RU2739528C1 - Fermenter for cultivation of biomass of methane-oxidising microorganisms methylococcus capsulatus - Google Patents
Fermenter for cultivation of biomass of methane-oxidising microorganisms methylococcus capsulatus Download PDFInfo
- Publication number
- RU2739528C1 RU2739528C1 RU2020125862A RU2020125862A RU2739528C1 RU 2739528 C1 RU2739528 C1 RU 2739528C1 RU 2020125862 A RU2020125862 A RU 2020125862A RU 2020125862 A RU2020125862 A RU 2020125862A RU 2739528 C1 RU2739528 C1 RU 2739528C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fermenter
- gas
- chamber
- circulation
- pipes
- 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
-
- 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
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material 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)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к биотехнологии, а именно к ферментерам для культивирования биомассы метанокисляющих микроорганизмов Methylococcus capsulatus, в частности для получения корма, который используется в животноводстве, птицеводстве и рыбном хозяйстве.The invention relates to biotechnology, namely to fermenters for the cultivation of biomass of methane-oxidizing microorganisms Methylococcus capsulatus, in particular for obtaining feed, which is used in animal husbandry, poultry farming and fish farming.
Использование природного газа позволит создавать биотехнологические установки, обеспечивающие полноценным белковым кормом агропромышленные комплексы и рыбоводство, а также получение широкой гаммы биопродуктов и его дальнейшую переработку.The use of natural gas will make it possible to create biotechnological installations that provide agro-industrial complexes and fish farming with high-grade protein fodder, as well as obtain a wide range of bioproducts and their further processing.
Несмотря на значительное количество отечественных и зарубежных аппаратурных решений специфика процесса с использованием двух труднорастворимых газов: кислорода и метана, не позволила к настоящему времени технически и энергетически эффективно и решить проблему получения белка из природного газа в промышленных биореакторах (Винаров А.Ю. и др. «Ферментационные аппараты для процессов микробиологического синтеза» М., ДеЛи Принт, 2005, 275 с.).Despite a significant number of domestic and foreign hardware solutions, the specificity of the process using two sparingly soluble gases: oxygen and methane, has not yet made it possible to technically and energetically efficiently solve the problem of obtaining protein from natural gas in industrial bioreactors (Vinarov A.Yu. et al. "Fermentation apparatus for the processes of microbiological synthesis" M., DeLi Print, 2005, 275 p.).
Известно большое разнообразие конструкций ферментеров для аэробного культивирования с использованием традиционных мешалок, эжекторов, циркуляционных насосов и барботеров, которые могут быть применены для выращивания биомассы метанутилизирующих микроорганизмов. Однако в большинстве случаев их конструктивные характеристики, низкие показатели технологической и энергетической эффективности приводят к тому, что делают этот процесс низкорентабельным или совсем нерентабельным. В связи с этим задача разработки нового аппарата для аэробного культивирования метанутилизирующих микроорганизмов становится актуальной и практически важной.A wide variety of designs of fermenters for aerobic cultivation using traditional stirrers, ejectors, circulation pumps and bubblers are known, which can be used for growing biomass of methanutilizing microorganisms. However, in most cases, their design characteristics, low rates of technological and energy efficiency lead to the fact that they make this process unprofitable or completely unprofitable. In this regard, the task of developing a new apparatus for the aerobic cultivation of methanutilizing microorganisms becomes urgent and practically important.
Оптимальными условиями для роста и развития метанокисляющих бактерий в водной среде являются температура 41-43°С и рН 5,2-5,8. Для достижения высокой скорости роста клеток используют ферментеры с интенсивным массообменом, который обеспечивается увеличением поверхности контакта газовой и жидкой фаз, улучшением перемешивания и повышением рабочего давления в биореакторе для повышения растворимости газов.The optimal conditions for the growth and development of methane-oxidizing bacteria in the aquatic environment are 41-43 ° C and pH 5.2-5.8. To achieve a high rate of cell growth, fermenters with intensive mass transfer are used, which is ensured by an increase in the contact surface of the gas and liquid phases, improved mixing and an increase in the working pressure in the bioreactor to increase the solubility of gases.
В результате проведенного патентно-информационного поиска были отобраны следующие патенты.As a result of the conducted patent information search, the following patents were selected.
Известен аппарат для выращивания микроорганизмов (РФ №1685989), содержащий вертикальную цилиндрическую емкость с технологическими патрубками, разделенную по высоте горизонтальными перфорированными перегородками на секции, и размещенное в нижней части емкости устройство для диспергирования газожидкостной смеси, включающее два расположенных один над другим перфорированных ротора, снабженные приводом и установленные с возможностью вращения в противоположных направлениях. Роторы выполнены в виде усеченных конусов, обращенных большими основаниями один к другому и образующих между собой камеру для перемешивания газожидкостной смеси, внутри камеры размещены лопасти, прикрепленные к роторам. Ферментер по данному изобретению обладает излишней усложненностью конструкции, которая может быть оправдана только в случае применения его для выращивания биомассы на грубых субстратах. Это нашло свое отражение в конструкции основного элемента ферментера - диспергатора. При использовании природного газа в качестве углеродного питания применение данной конструкции нецелесообразно исходя из высоких капитальных и эксплуатационных затрат, а также из низкой надежности конструкции диспергатора.Known apparatus for growing microorganisms (RF No. 1685989), containing a vertical cylindrical container with technological pipes, divided in height by horizontal perforated partitions into sections, and a device located in the lower part of the container for dispersing a gas-liquid mixture, which includes two perforated rotors located one above the other, equipped with driven and installed with the possibility of rotation in opposite directions. The rotors are made in the form of truncated cones, facing each other with large bases and forming a chamber for mixing the gas-liquid mixture, inside the chamber there are blades attached to the rotors. The fermenter according to this invention has an unnecessary complexity of the design, which can only be justified if it is used for growing biomass on coarse substrates. This is reflected in the design of the main element of the fermenter - the dispersant. When using natural gas as carbon feed, the use of this design is impractical due to the high capital and operating costs, as well as the low reliability of the disperser design.
Известен аппарат для культивирования метанокисляющих микроорганизмов (РФ №2585666), содержащий корпус, на боковых стенках которого по ширине аппарата укреплен ротор с внешним приводом. Ротор размещен над сплошной по ширине аппарата перегородкой. Под перегородкой перед ротором установлены барботеры для подачи в аппарат кислородсодержащего газа и метаносодержащего газа. На крышке аппарата расположен патрубок для вывода отходящего газа на рециркуляцию или на сжигание. В нижней левой части корпуса установлен патрубок для отбора биосуспензии из аппарата на последующие технологические стадии либо во внешний рециркуляционный контур. К существенным недостаткам аппарата следует отнести тот факт, что значительный объем аппарата, а именно область, расположенная под ротором и горизонтальной перегородкой, по сути являются застойной зоной, с малой турбулизацией потока и большим временем пребывания биомассы в этой области. Это приводит к снижению скорости роста целевой биомассы, ее угнетению, появлению в значительном количестве сопутствующих нежелательных микроорганизмов. При этом авторы не раскрывают, как обходится техническое противоречие, заложенное в конструкции: для снижения эффекта застойной зоны требуется значительный расход жидкости через нее (высокая кратность внутренней циркуляции по аппарату), что требует высокоэффективного перемешивающего устройства, ротора, энергия которого создает направленный поток жидкости и не расходуется на аэрирование жидкости. И наоборот при использовании различных модернизаций лопастей ротора, приводящих к улучшению аэрации кратность внутренней циркуляции падает с соответствующим ростом эффекта застойной зоны. Перечисленные недостатки аппарата обуславливают его низкую технологическую и энергетическую эффективность, особенно при масштабировании на большую единичную производительность.Known apparatus for the cultivation of methane-oxidizing microorganisms (RF No. 2585666), containing a housing, on the side walls of which the width of the apparatus is attached to a rotor with an external drive. The rotor is placed over a partition that is solid along the width of the apparatus. Bubblers are installed under the partition in front of the rotor to supply oxygen-containing gas and methane-containing gas to the apparatus. On the lid of the apparatus there is a branch pipe for the exhaust gas discharge for recirculation or combustion. In the lower left part of the body there is a branch pipe for taking biosuspension from the apparatus for subsequent technological stages or into an external recirculation loop. Significant disadvantages of the apparatus include the fact that a significant volume of the apparatus, namely the area located under the rotor and the horizontal baffle, is essentially a stagnant zone, with low flow turbulization and long residence time of biomass in this area. This leads to a decrease in the growth rate of the target biomass, its inhibition, the appearance of a significant number of accompanying unwanted microorganisms. At the same time, the authors do not disclose how the technical contradiction inherent in the design is bypassed: to reduce the effect of the stagnant zone, a significant flow of liquid through it is required (a high frequency of internal circulation through the apparatus), which requires a highly efficient mixing device, a rotor, the energy of which creates a directed flow of liquid and not consumed for aerating the liquid. And vice versa, when using various upgrades of the rotor blades, leading to improved aeration, the internal circulation rate decreases with a corresponding increase in the stagnant zone effect. The aforementioned disadvantages of the apparatus cause its low technological and energy efficiency, especially when scaling to a large unit performance.
Известен (РФ №2607782) биореактор для выращивания метанутилизирующих микроорганизмов с возможностью использования метансодержащего газа и кислородсодержащего газа в качестве субстратов для роста клеток. Биореактор представляет собой вертикальный цилиндрический корпус с крышкой, днищем и центральной циркуляционной трубой. В верхней части корпуса биореактора на противоположных сторонах расположены два закрытых сектора. Закрытые сектора образуют внешний реакционный объем, каждый сектор снабжен патрубками для ввода газообразного субстрата для отвода газожидкостной дисперсной среды и для ввода жидкостного потока в нижнюю часть сектора. Патрубок для отвода соединен с центральной циркуляционной трубой, патрубок ввода жидкостного потока соединен с патрубком для отбора культуральной жидкости из днища биореактора. В каждом закрытом секторе установлено перемешивающее устройство. Подача газа в виде дисперсной взвеси газовых пузырей и растворенных газов в аппарат осуществляется по центральной трубе сверху вниз. Это обуславливает основной недостаток конструкции: движение насыщенной газовыми пузырями газожидкостной смеси направлено против направления всплытия газовых пузырей. Это приводит к их коалисценции, укрупнению при движении по центральной трубе аппарата, влечет снижениеповерхности межфазного контакта и общего коэффициента массопередачи. Это же определяет низкую энергоэффективность аппарата. Кроме того, геометрия аппарата такова, что в нем невозможно обеспечить хорошее осевое и радиальное перемешивание, особенно для аппаратов большой единичной мощности, что неизбежно влечет образование застойных зон и снижение эффективности.Known (RF No. 2607782) a bioreactor for growing methanutilizing microorganisms with the possibility of using methane-containing gas and oxygen-containing gas as substrates for cell growth. The bioreactor is a vertical cylindrical body with a cover, a bottom and a central circulation pipe. In the upper part of the bioreactor housing, on opposite sides, there are two closed sectors. The closed sectors form an external reaction volume, each sector is equipped with branch pipes for introducing a gaseous substrate for removing a gas-liquid dispersion medium and for introducing a liquid flow into the lower part of the sector. The branch pipe for the outlet is connected to the central circulation pipe, the branch pipe for the liquid flow is connected to the branch pipe for withdrawing the culture liquid from the bottom of the bioreactor. A mixing device is installed in each closed sector. Gas supply in the form of a dispersed suspension of gas bubbles and dissolved gases into the apparatus is carried out through the central pipe from top to bottom. This causes the main design flaw: the movement of the gas-liquid mixture saturated with gas bubbles is directed against the direction of the ascent of the gas bubbles. This leads to their coalescence, enlargement when moving along the central tube of the apparatus, entails a decrease in the surface of the interphase contact and the overall coefficient of mass transfer. This also determines the low energy efficiency of the device. In addition, the geometry of the apparatus is such that it is impossible to provide good axial and radial mixing in it, especially for apparatus of large unit capacity, which inevitably entails the formation of stagnant zones and a decrease in efficiency.
Общими недостатками известных ферментеров, указанных выше, следует отнести низкий коэффициент массопередачи при высоком удельном энергопотреблении. Это связано с тем, что в представленных конструкциях не достигается эффективное диспергирование пузырей питающих газов в жидкость и равномерное распределение полученной газожидкостной смеси по объему аппарата при сохранении высокой интенсивности локальной турбуленции. Такая гидродинамическая обстановка в аппарате обуславливает наличие локальных застойных зон, небольшую поверхность контакта газовой и жидкой фаз, что определяет низкий коэффициент массопередачи, малую скорость роста микробной биомассы при значительных удельных энергозатратах. Кроме того, рассмотренные ферментеры не могут быть масштабированы на более чем двукратное повышение производительности без существенного изменения конструкции и внутренних устройств.The general disadvantages of the known fermenters mentioned above are a low mass transfer coefficient with a high specific energy consumption. This is due to the fact that the presented designs do not achieve effective dispersion of feed gas bubbles into the liquid and uniform distribution of the resulting gas-liquid mixture over the volume of the apparatus while maintaining a high intensity of local turbulence. Such a hydrodynamic situation in the apparatus determines the presence of local stagnant zones, a small contact surface of the gas and liquid phases, which determines a low mass transfer coefficient, a low growth rate of microbial biomass with significant specific energy consumption. In addition, the considered fermenters cannot be scaled up to more than double the productivity without significant changes in the design and internals.
Техническая задача состоит в создании ферментера с минимальными энергозатратами, с отсутствием застойных зон и высокой интенсивностью турбуленции смеси по всему объему аппарата, что обеспечит высокую эффективность процесса получения белковой биомассы метанутилизирующих микроорганизмов.The technical problem is to create a fermenter with minimal energy consumption, with no stagnant zones and high intensity of turbulence of the mixture throughout the volume of the apparatus, which will ensure a high efficiency of the process of obtaining protein biomass of metanutilizing microorganisms.
Полученный технический результат состоит в получении в реакционном объеме аппарата гомогенной, мелкодисперсной газожидкостной среды, с высокой интенсивностью перемешивания, что позволяет достичь высокой скорости массообменных процессов в системе газ-жидкость-клетки.The obtained technical result consists in obtaining a homogeneous, finely dispersed gas-liquid medium in the reaction volume of the apparatus, with a high intensity of mixing, which makes it possible to achieve a high rate of mass transfer processes in the gas-liquid-cell system.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного ферментера для культивирования биомассы метанокисляющих микроорганизов Methylococcus capsulatus, включающего две и более соосно размещенные по высоте реакционные камеры (1, 2) в цилиндрическом корпусе ферментера (7), при этом внутри каждая камера содержит циркуляционные трубы (8, 9), внизу которых установлены барботеры для ввода кислородсодержащего газа (5) и природного газа (4), кроме того в каждой камере под циркуляционными трубами (8, 9) выполнена поперечная перегородка (6) с соплами (3), оси которых совпадают с соответствующим им циркуляционным трубам, и направлены сужением вверх, причем диаметр сужения каждого сопла меньше внутреннего диаметра соответствующей циркуляционной трубы, над верхним обрезом каждой циркуляционной трубы установлены профилированные дефлекторы (10), направленные меньшим диаметром вниз, при этом в каждой реакционной камере высота торцевого зазора между циркуляционной трубой и расположенной под ней соплами (3) и над ней дефлекторами (10) составляет 0,35-0,8 наружного диаметра циркуляционных труб, и установлены в нижней камере ферментера патрубки жидкостных технологических потоков (11, 12, 13, 14) и в верхней камере патрубок вывода образовавшейся газожидкостной смеси (15).The technical result achieved by the implementation of the developed fermenter for the cultivation of biomass of methane-oxidizing microorganisms Methylococcus capsulatus, including two or more coaxially located in height reaction chambers (1, 2) in the cylindrical body of the fermenter (7), while inside each chamber contains circulation pipes (8, 9), at the bottom of which bubblers are installed for the introduction of oxygen-containing gas (5) and natural gas (4), in addition, in each chamber under the circulation pipes (8, 9), a transverse partition (6) with nozzles (3) is made, the axes of which coincide with the corresponding circulation pipes, and are directed upward narrowing, and the diameter of the narrowing of each nozzle is less than the inner diameter of the corresponding circulation pipe, profiled deflectors (10) are installed above the upper edge of each circulation pipe, directed with a smaller diameter downward, while in each reaction chamber the height of the end gap between a circulation pipe and located underneath with nozzles (3) and deflectors (10) above it is 0.35-0.8 of the outer diameter of the circulation pipes, and branch pipes of liquid process streams (11, 12, 13, 14) are installed in the lower chamber of the fermenter and in the upper chamber an outlet branch pipe the resulting gas-liquid mixture (15).
Количество секций в ферментере колонного типа определяется в зависимости от требуемой эффективности аппарата и может быть от 1 до 7 и более. Количество циркуляционных труб, расположенных равномерно по сечению ферментера, и их диаметр подбирают из соотношенияThe number of sections in a column-type fermenter is determined depending on the required efficiency of the apparatus and can be from 1 to 7 or more. The number of circulation pipes located evenly over the cross section of the fermenter, and their diameter is selected from the ratio
где n - число циркуляционных труб D, d - внутренний диаметр обечайки и циркуляционной трубы соответственно. Производительность и выход готового продукта ферментера определяется его внутренним объемом, то есть зависит от диаметра обечайки и количества секций.where n is the number of circulation pipes D, d is the inner diameter of the shell and circulation pipe, respectively. The productivity and yield of the finished product of the fermenter is determined by its internal volume, that is, it depends on the diameter of the shell and the number of sections.
Ферментер предназначен для создания оптимальных условий выращивания биомассы с минимальными энергозатратами путем организации интенсивного перемешивания газо-жидкостной смеси, создания максимального коэффициента массопередачи, что обеспечивает подвод питательных веществ, отвод продуктов жизнедеятельности и определяет скорость роста микробной биомассыне ниже 4 кг/м3*час.The fermenter is designed to create optimal conditions for growing biomass with minimal energy consumption by organizing intensive mixing of the gas-liquid mixture, creating a maximum mass transfer coefficient, which ensures the supply of nutrients, removal of waste products and determines the growth rate of microbial biomass below 4 kg / m 3 * hour.
Предлагаемое изобретение поясняется на рисунке 1 (схема ферментера) и рисунке 2 (схема ферментера в объемном виде), где 1 - нижняя реакционная камера, 2 - верхняя реакционная камера, 3 - сопло для подачи газо-жидкостной смеси, 4 - барботер для ввода природного газа, 5 - барботер для ввода кислородсодержащего газа, 6 - поперечная перегородка, 7 - корпус ферментера, 8, 9 - циркуляционные трубы, 10 - профилированный дефлектор, 11 - патрубок входа культуральной жидкости, 12-линия подачи раствора аммиачной воды, 13-линия подачи питательной воды, 14 - линия подачи минеральных солей, 15 - патрубок выхода образовавшейся газо-жидкостной смеси.The proposed invention is illustrated in Figure 1 (diagram of a fermenter) and Figure 2 (diagram of a fermenter in volumetric form), where 1 is the lower reaction chamber, 2 is the upper reaction chamber, 3 is a nozzle for supplying a gas-liquid mixture, 4 is a bubbler for introducing natural gas, 5 - bubbler for oxygen-containing gas inlet, 6 - transverse baffle, 7 - fermenter body, 8, 9 - circulation pipes, 10 - profiled deflector, 11 - culture liquid inlet, 12-line for supplying ammonia water solution, 13-line feed water supply, 14 - mineral salts supply line, 15 - outlet branch pipe of the formed gas-liquid mixture.
Пример реализации ферментера (см. рис. 1) содержит две идентичные, последовательно расположенные реакционные камеры - нижняя 1 и верхняя 2. Каждая камера представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат с циркуляционными трубами 8, 9, которые расположены соосно корпусу 7. Количество реакционных камер и количество циркуляционных труб определяется в зависимости от требуемой эффективности и производительности ферментера.An example of a fermenter implementation (see Fig. 1) contains two identical, sequentially located reaction chambers - lower 1 and upper 2. Each chamber is a vertical cylindrical apparatus with
В каждой реакционной камере высота торцевого зазора между циркуляционной трубой и расположенными под ней соплами 3 и над ней дефлекторами 10 составляет 0,35-0,8 наружного диаметра циркуляционной трубы. Это позволяет обеспечить минимальное гидравлическое сопротивление при движении газо-жидкостной смеси в трубном, межтрубном пространстве и в районе кромок циркуляционных труб 8 и 9.In each reaction chamber, the height of the end gap between the circulation pipe and the
В каждую реакционную камеру ферментера через сопла 3 осуществляется подача природного газа и кислородсодержащего газа или воздуха. В верхней части каждой секции, над верхним обрезом внутренних циркуляционных труб 8, 9 размещены профилированные дефлекторы 10. Ферментер имеет патрубки для входа исходного сырья (11, 12, 13, 14) и выхода газо-жидкостной смеси 15, которые расположены соответственно внизу и вверху ферментера. Патрубок 15 служит для вывода газожидкостной смеси из ферментера для дальнейшей ее обработки: газоотделение, выделение готового продукта.Natural gas and oxygen-containing gas or air are supplied to each reaction chamber of the fermenter through
Ферментер работает следующим образом. Поток культуральной жидкости под напором поступает в ферментер через патрубок 11 в нижнюю реакционную камеру 1. Кислородосодержащий газ и природный газ подают в ферментер двумя потоками через барботеры 4 и 5 в нижнюю 1 и верхнюю 2 камеру ферментера. Большая часть газов от 50 до 90% подаются в нижнюю камеру, оставшиеся газы - от 10 до 50% подаются в следующую камеру, по соответствующим барботерам - 4 и 5.The fermenter works as follows. The flow of culture fluid under pressure enters the fermenter through the
В нижней реакционной камере 1 струя газо-жидкостной смеси через сопла 3 поступает в нижнюю часть циркуляционных труб 8 и 9. Внутри труб 8 и 9 за счет энергии струи, подъемной силы Архимеда устанавливается восходящий поток такой интенсивности, что в районе нижнего обреза циркуляционной трубы, образуется зона пониженного давления. За счет этого разряжения в межтрубном пространстве устанавливается нисходящий поток газо-жидкостной смеси. Этому способствует расположенные в верхней части каждой реакционной камеры профилированные дефлекторы 10, которые предотвращают рассеяние энергии внутренней циркуляции путем минимизации образования паразитных вихревых токов. Дефлектор 10 эффективно сепарирует газовые пузыри: крупные пузыри с малой удельной площадью поверхности проходят дефлектор и перетекают в верхнюю секцию 2, мелкие пузыри увлекаются нисходящим потоком в межтрубном пространстве. Таким образом, в корпусе образуется два потока: один- вверх по оси ферментера внутри циркуляционных труб 8 и 9, второй - вниз относительно оси ферментера по межтрубным пространствам.In the lower reaction chamber 1, the stream of the gas-liquid mixture through the
При движении газовых пузырей по контуру внутренней циркуляции происходит их коалесценция, укрупнение и удаление из контура циркуляции при помощи дефлектора 10. Одновременно за счет энергии струи, выходящей из сопла 3, происходит дробление крупных газовых пузырей на более мелкие. Таким образом, поверхность массобмена газ-жидкость все время обновляется, и в контуре циркуляции находятся газовые пузыри с оптимальным распределением по диаметрам как это показано на графике (см. рис. 3).When gas bubbles move along the internal circulation contour, they coalesce, enlarge and remove them from the circulation contour using the
На графике приведена гистограмма (согласно ГОСТ Р 50779.10-2000) распределения частот диаметровпузырей в лабораторном реакторе. По оси абсцисс отложены интервалы диаметров (в мм), по оси ординат - частота присутствия данного интервала диаметров в общей выборке (в %). На графике, также, нанесена кривая (черная жирная линия) нормального распределения. Анализ графика показывает, что основное количество пузырей газа в культуральной жидкости лабораторного ферментера имеют диаметр от 0,5-2,2 мм. Это соответствует оптимальной скорости растворения кислорода и метана в культуральной жидкости и удалении из нее углекислого газа.The graph shows a histogram (according to GOST R 50779.10-2000) of the distribution of the frequencies of the diameters of bubbles in a laboratory reactor. The abscissa shows the intervals of diameters (in mm), and the ordinates show the frequency of the presence of this interval of diameters in the total sample (in%). The graph also shows a normal distribution curve (black bold line). Analysis of the graph shows that the majority of gas bubbles in the culture liquid of a laboratory fermenter have a diameter of 0.5-2.2 mm. This corresponds to the optimal rate of dissolution of oxygen and methane in the culture liquid and removal of carbon dioxide from it.
Для достижения оптимального распределения пузырей газа в жидкости скорость истечения газо-жидкостной смеси из сопла поддерживают на уровне 0,5-20 м/с.To achieve an optimal distribution of gas bubbles in the liquid, the flow rate of the gas-liquid mixture from the nozzle is maintained at a level of 0.5-20 m / s.
Газо-жидкостной поток из нижней реакционной камеры 1 поступает через сопло 3 в верхнюю реакционную камеру 2. Сюда же по раздельным трубопроводам подаются природный газ и кислородсодержащий газ для компенсации убыли этих компонентов. В сопле 3 верхней секции за счет энергии струи происходит диспергирование дополнительного газового питания - природного газа и кислородсодержащего газа, а так же крупных газовых пузырей, поступивших из нижней камеры 1. Движение газожидкостной смеси в верхней камере 2 происходит аналогично нижней камере 1.The gas-liquid flow from the lower reaction chamber 1 enters through the
Газо-жидкостная смесь покидает ферментер через верхний патрубок 15 и поступает в газосепаратор, где за счет центробежных сил происходит разделение газа и жидкости. Газ, представляющий собой непрореагировавшие воздух (кислород), природный газ (метан) и диоксид углерода реакции направляется на переработку или утилизацию.The gas-liquid mixture leaves the fermenter through the
Из потока дегазированной жидкости часть, приблизительно равная суммарному расходу внешнего минерального питания и аммиачной воды отделяется и отправляется на выделение полученной микробной биомассы и дальнейшую переработку, а остальной поток через внешний теплообменник и насос (не показаны) направляется в патрубок входа культуральной жидкости 11.From the flow of degassed liquid, a part approximately equal to the total consumption of external mineral feed and ammonia water is separated and sent to the separation of the obtained microbial biomass and further processing, and the rest of the flow through an external heat exchanger and pump (not shown) is directed to the inlet of the
Приведенные соотношения геометрических характеристик ферментера в сочетании с режимом движения сред в нем позволили получить интенсивную, с высокой кратностью циркуляцию газо-жидкостной смеси внутри ферментера, что в сочетании с внешней циркуляцией обеспечивает высокие показатели массообмена при минимальных энергозатратах на его получение.The above ratios of the geometric characteristics of the fermenter in combination with the mode of movement of the media in it made it possible to obtain an intensive, high-frequency circulation of the gas-liquid mixture inside the fermenter, which, in combination with external circulation, provides high rates of mass transfer with minimal energy consumption for its production.
Пример реализации 1. Для обеспечения производительности по микробному белку на уровне 4,3 кг/час используют вертикальный цилиндрический двухсекционный ферментер диаметром 800 мм рабочим объемом 1,0 м3. Внутри секционная циркуляция обеспечивается при помощи семи циркуляционных труб в каждой секции, размещенных как показано на рис. 1 и 2. Диаметр внутренних труб 200 мм. Общая высота аппарата составляет около 2,1 м, отношение высоты ферментера к его диаметру ≈2,7. С учетом трубопроводной обвязки и вспомогательного оборудования рабочий объем установки ферментации составит 1,1 м3.Example of implementation 1. To ensure the productivity of microbial protein at the level of 4.3 kg / h, a vertical cylindrical two-section fermenter with a diameter of 800 mm with a working volume of 1.0 m 3 is used . Inside the sectional circulation is provided by seven circulation pipes in each section, placed as shown in fig. 1 and 2. Diameter of inner pipes is 200 mm. The total height of the apparatus is about 2.1 m, the ratio of the height of the fermenter to its diameter is ≈2.7. Taking into account the piping and auxiliary equipment, the working volume of the fermentation unit will be 1.1 m 3 .
В качестве углеродного питания используется природный газ с содержанием метана >95%, и кислорода с содержанием основного вещества не ниже 95%. Оба газа подаются под давлением, рабочее давление в аппаратеварьируетсядо 0,6 Мпа. В качестве минеральной подкормкислужат растворимые соли железа, калия, магния, меди, цинка, магния, кобальта и др. Регулирование значения рН среды на уровне 5,3-5,6 осуществляется дозированной подачей водного раствора аммиака.Natural gas with a methane content> 95% and oxygen with a basic substance content of at least 95% is used as carbon feed. Both gases are supplied under pressure, the working pressure in the apparatus is varied to 0.6 MPa. Soluble salts of iron, potassium, magnesium, copper, zinc, magnesium, cobalt, etc. are used as mineral feeding. The pH value of the medium is regulated at the level of 5.3-5.6 by dosed supply of an aqueous solution of ammonia.
В установившемся режиме интенсивное перемешивание газо-жидкостной смеси в аппарате обеспечивается при помощи внешнего циркуляционного насоса с производительностью 62 м3/час. Одновременно в аппарат подаются рабочие растворы с суммарным расходом 0,22÷0,28 м3/час и соответствующий расход культуральной жидкости выводится из линии циркуляции. Концентрация бактериальных клеток в культуральной жидкости на выходе из аппарата составляет 12÷18 кг/м3, что соответствует удельной производительности по аппарату на уровне 4÷4,6 кг/м3/час. Общая годовая производительность установки по биомассе составит 35-40 т/годIn the steady state, intensive mixing of the gas-liquid mixture in the apparatus is provided by an external circulation pump with a capacity of 62 m 3 / h. At the same time, working solutions are fed into the apparatus with a total flow rate of 0.22 ÷ 0.28 m 3 / h, and the corresponding flow rate of the culture liquid is removed from the circulation line. The concentration of bacterial cells in the culture liquid at the outlet of the apparatus is 12-18 kg / m 3 , which corresponds to the specific productivity of the apparatus at the level of 4-4.6 kg / m 3 / h. The total annual biomass capacity of the plant will be 35-40 t / year
Пример реализации 2. Для обеспечения производительности по микробному белку на уровне 12,6 кг/час используют вертикальный цилиндрический ферментер, общим рабочим объемом 3,0 м3 состоящий из трех идентичных секций диаметром 1100 мм. Внутри секционная циркуляция обеспечивается при помощи 19 циркуляционных труб в каждой секции. Диаметр внутренних труб 180 мм. Общая высота аппарата составляет около 2,9 м, отношение высоты ферментера к его диаметру ≈2,5. С учетом трубопроводной обвязки и вспомогательного оборудования рабочий объем установки ферментации составит 3,2 м3.Example of
Компоненты питания, характеристики среды в аппарате аналогичны данным, приведенным в примере 1.The components of the power supply, the characteristics of the environment in the device are similar to those given in example 1.
В установившемся режиме интенсивное перемешивание газо-жидкостной смеси в аппарате обеспечивается при помощи внешнего циркуляционного насоса с производительностью 152 м3/час. Одновременно в аппарат подаются рабочие растворы с суммарным расходом 0,79 м3/час и соответствующий расход культуральной жидкости выводится из линии циркуляции. Концентрация бактериальных клеток в культуральной жидкости на выходе из аппарата составляет 12÷18 кг/м3, что соответствует удельной производительности по аппарату на уровне 4÷4,5 кг/ м3/час. Общая годовая производительность установки по биомассе составит 100-115 т/год.In the steady state, intensive mixing of the gas-liquid mixture in the apparatus is provided by an external circulation pump with a capacity of 152 m 3 / h. At the same time, working solutions are fed into the apparatus with a total flow rate of 0.79 m 3 / h and the corresponding flow rate of the culture liquid is removed from the circulation line. The concentration of bacterial cells in the culture fluid at the outlet of the apparatus is 12-18 kg / m 3 , which corresponds to the specific productivity of the apparatus at the level of 4-4.5 kg / m 3 / h. The total annual biomass capacity of the plant will be 100-115 t / year.
Удельные энергозатраты на производство микробного белка в 1 и 2 примерах реализации составляют от 0,8 до 1,2 кВт/кг в зависимости от достигаемой эффективности производства.Specific energy consumption for the production of microbial protein in 1 and 2 examples of implementation is from 0.8 to 1.2 kW / kg, depending on the achieved production efficiency.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020125862A RU2739528C1 (en) | 2020-08-04 | 2020-08-04 | Fermenter for cultivation of biomass of methane-oxidising microorganisms methylococcus capsulatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020125862A RU2739528C1 (en) | 2020-08-04 | 2020-08-04 | Fermenter for cultivation of biomass of methane-oxidising microorganisms methylococcus capsulatus |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2739528C1 true RU2739528C1 (en) | 2020-12-25 |
Family
ID=74063129
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020125862A RU2739528C1 (en) | 2020-08-04 | 2020-08-04 | Fermenter for cultivation of biomass of methane-oxidising microorganisms methylococcus capsulatus |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2739528C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2773950C1 (en) * | 2021-08-11 | 2022-06-14 | Общество с ограниченной ответственностью "ГИПРОБИОСИНТЕЗ" | Fermenter for cultivation of methylococcus capsulitis methane-oxidizing microorganisms |
| CN117757595A (en) * | 2023-12-20 | 2024-03-26 | 中国科学院天津工业生物技术研究所 | Gas-lift type bioreactor for strengthening liquid flow circulation |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1320722A (en) * | 1969-09-09 | 1973-06-20 | Morthern Illinois Gas Co | Production of foodstuffs from natural gas |
| GB1353008A (en) * | 1970-07-21 | 1974-05-15 | Ici Ltd | Fermentation method and fermenter |
| US4752564A (en) * | 1983-07-12 | 1988-06-21 | Phillips Petroleum Company | Fermentation method and apparatus |
| SU1685989A1 (en) * | 1989-06-28 | 1991-10-23 | Одесский технологический институт пищевой промышленности им.М.В.Ломоносова | Apparatus for growing microorganisms |
| US20150072400A1 (en) * | 2008-06-12 | 2015-03-12 | William Severn Clarke | System for cultivation and processing of microorganisms, processing of products therefrom, and processing in drillhole reactors |
| RU2585666C1 (en) * | 2015-04-20 | 2016-06-10 | Сергей Сергеевич Потапов | Device for cultivation of methane-oxidising microorganisms |
| RU2607782C1 (en) * | 2016-04-04 | 2017-01-10 | Винаров Александр Юрьевич | Bioreactor for growing methane-recycling microorganisms |
-
2020
- 2020-08-04 RU RU2020125862A patent/RU2739528C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1320722A (en) * | 1969-09-09 | 1973-06-20 | Morthern Illinois Gas Co | Production of foodstuffs from natural gas |
| GB1353008A (en) * | 1970-07-21 | 1974-05-15 | Ici Ltd | Fermentation method and fermenter |
| US4752564A (en) * | 1983-07-12 | 1988-06-21 | Phillips Petroleum Company | Fermentation method and apparatus |
| SU1685989A1 (en) * | 1989-06-28 | 1991-10-23 | Одесский технологический институт пищевой промышленности им.М.В.Ломоносова | Apparatus for growing microorganisms |
| US20150072400A1 (en) * | 2008-06-12 | 2015-03-12 | William Severn Clarke | System for cultivation and processing of microorganisms, processing of products therefrom, and processing in drillhole reactors |
| RU2585666C1 (en) * | 2015-04-20 | 2016-06-10 | Сергей Сергеевич Потапов | Device for cultivation of methane-oxidising microorganisms |
| RU2607782C1 (en) * | 2016-04-04 | 2017-01-10 | Винаров Александр Юрьевич | Bioreactor for growing methane-recycling microorganisms |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2777059C1 (en) * | 2021-08-10 | 2022-08-01 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Биопрактика" | Fermenter and fermentation plant for continuous microorganism culture |
| RU2773950C1 (en) * | 2021-08-11 | 2022-06-14 | Общество с ограниченной ответственностью "ГИПРОБИОСИНТЕЗ" | Fermenter for cultivation of methylococcus capsulitis methane-oxidizing microorganisms |
| CN117757595A (en) * | 2023-12-20 | 2024-03-26 | 中国科学院天津工业生物技术研究所 | Gas-lift type bioreactor for strengthening liquid flow circulation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4670397A (en) | Fermentation apparatus | |
| RU2607782C1 (en) | Bioreactor for growing methane-recycling microorganisms | |
| RU2580646C1 (en) | Fermentation apparatus for methane-assimilating microorganisms | |
| US20030175186A1 (en) | Process and apparatus for performing a gas-sparged reaction | |
| JPWO2016006556A1 (en) | Compound production method and compound production system used in the production method | |
| EP2376616A2 (en) | U-shape and/or nozzle u-loop fermenter and method of fermentation | |
| EA032296B1 (en) | Process for syngas fermentation with high mass transfer coefficient | |
| FI128860B (en) | Bioreactors for growing micro-organisms | |
| RU2738849C1 (en) | Apparatus for growing microorganisms | |
| CN105565489B (en) | Sludge circulating type effectively hydrolyzing reaction unit | |
| RU2739528C1 (en) | Fermenter for cultivation of biomass of methane-oxidising microorganisms methylococcus capsulatus | |
| CN102741390A (en) | Anaerobic process | |
| JP7177278B2 (en) | Bioreactor for growing microorganisms | |
| US4643972A (en) | Method and apparatus for multiphase contacting between gas, solid and liquid phases | |
| KR200202246Y1 (en) | Jet loop reactor | |
| RU2236451C1 (en) | Aerobic liquid phase fermentation apparatus | |
| CN117343835A (en) | Tubular continuous submicron channel microbubble bioreactor | |
| Santek et al. | Horizontal tubular bioreactors in biotechnology | |
| RU2743581C1 (en) | Fermentation plant for cultivation of methane-oxidizing bacteria methylococcus capsulatus | |
| RU2769129C1 (en) | Fermentation plant for cultivation of methylococcus capsulatus methane-oxidizing bacteria | |
| CN108545837B (en) | Airlift reactor for treating and refining soybean oil wastewater by using mucoid hyphomycete | |
| CN115466751A (en) | Promote high intrinsic quick-witted discarded object CH that contains 4 Yield and H 2 Method and device for controlling S rate | |
| RU2585666C1 (en) | Device for cultivation of methane-oxidising microorganisms | |
| Faust et al. | Methanol as carbon source for biomass production in a loop reactor | |
| CN211521737U (en) | Anaerobic membrane bioreactor |