RU2728193C1 - Fermenter and fermentation unit for continuous cultivation of microorganisms - Google Patents
Fermenter and fermentation unit for continuous cultivation of microorganisms Download PDFInfo
- Publication number
- RU2728193C1 RU2728193C1 RU2019118203A RU2019118203A RU2728193C1 RU 2728193 C1 RU2728193 C1 RU 2728193C1 RU 2019118203 A RU2019118203 A RU 2019118203A RU 2019118203 A RU2019118203 A RU 2019118203A RU 2728193 C1 RU2728193 C1 RU 2728193C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fermenter
- line
- blocks
- gases
- preparation
- 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
- C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
- C12M1/02—Apparatus for enzymology or microbiology with agitation means; with heat exchange means
-
- 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
- C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
- C12M1/04—Apparatus for enzymology or microbiology with gas introduction means
-
- 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
- C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
- C12M1/34—Measuring or testing with condition measuring or sensing means, e.g. colony counters
-
- 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
- C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
- C12M1/36—Apparatus for enzymology or microbiology including condition or time responsive control, e.g. automatically controlled fermentors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Zoology (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates
Изобретение относится к биотехнологии, а именно, к способам и устройствам для культивирования микроорганизмов, в том числе метилотрофных и метанотрофных бактерий, и может быть использовано для получения широкой гаммы биопродуктов. Более конкретно, изобретение относится к петлевым биореакторам и способам их эксплуатации.The invention relates to biotechnology, in particular, to methods and devices for the cultivation of microorganisms, including methylotrophic and methanotrophic bacteria, and can be used to obtain a wide range of biological products. More specifically, the invention relates to loop bioreactors and methods for operating them.
Уровень техникиState of the art
Из уровня техники известно устройство для проведения ферментации, представляющее собой U-образный биореактор (ЕР 0418187 А1), в котором один или несколько газов смешиваются с ферментационной жидкостью. Устройство содержит насос, обеспечивающий циркуляцию газосодержащей жидкости в биореакторе и повторное диспергирование газа после U-образной части биореактора. Устройство содержит средства подачи газа, воды, пищевых солей и микроорганизмов, средства отбора полученной биомассы, а также средства контроля и регулирования процесса ферментации.A device for carrying out fermentation is known from the prior art, which is a U-shaped bioreactor (EP 0418187 A1), in which one or more gases are mixed with the fermentation liquid. The device contains a pump that circulates the gaseous liquid in the bioreactor and re-disperses the gas after the U-shaped part of the bioreactor. The device contains means for supplying gas, water, food salts and microorganisms, means for collecting the obtained biomass, as well as means for monitoring and regulating the fermentation process.
Однако известное устройство характеризуется повышенными энергозатратами и ограниченными возможностями стабилизации растворенного СО2. При прохождении U-образного изгиба пузырьки газовой смеси всплывают за счет архимедовой силы и вытесняются жидкостью за счет центробежного эффекта к верхней поверхности изгиба. У верхней поверхности U-образного изгиба происходит интенсивное слияние пузырьков. Чтобы разбить газовую фазу в восходящем потоке U-образного биореактора на пузырьки, эквивалентные по размерам пузырькам в нисходящем потоке, в восходящей части должно быть больше статических смесителей, что ведет к увеличению энергозатрат на циркуляцию газосодержащей жидкости. Кроме того, в биореакторе СО2 образуется как продукт метаболизма клетки и растворяется в культуральной жидкости (КЖ), ингибируя рост микроорганизмов. При высокой продуктивности в крупнотоннажном биореакторе объемом от 50 м3 с одной точкой дегазации, как правило, невозможно обеспечить концентрацию СО2 в оптимальном диапазоне по всему контуру циркуляции КЖ, что ведет к снижению скорости роста биомассы. Кроме того, процесс культивирования метанотрофов сопровождается высоким выделением тепла. Это накладывает ограничение на диаметр трубы восходящего и нисходящего потоков. Ограничения на диаметр делают практически нереализуемой конструкцию ферментера объемом более 50 м3.However, the known device is characterized by increased energy consumption and limited possibilities of stabilization of dissolved CO 2 . When passing through the U-shaped bend, the bubbles of the gas mixture float due to the Archimedean force and are displaced by the liquid due to the centrifugal effect to the upper surface of the bend. At the upper surface of the U-shaped bend, an intense coalescence of bubbles occurs. In order to break the gas phase in the upward flow of a U-shaped bioreactor into bubbles equivalent in size to those in the downstream flow, there must be more static mixers in the upstream, which leads to an increase in energy consumption for the circulation of the gaseous liquid. In addition, in the bioreactor, CO 2 is formed as a product of cell metabolism and is dissolved in the culture liquid (CL), inhibiting the growth of microorganisms. With high productivity in a large-scale bioreactor with a volume of 50 m 3 and more with one degassing point, as a rule, it is impossible to ensure the CO 2 concentration in the optimal range along the entire CL circulation loop, which leads to a decrease in the biomass growth rate. In addition, the process of culturing methanotrophs is accompanied by high heat generation. This imposes a limitation on the upstream and downstream pipe diameters. Diameter restrictions make the design of a fermenter with a volume of more than 50 m 3 practically unrealizable.
Из уровня техники известен U-образный ферментер (US 6492135 В1), включающий два преимущественно вертикальных участка - для нисходящего и восходящего потоков, и U-образный изгиб, соединяющий нижние концы вертикальных участков. Ферментер содержит встроенный насос, размещенный в U-образном изгибе для циркуляции ферментационной жидкости, статические смесительные элементы (статические миксеры), размещенные в вертикальных участках и предназначенные для измельчения пузырьков газов, вводимых в жидкость для ферментации, средства подачи газа, воды, микроорганизмов и питательных солей, а также средства отбора полученной биомассы. Ферментер снабжен средствами измерения (датчиками) температуры, рН и концентрации компонентов газожидкостной ферментационной смеси, а также средствами управления процессом ферментации.A U-shaped fermenter (US Pat. No. 6,492,135 B1) is known from the prior art, which includes two predominantly vertical sections for upward and downward flows, and a U-shaped bend connecting the lower ends of the vertical sections. The fermenter contains a built-in pump placed in a U-shaped bend for the circulation of the fermentation liquid, static mixing elements (static mixers) located in vertical sections and intended for grinding gas bubbles introduced into the fermentation liquid, means for supplying gas, water, microorganisms and nutrients. salts, as well as a means of selection of the resulting biomass. The fermenter is equipped with means for measuring (sensors) temperature, pH and concentration of components of the gas-liquid fermentation mixture, as well as means for controlling the fermentation process.
Однако данное устройство обладает теми же недостатками, что и устройство, раскрытое в публикации ЕР 0418187.However, this device has the same disadvantages as the device disclosed in EP 0418187.
Наиболее близким к заявляемому является U-образный ферментер (US 2011244543), включающий два вертикальных участка для нисходящего и восходящего потоков; U-образный изгиб, имеющий горизонтальный соединительный участок; верхнюю часть в виде цилиндра, расположенного над U-образной частью и соединяющего верхние концы вертикальных участков; при этом диаметр цилиндра существенно больше диаметра труб U-части. В U-части ферментера предусмотрены средства циркуляции жидкости. Отвод ферментационной жидкости осуществляют через выпускное отверстие, расположенное в верхней части или горизонтальном соединительном участке U-образной части ферментера. Ферментер снабжен средствами подачи газа, статическими перемешивающими элементами, средствами подачи воды и питательных солей, датчиками или анализаторами температуры, рН, датчиками определения концентраций компонентов ферментационной газожидкостной смеси, устройствами регулирования давления.Closest to the claimed one is a U-shaped fermenter (US 2011244543), which includes two vertical sections for downstream and upstream; U-shaped bend having a horizontal connecting portion; an upper part in the form of a cylinder located above the U-shaped part and connecting the upper ends of the vertical sections; the diameter of the cylinder is substantially larger than the diameter of the pipes of the U-part. Liquid circulation means are provided in the U-part of the fermenter. The fermentation liquid is discharged through an outlet located at the top or horizontal connecting portion of the U-shaped part of the fermenter. The fermenter is equipped with gas supply means, static mixing elements, water and nutrient salts supply means, temperature and pH sensors or analyzers, sensors for determining the concentrations of the components of the fermentation gas-liquid mixture, pressure control devices.
В отличие от аналогов в ферментере предусмотрена возможность уменьшения концентрации растворенного СО2 в культуральной жидкости за счет создания области остаточного давления. Однако, как правило, концентрация растворенного СО2, при которой начинается падение продуктивности процесса ферментации значительно ниже, чем максимально возможная концентрация растворенного СО2 в рабочих диапазонах температур и атмосферном давлении, поэтому снижение концентрации СО2 до оптимального диапазона требует давления, значительно ниже атмосферного, и даже в этом случае не позволяет обеспечить уровень растворенного СО2 в оптимальном диапазоне по всему контуру циркуляции, что ведет к снижению скорости роста биомассы и затрудняет его использование в промышленных масштабах. В случае культивирования микроорганизмов с высоким тепловыделением объем ферментера ограничен возможностями термостатирования. Ферментер характеризуется высоким энергопотреблением, требуемым для обеспечения массообмена между газовой и жидкой фазами, необходимого для высокопродуктивного процесса ферментации; для обеспечения работы дополнительных смесителей для получения в восходящем потоке U-образного биореактора пузырьков, эквивалентных по размерам пузырькам в нисходящем потоке; для циркуляции газосодержащей жидкости. Ферментер известной конструкции накладывает ограничения на использование метанотрофных бактерий, процесс культивирования которых сопровождается высоким тепловыделением, и для которых необходимо использовать трубы для восходящего и нисходящего потоков ограниченного диаметра, что делает практически нереализуемой конструкцию ферментера объемом более 50 м3.In contrast to the analogues in the fermenter is provided the possibility of reducing the concentration of dissolved CO 2 in the culture fluid by creating areas of residual pressure. However, as a rule, the concentration of dissolved СО 2 , at which the fermentation process productivity begins to decline, is much lower than the maximum possible concentration of dissolved СО 2 in the operating temperature ranges and atmospheric pressure, therefore, reducing the concentration of СО 2 to the optimal range requires a pressure significantly lower than atmospheric pressure. and even in this case, it does not allow providing the level of dissolved CO 2 in the optimal range along the entire circulation loop, which leads to a decrease in the growth rate of biomass and makes it difficult to use it on an industrial scale. In the case of cultivation of microorganisms with high heat release, the volume of the fermenter is limited by the possibilities of thermostating. The fermenter is characterized by high energy consumption required to ensure the mass transfer between the gas and liquid phases, which is necessary for a highly productive fermentation process; to ensure the operation of additional mixers to obtain bubbles in the upward flow of the U-shaped bioreactor, equivalent in size to the bubbles in the downstream; for the circulation of gaseous liquid. A fermenter of a known design imposes restrictions on the use of methanotrophic bacteria, the cultivation process of which is accompanied by high heat generation, and for which it is necessary to use pipes for upward and downward flows of limited diameter, which makes the design of a fermenter with a volume of more than 50 m 3 practically unrealizable.
Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является преодоление недостатков, присущих аналогам и прототипу, а именно, создание энергоэффективного высокопродуктивного промышленного ферментера и ферментационной установки (с получением уровня растворенного в культуральной жидкости СО2 в пределах, оптимальных для роста культуры).The technical problem solved by the claimed invention is to overcome the drawbacks of the prototype and analogues, namely, the creation of highly energy efficient industrial fermenter and the fermentation plant (to give a level of dissolved in the culture liquid CO 2 within which are optimal for the culture growth).
Заявляемое изобретение позволяет оптимизировать (снизить) уровень СО2, растворенного в культуральной жидкости, по всему контуру циркуляции, снизить энергозатраты, необходимые для обеспечения массообмена между газовой и жидкой фазами в восходящем потоке культуральной жидкости, увеличить рабочий объем ферментера, удовлетворяя требуемым характеристикам термостатирования КЖ в процессе культивирования микроорганизмов.The claimed invention allows to optimize (reduce) the level of CO 2 dissolved in the culture liquid, across the circulation circuit, to reduce power consumption needed to provide mass transfer between the gas and liquid phases in the up-flow of the culture fluid, to increase the working volume of the fermentor, satisfying the required characteristics thermostating QL the process of cultivating microorganisms.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является обеспечение поддержания концентрации растворенного СО2 в культуральной жидкости в ферментере при производстве биомассы метанотрофов на уровне, обеспечивающем высокую продуктивность процесса культивирования, обеспечение массообмена между газовой и жидкой фазами в восходящем потоке КЖ при снижении потребляемой энергии и увеличении рабочего объема ферментера.The technical result in the achievement of which is directed claimed invention is to provide maintain the concentration of dissolved CO 2 in the liquid medium in a fermentor at the production of biomass methanotrophs at a level ensuring a high productivity of the cultivation process, providing mass transfer between the gas and liquid phases in the upstream QOL while reducing energy consumption and increasing the working volume of the fermenter.
Достижение заявляемого результата особенно актуально в крупнотоннажном промышленном производстве биопродукта.Achieving the claimed result is especially important in the large-scale industrial production of bioproducts.
Технический результат достигается за счет создания ферментера, включающего, по меньшей мере, четыре блока, соединенные между собой с образованием замкнутого контура для движения культуральной жидкости (КЖ), где первый 1 и третий 3 блоки, предназначенные для нисходящего и восходящего потоков КЖ, соответственно, выполнены преимущественно вертикально ориентированными, каждый из которых включает, по меньшей мере, одну трубу для КЖ, выполненную с возможностью термостатирования КЖ; второй 2 - нижний, и четвертый 4 - верхний блоки, выполнены преимущественно горизонтально ориентированными, и включают емкости, выполненные с возможностью дегазации КЖ; по меньшей мере, один насос 6, подключенный к замкнутому контуру с возможностью обеспечения циркуляции КЖ по замкнутому контуру; а также, по меньшей мере, два барботера 7, выполненные с возможностью подачи газовой смеси в КЖ; статические миксеры 8 для перемешивания КЖ; средства подачи компонентов КЖ 9, 10, отбора КЖ 12, удаления остаточных и образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов газов (абгазов) 11, подачи и отвода теплоносителя 21, средства измерения параметров КЖ 13, 14, 15, 16, 17.The technical result is achieved by creating a fermenter, including at least four blocks, interconnected with the formation of a closed loop for the movement of the culture fluid (CL), where the first 1 and third 3 blocks are designed for the descending and ascending flows of the culture fluid, respectively, are made mainly vertically oriented, each of which includes at least one pipe for QL, made with the possibility of thermostating the QL; the second 2 is the lower, and the fourth 4 is the upper blocks, are made mainly horizontally oriented, and include containers made with the possibility of degassing the QL; at least one
В качестве средств удаления остаточных и образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов газов использованы, по меньшей мере, два выхода или патрубка, один из которых расположен в емкости второго блока, а второй в емкости четвертого блока.At least two outlets or nozzles are used as means for removing residual gases and gases formed during the life of microorganisms, one of which is located in the container of the second block, and the second in the container of the fourth block.
Барботеры расположены на входах для подачи газовых сред и выполнены с возможностью формирования пузырьков газа в КЖ диаметром не более 5 мм. Статические миксеры расположены в зонах соединения второго и третьего блоков, первого и четвертого блоков. Предпочтительно статические миксеры расположены по длине вертикальных блоков на расстоянии друг от друга с обеспечением возможности формирования пузырьков газа диаметром от 1 до 5 мм.Bubblers are located at the inlets for supplying gas media and are made with the possibility of forming gas bubbles in the CL with a diameter of no more than 5 mm. Static mixers are located in the connection areas of the second and third blocks, the first and fourth blocks. Preferably, the static mixers are spaced along the length of the vertical blocks to allow the formation of gas bubbles with a diameter of 1 to 5 mm.
В качестве средств измерения параметров КЖ могут быть использованы средства измерения температуры, включающие термодатчики, связанные через управляющий контроллер с клапанами подачи теплоносителя; средства измерения рН среды, включающие рН датчики, связанные через управляющий контроллер с насосом, подающим титрующий агент; датчики измерения концентраций входящих и выходящих газовых сред, связанные через управляющий контроллер с регуляторами расходов вводимых в ферментер газов и объема газовой смеси, подаваемой на абсорбер; датчики уровня, расположенные в емкости второго и/или четвертого блоков, связанные через управляющий контроллер с насосами подачи питательной среды и средствами отвода КЖ из ферментера; регуляторы давления.As a means of measuring the parameters of the QOL, temperature measuring instruments can be used, including temperature sensors connected through a control controller with the valves for supplying the coolant; means for measuring the pH of the medium, including pH sensors, connected through a control controller with a pump supplying the titrating agent; sensors for measuring the concentrations of incoming and outgoing gas media, connected through a control controller with regulators of the flow rates of gases introduced into the fermenter and the volume of the gas mixture supplied to the absorber; level sensors located in the tank of the second and / or fourth blocks, connected through the control controller with the pumps for feeding the nutrient medium and means for removing the CL from the fermenter; pressure regulators.
В качестве средств подачи компонентов КЖ могут быть использованы, по меньшей мере, два входа или патрубка для подачи жидких сред, один из которых выполнен в емкости четвертого блока, а второй - в емкости второго блока; по меньшей мере, два входа или патрубка для подачи газовых сред, расположенные в первом и третьем блоках вблизи соединения с четвертым и вторым блоками, соответственно.At least two inlets or nozzles for supplying liquid media can be used as means for supplying the components of the QL, one of which is made in the container of the fourth block, and the second - in the container of the second block; at least two inlets or nozzles for supplying gas media located in the first and third blocks near the connection with the fourth and second blocks, respectively.
В качестве средства отбора КЖ использован, по меньшей мере, один выход или патрубок, расположенный в емкости второго блока.At least one outlet or branch pipe located in the tank of the second block is used as a means of selection of QL.
Для обеспечения возможности дегазации второй и четвертый блок содержат соответствующую емкость 5, имеющую большую площадь поперечного сечения по сравнению с площадью поперечного сечения трубы диаметром ДУФ. При этом в одном из вариантов осуществления изобретения емкость дегазации может быть выполнена в виде циклона (Фиг. 2). В другом варианте осуществления изобретения емкость дегазации может включать три части (расположенные по ходу движения КЖ) - боковую часть 27, центральную часть с отверстием для слива КЖ 26 и конфузор 28, примыкающий к отверстию для слива центральной части, боковая часть и конфузор выполнены с возможностью соединения через переходники с соответствующими вертикальными блоками, при этом центральная часть емкости имеет изменяющуюся площадь поперечного сечения по направлению движения КЖ, которая увеличивается на входном участке емкости, а боковая часть емкости выполнена с изменяющейся высотой и шириной при обеспечении постоянной площади ее поперечного сечения. При этом средство удаления остаточных и образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов газов выполнено в виде клапана дегазации 11, размещенного в верхней точке центральной части емкости 5. Минимальная длина центральной части емкости дегазации может определяться по формуле где h - высота потока КЖ в центральной части емкости дегазации, u=0,2 м/с-0,3 м/с - скорость всплытия пузырьков (длина центральной части емкости должна обеспечивать возможность всплытия и разрыва пузырьков диаметром от 1 мм со скоростью 0,2 м/с-0,3 м/с), v - скорость движения потока КЖ в центральной части емкости Второй и четвертый блоки выполнены с возможностью циркуляции КЖ с продольным перемешиванием и снабжены ультразвуковым пеногасителем, например, производства Pusonics (https://www.pusonics.es/ultrasonic-defoaming).To ensure the possibility of degassing, the second and fourth blocks contain a
В предпочтительном варианте осуществления изобретения насос 6 расположен на входе в первый или третий блоки, которые состоят, по меньшей мере, из двух соединенных между собой секций теплообменных аппаратов 20, при этом секции выполнены многотрубными. При промышленной реализации ферментера первый и третий блоки содержат трубы диаметром не менее 50 мм, в количестве не менее 3, длиной не менее 10 м.In a preferred embodiment of the invention, the
Соединение первого и четвертого блоков и/или второго и третьего блоков, как правило, реализовано с переходным участком Г-образной или ступенчатой формы или U образной формы для установки насоса.The connection of the first and fourth blocks and / or the second and third blocks, as a rule, is realized with an L-shaped or step-shaped or U-shaped transition section for installing a pump.
Технический результат достигается также за счет создания ферментационной установки для непрерывного культивирования микроорганизмов, включающей ферментер описанной выше конструкции, а также следующие устройства, соединенные в технологической последовательности с обеспечением замкнутого цикла культивирования микроорганизмов: линию водоподготовки 32, подключенную к линии приготовления питательной среды (ПС) 33 и к линии подготовки титрующего агента (ТА) 34, выходы которых соединены с соответствующими входами ферментера и с линией подготовки посевного материала (ПМ) 35; линию подготовки газовой среды (ГС) 36, которая подключена к соответствующему входу ферментера и линии подготовки ПМ, при этом выходы ферментера, предназначенные для удаления остаточных и образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов газов (абгазов) 11, расположенные во втором и четвертом блоках, соединены с линией очистки абгазов от СО2 37, выход которой в свою очередь соединен со входами ферментера для подачи газовой среды 9, а выход из ферментера, предназначенный для отбора КЖ 12 соединен с линией сепарации 38, которая в свою очередь соединена с линией стерилизации 39 и линией приготовления ПС 33, а линия стерилизации 39 соединена с линией сушки 40.The technical result is also achieved by creating a fermentation plant for continuous cultivation of microorganisms, including a fermenter of the above-described design, as well as the following devices connected in a technological sequence to ensure a closed cycle of microorganism cultivation: a
Линия водоподготовки (ВП) 32 включает фильтрационную установку 41, обеспечивающую обработку поступающей воды для приведения ее качества в соответствие с технологическими требованиями, включая механическую отчистку, биологическую очистку, обессоливание. Линия приготовления питательной среды (ПС) 33 включает, по меньшей мере, две емкости 42, выполненные с возможностью термостатирования приготовляемой питательной среды и снабженные перемешивающим устройством. Линия приготовления посевного материала (ПМ) 35 включает, по меньшей мере, четыре биореактора 43. Линия подготовки титрующего агента (титранта) (ТА) 34 включает емкость 44, выполненную с возможностью термостатирования приготовляемого раствора титранта, и снабженную перемешивающим устройством. Линия подготовки газовой среды (ГС) 36 включает компрессоры 45, устройства подготовки природного газа и кислорода 46, для получения газа или газовой смеси требуемого качества в соответствии с технологическими требованиями, включая удаление воды и нежелательных примесей. Линия очистки абгазов от СО2 37 включает абсорбер 47, обеспечивающий очистку абгазов ферментера от углекислого газа и возврат очищенных абгазов в ферментер, емкость дегазации 48, выполненную с возможностью нагрева, компрессор 49. Линия сепарации 38 включает емкость для газоотделения 50, сепаратор для концентрирования КЖ до 85-87% влажности 51, емкость для сбора фильтрата 52. Линия стерилизации 39 включает установку непрерывной стерилизации 53 и ультрафильтрационную установку 54. Линия сушки 40 включает распылительную сушилку кипящего слоя 55.Water treatment line (VP) 32 includes a
Отличительными от прототипа признаками ферментера являются выполнение нижнего блока с возможностью дегазации (за счет использования емкости/камеры дегазации), наличие дополнительного средства введения газовой среды, размещенного после емкости дегазации перед/на входе в третий блок, а также использование для вертикальных блоков средств термостатирования КЖ с увеличенным отношением площади поверхности теплообмена к объему, занятому КЖ.Distinctive features of the fermenter from the prototype are the execution of the lower block with the possibility of degassing (due to the use of a tank / degassing chamber), the presence of an additional means of introducing a gas medium, located after the degassing container in front of / at the entrance to the third block, as well as the use of temperature control means for the vertical blocks with an increased ratio of the heat exchange surface area to the volume occupied by the QL.
Как правило, концентрация СО2, при которой начинается падение продуктивности процесса ферментации в промышленном ферментере, значительно ниже, чем максимально возможная концентрация растворенного СО2 в рабочих диапазонах температур и атмосферном давлении, поэтому в заявляемом изобретении решение задачи по оптимизации концентрации СО2 базируется на использовании средств дегазации в верхней и нижней частях ферментера, в отличие от известных аналогов, в которых удаление СО2 из культуральной жидкости осуществляется в верхней части ферментера. В процессе ферментации КЖ наполняется растворенным СО2, образующимся как продукт метаболизма клетки. Высокая концентрация СО2 в культуральной жидкости (КЖ) ингибирует рост микроорганизмов. Газовая смесь, введенная в ферментер в верхней части первого блока, в соответствии с законом Генри по мере прохождения первого блока наполняется углекислым газом, замедляя рост концентрации растворенного СО2. В камере дегазации второго блока газовая смесь с СО2 удаляется из КЖ. После чего «свежую» газовую смесь (не содержащую СО2) подают на входе в третий блок, которая диспергируется в КЖ с образованием пузырьков субмиллиметрового диапазона и не требует дополнительных статических смесителей для разрыва пузырей. В известных конструкциях U-образного ферментера, чтобы разбить крупные пузыри после U-образной части на пузыри диаметром 1 мм используют статический миксер значительной длины с малым гидравлическим диаметром, что требует большого падения давления на миксере и больших энергозатрат. Таким образом, использование средства дегазации в нижней части ферментера в комплексе с дополнительным средством введения газовой среды, расположенным после емкости дегазации, обеспечивает снижение энергозатрат на диспергирование газовой фазы в жидкой фазе, которое в известном аналоге реализуется посредством использования большего количества статических миксеров.As a rule, the concentration of CO 2 at which the productivity of the fermentation process begins to decline in an industrial fermenter is significantly lower than the maximum possible concentration of dissolved CO 2 in the operating temperature and atmospheric pressure ranges, therefore, in the claimed invention, the solution to the problem of optimizing the CO 2 concentration is based on the use of means of degassing in the upper and lower parts of the fermenter, in contrast to the known analogs, in which the removal of CO 2 from the culture liquid is carried out in the upper part of the fermenter. During fermentation, CL is filled with dissolved CO 2 , which is formed as a product of cell metabolism. A high concentration of CO 2 in the culture liquid (CL) inhibits the growth of microorganisms. The gas mixture was introduced into the fermenter in the upper part of the first unit, in accordance with Henry's law as the passage of the first unit is filled with carbon dioxide, slowing the growth of the concentration of dissolved CO 2. In the degassing chamber of the second block, the gas mixture with CO 2 is removed from the CL. After that, the "fresh" gas mixture (free of CO 2 ) is fed at the inlet to the third block, which is dispersed in the CL with the formation of bubbles of the submillimeter range and does not require additional static mixers to break the bubbles. In the known designs of the U-shaped fermenter, in order to break up large bubbles after the U-shaped part into bubbles with a diameter of 1 mm, a static mixer of considerable length with a small hydraulic diameter is used, which requires a large pressure drop on the mixer and high energy consumption. Thus, the use of the degassing means in the lower part of the fermenter in combination with an additional means for introducing a gaseous medium located after the degassing tank provides a decrease in energy consumption for dispersing the gas phase in the liquid phase, which in the known analogue is realized by using a larger number of static mixers.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично представлена конструкция заявляемого ферментера, на фиг. 2 схематично представлен вариант выполнения четвертого блока в виде циклона, включая переходные участки в зонах соединения четвертого блока с первым и третьим блоками, вид сбоку и сверху, соответственно, на фиг. 3, 4 схематично представлены варианты выполнения второго блока, включая переходные участки в зонах соединения второго блока с первым и третьим блоками, вид сбоку и сверху, соответственно; на фиг. 5 представлен пример выполнения вертикального блока в виде кожухотрубного теплообменного аппарата с одним контуром для теплоносителя (внешним); на фиг. 6 представлен пример выполнения вертикального блока в виде теплообменного аппарата с двумя контурами теплоносителя (внешним и внутренним), между которыми размещены каналы (трубы) для культуральной жидкости; на фиг. 7 представлена технологическая схема примера реализации заявляемой ферментационной установки, на фиг. 8 схематично представлен реализованный лабораторный петлевой ферментер, на фиг. 9 представлен вариант выполнения промышленного ферментера.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 schematically shows the design of the inventive fermenter, FIG. 2 schematically shows an embodiment of the fourth block in the form of a cyclone, including transition sections in the zones of connection of the fourth block with the first and third blocks, side and top view, respectively, in FIG. 3, 4 schematically represent embodiments of the second block, including transition sections in the zones of connection of the second block with the first and third blocks, side view and top view, respectively; in fig. 5 shows an example of a vertical block in the form of a shell-and-tube heat exchanger with one circuit for the coolant (external); in fig. 6 shows an example of a vertical block in the form of a heat exchanger with two coolant circuits (external and internal), between which channels (pipes) for the culture liquid are located; in fig. 7 shows a flow diagram of an example of implementation of the inventive fermentation plant, FIG. 8 is a schematic representation of an implemented laboratory loop fermenter; FIG. 9 shows an embodiment of an industrial fermenter.
Позициями на фигурах обозначены:Positions in the figures indicate:
1 - первый блок (преимущественно вертикальный для нисходящего потока)1 - the first block (mainly vertical for a downdraft)
2 - второй блок (нижний, имеющий горизонтальный участок)2 - the second block (lower, having a horizontal section)
3 - третий блок (преимущественно вертикальный для восходящего потока)3 - the third block (mainly vertical for the upward flow)
4 - четвертый блок (верхний, имеющий горизонтальный участок)4 - fourth block (upper, having a horizontal section)
5 - емкости дегазации5 - degassing tanks
6 - насос6 - pump
7 - барботер7 - bubbler
8 - статические миксеры8 - static mixers
9 - входы для подачи газовых сред9 - inlets for supplying gas media
10 - входы для подачи жидких сред (питательной среды, посевного материала (инокулянта), титрующего агента)10 - inlets for the supply of liquid media (nutrient medium, inoculum (inoculant), titrating agent)
11 - выходы для удаления остаточных и образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов газов (абгазов)11 - outlets for the removal of residual gases and gases formed during the life of microorganisms (off gases)
12 - выход для отбора КЖ12 - outlet for selection of KZh
13 - термодатчики13 - temperature sensors
14 - рН датчики14 - pH sensors
15 - датчики измерения концентраций, входящих и выходящих газовых сред15 - sensors for measuring concentrations of incoming and outgoing gases
16 - датчики уровня16 - level sensors
17 - регуляторы давления17 - pressure regulators
18 - вход для подачи высокотемпературного пара18 - inlet for high-temperature steam supply
19 - трубы первого и третьего блоков19 - pipes of the first and third blocks
20 - секции первого и третьего блоков (секции теплообменных аппаратов)20 - sections of the first and third blocks (sections of heat exchangers)
21 - входы и выходы для подачи теплоносителя21 - inputs and outputs for supplying the coolant
22 - внешний контур теплообмена теплообменного аппарата (или внешний проточный тракт для теплообменной жидкости)22 - external heat exchange circuit of the heat exchanger (or external flow path for the heat exchange fluid)
23 - внутренний контур теплообмена теплообменного аппарата (внутренний проточный тракт для теплообменной жидкости)23 - internal heat exchange circuit of the heat exchanger (internal flow path for the heat exchange fluid)
24 - каналы теплообменных аппаратов для подачи теплоносителя во внутренний и внешний контуры24 - channels of heat exchangers for supplying the coolant to the internal and external circuits
25 - проточные тракты для КЖ, разделенные радиальными перегородками теплообменного аппарата25 - flow paths for QL, separated by radial partitions of the heat exchanger
26 - центральная часть (камера) емкости дегазации26 - the central part (chamber) of the degassing tank
27 - боковая часть (камеры) емкости дегазации27 - side part (chamber) of the degassing tank
28 - конфузор емкости дегазации28 - confuser of degassing tank
29 - переходник29 - adapter
30 - переходной участок для установки насоса30 - transition area for pump installation
31 - ультразвуковой пеногаситель31 - ultrasonic defoamer
32 - линия водоподготовки (ВП)32 - water treatment line (VP)
33 - линия приготовления питательной среды (ПС)33 - line for preparation of nutrient medium (PS)
34 - линия подготовки титрующего агента (ТА)34 - titrating agent preparation line (TA)
35 - линия подготовки посевного материала (ПМ)35 - seed preparation line (PM)
36 - линия подготовки газовой среды (ГС)36 - line of preparation of the gaseous medium (HS)
37 - линия очистки абгазов от CO2 37 - line for cleaning off gases from CO 2
38 - линия сепарации38 - separation line
39 - линия стерилизации39 - sterilization line
40 - линия сушки40 - drying line
41 - фильтрационная установка41 - filtration unit
42 - емкости линия приготовления питательной среды (ПС)42 - capacity line for preparation of nutrient medium (PS)
43 - биореакторы линии приготовления посевного материала (ПМ)43 - bioreactors of the seed preparation line (PM)
44 - емкость линии подготовки титрующего агента (титранта) (ТА)44 - capacity of the titrating agent (titrant) preparation line (TA)
45 - компрессоры линии подготовки газовой среды (ГС)45 - compressors of the gas preparation line (GS)
46 - устройства подготовки природного газа, кислорода,46 - devices for the preparation of natural gas, oxygen,
47 - абсорбер линии очистки абгазов от СО2 47 - absorber line for cleaning off gases from СО 2
48 - емкость дегазации линии очистки абгазов от СО2 48 - capacity of degassing of the line for cleaning off gases from СО 2
49 - компрессор линии очистки абгазов от СО2 49 - compressor of the line for cleaning off gases from СО 2
50 - емкость для газоотделения линии сепарации,50 - tank for gas separation of the separation line,
51 - сепаратор для концентрирования КЖ линии сепарации51 - separator for CL concentration of the separation line
52 - емкость для сбора фильтрата линии сепарации52 - tank for collecting filtrate of the separation line
53 - установка непрерывной стерилизации53 - continuous sterilization unit
54 - ультрафильтрационная установка54 - ultrafiltration plant
55 - распылительная сушилка кипящего слоя55 - fluidized bed spray dryer
Зоны поддержания давления:Pressure maintenance zones:
56 - ΔР1= от 2,8 до 5,8 кПа56 - ΔP 1 = from 2.8 to 5.8 kPa
57 - ΔР2= от 1,5 до 5,3 кПа57 - ΔP 2 = from 1.5 to 5.3 kPa
58 - ΔР3= от 2,5 до 10 кПа58 - ΔP 3 = from 2.5 to 10 kPa
59 - ΔР4= от 4 до 12кПа59 - ΔР 4 = from 4 to 12 kPa
60 - ΔP5= от 2 до 6 кПа60 - ΔP 5 = 2 to 6 kPa
61 - ΔР6= от 2,4 до 4,6 кПа61 - ΔP 6 = from 2.4 to 4.6 kPa
62 - ΔР7= от 2,5 до 4,5 кПа62 - ΔP 7 = from 2.5 to 4.5 kPa
63 - ΔР8= от 18 до 48 кПа63 - ΔP 8 = from 18 to 48 kPa
64 - ΔР9= от 0,6 до 1,4 кПа64 - ΔP 9 = from 0.6 to 1.4 kPa
65 - Диффузоры для соединения труб или отводов круглого сечения с проточными трактами теплообменных аппаратов, при этом площадь сечения потока и, соответственно, скорость потока сохраняются.65 - Diffusers for connecting pipes or bends of circular cross-section with the flow paths of heat exchangers, while the flow area and, accordingly, the flow rate are maintained.
66 - Конфузоры для соединения проточных трактов теплообменных аппаратов с трубами или отводами круглого сечения, при этом площадь сечения потока и, соответственно, скорость потока сохраняются.66 - Confusers for connecting the flow paths of heat exchangers with pipes or outlets of circular cross-section, while the flow area and, accordingly, the flow rate are preserved.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
В изобретении использованы следующие термины, определения и сокращения.The invention uses the following terms, definitions and abbreviations.
Культуральная жидкость (КЖ) - представляет собой двухфазную газожидкостную питательную (или ферментационную) среду с микроорганизмами.Cultural fluid (CL) - is a two-phase gas-liquid nutrient (or fermentation) medium with microorganisms.
Объем ферментера (ОФ) - максимальный объем жидкой фазы, при котором обеспечивается циркуляция жидкой фазы в ферментере в штатном режиме без подачи газа.Fermenter volume (VF) - the maximum volume of the liquid phase, at which the circulation of the liquid phase in the fermenter is ensured in normal mode without gas supply.
Время перемешивания жидкой фазы КЖ - время, за которое вещество, введенное в ферментер точечно, перемешивается со всем объемом жидкой фазы КЖ, так что концентрация вещества в любой точке жидкой фазы будет отличаться не более чем на 5% от среднего значения по всему объему ферментера.The mixing time of the liquid phase of the liquid phase is the time during which the substance introduced into the fermenter pointwise is mixed with the entire volume of the liquid phase of the liquid phase, so that the concentration of the substance at any point of the liquid phase will differ by no more than 5% from the average value over the entire volume of the fermenter.
Скорость разбавления (коэффициент разбавления, скорость протока) - соотношение объемной скорости поступающего потока питательной среды и рабочего объема ферментера. При непрерывной ферментации мера скорости, с которой существующая среда заменяется свежей средой, является обратной величиной времени гидравлического удержания, т.е. среднего времени, в течение которого растворимое вещество остается в объеме ферментераDilution rate (dilution ratio, flow rate) is the ratio of the volumetric flow rate of the incoming nutrient medium flow to the working volume of the fermenter. In continuous fermentation, the measure of the rate at which the existing medium is replaced with fresh medium is the reciprocal of the hydraulic retention time, i.e. average time during which the soluble substance remains in the volume of the fermenter
АСВ - абсолютно сухое вещество.ASV is absolutely dry substance.
САР - система автоматического регулирования.SAR - automatic regulation system.
АСУ ТП - автоматизированная система управления технологическим процессом.ACS TP - automated process control system.
ПЛК - программируемый логический контроллер.PLC is a programmable logic controller.
ДУФ - диаметр условного прохода вертикальных блоков ферментера, представляет собой диаметр условной круглой трубы, площадь сечения которой равна суммарной площади поперечного сечения труб секции вертикального блока.DUF - the nominal diameter of the vertical blocks of the fermenter, is the diameter of the conventional round pipe, the cross-sectional area of which is equal to the total cross-sectional area of the pipes of the vertical block section.
КИПиА - контрольно-измерительные приборы и автоматика.Instrumentation and automation - instrumentation and automation.
Ниже представлено более подробное описание заявляемого изобретения, демонстрирующее возможность достижения заявленного технического результата.Below is a more detailed description of the claimed invention, demonstrating the possibility of achieving the claimed technical result.
Настоящее изобретение может подвергаться различным изменениям и модификациям, понятным специалисту на основе прочтения настоящего описания. Такие изменения не ограничивают объем притязаний. Например, может изменяться конструкция второго и четвертого блоков с реализацией различных методов дегазации, удаления пены и перемешивания КЖ, второго блока также с использованием различных подходов к автоматическому поддержанию давления в камере дегазации, первого и третьего блоков с изменением отношения площади поверхности теплообмена к объему, занятому КЖ, а также с использованием вместо статических миксеров различных турболизаторов, в том числе динамических, место расположения насоса для циркуляции КЖ, количество насосов, технология очистки отводимых из ферментера абгазов от СО2, и т.д.The present invention can be subject to various changes and modifications, which will be understood by a person skilled in the art based on reading the present description. Such changes do not limit the scope of the claim. For example, the design of the second and fourth blocks can be changed with the implementation of various methods of degassing, foam removal and mixing of the CL, the second block also using different approaches to automatically maintaining the pressure in the degassing chamber, the first and third blocks with a change in the ratio of the heat exchange surface area to the volume occupied KZh, as well as using various turbolizers instead of static mixers, including dynamic ones, the location of the pump for circulating the CL, the number of pumps, the technology for purifying CO 2 off-gases from the fermenter, etc.
Заявляемый ферментер представляет собой устройство, предназначенное для реализации ферментационных процессов, например, с метилотрофными и метанотрофными бактериями.The inventive fermenter is a device designed to implement fermentation processes, for example, with methylotrophic and methanotrophic bacteria.
Ферментер выполнен в виде нескольких блоков, соединенных с образованием замкнутого контура, внутри которого обеспечивается циркуляция КЖ с целью получения биомассы. Замкнутый контур организован посредством последовательного соединения первого 1, второго 2, третьего 3 и четвертого 4 блоков, при этом 1 и 3 блоки ориентированы преимущественно вертикально, а 2 и 4 - горизонтально или могут иметь в своем составе горизонтально ориентированные части (фиг. 1, 8, 9).The fermenter is made in the form of several blocks connected to form a closed loop, within which the circulation of QL is provided in order to obtain biomass. The closed loop is organized by sequential connection of the first 1, second 2, third 3 and fourth 4 blocks, with
Вертикально ориентированные блоки 1 и 3 могут быть выполнены в виде трубы большего диаметра (или внешней трубы), представляющей собой теплообменник, внутри которой размещена, по меньшей мере, одна труба меньшего диаметра (внутренняя труба) для перемещения КЖ, вокруг которой могут быть размещены средства для циркуляции теплоносителя (фиг. 5, 6). Внутри трубы меньшего диаметра также могут быть установлены средства для циркуляции теплоносителя. Количество труб меньшего диаметра определяется необходимым рабочим объемом ферментера. Для крупнотоннажного производства могут быть использованы следующие параметры вертикально ориентированного блока ферментера: диаметр внутренних труб блоков 1 и 3 составляет 0,2-0,4 м, количество труб определяется требуемым рабочим объемом ферментера и для рабочего объема, например, 50 м3 может достигать нескольких десятков, высота труб может составлять 20 м и более. Габариты такого ферментера могут достигать 10 м в ширину и 25 м в высоту.Vertically oriented
В зависимости от длины вертикальных блоков они могут быть разделены на несколько секций (например, от двух до десяти), соединенных последовательно соединительными элементами (например, трубами или патрубками). Площадь сечения соединительной трубы предпочтительно должна быть равной ДУФ. В соединительной трубе последовательно по ходу движения КЖ могут быть размещены средство подачи газовой среды и статический миксер, обеспечивающий равномерное распределение пузырьков поступающего газа по сечению трубы и, как следствие, равномерное распределение пузырьков газа по трубам следующей секции. Циркуляция теплоносителя в межтрубном пространстве 1-го и 3-го блоков необходима для поддержания постоянной температуры КЖ в случае, когда культивируемые микроорганизмы осуществляют цепь химических экзотермических реакций.Depending on the length of the vertical blocks, they can be divided into several sections (for example, from two to ten), connected in series with connecting elements (for example, pipes or branch pipes). The cross-sectional area of the connecting pipe should preferably be equal to the FUV. In the connecting pipe, in succession along the direction of movement of the QL, a means for supplying a gas medium and a static mixer can be placed, which ensures uniform distribution of bubbles of the incoming gas over the cross section of the pipe and, as a consequence, uniform distribution of gas bubbles through the pipes of the next section. The circulation of the coolant in the annular space of the 1st and 3rd blocks is necessary to maintain a constant temperature of the CL in the case when the cultured microorganisms carry out a chain of chemical exothermic reactions.
В одном из вариантов реализации секция 20 может представлять собой теплообменный аппарат, состоящий из внешнего 22 и внутреннего 23 контуров теплоносителя (Фиг. 6). КЖ течет по проточному тракту (каналам) 25 между двумя контурами теплоносителя. Проточная часть поделена на равные секции, например, вертикальными радиально расположенными перегородками. Подача теплоносителя во внутренний и внешний контуры выполняется по каналам 24 для подачи теплоносителя. Барботеры 7 установлены на входе потока в теплообменный аппарат и через каждые 3-4 м равномерно по сечению потока.In one embodiment,
В другом варианте реализации секция может представлять собой кожухотрубный теплообменный аппарат, в котором во внешней трубе размещены несколько внутренних труб с зазором друг относительно друга для свободной циркуляции теплоносителя в межтрубном пространстве (Фиг. 5). Барботеры 7 установлены на входе потока в теплообменный аппарат и через каждые 3-4 м равномерно по сечению потока.In another embodiment, the section can be a shell-and-tube heat exchanger, in which several inner tubes are placed in the outer tube with a gap relative to each other for free circulation of the coolant in the annular space (Fig. 5).
Горизонтально ориентированные блоки 2 и 4 выполнены с возможностью дегазации КЖ (удаления остаточных и образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов газов). При этом горизонтальные блоки могут иметь различную конструктивную реализацию, включающую емкость дегазации 5, обеспечивающую упомянутую функцию дегазации, которая также может иметь различное конструктивное исполнение. Емкость дегазации имеет большую площадь поперечного сечения по сравнению с площадью трубы диаметром ДУФ. В одном из вариантов осуществления изобретения (Фиг. 3) емкость дегазации 5 включает три части (камеры) - первую по ходу движения КЖ - боковую часть 27, выполненную с возможностью соединения с вертикальным блоком через трубу, расположенную под 45 градусов; вторую - центральную часть 26, с выходом 12 для отбора КЖ (или отверстием для слива КЖ), и третью - конфузор 28, примыкающий к отверстию для слива и соединенный со смежным вертикальном блоком U образной или L образной или вертикальной трубой. Существенным в реализации конструкции центральной части емкости дегазации горизонтально ориентированных блоков является ее выполнение с выходом 11 для удаления остаточных и образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов газов (или выходом/патрубком/клапаном для дегазации), в которой расстояние между боковой частью и отверстием для слива является достаточным для всплытия пузырей на поверхность потока КЖ, при этом конструкция емкости предпочтительно имеет изменяющуюся площадь поперечного сечения по направлению движения КЖ, которая увеличивается на входном участке емкости (см. фиг. 3). Боковая часть 27 емкости выполнена с возможностью изменения формы сечения потока на уплощенную и обеспечения требуемого времени перемешивания жидкой фазы КЖ. Уплощенный поток позволяет пузырькам быстрее достичь поверхности потока, поскольку скорость всплытия пузырька диаметром от 1 мм в КЖ, близкой по характеристикам к воде, является постоянной величиной, которая ограничена диапазоном 0,2-0,3 м/с. Время перемешивания сокращается за счет турбулентности, которая возникает при расширении боковой части 27 в горизонтальной плоскости и за счет возможного неравенства входного диаметра боковой части и выходного диаметра конфузора 28.Horizontally oriented
Боковая часть 27 может иметь также различные варианты конструктивного выполнения, при этом возможен вариант реализации изобретения с обеспечением постоянной площади поперечного сечения боковой части по ее длине, которая может быть равна ДУФ и площади поперечного сечения конфузора со стороны его выхода, которая также может быть равна ДУФ (при котором скорость КЖ в емкости дегазации будет приблизительно равной скорости КЖ в вертикальных блоках). При уменьшении площади поперечного сечения боковой части реализуется ускорение потока и усиление центробежных сил между боковой и центральной частями емкости, что способствует повышению эффективности процесса дегазации. При такой реализации конструкции емкости нижнего блока поток КЖ перед входом в центральную часть второго блока приобретает уплощенную форму с небольшой высотой. Высота уплощенного потока для крупнотоннажного ферментера может составлять от 0,5 до 1 м. Высота центральной части емкости, которая может составлять более 2 м (для промышленного ферментера), плавно увеличивается к центру, обеспечивая свободное пространство для дегазации.The
В другом варианте осуществления изобретения (Фиг. 4) емкость дегазации 5 включает три части (камеры) - центральную часть 26, сопряженную с боковыми частями 27, которые в свою очередь выполнены с возможностью соединения через переходники с соответствующими вертикальными блоками. Конструкция центральной части 26 емкости дегазации предпочтительно имеет изменяющуюся площадь поперечного сечения по направлению движения КЖ, которая увеличивается на входном участке емкости, и уменьшается на выходном участке. Боковые части 27 емкости выполнены по аналогии с фиг. 3, с возможностью изменения формы сечения потока на уплощенную и обеспечения требуемого времени перемешивания жидкой фазы КЖ. В конкретном варианте реализации второй блок может иметь симметричную относительно центральной поперечной плоскости конструкцию.In another embodiment of the invention (Fig. 4), the
Во втором блоке предусмотрена САР давления 17, которая включает клапан с пропорциональным электронным управлением, датчики уровня КЖ и датчики давления, расположенные во втором и четвертом блоках. САР контролирует перепад давления между вторым и четвертым блоками, а также уровень свободной поверхности во втором и четвертом блоках. С помощью пропорционального клапана САР поддерживает перепад давления таким, чтобы уровень свободной поверхности во втором блоке держался на постоянном заданном уровне. Пузыри, прибывающие в камеру дегазации второго блока с потоком КЖ, увеличивают давление, которое выравнивается выводом абгазов через пропорциональный клапан.In the second block, the
Четвертый блок может быть выполнен в виде циклона и тангенциально входящей в него горизонтальной трубы (Фиг. 2, 9). В состав четвертого блока также может входить САР давления 17, состоящая из вакуумного насоса, подключенного к блоку через клапан дегазации. Вакуумный насос поддерживает уровень разрежения, необходимый для снижения концентрации растворенного СО2 в блоке до заданного уровня.The fourth block can be made in the form of a cyclone and a horizontal pipe tangentially entering it (Fig. 2, 9). The fourth block can also include a
Ферментер снабжен средствами подачи (или входами) компонентов КЖ - жидких 10 и газовых 9 сред, средствами перемешивания компонентов КЖ (статическими миксерами) 8, средствами отбора (или выходами) КЖ 12 и газов 11, а также системой КИПиА, которая включает в себя следующие измерительные и контролирующие приборы:The fermenter is equipped with means for feeding (or inlets) components of QL -
- датчик расхода циркулирующей КЖ и регулятор частоты вращения осевого насоса;- flow sensor of circulating QL and speed controller of the axial pump;
- датчики температуры КЖ внутри ферментера и теплоносителя на входе и выходе каждого из теплообменников, а также регулятор температуры и расхода теплоносителя;- sensors for the temperature of KZh inside the fermenter and the coolant at the inlet and outlet of each of the heat exchangers, as well as a temperature and coolant flow controller;
- датчики уровня КЖ во втором и четвертом блоках ферментера;- sensors for the level of QL in the second and fourth blocks of the fermenter;
- датчики давления в камере дегазации второго и четвертого блоков;- pressure sensors in the degassing chamber of the second and fourth blocks;
- средства измерения состава газовой смеси на входе и на выходе из ферментера (газоанализаторы);- Means for measuring the composition of the gas mixture at the inlet and outlet of the fermenter (gas analyzers);
- датчики рН и измерители расхода титрующего агента (водного раствора аммиака);- pH sensors and meters of the titrating agent consumption (aqueous ammonia solution);
- измерители концентрации растворенных газов (кислород, углекислота);- meters for the concentration of dissolved gases (oxygen, carbon dioxide);
- датчики-анализаторы концентрации ионов (фосфаты, аммоний, калий, кальций, магний, железо, медь, сульфаты и т.д.);- sensors-analyzers of ion concentration (phosphates, ammonium, potassium, calcium, magnesium, iron, copper, sulfates, etc.);
- измерители расхода питательной среды и сливаемой КЖ;- meters of the nutrient medium consumption and drained QL;
- измерители расхода газов;- gas flow meters;
- датчики наличия пены;- sensors for the presence of foam;
- средства измерения оптической плотности КЖ, и т.д.- means for measuring the optical density of QL, etc.
Данные с КИПиА обрабатываются при помощи АСУ ТП ферментера, представляющей собой комплекс программируемых логических контроллеров и персональных компьютеров.Data from instrumentation and automation are processed using the automatic process control system of the fermenter, which is a complex of programmable logic controllers and personal computers.
Входы для подачи жидких сред 10 могут быть расположены в емкости четвертого и/или второго блока; входы для подачи газовых сред 9 могут быть расположены, по меньшей мере, в зонах соединения (переходниках) второго и третьего блоков, первого и четвертого блоков и, дополнительно, могут быть расположены в соединительных трубах перед каждой секцией или непосредственно в секциях первого и третьего вертикальных блоков; выходы для удаления остаточных и образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов газов 11 расположены в центральной емкости второго и четвертого блока; выход для отбора (КЖ) 12 расположен в емкости четвертого и/или второго блока.Inlets for supplying
Статические миксеры 8 для перемешивания КЖ размещены на определенном расстоянии друг от друга. Статические миксеры могут быть размещены в соединительных трубах вертикальных секций 20 или непосредственно в вертикальных секциях 20. Статический миксер представляет собой турбулизатор или завихритель 2-х фазного потока КЖ. В качестве статических миксеров могут быть использованы устройства, разработанные для газожидкостных сред: Sulzer SMV, SPX FLOW Lightnin Inliner.
На входах для подачи газовых сред размещены барботеры 7, выполненные с возможностью формирования пузырьков газовой смеси в КЖ диаметром не более 2 мм. Барботер может быть выполнен в виде перфорированной стальной цилиндрической трубки, расположенной соосно трубе для КЖ, с диаметром отверстий 50-200 мкм и расстоянием между отверстиями не менее 2 мм. Длина трубки (барботера) и количество отверстий определяется необходимым расходом ГС. Диаметр трубки (барботера) составляет не более 3/5 диаметра трубы, в которой размещен барботер. Возможен вариант выполнения барботера в виде трубчатого полимерного аэратора с перфорацией или трубки из пористой керамики.At the inlets for supplying gaseous media,
Ферментер также снабжен насосом 6, установленным на входе в первый блок, соосно с ним. В одном из вариантов осуществления изобретения насос может быть расположен перед входом в третий блок.The fermenter is also equipped with a
Ферментер выполнен с возможностью циркуляции КЖ под давлением до 1 МПа. Источниками создания необходимого давления в замкнутом контуре ферментера могут являться насос, гидростатический столб КЖ, компрессор и/или источник газа (например, скважина или газопровод среднего давления). Перепад давления на насосе для крупнотоннажных ферментеров может достигать нескольких сотен кПа. Карта распределения давления зависит от расположения насоса. Карта распределения давления в лабораторном ферментере представлена на Фиг. 8. Давление измерено последовательно на 8 участках лабораторного ферментера и дополнительно на входе и выходе циклона второго блока при различных расходах жидкости и различных потоках газа (воздух). Минимальные значения падений давления на каждом участке достигались при максимальном потоке газа (30 л/мин); максимальные - при отсутствии газа и включают следующие значения: ΔP1= от 2,8 до 5,8 кПа, ΔР2= от 1,5 до 5,3 кПа, ΔР3= от 2,5 до 10 кПа, ΔР4= от 4 до 12 кПа, ΔР5= от 2 до 6 кПа, ΔР6= от 2,4 до 4,6 кПа, ΔР7= от 2,5 до 4,5 кПа ΔР8= от 17,7 до 48,2 кПа, ΔР9= от 0,6 до 1,4 кПа.The fermenter is designed with the possibility of circulating CL under pressure up to 1 MPa. The sources for creating the required pressure in the closed loop of the fermenter can be a pump, a hydrostatic column of the CL, a compressor and / or a gas source (for example, a well or a medium pressure gas pipeline). The pressure drop across the pump for large-scale fermenters can reach several hundred kPa. The pressure distribution map depends on the location of the pump. A pressure distribution map in a laboratory fermenter is shown in FIG. 8. The pressure was measured sequentially in 8 sections of the laboratory fermenter and additionally at the inlet and outlet of the cyclone of the second block at different liquid flow rates and different gas (air) flows. The minimum pressure drops in each section were achieved at the maximum gas flow (30 l / min); maximum - in the absence of gas and include the following values: ΔP 1 = from 2.8 to 5.8 kPa, ΔP 2 = from 1.5 to 5.3 kPa, ΔP 3 = from 2.5 to 10 kPa, ΔP 4 = from 4 to 12 kPa, ΔP 5 = from 2 to 6 kPa, ΔP 6 = from 2.4 to 4.6 kPa, ΔP 7 = from 2.5 to 4.5 kPa ΔP 8 = from 17.7 to 48, 2 kPa, ΔP 9 = 0.6 to 1.4 kPa.
Заявляемое изобретение также относится к ферментационной установке, содержащей ферментер описанной выше конструкции. Ферментационная установка представляет собой совокупность устройств и агрегатов, соединенных в технологической последовательности, обеспечивающей полноценный замкнутый цикл культивирования метанотрофных микроорганизмов.The claimed invention also relates to a fermentation plant containing a fermenter of the design described above. A fermentation plant is a set of devices and aggregates connected in a technological sequence that provides a complete closed cycle of cultivation of methanotrophic microorganisms.
Ферментационная установка включает:The fermentation plant includes:
Линию водоподготовки 32, включающую фильтрационную установку 41, обеспечивающую обработку воды, поступающую из водоисточника для приведения ее качества в соответствии с технологическими требованиями (включая механическую отчистку, биологическую очистку, обессоливание, и т.д.);A
линию приготовления питательной среды (ПС) 33, включающую, по меньшей мере, две емкости 42, снабженные перемешивающим устройством, с возможностью термостатирования (например, нагрева) приготовляемой питательной среды;a line for the preparation of a nutrient medium (PS) 33, including at least two
линию приготовления посевного материала (ПМ) 35, включающую, по меньшей мере, четыре биореактора 43 (для варианта промышленной реализации установки);the line for the preparation of seed (PM) 35, including at least four bioreactors 43 (for the option of industrial implementation of the installation);
линию подготовки титрующего агента (титранта) (ТА) 34, включающую емкость 44, снабженную перемешивающим устройством, с возможностью термостатирования (например, нагрева) приготовляемого раствора титранта;line for preparing a titrating agent (titrant) (TA) 34, including a
линию подготовки газовой среды (ГС) 36, включающую компрессоры 45, устройства подготовки природного газа, кислорода, и т.д. 46, для получения газа или газовой смеси требуемого качества в соответствии с технологическими требованиями (включая удаление воды и нежелательных примесей и т.д.)line for preparation of the gaseous medium (GS) 36, including
ферментер;fermenter;
линию очистки абгазов от СО2 37, включающую абсорбер 47, обеспечивающий очистку абгазов ферментера от углекислого газа и возврат очищенных абгазов в ферментер, емкость дегазации 48, компрессор 49;line for cleaning off gases from
линию сепарации 38, включающую емкость для газоотделения 50, сепаратор 51, концентрирующий КЖ до 85-87% влажности, емкость для сбора фильтрата 52;
линию стерилизации 39, включающую установку непрерывной (высокотемпературной) стерилизации 53 и ультрафильтрационную установку 54;
линию сушки 40, включающую распылительную сушилку (кипящего слоя) 55.drying
При этом линия водоподготовки подключена к линии приготовления ПС, к линии подготовки ТА, выходы которых соединены с соответствующими входами ферментера и с линией подготовки ПМ. Линия подготовки газовой среды также подключена к соответствующему входу ферментера и линии подготовки ПМ. Выход из ферментера, предназначенный для удаления абгазов, расположенный во втором блоке, соединен с линией очистки абгазов от СО2, выход которой соединен со входом ферментера для подачи газовой среды, а выход из ферментера, предназначенный для отбора КЖ соединен с линией сепарации, которая в свою очередь соединена с линией стерилизации и линией приготовления ПС. Линия стерилизации соединена с линией сушки.In this case, the water treatment line is connected to the PS preparation line, to the TA preparation line, the outputs of which are connected to the corresponding inlets of the fermenter and to the PM preparation line. The gas medium preparation line is also connected to the corresponding inlet of the fermenter and the PM preparation line. The outlet from the fermenter, intended for removing off gases, located in the second block, is connected to the line for cleaning off gases from CO 2 , the outlet of which is connected to the inlet of the fermenter for supplying the gaseous medium, and the outlet from the fermenter, intended for the selection of CL is connected to the separation line, which in in turn is connected to the sterilization line and the PS preparation line. The sterilization line is connected to the drying line.
Заявляемые ферментер и установка работают следующим образом.The inventive fermenter and installation operate as follows.
Приготовление питательной среды происходит путем растворения основных солей и микроэлементов в воде с линии водоподготовки, а также смешением полученного раствора с фильтратом с линии сепарации. Растворение солей в воде происходит при нагреве и перемешивании. Возможен вариант приготовления раствора основных солей (например, MgSO4⋅7H2O, KCl и K2SO4) в одной емкости, раствора микроэлементов (например, CuSO4⋅5H2O, FeSO4⋅7H2O, MnSO4⋅5H2O, Н3ВО3, ZnSO4⋅7H2O, NiSO4⋅7H2O, CoSO4⋅7H2O, Na2MoO4⋅2H2O, H3PO4 - 85% p-p) в другой емкости, с последующим их перемешиванием, например, в третьей емкости. Объем емкостей и концентрации растворов определяются требованиями технологического регламента в зависимости от стадий технологического процесса и используемых микроорганизмов.The nutrient medium is prepared by dissolving basic salts and microelements in water from the water treatment line, as well as mixing the resulting solution with the filtrate from the separation line. Dissolution of salts in water occurs with heating and stirring. It is possible to prepare a solution of basic salts (for example, MgSO4⋅7H2O, KCl and K2SO4) in one container, a solution of microelements (for example, CuSO4⋅5H2O, FeSO4⋅7H2O, MnSO4⋅5H2O, H3BO3, ZnSO4⋅7H2O, NiSO4⋅7H2O, CoSO4⋅ 7H2O, Na2MoO4⋅2H2O, H3PO4 - 85% pp) in another container, followed by mixing them, for example, in a third container. The volume of containers and the concentration of solutions are determined by the requirements of the technological regulations, depending on the stages of the technological process and the microorganisms used.
При организации промышленного производства приготовление питательной среды может происходить попеременно в одной из двух емкостей с перемешивающим устройством, объемом 100 м3 с коэффициентом заполнения 0,75. При первоначальном запуске ферментера в емкости подаются определенные количества приготовленных растворов солей и микроэлементов и объем доводится до заданного подготовленной водой, после чего происходит процесс перемешивания и нагрев среды до рабочей температуры (42°С). Далее среда перекачивается в ферментер и на линию подготовки посевного материала.When organizing industrial production, the preparation of the nutrient medium can occur alternately in one of two containers with a mixing device, with a volume of 100 m 3 with a filling factor of 0.75. At the initial start-up of the fermenter, certain amounts of prepared solutions of salts and microelements are fed into the container and the volume is brought to a predetermined value with prepared water, after which the process of mixing and heating of the medium to the operating temperature (42 ° C) occurs. Then the medium is pumped into the fermenter and to the seed preparation line.
Приготовление посевного материала происходит путем последовательного наращивания клеточной суспензии в посевных биореакторах с рабочими объемами, возрастающими десятикратно таким образом, чтобы весь объем КЖ с каждого предыдущего биореактора составил 10% ОФ последующего биореактора и служил для него посевным материалом. Наращивание клеточной суспензии происходит при использовании такой же питательной среды, природного газа и кислорода; при таких же условиях, что и основной процесс культивирования: при перемешивании, термостатировании, постоянном уровне рН. Питательная среда для посевных биореакторов подается с линии приготовления ПС, природный газ и кислород поступают с линии подготовки ГС, а титрующий агент с линии подготовки ТА. Для биореактора с самым маленьким объемом на линии приготовления ПС, посевным материалом является клеточная суспензия, выращенная в колбе Эрленмейера. Клеточная суспензия, полученная в биореакторе с самым большим объемом на линии приготовления ПС поступает на линию ферментации.The inoculum is prepared by sequential growth of the cell suspension in inoculum bioreactors with working volumes increasing tenfold so that the entire QoL volume from each previous bioreactor is 10% of the RP of the subsequent bioreactor and serves as a seed for it. The growth of the cell suspension takes place using the same nutrient medium, natural gas and oxygen; under the same conditions as the main cultivation process: with stirring, thermostating, constant pH. The nutrient medium for the seed bioreactors is supplied from the PS preparation line, natural gas and oxygen are supplied from the HS preparation line, and the titrating agent from the TA preparation line. For the bioreactor with the smallest volume on the PS preparation line, the inoculum is a cell suspension grown in an Erlenmeyer flask. The cell suspension obtained in the bioreactor with the largest volume on the PS preparation line is fed to the fermentation line.
Ферментер, выполненный в соответствии с описанными ранее конструктивными особенностями, заполняют питательной средой, поступающей с линии приготовления ПС до 90% от ОФ. Затем включают систему КИПиА и встроенным насосом 6 запускают циркуляцию КЖ. Далее устанавливают температуру и рН среды до рабочих значений, предусмотренных технологическим регламентом, рН среды поддерживается путем внесения титранта с линии подготовки ТА. В питательную среду вносят посевной материал с линии подготовки ПС в виде бактериальной суспензии метанотрофных бактерий в объеме 10% ОФ с концентрацией около 20 г/л, так что стартовая концентрация бактерий в ферментере достигает порядка 2 г/л. После чего начинают подачу ГС через соответствующие входы. В качестве газовой смеси, как правило, используют смесь природного газа (метана), кислорода и очищенных абгазов с линии очистки абгазов от СО2. В зависимости от расположения ввода ГС в ферментер подают кислород и природный газ вместе или раздельно. В верхней части первого блока и в нижней третьего вводят смесь природного газа, кислорода и очищенных абгазов. Далее добавляют раздельно кислород и метан.The fermenter, made in accordance with the previously described design features, is filled with a nutrient medium coming from the PS preparation line to 90% of the RP. Then they turn on the instrumentation system and the built-in
При включении насоса, культуральная жидкость начинает перемещаться вниз по внутренним трубам первого блока. В первом блоке в КЖ через барботер вводят газовую смесь, что приводит к формированию пузырей диаметром порядка 0,5-2 мм. По ходу движения смеси по трубам первого блока пузыри сливаются, увеличиваясь в размерах. Для предотвращения образования слишком больших пузырей (диаметром более 5 мм) по длине первого и третьего блоков установлены статические миксеры, которые дробят пузыри по мере их продвижения по потоку. Расстояние между статическими миксерами и характеристики миксеров выбраны с обеспечением поддержания размера пузырей в диапазоне 1-5 мм. Например, для крупнотоннажного ферментера объемом 50 м3, длина вертикального блока 20 м, а расстояние между статическими миксерами составляет 1-2 м. Кислород и метан из пузырей переходят в жидкую фазу и становятся доступными для ассимиляции бактериями. Скорость ассимиляции микроорганизмами кислорода выше, чем метана и для поддержания баланса по мере продвижения КЖ, кислород и природный газ подают раздельно через вводы ГС.When the pump is turned on, the culture liquid begins to move down the inner pipes of the first block. In the first block, a gas mixture is introduced into the CL through a bubbler, which leads to the formation of bubbles with a diameter of about 0.5-2 mm. As the mixture moves through the pipes of the first block, the bubbles merge, increasing in size. To prevent the formation of too large bubbles (with a diameter of more than 5 mm), static mixers are installed along the length of the first and third blocks, which crush the bubbles as they move along the flow. The distance between the static mixers and the characteristics of the mixers are selected to maintain the bubble size in the range of 1-5 mm. For example, for a large-scale fermenter with a volume of 50 m 3 , the length of the vertical block is 20 m, and the distance between the static mixers is 1-2 m. Oxygen and methane from the bubbles pass into the liquid phase and become available for assimilation by bacteria. The rate of oxygen assimilation by microorganisms is higher than that of methane, and to maintain a balance as the CL moves, oxygen and natural gas are supplied separately through the HM inlets.
Углекислый газ, как продукт метаболизма бактерий, накапливается в жидкой фазе и переходит в газовую фазу. Обогащенная газовой смесью питательная среда поступает во второй блок, где осуществляется дегазация КЖ. Дегазированную КЖ направляют в третий блок, конструктивно аналогичный первому блоку. При продвижении по третьему блоку вверх также обеспечивают дробление пузырей больших размеров посредством статических миксеров, а также подачу природного газа и кислорода в поток.Carbon dioxide, as a product of bacterial metabolism, accumulates in the liquid phase and passes into the gas phase. The nutrient medium enriched with a gas mixture enters the second block, where the CL is degassed. Degassed QL is sent to the third block, structurally similar to the first block. When moving up the third block, they also provide crushing of large bubbles by means of static mixers, as well as the supply of natural gas and oxygen to the stream.
Далее КЖ поступает в четвертый блок, функционально аналогичный второму блоку. Таким образом, контур циркуляции КЖ замыкается. Образующиеся в емкостях для дегазации абгазы поступают на линию очистки абгазов от СО2.Then the QL enters the fourth block, which is functionally similar to the second block. Thus, the circulation loop of the CL is closed. The offgas formed in the degassing tanks are fed to the offgas purification line from CO 2 .
После достижения биомассы определенной концентрации, заданной технологическим регламентом, начинают отвод КЖ из второго блока и подачу питательной среды с общей скоростью разбавления от 0,05 до 0,28 ч-1. Отведенная КЖ поступает на линию сепарации.After reaching the biomass of a certain concentration, specified by the technological regulations, the withdrawal of QOL from the second block and the supply of the nutrient medium with a total dilution rate of 0.05 to 0.28 h -1 begin. The withdrawn QoL goes to the separation line.
Культуральная жидкость с содержанием биомассы 2-3% на линии сепарации сначала поступает в емкость для дегазации, где происходит переход растворенных газов из жидкой фазы в газовую с последующим их отводом и утилизацией. Из емкости для дегазации КЖ перекачивается в центробежный сепаратор, где происходит концентрирование до 13-15% АСВ с отделением фильтрата, представляющего собой водный раствор остаточных компонентов ПС и растворимых продуктов метаболизма бактерий. Образующийся фильтрат собирается в емкости, откуда частично поступает на линию приготовления питательных сред, остальная часть поступает на очистные сооружения и сброс в канализацию. Полученный концентрат перекачивается на линию стерилизации.The culture liquid with a biomass content of 2-3% on the separation line first enters the tank for degassing, where the dissolved gases pass from the liquid to the gas phase, followed by their removal and disposal. From the tank for degassing, the CL is pumped into a centrifugal separator, where up to 13-15% ASW is concentrated with the separation of the filtrate, which is an aqueous solution of residual PS components and soluble products of bacterial metabolism. The resulting filtrate is collected in containers, from where it partially goes to the line for the preparation of nutrient media, the rest goes to the treatment plant and is discharged into the sewage system. The resulting concentrate is pumped to the sterilization line.
Стерилизация концентрата клеточной суспензии происходит в установке непрерывной стерилизации, где происходит его нагрев до 130-140°С с выдержкой в течение 5-15 минут. После стерилизации концентрат поступает на ультрафильтрационную установку, где происходит дополнительное концентрирование биомассы до 18-20% АСВ. Получившийся концентрат поступает на линию сушки, а фильтрат на очистные сооружения.Sterilization of the cell suspension concentrate takes place in a continuous sterilization unit, where it is heated to 130-140 ° C with an exposure time of 5-15 minutes. After sterilization, the concentrate goes to an ultrafiltration unit, where additional concentration of biomass takes place up to 18-20% DIA. The resulting concentrate goes to the drying line, and the filtrate goes to the treatment plant.
Сушка биомассы осуществляется путем распыления концентрата 18-20% АСВ на распылительной сушилке кипящего слоя, где биомасса распыляется и высушивается горячим воздухом, а узел кипящего слоя позволяет агломерировать частицы в готовый к упаковке не пылящий порошок 4-8% влажности.Drying of biomass is carried out by spraying a concentrate of 18-20% ACV on a fluidized bed spray dryer, where the biomass is sprayed and dried with hot air, and the fluidized bed unit allows particles to agglomerate into a non-dusting powder of 4-8% moisture, ready for packaging.
Очистка образующихся абгазов от СО2 происходит в колонном абсорбере на основе стандартной технологии с использованием 30% водного раствора моноэтаноламина (МЭА) в качестве абсорбента, подаваемого в абсорбер в противотоке с газовой фазой. Насыщенный углекислым газом МЭА после абсорбера проходит регенерацию в дегазаторе, после чего снова используется в качестве абсорбента по замкнутому контуру (очистка может быть реализована по аналогии с технологией, описанной в патенте RU 2483784 C2).The purification of the generated off-gases from CO 2 occurs in a column absorber based on standard technology using a 30% aqueous solution of monoethanolamine (MEA) as an absorbent supplied to the absorber in countercurrent with the gas phase. The MEA saturated with carbon dioxide after the absorber undergoes regeneration in a degasser, after which it is again used as an absorbent in a closed loop (purification can be carried out by analogy with the technology described in patent RU 2483784 C2).
В установке предусмотрена емкость для газоотделения, поскольку КЖ в ферментере насыщена растворенными газами под повышенным давлением. В емкости для газоотделения давление снижается до атмосферного и растворенные газы выходят. Данная емкость может иметь конструкцию, описанную в патенте RU 2186607 C2.The installation is provided with a tank for gas separation, since the CL in the fermenter is saturated with dissolved gases under increased pressure. In the gas separation vessel, the pressure is reduced to atmospheric and the dissolved gases are released. This container may have a design described in patent RU 2186607 C2.
Для концентрирования КЖ до 13-15% АСВ предполагается использовать стандартный в биотехнологической промышленности центробежный сепаратор, конструкция которого может быть выполнена аналогично решению, представленному в патенте RU 2436637 C2.To concentrate CL up to 13-15% DIA, it is proposed to use a centrifugal separator standard in the biotechnological industry, the design of which can be made similar to the solution presented in patent RU 2436637 C2.
Установка непрерывной стерилизации является стандартным оборудованием в пищевой промышленности и позволяет за несколько секунд разогревать непрерывно подаваемую жидкую среду до 130-140°С с выдержкой до 10 минут. Такой обработки достаточно, чтобы инактивировать микроорганизмы и споры.The continuous sterilization unit is a standard equipment in the food industry and allows a continuously supplied liquid medium to be heated up to 130-140 ° C in a few seconds with a holding time of up to 10 minutes. This treatment is sufficient to inactivate microorganisms and spores.
В изобретении может быть использована ультрафильтрационная установка (УФ) мембранного типа, широко использующаяся в биотехнологической промышленности, в том числе для концентрации или очистки жидкостей (см., например, патент RU 2567319 C1). УФ концентрирует КЖ после стерилизации до 18-20% АСВ.In the invention, a membrane-type ultrafiltration unit (UV) can be used, which is widely used in the biotechnological industry, including for the concentration or purification of liquids (see, for example, patent RU 2567319 C1). UV concentrates the CL after sterilization up to 18-20% ASW.
Распылительная сушка кипящего слоя распыляет биомассу и высушивает горячим воздухом. Узел кипящего слоя в составе сушки агломерирует частицы в не пылящий порошок с влажностью 4-8% (см., например, патент RU 2327088 C1).The fluidized bed spray drying sprays the biomass and dries with hot air. The fluidized bed unit as part of the drying agglomerates particles into a non-dusting powder with a moisture content of 4-8% (see, for example, patent RU 2327088 C1).
Подача и рецикл газов, питательной среды, средства регулирования рН могут осуществляться в автоматическом режиме с использованием систем КИПиА на основе измерений растворенного кислорода, рН, температуры, давления, концентрации компонентов КЖ, анализа состава абгазов в контуре ферментера и измерений химического состава супернатанта в рецикле.The supply and recycling of gases, nutrient medium, pH control means can be carried out automatically using instrumentation and automation systems based on measurements of dissolved oxygen, pH, temperature, pressure, concentration of CL components, analysis of the composition of off-gases in the fermenter loop and measurements of the chemical composition of the supernatant in the recycle.
Процесс получения бактериальной биомассы с использованием метанотрофных бактерий, например, с использованием Methylococcus capsulatus (М. capsulatus), проходит в аэробных условиях с использованием природного газа, содержащего метан в качестве источника углерода и энергии. Для создания аэробных условий может быть использован как атмосферный воздух, так и чистый кислород. В качестве источника азота используют водный раствор аммиака, в качестве источника фосфора фосфорную кислоту. Также в составе питательной среды для культивирования метанотрофных бактерий должны присутствовать микро и макроэлементы: магний, кальций, калий, железо, медь, цинк, марганец, кобальт, никель, бор и молибден, вносимые в виде солей, преимущественно сульфатов. Процесс культивирования проходит при поддержании значения рН на уровне 5.7±0.5 путем добавления водного раствора аммиака, поддерживающего одновременно необходимую концентрацию азота в среде. Все химические вещества могут быть класса «Т» (вещества, изготовляемые в больших количествах и применяемые для технологических целей, ГОСТ 13867 - 68). Температуру в ферментере поддерживают на уровне 42±0,3°С.The process of obtaining bacterial biomass using methanotrophic bacteria, for example, using Methylococcus capsulatus (M. capsulatus), takes place under aerobic conditions using natural gas containing methane as a carbon and energy source. To create aerobic conditions, both atmospheric air and pure oxygen can be used. An aqueous solution of ammonia is used as a nitrogen source, and phosphoric acid is used as a source of phosphorus. Also, the composition of the nutrient medium for the cultivation of methanotrophic bacteria should contain micro and macroelements: magnesium, calcium, potassium, iron, copper, zinc, manganese, cobalt, nickel, boron and molybdenum, introduced in the form of salts, mainly sulfates. The cultivation process takes place while maintaining the pH value at 5.7 ± 0.5 by adding an aqueous solution of ammonia, which simultaneously maintains the required concentration of nitrogen in the medium. All chemical substances can be of class "T" (substances produced in large quantities and used for technological purposes, GOST 13867 - 68). The temperature in the fermenter is maintained at 42 ± 0.3 ° C.
В составе природного газа, помимо метана, метаболизируемого метанотрофными бактериями Methylococcus capsulatus (М. capsulatus) с образованием бактериальной биомассы и углекислого газа, часто содержится 5-10% гомологов метана, окисляющихся M. capsulatus до спиртов, альдегидов и кислот. Высокие концентрации этих веществ оказывают ингибирующее воздействие на рост М. capsulatus, и поэтому для обеспечения высокой продуктивности процесса необходимо использование дополнительных гетеротрофных бактерий, способных утилизировать образующиеся в процессе окисления гомологов органические соединения. Предпочтительными гетерогенными бактериями являются: Cupriavidus gilardii, Brevibacillus sp., Paenibacillus sp.Natural gas, in addition to methane metabolized by methanotrophic bacteria Methylococcus capsulatus (M. capsulatus) with the formation of bacterial biomass and carbon dioxide, often contains 5-10% of methane homologues, oxidized by M. capsulatus to alcohols, aldehydes and acids. High concentrations of these substances have an inhibitory effect on the growth of M. capsulatus, and therefore, to ensure high productivity of the process, it is necessary to use additional heterotrophic bacteria capable of utilizing organic compounds formed during the oxidation of homologues. Preferred heterogeneous bacteria are: Cupriavidus gilardii, Brevibacillus sp., Paenibacillus sp.
Ниже представлен пример конкретной реализации и описание работы ферментера и ферментационной установки.Below is an example of a specific implementation and a description of the operation of the fermenter and fermentation plant.
Заявляемый ферментер был реализован в качестве лабораторных образцов, один из которых представлен на фиг. 8. Устройство было изготовлено для культивирования метанотрофных бактерий Methylococcus capsulatus с использованием питательной среды следующего состава:The inventive fermenter was realized as laboratory samples, one of which is shown in FIG. 8. The device was manufactured for the cultivation of the methanotrophic bacteria Methylococcus capsulatus using a nutrient medium of the following composition:
Ферментер включал первый и третий блоки, каждый из которых состоял из вертикальной трубы длиной 3000 м диаметром 50 мм, каждая из которых содержала по два теплообменника. Второй блок был выполнен в виде вертикального циклона, горизонтальной трубы диаметром 50 мм и импеллерного насоса Liverani Major 900, модифицированного для работы с давлением до 4 атм. К циклону была подведена система отвода газов с функцией автоматического поддержания давления. Общая длина второго блока составляла 1050 мм. Четвертый блок был выполнен в виде горизонтальной трубы, диаметром 50 мм входящей тангенциально в вертикальный циклон. В качестве барботеров были использованы трубы, выполненные из материала, инертного к КЖ, запаянные с одного конца, длиной 100 мм, диаметром 40 мм, имеющие лазерную перфорацию с диаметром отверстий 0,2 мм и количеством около 2000 шт. Барботеры в количестве 2 шт. были установлены в верхней части первого блока и в нижней части третьего блока. В качестве статических миксеров использованы миксеры SMV в количестве 10 шт., которые установлены внутри первого и третьего блоков.The fermenter consisted of the first and third blocks, each of which consisted of a vertical pipe 3000 m long with a diameter of 50 mm, each of which contained two heat exchangers. The second block was made in the form of a vertical cyclone, a horizontal pipe with a diameter of 50 mm and a Liverani Major 900 impeller pump, modified to work with pressures up to 4 atm. A gas evacuation system with automatic pressure maintenance function was connected to the cyclone. The total length of the second block was 1050 mm. The fourth block was made in the form of a horizontal pipe with a diameter of 50 mm tangentially entering a vertical cyclone. Pipes made of a material inert to QL, sealed at one end, 100 mm long, 40 mm in diameter, having laser perforation with a hole diameter of 0.2 mm and an amount of about 2000 pieces were used as bubblers. Bubblers in the amount of 2 pcs. were installed at the top of the first block and at the bottom of the third block. As static mixers, 10 SMV mixers were used, which are installed inside the first and third blocks.
Культивирование проводили с рабочим объемом 15 л, при непрерывной подаче свежей ПС с переменной концентрацией микро и макроэлементов таким образом, чтобы обеспечить культуру бактерий всеми необходимыми элементами в достаточном количестве. При максимальном уровне продуктивности концентрация солей в ПС увеличивалась шестикратно по сравнению с составом, указанным выше. Значение рН среды в ферментере поддерживалось на уровне 5,6 путем внесения 5%-раствора аммиака в качестве ТА. При этом общая скорость разбавления за счет внесения ПС и ТА составила 0,23 ч-1. Температура поддерживалась на уровне 42,2°С и избыточное давление в первом блоке ферментера 3 атм. Скорость циркуляции КЖ в ферментере составила 2 л/мин, расход метана 14 л/мин и воздуха 54 л/мин. При таком режиме удалось достичь продуктивности 5 г/(л*ч).The cultivation was carried out with a working volume of 15 liters, with a continuous supply of fresh PS with a variable concentration of micro and macro elements in such a way as to provide the bacterial culture with all the necessary elements in sufficient quantities. At the maximum level of productivity, the concentration of salts in the PS increased sixfold in comparison with the composition indicated above. The pH value of the medium in the fermenter was maintained at 5.6 by adding 5% ammonia solution as TA. In this case, the total dilution rate due to the addition of PS and TA was 0.23 h -1 . The temperature was maintained at 42.2 ° C and the overpressure in the first block of the fermenter was 3 atm. The circulation rate of the CL in the fermenter was 2 l / min, the flow rate of methane was 14 l / min and air consumption was 54 l / min. With this mode, it was possible to achieve a productivity of 5 g / (l * h).
Для демонстрации работы нижней емкости дегазации проведены измерения концентрации растворенного СО2 с емкостью дегазации и без нее. При скорости циркуляции КЖ 0,8-1,2 л/мин, давлении 3-4 бар и продуктивности ферментера 1,5-2 г/л/ч уровень растворенного СО2 с емкостью дегазации во втором блоке в 1,5-2 раза ниже, чем уровень растворенного СО2 без такой емкости.To demonstrate the operation of the lower degassing tank, the concentration of dissolved СО 2 was measured with and without a degassing tank. At a CL circulation rate of 0.8-1.2 l / min, a pressure of 3-4 bar and a fermenter productivity of 1.5-2 g / l / h, the level of dissolved СО 2 with a degassing capacity in the second block is 1.5-2 times lower than the level of dissolved CO 2 without such a container.
Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает энергоэффективное высокопродуктивное крупнотоннажное промышленное производство биопродуктов культивированием метанотрофных бактерий.Thus, the claimed invention provides an energy-efficient high-yield large-scale industrial production of biological products by cultivating methanotrophic bacteria.
Claims (29)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019118203A RU2728193C1 (en) | 2019-06-11 | 2019-06-11 | Fermenter and fermentation unit for continuous cultivation of microorganisms |
PCT/RU2020/050114 WO2020251408A1 (en) | 2019-06-11 | 2020-06-10 | Fermenter and fermentation system for the continuous cultivation of microorganisms |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019118203A RU2728193C1 (en) | 2019-06-11 | 2019-06-11 | Fermenter and fermentation unit for continuous cultivation of microorganisms |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2728193C1 true RU2728193C1 (en) | 2020-07-28 |
Family
ID=72085852
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019118203A RU2728193C1 (en) | 2019-06-11 | 2019-06-11 | Fermenter and fermentation unit for continuous cultivation of microorganisms |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2728193C1 (en) |
WO (1) | WO2020251408A1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2769433C1 (en) * | 2021-04-05 | 2022-03-31 | Общество с ограниченной ответственностью "Комита Биотехнологии" | Installation for obtaining feed biomass from natural gas |
RU2775310C1 (en) * | 2021-09-28 | 2022-06-29 | Публичное акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" (ПАО "НК "Роснефть") | Device for continuous implementation of biochemical processes |
WO2022211674A1 (en) * | 2021-04-02 | 2022-10-06 | Общество с ограниченной ответственностью "Комита Биотехнологии" | Method of cultivating aerobic methane-assimilating microorganisms |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023018355A2 (en) * | 2021-08-10 | 2023-02-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Биопрактика" (ООО "Биопрактика") | Fermenter and fermentation system for the continuous cultivation of microorganisms |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0418187B1 (en) * | 1989-08-07 | 1994-12-14 | Dansk Bioprotein A/S | Method and apparatus for performing a fermentation |
US6492135B1 (en) * | 1999-05-18 | 2002-12-10 | Ebbe Busch Larsen | U-shape and/or nozzle u-loop fermentor and method of carrying out a fermentation process |
US20110244543A1 (en) * | 2008-12-15 | 2011-10-06 | Ebbe Busch Larsen | U-Shape And/or Nozzle U-Loop Fermenter And Method Of Fermentation |
RU164145U1 (en) * | 2015-12-17 | 2016-08-20 | Александр Иванович Сафонов | LIQUID PIPELINE IN COMPOSITE BIOLOGICAL REACTOR OF A PLANT FOR PRODUCING BIOMASS OF AEROBIC MICRO-ORGANISMS |
RU2607782C1 (en) * | 2016-04-04 | 2017-01-10 | Винаров Александр Юрьевич | Bioreactor for growing methane-recycling microorganisms |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4273643B2 (en) * | 2000-08-08 | 2009-06-03 | 味の素株式会社 | Cultivation apparatus and antifoam control method in aerobic culture |
EE05731B1 (en) * | 2012-05-16 | 2014-12-15 | Tallinna Tehnikaülikool | Bioreactor system and method for cloning the physiological state of microorganisms |
RU2542301C1 (en) * | 2013-07-18 | 2015-02-20 | Александр Адамович Лемешевский | Biocomplex |
JP2020506717A (en) * | 2017-01-06 | 2020-03-05 | ローカス アイピー カンパニー、エルエルシー | Novel fermentation system and method |
CN110382681A (en) * | 2017-01-10 | 2019-10-25 | 凯利斯塔公司 | Utilize the air inlet fermentation reactor in perpendicular flow area, system and method |
-
2019
- 2019-06-11 RU RU2019118203A patent/RU2728193C1/en active
-
2020
- 2020-06-10 WO PCT/RU2020/050114 patent/WO2020251408A1/en active Application Filing
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0418187B1 (en) * | 1989-08-07 | 1994-12-14 | Dansk Bioprotein A/S | Method and apparatus for performing a fermentation |
US6492135B1 (en) * | 1999-05-18 | 2002-12-10 | Ebbe Busch Larsen | U-shape and/or nozzle u-loop fermentor and method of carrying out a fermentation process |
US20110244543A1 (en) * | 2008-12-15 | 2011-10-06 | Ebbe Busch Larsen | U-Shape And/or Nozzle U-Loop Fermenter And Method Of Fermentation |
RU164145U1 (en) * | 2015-12-17 | 2016-08-20 | Александр Иванович Сафонов | LIQUID PIPELINE IN COMPOSITE BIOLOGICAL REACTOR OF A PLANT FOR PRODUCING BIOMASS OF AEROBIC MICRO-ORGANISMS |
RU2607782C1 (en) * | 2016-04-04 | 2017-01-10 | Винаров Александр Юрьевич | Bioreactor for growing methane-recycling microorganisms |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2022211674A1 (en) * | 2021-04-02 | 2022-10-06 | Общество с ограниченной ответственностью "Комита Биотехнологии" | Method of cultivating aerobic methane-assimilating microorganisms |
RU2769433C1 (en) * | 2021-04-05 | 2022-03-31 | Общество с ограниченной ответственностью "Комита Биотехнологии" | Installation for obtaining feed biomass from natural gas |
RU2777059C1 (en) * | 2021-08-10 | 2022-08-01 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Биопрактика" | Fermenter and fermentation plant for continuous microorganism culture |
RU2775310C1 (en) * | 2021-09-28 | 2022-06-29 | Публичное акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" (ПАО "НК "Роснефть") | Device for continuous implementation of biochemical processes |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2020251408A1 (en) | 2020-12-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2607782C1 (en) | Bioreactor for growing methane-recycling microorganisms | |
RU2728193C1 (en) | Fermenter and fermentation unit for continuous cultivation of microorganisms | |
RU2580646C1 (en) | Fermentation apparatus for methane-assimilating microorganisms | |
CA2373288C (en) | U-shape and/or nozzle-u-loop fermentor and method of carrying out a fermentation process | |
US20220325220A1 (en) | Bioreactors for growing micro-organisms | |
RU2644344C1 (en) | Biological reactor for transforming gas-hydrogen hydrocarbons to biologically active compounds | |
RU2743581C1 (en) | Fermentation plant for cultivation of methane-oxidizing bacteria methylococcus capsulatus | |
US9732312B2 (en) | Method and device for feeding gases or gas mixtures into a liquid, suspension or emulsion in a reactor in a specific manner | |
RU2762273C2 (en) | Installation for producing biomass of aerobic microorganisms | |
RU2596396C1 (en) | Bioreactor with membrane device for gas supply of microorganisms | |
RU2769129C1 (en) | Fermentation plant for cultivation of methylococcus capsulatus methane-oxidizing bacteria | |
FI89182C (en) | REQUIREMENTS FOR REQUIREMENTS FOR FRAMSTAELLNING AV POLYSACKARIDER, SAERSKILT XANTAN, GENOM FERMENTATION | |
WO2007116267A1 (en) | Bioreactor | |
US6733671B1 (en) | Apparatus for treating fluids | |
WO2014072294A1 (en) | Growing microalgae or cyanobacteria in liquid-based foam | |
RU2585666C1 (en) | Device for cultivation of methane-oxidising microorganisms | |
NO345995B1 (en) | Low energy consumption process and device for cleaning and aerating spent water from a land-based aquaculture vessel | |
WO1990002170A1 (en) | Membrane bioreactor | |
Marrot et al. | Experimental study of mass transfer phenomena in a cross flow membrane bioreactor: aeration and membrane separation | |
RU2803177C1 (en) | Apparatus for growing microorganisms | |
RU2741346C1 (en) | Device for cultivation of microorganisms | |
WO2023018355A2 (en) | Fermenter and fermentation system for the continuous cultivation of microorganisms | |
RU2775310C1 (en) | Device for continuous implementation of biochemical processes | |
RU2824554C1 (en) | Fermentation reactor and fermentation process | |
EA045062B1 (en) | FERMENTATION INSTALLATION FOR CULTIVATION OF METHANE-OXIDIZING BACTERIA |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20211125 Effective date: 20211125 |