RU2766708C1

RU2766708C1 - Reactor for aerobic biosynthesis and a method for obtaining microbial biomass of methane-oxidizing microorganisms in this reactor

Info

Publication number: RU2766708C1
Application number: RU2021107047A
Authority: RU
Inventors: Константин Валерьевич Абатуров; Янкович Небойша
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Комита Биотехнологии"
Priority date: 2021-03-17
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2022-03-15

Abstract

FIELD: biochemistry.

SUBSTANCE: invention relates to biochemistry, namely to a method and device for growing microorganisms with means for introducing gas. The device refers to devices for growing biomass of aerobic microorganisms in a liquid medium. The reactor for aerobic biosynthesis is an axisymmetric closed body with a liquid flow inductor, a pipeline for recirculation of the liquid phase and an overflow chamber of the aerator with nozzles for the supply of gases and process fluids, as well as for the removal of the liquid and gas phase by a heat exchanger on the external circuit of the liquid phase. Enrichment of the working medium with a mixture of gases is carried out by aeration using gravitational jet aerators with an ejection effect. To increase the pumping characteristics and increase the kinetic energy of the aerator jet, the reactor is equipped with a two-stage liquid phase degassing system in front of the working chamber of the liquid flow agitator in order to increase mass exchange processes.

EFFECT: group of inventions provides an increase in the kinetic energy of the liquid phase when entering the liquid of the working zone of the reactor when leaving the gravitational aerator, which increases the mass transfer processes in the zone of the working medium and increases the efficiency of the biosynthesis process.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к биохимии, а именно к устройствам для выращивания микроорганизмов, со средствами для введения газа. Реактор для аэробного биосинтеза относится к устройствам реализации химических, физических, физико-химических и биотехнологических процессов, а именно, к устройствам для выращивания биомассы аэробных микроорганизмов в жидкой среде. Изобретение может быть использовано в пищевой, агропромышленной, медицинской, микробиологической, нефтехимической промышленности для процессов синтеза различных биологических продуктов, развивающихся в жидкой, обогащенной газовыми субстратами и окислителями среде.The invention relates to biochemistry, namely to devices for growing microorganisms, with means for introducing gas. The reactor for aerobic biosynthesis refers to devices for the implementation of chemical, physical, physicochemical and biotechnological processes, namely, devices for growing the biomass of aerobic microorganisms in a liquid medium. The invention can be used in the food, agro-industrial, medical, microbiological, petrochemical industries for the processes of synthesis of various biological products developing in a liquid environment enriched with gaseous substrates and oxidizers.

Предыдущий уровень техникиPrior Art

Известен патент РФ на изобретение № 2607782 «Биореактор для выращивания метанутилизирующих микроорганизмов». Биореактор, оснащенный изолированными сатурационными блоками с патрубками подвода и отвода жидкостных потоков для аэрации жидкой фазы перемешивающими устройствами с принудительной подачей газовой смеси. A patent of the Russian Federation for the invention No. 2607782 "Bioreactor for growing metautilizing microorganisms" is known. A bioreactor equipped with isolated saturation blocks with nozzles for inlet and outlet of liquid flows for aeration of the liquid phase by mixing devices with a forced supply of a gas mixture.

Недостатками предлагаемого аппарата является неоднородность аэрации рабочей среды, увеличивающаяся при отношении рабочего объема биореактора к суммарному рабочему объему сатураторов, а также увеличение конструкционной сложности при значительном увеличении рабочего объема и как следствие увеличении количества сатураторов, а также значительные энергозатраты на формировании среды достаточной газовой деспергации увеличивающейся при увеличении вязкости среды в рабочей зоне биореактора.The disadvantages of the proposed apparatus are the heterogeneity of the aeration of the working environment, which increases with the ratio of the working volume of the bioreactor to the total working volume of the saturators, as well as an increase in structural complexity with a significant increase in the working volume and, as a result, an increase in the number of saturators, as well as significant energy costs for the formation of an environment of sufficient gas dispersion increasing with increasing the viscosity of the medium in the working area of the bioreactor.

Известен патент РФ на изобретение № 2236451 «Аппарат для аэробной жидкофазовой ферментации». Устройство выполнено в виде аппарата с эжекцией газового потока погруженными горизонтальными аэраторами, размещенными ниже слоя жидкой фазы. Перемешивание рабочей среды осуществляется направленностью потока, создаваемого аэратором, что позволяет создавать ферментационные аппараты большого объема (300 м³ и более). A patent of the Russian Federation for the invention No. 2236451 "Apparatus for aerobic liquid-phase fermentation" is known. The device is made in the form of an apparatus with gas flow ejection by submerged horizontal aerators placed below the liquid phase layer. The mixing of the working medium is carried out by the direction of the flow created by the aerator, which makes it possible to create fermentation apparatuses of large volume (300 m ³ or more).

Недостатками предлагаемого аппарата является низкий уровень однородности аэрации и низкий поток перемешивания рабочей среды, что в случае использования реактора данной конструкции для культивирования облигатных микроорганизмов с использование труднорастворимых газовых субстратов. Увеличение скорости потока добавлением аэраторов приведет к значительному увеличению энергозатрат на высокоскоростную рециркуляцию культуральной жидкости.The disadvantages of the proposed apparatus are the low level of uniformity of aeration and the low flow of mixing of the working medium, which in the case of using a reactor of this design for cultivating obligate microorganisms using sparingly soluble gas substrates. Increasing the flow rate by adding aerators will lead to a significant increase in energy costs for high-speed recirculation of the culture fluid.

При использовании углеводородного субстрата, в частности метана, с применением метанкислящих микроорганизмов, обеспечивающих в присутствии растворенного кислорода синтез высокобелковой биомассы. Струйные аэраторы с эжекцией газовой смеси обеспечивают достаточную турбулизацию ферментационной среды, что позволяет эффективно использовать малорастворимые субстраты и дисперсные среды для процессов ферментации, аэраторы формируют большую поверхность контакта газовой и жидкой фазы, что приводит к увеличению скорости массопередачи питательных компонентов к клеткам и повышению выхода целевого продукта в процессе биосинтеза. В конце 20 века на микробилогических предприятиях СССР по производству микробного кормового белка применялись аппараты со струйными аэраторами разработанные в 70-е годы специалистами ГДР, имели высокие показатели массобменных характеристик. When using a hydrocarbon substrate, in particular methane, using methane-oxidizing microorganisms that provide the synthesis of high-protein biomass in the presence of dissolved oxygen. Jet aerators with ejection of the gas mixture provide sufficient turbulence of the fermentation medium, which makes it possible to effectively use poorly soluble substrates and dispersed media for fermentation processes; aerators form a large contact surface of the gas and liquid phases, which leads to an increase in the mass transfer rate of nutrient components to cells and an increase in the yield of the target product during biosynthesis. At the end of the 20th century, at the microbiological enterprises of the USSR for the production of microbial feed protein, devices with jet aerators developed in the 70s by GDR specialists were used, which had high mass transfer characteristics.

Недостатком известных аппаратов является недостаточно полное использование насосных характеристик насосов центробежного типа по причине снижения плотности перекачиваемой жидкости вследствие ее аэрирования.A disadvantage of the known devices is the insufficient use of the pumping characteristics of centrifugal pumps due to a decrease in the density of the pumped liquid due to its aeration.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличения кинетической энергии струи гравитационного аэратора при входе в слой жидкой фазы целью повышения массобменных процессов в рабочей зоне реактора, приведенной энергии, а также с обеспечением возможности минимизации энергозатрат на процесс аэробной ферментации и повышения степени использования кислорода и метана, увеличения производительности, создания промышленных эффективных установок объемом до 60 м³.The objective of the invention is to increase the kinetic energy of the gravity aerator jet at the entrance to the liquid phase layer in order to increase the mass transfer processes in the working zone of the reactor, the reduced energy, as well as to ensure the possibility of minimizing energy consumption for the aerobic fermentation process and increasing the degree of use of oxygen and methane, increasing productivity, creation of industrial efficient installations up to 60 m ³ .

Технической результат предлагаемого изобретения заключается в повышении кинетической энергии жидкой фазы при вхождении в жидкость рабочей зоны реактора при покидании гравитационного аэратора с целью повышения массообменных процессов в зоне рабочей среды при условии диспергирования труднорастворимых газов в водной среде и для снижения энергозатрат на ее перекачивание. The technical result of the invention is to increase the kinetic energy of the liquid phase when entering the liquid of the working zone of the reactor when leaving the gravitational aerator in order to increase mass transfer processes in the zone of the working environment, provided that sparingly soluble gases are dispersed in the aquatic environment and to reduce energy costs for its pumping.

Предложенное техническое решение решает задачу повышения эффективности процесса биосинтеза за счет создания физических условий увеличения площади контакта жидкой и газовой сред поступающих в рабочую среду труднорастворимых газов (кислорода и метана для метанокислящих микроорганизмов), повышения за счет этого скорости массопереноса газов из мелкодисперсных пузырьков в жидкую среду ферментации, и далее в клетки микроорганизмов, обеспечивая их интенсивный рост и повышение общей продуктивности процесса при получении целевого микробиологического продукта с снижением удельных энергозатрат на стадии ферментации.The proposed technical solution solves the problem of increasing the efficiency of the biosynthesis process by creating physical conditions for increasing the contact area of the liquid and gaseous media entering the working environment of sparingly soluble gases (oxygen and methane for methane-oxidizing microorganisms), thereby increasing the rate of mass transfer of gases from finely dispersed bubbles into the liquid fermentation medium , and further into the cells of microorganisms, ensuring their intensive growth and increasing the overall productivity of the process in obtaining the target microbiological product with a decrease in specific energy consumption at the fermentation stage.

Поставленная задача решается за счет того, что реактор для аэробного биосинтеза представляет собой осесимметричный замкнутый корпус с побудителем расхода жидкости, трубопроводом для рециркуляции жидкой фазы и переливную камеру аэратора с патрубками для подачи газов и технологических жидкостей, а также для отвода жидкой и газовой фазы теплообменником на внешнем контуре жидкой фазы. Обогащение рабочей среды смесью газов осуществляют аэраций с использованием гравитационных струйных аэраторов с эжекционным эффектом. Для повышения насосных характеристик и повышения кинетической энергии струи аэратора реактор оснащен двухэтапной системой дегазации жидкой фазы перед рабочей камерой побудителя расхода жидкости с целью увеличения массобменных процессов.The problem is solved due to the fact that the reactor for aerobic biosynthesis is an axisymmetric closed body with a liquid flow driver, a liquid phase recirculation pipeline and an aerator overflow chamber with nozzles for supplying gases and process liquids, as well as for removing the liquid and gas phases by a heat exchanger to external contour of the liquid phase. Enrichment of the working environment with a mixture of gases is carried out by aeration using gravity jet aerators with an ejection effect. To improve pumping characteristics and increase the kinetic energy of the aerator jet, the reactor is equipped with a two-stage system for degassing the liquid phase in front of the working chamber of the fluid flow driver in order to increase mass transfer processes.

ОписаниеDescription

Метанотрофные бактерии (метанотрофы) - это метаболически уникальная группа прокариотных микроорганизмов, способных использовать метан в качестве единственного источника углерода и энергии. Эти бактерии являются строгими аэробами и растут в диапазоне температур от 25 до 65°С (с оптимумом при 40-50°С) и диапазоне рН от 5.0 до 8.5 (с оптимумом при рН 5.7). Процесс биосинтеза осуществляется при температуре водной среды 41-43°С и pH 5.3-5.6.Methanotrophic bacteria (methanotrophs) are a metabolically unique group of prokaryotic microorganisms capable of using methane as their sole source of carbon and energy. These bacteria are strict aerobes and grow in the temperature range from 25 to 65°C (with an optimum at 40-50°C) and in the pH range from 5.0 to 8.5 (with an optimum at pH 5.7). The biosynthesis process is carried out at an aqueous medium temperature of 41-43°C and pH 5.3-5.6.

Реактор для аэробного биосинтеза микроорганизмов содержит корпус с технологическими патрубками в его боковой части для подачи газовых сред, растворов минеральных солей и титрующих агентов, струйный аэратор, расположенный вертикально в верхней части корпуса, систему рециркуляции жидкой фазы с дегазацией и термостатированием, систему рециркуляции газовой фазы с контролем и коррекцией ее состава, а также элементами контроля, управления и отбора проб. SUBSTANCE: reactor for aerobic biosynthesis of microorganisms contains a housing with process pipes in its side part for supplying gaseous media, solutions of mineral salts and titrating agents, a jet aerator located vertically in the upper part of the housing, a liquid phase recirculation system with degassing and temperature control, a gas phase recirculation system with control and correction of its composition, as well as elements of control, management and sampling.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:The invention is illustrated by drawings, in which:

На фиг. 1 – изображен реактор для аэробного биосинтеза.In FIG. 1 shows a reactor for aerobic biosynthesis.

На фиг. 2 – изображена переливная камера аэратора.In FIG. 2 - the overflow chamber of the aerator is shown.

На фиг. 3 – изображена камера дегазации.In FIG. 3 - a degassing chamber is shown.

Реактор для аэробного биосинтеза согласно прилагаемому чертежу (Рис. 1) состоит из: корпуса [2]; соосно установленного струйного аэратора [3]; переливной камеры [4]; контура рециркуляции жидкой фазы [5]; теплообменника [6]; побудителя расхода жидкости [7]; электропривода побудителя расхода жидкости [8]; дегазатора [9]; штуцера ввода засевной биомассы [10]; сдвоенного конусовидного отбойника [11]; спрямляющей решетки [12]; штуцера датчика температуры [13] и установленного в нем датчика температуры [14]; штуцера датчика растворенного кислорода [15] и установленного в нем датчика растворенного кислорода [16]; трубчатого отборника газовой фазы с внутреннего объема конусовидного отбойника [17]; штуцера подачи питательных сред [18]; штуцера подачи титрантов [19]; трубопровода контура рециркуляции газовой фазы [20]; штуцер датчиков состава газовой фазы [21] с установленным в нем датчиками: азота [22], метана [23], кислорода [24], углекислого газа [25]; штуцера отбора газовой фазы [26]; штуцера подачи газового субстрата (метана) [27]; штуцера подачи газового окислителя (кислород или воздушная смесь) [28]; трубопровод отбора газовой фазы от дегазатора [29]; штуцера аварийной подачи азота [30]; аварийного клапана [31]; разрывной мембраны [32]; штуцера датчика температуры контура рециркуляции жидкой фазы на выходе из теплообменника [33]; датчика температуры контура рециркуляции жидкой фазы на выходе из теплообменника [34]; штуцера отвода теплоносителя из теплообменника [35]; штуцера ввода теплоносителя в теплообменник [36]; штуцера отбора микробной суспензии [37]; стерилизуемого порта отбора образцов микробной суспензии [38]; тороидального края верхнего края аэратора [39]; штуцера ввода жидкой фазы в дегазатор [40]; штуцер вывода жидкой фазы из дегазатора [41]; ячеистого рассекателя потока [42].The reactor for aerobic biosynthesis according to the attached drawing (Fig. 1) consists of: body [2]; coaxially installed jet aerator [3]; overflow chamber [4]; liquid phase recirculation circuit [5]; heat exchanger [6]; fluid flow stimulator [7]; electric drive of fluid flow activator [8]; degasser [9]; fitting for input of seed biomass [10]; double cone-shaped chipper [11]; straightening grid [12]; temperature sensor fitting [13] and temperature sensor installed in it [14]; fitting of the dissolved oxygen sensor [15] and the dissolved oxygen sensor installed in it [16]; tubular sampler of the gas phase from the internal volume of the cone-shaped chipper [17]; fitting for supplying nutrient media [18]; titrants supply fitting [19]; pipeline of the gas phase recirculation circuit [20]; fitting of gas phase composition sensors [21] with sensors installed in it: nitrogen [22], methane [23], oxygen [24], carbon dioxide [25]; gas phase extraction fitting [26]; fitting for supplying the gas substrate (methane) [27]; fitting for supplying a gas oxidizer (oxygen or air mixture) [28]; gas phase extraction pipeline from the degasser [29]; emergency nitrogen supply fitting [30]; emergency valve [31]; bursting disc [32]; fitting of the temperature sensor of the liquid phase recirculation circuit at the outlet of the heat exchanger [33]; temperature sensor of the liquid phase recirculation circuit at the outlet of the heat exchanger [34]; fitting for the removal of the coolant from the heat exchanger [35]; fitting for the coolant inlet to the heat exchanger [36]; fitting for sampling microbial suspension [37]; sterilizable port for sampling microbial suspension [38]; the toroidal edge of the upper edge of the aerator [39]; fitting for introducing the liquid phase into the degasser [40]; fitting for removing the liquid phase from the degasser [41]; cellular flow divider [42].

Корпус [2] соединен: со струйным аэратором [3]; с переливной камерой [4] через входной/выходной трубопровод контура циркуляции газовой фазы [20]; с дегазатором [9] через выходной контур жидкой фазы [5]. Дегазатор [9], соединен с переливной камерой [4] через трубопровод отбора газовой фазы [29] и с побудителем расхода жидкости [7], который снабжен электроприводом [8] и сообщается с теплообменником [6]. Теплообменник [6] через входной контур рециркуляции жидкой фазы [5] сообщается с переливной камерой [4]. Входной контур рециркуляции жидкой фазы [5] содержит штуцер датчика температуры [33] контура рециркуляции жидкой фазы [5] на выходе из теплообменника [6]. В месте соединения теплообменника [6] с побудителем расхода жидкости [7] дополнительно расположен датчик температуры на входе контура рециркуляции жидкой фазы в теплообменник [6].The housing [2] is connected: with a jet aerator [3]; with an overflow chamber [4] through the inlet/outlet pipeline of the gas phase circulation circuit [20]; with a degasser [9] through the outlet circuit of the liquid phase [5]. The degasser [9] is connected to the overflow chamber [4] through the gas phase extraction pipeline [29] and to the liquid flow driver [7], which is equipped with an electric drive [8] and communicates with the heat exchanger [6]. The heat exchanger [6] communicates with the overflow chamber [4] through the inlet liquid phase recirculation circuit [5]. The inlet liquid phase recirculation circuit [5] contains a temperature sensor fitting [33] of the liquid phase recirculation circuit [5] at the outlet of the heat exchanger [6]. At the junction of the heat exchanger [6] with the fluid flow driver [7], there is an additional temperature sensor at the inlet of the liquid phase recirculation circuit to the heat exchanger [6].

Реактор для аэробного биосинтеза работает следующим образом.The reactor for aerobic biosynthesis works as follows.

1. Побудитель расхода жидкости [7] при воздействии привода [8] забирает из нижней части корпуса [2] жидкую фазу после спрямляющей решетки [12], отбойников [11], дегазатора [9] и нагнетает её через теплообменник [6], в котором происходит термостатирование до требуемой температуры, в переливную камеру [4] аэратора [3] (Рис. 2).1. The liquid flow exciter [7], when actuated by the drive [8], takes the liquid phase from the lower part of the housing [2] after the straightening grate [12], fenders [11], degasser [9] and pumps it through the heat exchanger [6], into which is thermostatted to the required temperature, into the overflow chamber [4] of the aerator [3] (Fig. 2).

2. При переливе жидкой фазы через тороидальный, строго горизонтально ориентированный край [39] верхней части аэратора [3], жидкая фаза под действием гравитации устремляется вниз по сужающемуся каналу. Благодаря эффекту эжекции обеспечивается циркуляция газовой фазы из верхней внутренней зоны корпуса в переливную камеру [4] аэратора [3] по трубопроводу рециркуляции газовой фазы [20], за счет формирования зоны разряжения в верхней части аэратора из-за падения жидкости c большой скоростью в сужающемся канале. Падающая на высокой скорости жидкая фаза, турбулизируясь и перемешиваяь с газовой фазой проходит первый этап насыщения газами. 2. When the liquid phase overflows through the toroidal, strictly horizontally oriented edge [39] of the upper part of the aerator [3], the liquid phase rushes down the narrowing channel under the action of gravity. Due to the ejection effect, the gas phase is circulated from the upper inner zone of the housing to the overflow chamber [4] of the aerator [3] through the gas phase recirculation pipeline [20], due to the formation of a rarefaction zone in the upper part of the aerator due to the high velocity liquid drop in the converging channel. The liquid phase falling at high speed, being turbulent and mixing with the gas phase, passes the first stage of saturation with gases.

3. Смесь жидкой и газовой фазы на выходе из аэратора [3] с большой скоростью входит в слой жидкой фазы внутри корпуса реактора создает нисходящую сильно турбулизированную среду состающую из жидкости и мелко дисперсионных пузырьков с целью увеличения площади соприкосновения газовой и жидкой фазы для улучшения массобменных процессов. Таким образом, проходит второй этап насыщения газами. Следует учесть, что диаметр рабочей зоны корпуса [2] не должен быть больше 1/4 ее высоты при этом длина аэратора [3] не менее 3-х диаметров рабочей зоны. 3. A mixture of liquid and gas phases at the outlet of the aerator [3] enters the liquid phase layer inside the reactor vessel at high speed, creates a descending highly turbulent medium consisting of liquid and finely dispersed bubbles in order to increase the contact area of the gas and liquid phases to improve mass transfer processes . Thus, the second stage of saturation with gases takes place. It should be noted that the diameter of the working area of the body [2] should not exceed 1/4 of its height, while the length of the aerator [3] is at least 3 times the diameter of the working area.

4. В нижней части рабочей зоны реактора турбулентный поток частично корректируется спрямляющей решеткой [12] и, отражаясь от сдвоенного отбойника [11], направляется к боковым стенкам, затем потоки рабочей среды малой плотности перемещаются вверх, постепенно дегазируясь, а потоки большей плотности за счет создания зоны разряжения побудителем расхода жидкой фазы [7], направляются к контуру рециркуляции жидкой фазы [5] в нижней части корпуса [2] в пространство между отбойником [11] и внутренними стенками корпуса. Газовая фаза, формирующаяся под сдвоенным отбойником, отводится по трубопроводу в зону газовой фазы в внутренней верхней части корпуса. 4. In the lower part of the working zone of the reactor, the turbulent flow is partially corrected by the straightening grid [12] and, reflected from the double fender [11], is directed to the side walls, then the flows of the low-density working medium move upward, gradually degassing, and the flows of higher density due to creating a rarefaction zone by a liquid phase flow driver [7] are sent to the liquid phase recirculation circuit [5] in the lower part of the housing [2] in the space between the bump stop [11] and the inner walls of the housing. The gas phase formed under the double baffle is discharged through a pipeline to the gas phase zone in the inner upper part of the housing.

5. Дегазацию жидкой фазы на первом этапе дегазации производят за счет создания зоны разряжения в нижней части корпуса [2] и расслоения потоков большой и малой плотности рабочей среды. Второй этап дегазации осуществляют в дегазаторе [9] (Рис. 3) с ячеистым рассекателем потока, установленного перед рабочей камерой побудителя расхода жидкой фазы [7]. Газ насыщенность непрерывного потока жидкой фазы перед входом в камеру побудителя расхода жидкости [7] таким образом снижают до уровня 2-3%. Длину дегазатора [9] определяют по формуле L/V>h/u, где h-высота потока микробной суспензии внутри дегазатора, u – скорость всплытия пузырьков (~0.2-0.3 м/с). Проводя работы по дегазации жидкой фазы подаваемой в гравитационный аэратор увеличивают кинетическую энергию потока после покидания им аэратора [3] при его входе в слой жидкости рабочей зоны за счет большей удельной массы и как следствие - формирование большего количества мелкодисперсионных пузырей в рабочей зоне, а также получают более эффективное проявление эжекционного эффекта в аэраторе [3] за счет скорости прохождения жидкости в аэраторе (сопле эжектора), что в совокупности приведет к увеличению массообменных характеристик аппарата на 8-10% без значительного увеличения затрат на работу побудителя расхода жидкости [7].5. Degassing of the liquid phase at the first stage of degassing is carried out by creating a rarefaction zone in the lower part of the body [2] and stratifying flows of high and low density of the working medium. The second stage of degassing is carried out in a degasser [9] (Fig. 3) with a cellular flow divider installed in front of the working chamber of the liquid phase flow driver [7]. The gas saturation of the continuous flow of the liquid phase before entering the chamber of the liquid flow driver [7] is thus reduced to a level of 2-3%. The length of the degasser [9] is determined by the formula L/V>h/u, where h is the height of the microbial suspension flow inside the degasser, u is the speed of bubbles rising (~0.2-0.3 m/s). Carrying out work on the degassing of the liquid phase supplied to the gravitational aerator, increase the kinetic energy of the flow after leaving the aerator [3] when it enters the liquid layer of the working area due to the greater specific gravity and, as a result, the formation of a larger number of fine bubbles in the working area, and also get more effective manifestation of the ejection effect in the aerator [3] due to the speed of the passage of fluid in the aerator (ejector nozzle), which together will lead to an increase in the mass transfer characteristics of the apparatus by 8–10% without a significant increase in the cost of operating the fluid flow driver [7].

6. При непрерывном режиме ферментации в реактор вносят водные растворы минерального питания, титрующие растворы, газовый углеродосодержащий субстрат и окислитель. Поток наработанной микробной суспензии постоянно выводят из аппарата.6. In a continuous mode of fermentation, aqueous solutions of mineral nutrition, titrating solutions, a gaseous carbon-containing substrate and an oxidizing agent are introduced into the reactor. The flow of accumulated microbial suspension is constantly withdrawn from the apparatus.

7. В очищенный чистый простерилизованный реактор подают воду в количестве от 70 до 80% номинального объема.7. Water is supplied to the cleaned clean sterilized reactor in an amount of from 70 to 80% of the nominal volume.

8. Вводят водный раствор ортофосфорной кислоты до достижения требуемой концентрации фосфора. 8. An aqueous solution of orthophosphoric acid is introduced until the required concentration of phosphorus is reached.

9. Доводят концентрацию азота подачей водного раствора аммиачной воды.9. Adjust the nitrogen concentration by supplying an aqueous solution of ammonia water.

10. Производят запуск циркуляционного насоса жидкой фазы [7]. 10. Start the circulation pump of the liquid phase [7].

11. Термостатирование жидкой фазы производят непрерывно в автоматическом режиме в теплообменнике [6], установленном в контуре циркуляции жидкой фазы [5]. Добиваются стабильной температуры жидкой фазы в диапазоне 42-44°С управляя температурой теплоносителя. Контроль температуры жидкой фазы определяют по показаниям датчиков температуры [15], установленных в рабочей зоне реактора. 11. Temperature control of the liquid phase is carried out continuously in automatic mode in a heat exchanger [6] installed in the liquid phase circulation circuit [5]. Achieve a stable temperature of the liquid phase in the range of 42-44°C by controlling the temperature of the coolant. The temperature control of the liquid phase is determined by the readings of temperature sensors [15] installed in the working zone of the reactor.

12. Одновременно реактор продувают инертным газом (допускается применение азота) для снижения концентрации кислорода до не более 5% объема. Контроль концентрации кислорода контролируют в отходящей из реактора газовой смеси.12. At the same time, the reactor is purged with an inert gas (nitrogen is allowed) to reduce the oxygen concentration to no more than 5% by volume. The control of the oxygen concentration is controlled in the gas mixture leaving the reactor.

13. Контроль концентрации растворенного кислорода в жидкой фазе осуществляют погружными в рабочую среду датчиками растворенного кислорода [14] в верхней части корпуса реактора.13. Control of the concentration of dissolved oxygen in the liquid phase is carried out by sensors of dissolved oxygen immersed in the working medium [14] in the upper part of the reactor vessel.

14. Водные растворы минерального питания подаются внутрь рабочей камеры до достижения требуемых концентраций в соответствии с требованиями культивирования через штуцер [17].14. Aqueous solutions of mineral nutrition are fed into the working chamber until the required concentrations are reached in accordance with the requirements of cultivation through a fitting [17].

15. Вводят титрующие растворы для получения значения кислотности среды (рН = 5.7). При избытке азота титрование осуществляют раствором гидроксида натрия.15. Introduce titrating solutions to obtain the value of the acidity of the medium (pH = 5.7). With an excess of nitrogen, titration is carried out with a solution of sodium hydroxide.

16. Двуокись углерода, образующаяся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов в жидкой среде переходя в газовую фазу накапливается с содержанием до 50 об.% и являясь флегматизатором или балластирующим газом, предотвращающим образование взрывоопасных газовых смесей в системе культивирования, влияет на режимы газообеспечения системы культивирования, которые должны выдерживаться, исходя из условий, исключающих образование взрывоопасных смесей.16. Carbon dioxide formed during the life of microorganisms in a liquid medium, passing into the gas phase, accumulates with a content of up to 50 vol.% and being a phlegmatizer or ballasting gas that prevents the formation of explosive gas mixtures in the cultivation system, affects the modes of gas supply of the cultivation system, which should be maintained under conditions precluding the formation of explosive mixtures.

17. Одновременно контролируют состав газовой фазы, осуществляют в автоматическом режиме на основании данных получаемых от датчиков концентрации кислорода [22], метана [23], углекислого газа [24] и азота [25] в газовой фазе. Контроль давления и состава газа осуществляют непрерывно. 17. At the same time, the composition of the gas phase is controlled, carried out automatically on the basis of data obtained from sensors for the concentration of oxygen [22], methane [23], carbon dioxide [24] and nitrogen [25] in the gas phase. Control of pressure and gas composition is carried out continuously.

18. В целях обеспечения безопасности при пуске реактора сначала подают природный газ и устанавливают его расход в соответствии с режимом газообеспечения.18. In order to ensure safety, when starting the reactor, natural gas is first supplied and its flow rate is set in accordance with the gas supply regime.

19. Расход воздуха устанавливают из расчета достижения концентрации растворенного кислорода в жидкой фазе 15 - 30% от насыщения при атмосферном давлении. Концентрация кислорода в отходящих газах должна быть от 7 до 9 %. При концентрации кислорода в отходящих газах более 10% принимают меры по обеспечению рабочей концентрации кислорода (от 7 до 9%) путем увеличения подачи природного газа или снижения подачи воздуха, или путем подачи в реактор азота (инертного газа). Содержание кислорода в газовой фазе реактора постоянно контролируют по датчику кислорода [21]. 19. The air flow rate is set on the basis of achieving a concentration of dissolved oxygen in the liquid phase of 15 - 30% of saturation at atmospheric pressure. The oxygen concentration in the exhaust gases should be between 7 and 9%. When the oxygen concentration in the exhaust gases is more than 10%, measures are taken to ensure the working oxygen concentration (from 7 to 9%) by increasing the natural gas supply or reducing the air supply, or by supplying nitrogen (inert gas) to the reactor. The oxygen content in the gas phase of the reactor is constantly monitored by an oxygen sensor [21].

20. При достижении стабильных требуемых параметров среды внутрь реактора подают засевную биомассу из расчета создания требуемой концентрации, после чего доводят уровень жидкой фазы до 100% рабочего объема. 20. When stable required parameters of the medium are reached, seed biomass is fed into the reactor at the rate of creating the required concentration, after which the level of the liquid phase is brought to 100% of the working volume.

21. Обеспеченность кислородом микробной культуры, синтезируемой в реакторе, определяют по остаточной рабочей концентрации растворенного кислорода, которая регулируется путем увеличения парциального давления в системе культивирования, повышением рабочего давления в реакторе или за счет увеличения расхода воздуха. Увеличение расхода воздуха осуществляют в соответствии с концентрацией растворенного кислорода в жидкой фазе в рабочей зоне и в газовой фазе реактора. Концентрацию кислорода в газовой фазе и концентрацию растворенного кислорода жидкой фазе внутри рабочей зоны реактора осуществляют постоянно.21. The oxygen supply of the microbial culture synthesized in the reactor is determined by the residual working concentration of dissolved oxygen, which is controlled by increasing the partial pressure in the cultivation system, increasing the working pressure in the reactor, or by increasing the air flow. The increase in air flow is carried out in accordance with the concentration of dissolved oxygen in the liquid phase in the working area and in the gas phase of the reactor. The concentration of oxygen in the gas phase and the concentration of dissolved oxygen in the liquid phase inside the working zone of the reactor is carried out continuously.

22. Расход природного газа регулируют исходя из необходимости обеспечения подачи 1.4 кг метана (или 2.7 нм³ природного газа с содержанием метана не менее 97 об.%) на 1 кг образующегося абсолютно сухого вещества (АСВ). При выходе на режим непрерывного культивирования и в режиме накопления концентрация метана в отработанной газовой смеси после реактора может быть до 80%. При этом обеспечивают состав газовой смеси газовой фазы добавляя метан и воздух в необходимых пропорциях при необходимом давлении.22. The consumption of natural gas is regulated based on the need to ensure the supply of 1.4 kg of methane (or 2.7 nm ^{3 of} natural gas with a methane content of at least 97 vol.%) per 1 kg of absolutely dry matter (ASD) formed. When entering the continuous cultivation mode and in the accumulation mode, the concentration of methane in the exhaust gas mixture after the reactor can be up to 80%. At the same time, the composition of the gas mixture of the gas phase is provided by adding methane and air in the required proportions at the required pressure.

23. Одновременно питательную среду подают непрерывно по потребности микроорганизмов в источниках минерального питания из расчета обеспечения остаточных концентраций по азоту и фосфору в заданных пределах и не допускают его значительного изменения в меньшую сторону. Композиция элементов в растворах и их концентрации в процессе работы корректируют для обеспечения оптимального солевого питания.23. At the same time, the nutrient medium is continuously supplied according to the needs of microorganisms in sources of mineral nutrition based on ensuring that the residual concentrations of nitrogen and phosphorus are within the specified limits and do not allow its significant change to the lower side. The composition of elements in solutions and their concentrations during operation are adjusted to ensure optimal salt nutrition.

24. В процессе непрерывного культивирования осуществляют непрерывную подачу солевого раствора из расчета поддержания в среде культивирования остаточных концентраций азота и фосфора.24. In the process of continuous cultivation, a continuous supply of saline is carried out at the rate of maintaining residual concentrations of nitrogen and phosphorus in the cultivation medium.

25. Изменение рабочего давления среды биосинтеза осуществляют регуляторами расхода газа на вводных трубопроводах в реактор. Контроль и регулирование состава газовой смеси в условиях изменения давления производят непрерывно. Для ограничения давления в реакторе установлен предохранительный клапан [31], который отрегулирован на начало открытия 0.345 МПа, что соответствует превышению давления в сосуде на 15% от максимального рабочего давления. На случай несрабатывания предохранительного клапана на аппарате установлено несколько предохранительных разрывных мембран [32], расчет количества предохранительных мембран и толщины мембранных пластин выполняется специализированной организацией, разрывающихся под давлением 0,375 МПа, что соответствует превышению давления в сосуде на 25% от максимального рабочего давления, равному 0.3 МПа.25. Changing the working pressure of the biosynthesis medium is carried out by gas flow regulators on the inlet pipelines to the reactor. The control and regulation of the composition of the gas mixture under conditions of pressure changes is carried out continuously. To limit the pressure in the reactor, a safety valve [31] is installed, which is adjusted to the opening start of 0.345 MPa, which corresponds to an excess of pressure in the vessel by 15% of the maximum working pressure. In case of failure of the safety valve, several safety bursting discs are installed on the apparatus [32], the calculation of the number of safety discs and the thickness of the membrane plates is carried out by a specialized organization, bursting under a pressure of 0.375 MPa, which corresponds to an excess of pressure in the vessel by 25% of the maximum working pressure, equal to 0.3 MPa.

26. Из реактора непрерывно отбирают определенное количество бактериальной суспензии при непрерывной подаче всех компонентов питательной среды, природного газа и воздуха. Одновременно в реакторе автоматически поддерживают постоянный уровень жидкости путем регулирования подачи воды, не допуская резких изменений с целью поддержания постоянной и стабильной скорости синтеза. Скорость протока регулируют подачей воды и питательных растворов. В зависимости от скорости протока корректируют поток питательной среды (фосфор с макро- и микроэлементами) с целью поддержания оптимальных остаточных концентраций солей.26. A certain amount of bacterial suspension is continuously taken from the reactor with a continuous supply of all components of the nutrient medium, natural gas and air. At the same time, a constant liquid level is automatically maintained in the reactor by regulating the water supply, avoiding sudden changes in order to maintain a constant and stable synthesis rate. The flow rate is controlled by the supply of water and nutrient solutions. Depending on the flow rate, the flow of the nutrient medium (phosphorus with macro- and microelements) is adjusted in order to maintain optimal residual salt concentrations.

27. При отборе микробной суспензии из реактора производят ее отстаивание для дегазации растворенных в ней газов.27. When taking a microbial suspension from the reactor, it is settled to degas the gases dissolved in it.

Исходя из всего вышеизложенного, предлагаемый реактор для аэробного биосинтеза и способ получения микробной биомассы метанокисляющих микроорганизмов в этом реакторе является промышленно применимым.Based on the foregoing, the proposed reactor for aerobic biosynthesis and the method for obtaining microbial biomass of methane-oxidizing microorganisms in this reactor is industrially applicable.

Перечень позиций:List of positions:

1. Реактор для аэробного биосинтеза 1. Reactor for aerobic biosynthesis

2. корпус; 2. body;

3. струйный аэратор; 3. jet aerator;

4. переливная камера; 4. overflow chamber;

5. трубопровод контура рециркуляции жидкой фазы; 5. pipeline of the liquid phase recirculation circuit;

6. теплообменник; 6. heat exchanger;

7. побудитель расхода жидкости; 7. fluid flow stimulator;

8. электропривод побудителя расхода жидкости; 8. electric drive for fluid flow stimulator;

9. дегазатор; 9. degasser;

10. штуцер ввода засевной биомассы;10. fitting for input of seed biomass;

11. сдвоенный конусовидный отбойник; 11. double cone-shaped chipper;

12. спрямляющая решетка; 12. straightening grid;

13. штуцер датчика температуры; 13. temperature sensor fitting;

14. погружной датчик температуры; 14. submersible temperature sensor;

15. штуцер датчика растворенного кислорода; 15. Dissolved oxygen sensor fitting;

16. датчик растворенного кислорода; 16. Dissolved oxygen sensor;

17. трубчатый отборник газовой фазы с внутреннего объема конусовидного отбойника; 17. tubular sampler of the gas phase from the internal volume of the cone-shaped chipper;

18. штуцер подачи питательных сред; 18. fitting for supplying nutrient media;

19. штуцер подачи титрантов; 19. titrants supply fitting;

20. трубопровод контура рециркуляции газовой фазы; 20. pipeline of the gas phase recirculation circuit;

21. штуцер датчиков состава газовой фазы; 21. fitting of gas phase composition sensors;

22. датчик азота;22. nitrogen sensor;

23. датчик метана;23. methane sensor;

24. датчик кислорода;24. oxygen sensor;

25. датчик углекислого газа;25. carbon dioxide sensor;

26. штуцер отвода газовой фазы (абгаз);26. fitting for the removal of the gas phase (exhaust gas);

27. штуцер подачи газового субстрата (метана); 27. fitting for supplying gas substrate (methane);

28. штуцер подачи газового окислителя (кислород или воздушная смесь); 28. fitting for supplying a gas oxidizer (oxygen or air mixture);

29. трубопровод отбора газовой фазы от дегазатора; 29. gas phase extraction pipeline from the degasser;

30. штуцер аварийной подачи азота; 30. emergency nitrogen supply fitting;

31. предохранительный клапан; 31. safety valve;

32. предохранительная разрывная мембрана;32. safety bursting disc;

33. штуцер датчика температуры контура рециркуляции жидкой фазы на выходе из теплообменника; 33. fitting of the temperature sensor of the liquid phase recirculation circuit at the outlet of the heat exchanger;

34. датчик температуры контура рециркуляции жидкой фазы на выходе из теплообменника; 34. temperature sensor of the liquid phase recirculation circuit at the outlet of the heat exchanger;

35. штуцер отвода теплоносителя из теплообменника; 35. fitting for the removal of the coolant from the heat exchanger;

36. штуцер ввода теплоносителя в теплообменник; 36. fitting for inlet of coolant into the heat exchanger;

37. штуцер отбора микробной суспензии;37. fitting for the selection of microbial suspension;

38. стерилизуемый порт отбора образцов микробной суспензии;38. sterilizable microbial suspension sampling port;

39. тороидальный край верхнего края аэратора;39. toroidal edge of the upper edge of the aerator;

40. штуцер ввода жидкой фазы в дегазатор;40. fitting for introducing the liquid phase into the degasser;

41. штуцер вывода жидкой фазы из дегазатора;41. fitting for the output of the liquid phase from the degasser;

42. ячеистый рассекатель потока.42. honeycomb flow divider.

Claims

1. The reactor for aerobic biosynthesis consists of: body; coaxially installed jet aerator; overflow chamber; heat exchanger; a liquid flow stimulator and a degasser, while the body is connected: with a jet aerator; with an overflow chamber through the inlet/outlet pipeline of the gas phase circulation circuit; with the degasser through the liquid phase recirculation circuit, and the degasser, in turn, is connected to the overflow chamber through the gas phase selection pipeline and to the fluid flow booster, which is equipped with an electric drive and communicates with the heat exchanger, while the heat exchanger communicates with the overflow through the inlet liquid phase recirculation circuit. chamber, while the housing contains: a fitting for the selection of the liquid phase; double cone-shaped chipper; straightening grid; temperature sensor fitting; dissolved oxygen sensor fitting; tubular removal of the gas phase from the internal volume of the cone-shaped chipper; union for supplying nutrient media; titrants supply fitting; nitrogen supply fitting and gas phase extraction fitting; temperature sensor; dissolved oxygen sensor; while the outlet pipeline of the gas phase recirculation circuit contains: a fitting of the sensor of the composition of the gas phase; a gas substrate supply connection and a gas oxidizer supply connection; pressure relief valve; bursting safety discs; a gas phase composition sensor, and the inlet liquid phase recirculation circuit comprises a fitting for a temperature sensor of the liquid phase recirculation circuit at the outlet of the heat exchanger; temperature sensor, and the heat exchanger itself contains a fitting for removing the coolant from the heat exchanger and a fitting for introducing the coolant into the heat exchanger, while at the junction of the heat exchanger with the fluid flow driver, a temperature sensor is additionally located at the inlet of the liquid phase recirculation circuit to the heat exchanger, while the diameter of the working area of the housing should not be more than 1/4 of its height, and the length of the aerator is at least 3 diameters of the working area.

2. A method for obtaining microbial biomass of methane-oxidizing microorganisms in the reactor for aerobic biosynthesis according to claim 1, which consists in the following: water is supplied to a clean, sterilized reactor in an amount of from 70 to 80% of the nominal volume, after which a solution of phosphoric acid is supplied until the required concentration of phosphorus, then the nitrogen concentration is adjusted to the required value with ammonia water, after which the liquid flow stimulator is started to circulate the liquid phase, after that, by controlling the temperature of the coolant, a stable temperature of the liquid phase is achieved in the range of 42-44 ° C, then, according to the readings of the temperature sensors , control the temperature of the liquid phase, the temperature control of the liquid phase is carried out continuously in automatic mode in the heat exchanger, after which the reactor is purged with an inert gas to reduce the oxygen concentration to no more than 5% of the volume, while the oxygen concentration is controlled in the gas mixture leaving the reactor, at the same time m of the liquid flow stimulator take the liquid phase from the degasser and supply it through the heat exchanger to the overflow chamber of the aerator, while applying the ejection effect, the gas phase is fed into the aerator from the upper part of the working area, then the liquid phase is directed through the aerator into the liquid layer in the working area, thereby saturating it with gases, at the same time monitoring the concentration of dissolved oxygen in the liquid phase by sensors of dissolved oxygen immersed in the working medium, at the same time, aqueous solutions of mineral nutrition are fed into the working chamber until the required concentrations are reached, while introducing titration solutions, achieve the required the acidity parameter of the medium pH = 5.7, then, with an excess of nitrogen, titration is carried out with a solution of sodium hydroxide, while ensuring the composition of the gas mixture of the gas phase by adding methane and air in the required proportions at the required pressure, provided that the required parameters of the medium are reached, seed biomass is fed into the housing y based on the creation of the required concentration, after which the level of the liquid phase is brought to 100% of the working volume, while providing oxygen to the microbial culture synthesized in the reactor, which is determined by the residual working concentration of dissolved oxygen, which is regulated by increasing the partial pressure in the cultivation system, increasing operating pressure in the reactor or increase the air flow, while the supply of nutrient medium is carried out continuously according to the needs of microorganisms in sources of mineral nutrition based on residual concentrations, which are determined by the amount of nitrogen and phosphorus, if necessary, adjust their concentration in solutions, the change in operating pressure is carried out by flow regulators gas in the inlet pipelines to the reactor, and control the composition of the gas mixture under conditions of pressure changes, control and regulation of the gas mixture is carried out continuously, simultaneously adjusting the flow rate of water and nutrient solutions, at the same time, a certain amount of bacterial suspension is continuously taken from the reactor with a continuous supply of all components of the nutrient medium, natural gas and air, while taking the microbial suspension from the reactor, its settling is provided for degassing of dissolved gases.