочей жидкости, параметры отходящих газов, протекающих через анализатор 30 газов, время слива продуктов ферментации, рабочую температуру теплообменной рубашки 4 и применяют алгоритм работы биореактора.On the fermentation
При контакте рабочей жидкости с датчиком 29 уровня включается насос 12, откачивающий рабочую жидкость из емкости отделителя 11 обратно в биореактор, что интенсифицирует процесс отделения газов от рабочей жидкости и устраняет застойные зоны рабочей жидкости.Upon contact of the working fluid with the
В процессе роста микроорганизмов, при достижении заданного нижнего значения pH рабочей жидкости, насос 12 выключается, открывается клапан 27 и полученные продукты ферментации в течение заданного времени отводятся из емкости отделителя 11 газов потребителю.In the process of growth of microorganisms, upon reaching a predetermined lower pH of the working fluid, the
По истечении заданного времени слива продуктов ферментации клапан 27 закрывается, открывается клапан 23 и в биореактор вносится очередная порция водно-минеральной среды до контакта с датчиком 29 уровня.After a predetermined time for draining the fermentation products, the
Процесс дробного слива и загрузки водно-минеральной среды повторяется до восстановления заданного верхнего значения pH рабочей среды, после чего выдерживается пауза, при которой происходит снижение pH рабочей жидкости до заданного нижнего значения.The process of fractional draining and loading of the water-mineral medium is repeated until the predetermined upper pH value of the working medium is restored, after which a pause is maintained during which the pH of the working fluid decreases to the specified lower value.
Поддержание заданного соотношения растворенных газов в рабочей жидкости осуществляется при постоянном давлении метана в газопроницаемых мембранах 6 и при регулировании расхода воздуха и двуокиси углерода посредством обратной связи, установленной между анализатором 30 отходящих газов, электронным регулятором 17 расхода аэрирующего воздуха через клапан 24 и электронным регулятором 18 расхода двуокиси углерода через клапан 25, по заданным значениям CH4, O2, CO2.Maintaining a predetermined ratio of dissolved gases in the working fluid is carried out at a constant pressure of methane in the gas-
Заслонка 15, размещенная в трубопроводе на выходе газожидкостной смеси из биореактора, позволяет менять давление рабочей жидкости в биореакторе посредством изменения проходного сечения и, как следствие, управлять скоростью растворения питающих газов.The
Преимущества биореактора перед известными аналогамиThe advantages of the bioreactor over known analogues
1. Газораспределительное устройство выполнено в виде многоканального газлифтного насоса, прокачивающего тонкие слои рабочей жидкости по множественным поверхностям полимерных газопроницаемых мембран, что повышает интенсивность растворения питающих газов и активизирует ферментативные реакции.1. The gas distribution device is made in the form of a multi-channel gas lift pump pumping thin layers of the working fluid over multiple surfaces of polymer gas-permeable membranes, which increases the dissolution rate of the feed gases and activates the enzymatic reactions.
2. Метан поступает в рабочую жидкость, насыщенную кислородом воздуха, посредством диффузии через стенки множественных мембран, равномерно распределенных по всему рабочему объему, и полностью потребляется микроорганизмами, что исключает создание взрывоопасных соотношений газов в биореакторе.2. Methane enters the working fluid saturated with oxygen through diffusion through the walls of multiple membranes uniformly distributed throughout the working volume and is completely consumed by microorganisms, which eliminates the creation of explosive gas ratios in the bioreactor.
3. Отделитель отходящих газов от жидких продуктов ферментации снабжен датчиком уровня жидкости, что оптимизирует управление отъемно-доливными процессами.3. The separator of the exhaust gases from the liquid fermentation products is equipped with a liquid level sensor, which optimizes the control of weaning-topping processes.
4. Ввод водно-минерального раствора в биореактор осуществляется в объеме, определенном контактом с датчиком уровня, закрепленным в емкости отделителя газов.4. The input of the water-mineral solution into the bioreactor is carried out in the volume determined by the contact with the level sensor fixed in the tank of the gas separator.
5. Насос, откачивающий рабочую жидкость из емкости отделителя газов обратно в биореактор, включается при контакте рабочей жидкости с датчиком уровня, а выключается по заданному нижнему значению датчика pH, что устраняет застойные зоны рабочей жидкости.5. The pump pumping the working fluid from the gas separator tank back to the bioreactor turns on when the working fluid contacts the level sensor, and turns off at the set lower value of the pH sensor, which eliminates the stagnant zones of the working fluid.
6. Слив продуктов ферментации осуществляется при достижении заданного нижнего значения pH по временному алгоритму, после чего производится очередной ввод в биореактор водно-минеральной среды.6. Draining of fermentation products is carried out upon reaching a predetermined lower pH value according to a temporary algorithm, after which the next introduction of a water-mineral medium into the bioreactor is performed.
7. Дробный слив продуктов ферментации осуществляется до восстановления заданного верхнего значения pH рабочей жидкости, после чего слив прекращается и выдерживается временная пауза до следующего снижения pH рабочей жидкости.7. Fractional discharge of fermentation products is carried out until the specified upper pH value of the working fluid is restored, after which the drain is stopped and a temporary pause is maintained until the next decrease in the pH of the working fluid.
8. Управление соотношением газов в рабочей жидкости осуществляют по показаниям отходящих газов, протекающих через анализатор CH4, O2, CO2 через обратную связь управления электронными расходомерами воздуха и двуокиси углерода.8. Management of the ratio of gases in the working fluid is carried out according to the testimony of the exhaust gases flowing through the analyzer CH 4 , O 2 , CO 2 through the feedback control electronic flowmeters of air and carbon dioxide.
9. Теплообменник выполнен в виде теплообменной рубашки, имеющей увеличенную поверхность теплообмена по сравнению с аналогом, и обеспечивает лучший теплообмен.9. The heat exchanger is made in the form of a heat exchange jacket having an enlarged heat exchange surface compared to the analogue, and provides better heat transfer.
10. Биореактор выполнен в виде ферментационного модуля, обеспечивающего прямое масштабирование рабочего объема или экстенсивное наращивание биореакторов в условиях построения каскада ферментационных модулей.10. The bioreactor is made in the form of a fermentation module that provides direct scaling of the working volume or extensive extension of bioreactors in the conditions of constructing a cascade of fermentation modules.
Указанные преимущества позволяют повысить производительность и взрывобезопасность биореактора.These advantages can improve the performance and explosion safety of the bioreactor.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015119704/10A RU2596396C1 (en) | 2015-05-25 | 2015-05-25 | Bioreactor with membrane device for gas supply of microorganisms |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015119704/10A RU2596396C1 (en) | 2015-05-25 | 2015-05-25 | Bioreactor with membrane device for gas supply of microorganisms |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2596396C1 true RU2596396C1 (en) | 2016-09-10 |
Family
ID=56892791
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015119704/10A RU2596396C1 (en) | 2015-05-25 | 2015-05-25 | Bioreactor with membrane device for gas supply of microorganisms |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2596396C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2644344C1 (en) * | 2016-10-26 | 2018-02-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологического приборостроения с опытным производством Российской Академии наук (ИБП РАН) | Biological reactor for transforming gas-hydrogen hydrocarbons to biologically active compounds |
WO2020225709A1 (en) * | 2019-05-03 | 2020-11-12 | Arborea Ltd | Bioreactor device and methods |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1576569A1 (en) * | 1988-08-17 | 1990-07-07 | Институт Биохимии И Физиологии Микроорганизмов Ан Ссср | Device for regulation of ph and partial pressure of dissolved oxygen in cultural liquid in fermenter |
RU85479U1 (en) * | 2009-03-25 | 2009-08-10 | Институт биологического приборостроения с опытным производством РАН | APPARATUS FOR FERMENTATION PROCESSES |
RU2415913C1 (en) * | 2009-10-27 | 2011-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Биотехконсалтинг" | Extrusion bioreactor with membrane device for supplying and sterilising gas feed |
RU2446205C1 (en) * | 2010-10-29 | 2012-03-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Биотехконсалтинг" | Displacement bioreactor with membrane gas supply device |
RU123337U1 (en) * | 2012-06-15 | 2012-12-27 | Алексей Владимирович Горев | MEMBRANE BIOREACTOR FOR SEWAGE TREATMENT |
-
2015
- 2015-05-25 RU RU2015119704/10A patent/RU2596396C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1576569A1 (en) * | 1988-08-17 | 1990-07-07 | Институт Биохимии И Физиологии Микроорганизмов Ан Ссср | Device for regulation of ph and partial pressure of dissolved oxygen in cultural liquid in fermenter |
RU85479U1 (en) * | 2009-03-25 | 2009-08-10 | Институт биологического приборостроения с опытным производством РАН | APPARATUS FOR FERMENTATION PROCESSES |
RU2415913C1 (en) * | 2009-10-27 | 2011-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Биотехконсалтинг" | Extrusion bioreactor with membrane device for supplying and sterilising gas feed |
RU2446205C1 (en) * | 2010-10-29 | 2012-03-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Биотехконсалтинг" | Displacement bioreactor with membrane gas supply device |
RU123337U1 (en) * | 2012-06-15 | 2012-12-27 | Алексей Владимирович Горев | MEMBRANE BIOREACTOR FOR SEWAGE TREATMENT |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2644344C1 (en) * | 2016-10-26 | 2018-02-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологического приборостроения с опытным производством Российской Академии наук (ИБП РАН) | Biological reactor for transforming gas-hydrogen hydrocarbons to biologically active compounds |
WO2020225709A1 (en) * | 2019-05-03 | 2020-11-12 | Arborea Ltd | Bioreactor device and methods |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2607782C1 (en) | Bioreactor for growing methane-recycling microorganisms | |
RU2580646C1 (en) | Fermentation apparatus for methane-assimilating microorganisms | |
CN101985595B (en) | Membrane type photobioreactor for enhancing microalgae culturing | |
US10427112B2 (en) | Aeration device for bioreactors | |
CN107915320B (en) | Air-floating type half-short-cut nitrification-anaerobic ammonia oxidation reactor | |
CN106830302A (en) | The MBR complete nitrifications bacterium concentrating device and its method of dissolved oxygen Automated condtrol | |
RU2596396C1 (en) | Bioreactor with membrane device for gas supply of microorganisms | |
RU2322488C2 (en) | Method for production of aerobic microorganism biomass | |
CN207537216U (en) | A kind of baffle plate type anaerobic membrane bioreactor system | |
RU2728193C1 (en) | Fermenter and fermentation unit for continuous cultivation of microorganisms | |
CN216712108U (en) | Device for rapidly enriching and culturing anaerobic ammonium oxidation bacteria | |
KR102167085B1 (en) | A cultivation system of gas conversion microbial and operation method thereof | |
RU2762273C2 (en) | Installation for producing biomass of aerobic microorganisms | |
RU2415913C1 (en) | Extrusion bioreactor with membrane device for supplying and sterilising gas feed | |
CN102864068B (en) | Device for fast screening and culturing anaerobic ammonia oxidation microbial communities | |
RU2743581C1 (en) | Fermentation plant for cultivation of methane-oxidizing bacteria methylococcus capsulatus | |
RU2585666C1 (en) | Device for cultivation of methane-oxidising microorganisms | |
US10745305B2 (en) | Methods and devices for performing reactions | |
RU2644344C1 (en) | Biological reactor for transforming gas-hydrogen hydrocarbons to biologically active compounds | |
WO1990002170A1 (en) | Membrane bioreactor | |
RU2768390C1 (en) | Stepped reactor for aerobic biosynthesis and method for operation of stepped reactor for aerobic biosynthesis | |
JPS6027379A (en) | Biochemical reactor | |
RU2769129C1 (en) | Fermentation plant for cultivation of methylococcus capsulatus methane-oxidizing bacteria | |
RU92660U1 (en) | DEEP ORGANIC WASTE PROCESSING SYSTEM | |
RU2741346C1 (en) | Device for cultivation of microorganisms |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20210125 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner |