RU2815237C1

RU2815237C1 - Bioreactor for growing methane-oxidising microorganisms

Info

Publication number: RU2815237C1
Application number: RU2023104611A
Authority: RU
Inventors: Денис Анатольевич Неретин; Александр Владимирович Теребнев; Николай Сергеевич Хохлачев; Ольга Петровна Червякова; Виктория Александровна Семенова; Даниил Игоревич Сакаян; Алексей Юрьевич Небогатов
Original assignee: Публичное акционерное общество "Газпром"
Filing date: 2023-02-28
Publication date: 2024-03-12

Abstract

FIELD: microbiological industry.

SUBSTANCE: invention relates to apparatus for growing methane-oxidising microorganisms. Bioreactor is equipped with a nozzle for removal of exhaust gases, nozzles for supply of mineral medium, inoculum, titrants, antifoaming agent, a nozzle for sampling the culture fluid, equipped with a proportional valve. Bioreactor comprises a cylindrical housing enclosed in a thermal jacket, equipped with a removable cover, in the axial hole of which there is a double end seal, in which in the inner cavity of the housing along its central axis there is an electric drive shaft with fixed on it from 3 to 6 impellers with diameter of 0.6 of internal diameter of the housing. Each of the impellers consists of blades, each of which is made in the form of half a pipe cut along its axis, rigidly fixed on the mounting bushing at angle of 30 degrees to its axis. Aerator installed in lower part of housing, said aerator consists of tubular metal membranes with pore distribution peak of 0.1–1 mcm rigidly secured at methane-air mix feed pipeline connected to housing inner space.

EFFECT: invention provides higher efficiency of the bioreactor, as well as the possibility of implementing the technology of culturing microorganisms on an industrial scale due to the design of tubular membranes and impellers.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к микробиологической промышленности, в частности к биореакторам (аппаратам) для выращивания микроорганизмов.The invention relates to the microbiological industry, in particular to bioreactors (apparatuses) for growing microorganisms.

Известен биореактор с мембранным устройством подвода газового питания (патент РФ №2534886, С12М 1/04, опубл. 10.12.2014), содержащий цилиндрический корпус, съемную крышку, днище, газораспределительное устройство. Газораспределительное устройство имеет расположенную вдоль центральной оси корпуса несущую трубу подвода газа, а между несущей трубой подвода газа и корпусом вдоль радиальных линий - равномерно установленные вертикальные гребенчатые планки с пазами в одинаковом количестве. В пазах гребенчатых планок размещены газопроницаемые трубчатые мембраны с образованием винтообразных намоток с шагом, равным расстоянию между пазами гребенчатых планок. Изобретение позволяет повысить производительность биореактора в 1,5 раза при одновременном упрощении конструкции.A bioreactor with a membrane device for supplying gas supply is known (RF patent No. 2534886, S12M 1/04, published on December 10, 2014), containing a cylindrical body, a removable lid, a bottom, and a gas distribution device. The gas distribution device has a supporting gas supply pipe located along the central axis of the housing, and between the supporting gas supply pipe and the housing along radial lines there are evenly installed vertical comb strips with grooves in the same number. Gas-permeable tubular membranes are placed in the grooves of the comb strips to form helical windings with a pitch equal to the distance between the grooves of the comb strips. The invention makes it possible to increase the productivity of the bioreactor by 1.5 times while simplifying the design.

Однако известное устройство имеет низкие массообменные характеристики, так как отсутствует даже классический вариант мешалки. Все перемешивание осуществляется за счет мелкопузырчатой аэрации и данный биореактор относится к аппаратам барботажного типа. Кроме того, газораспределительное устройство выполнено в виде перфорированной винтовой поверхности, в отверстия которого пропущены трубчатые мембраны. Такое техническое решение достаточно металлоемко, сложно в изготовлении и занимает рабочее пространство аппарата.However, the known device has low mass transfer characteristics, since even the classic version of the stirrer is missing. All mixing is carried out due to fine-bubble aeration and this bioreactor is a bubbling-type device. In addition, the gas distribution device is made in the form of a perforated screw surface, into the holes of which tubular membranes are passed. This technical solution is quite metal-intensive, difficult to manufacture and takes up the working space of the device.

Известен аэратор и ферментер с аэрирующим и перемешивающим устройством (патент РФ №2081578, С12М 1/04, опубл. 10.12.2014), содержащий заглубленный в жидкостную среду насос с выходным эжектором, вход которого сообщен с воздушной средой, насос установленный в стакане, размещенном перпендикулярно поверхности жидкостной среды, а выход эжектора расположен наклонно к вертикали. Стакан снабжен направляющими и газораспределительными средствами. Аэрирующее и перемешивающее устройство представляет собой размещенный в жидкостной фазе ферментера насос с эжектором, вход которого сообщен с воздушной средой. Вход эжектора сообщен с газовой средой ферментера. Выход эжектора размещен наклонно к вертикали. Насос размещен в стакане и установлен во внешнем контуре циркуляции жидкостной среды. Эжектор снабжен заборником воздушной среды с перфорированным раструбом.An aerator and a fermenter with an aerating and mixing device are known (RF patent No. 2081578, S12M 1/04, publ. 12/10/2014), containing a pump buried in a liquid medium with an output ejector, the inlet of which is connected to the air, the pump installed in a glass placed perpendicular to the surface of the liquid medium, and the ejector outlet is located obliquely to the vertical. The glass is equipped with guides and gas distribution means. The aerating and mixing device is a pump located in the liquid phase of the fermenter with an ejector, the inlet of which is connected to the air environment. The ejector inlet is connected to the gas environment of the fermenter. The ejector outlet is located obliquely to the vertical. The pump is placed in a glass and installed in the external circulation loop of the liquid medium. The ejector is equipped with an air intake with a perforated socket.

Основным недостатком данного устройства является наличие насоса, способствующее усложнению конструкции, которую сложно и дорого обслуживать, также требуется высококачественное изготовление уплотнений насоса, в противном случае может произойти короткое замыкание. Кроме того, конструкция аэратора занимает большой объем непосредственно рабочей зоны ферментера.The main disadvantage of this device is the presence of a pump, which contributes to the complexity of the design, which is difficult and expensive to maintain; it also requires high-quality manufacturing of the pump seals, otherwise a short circuit may occur. In addition, the aerator design occupies a large volume of the immediate working area of the fermenter.

Известен аэратор к ферментеру (а.с. №1558976, С12М 1/04, опубл. 23.04.1990), включающий размещенный в его корпусе центральный подводящий трубопровод и коллектор с газораспределительными трубками, имеющими отверстия для истечения воздуха, расположенные на боковых поверхностях. С целью повышения массообменных характеристик за счет обеспечения круговой циркуляции жидкости путем воздействия на нее направленных воздушных струй он снабжен дополнительными коллекторами, имеющими отверстия, расположенные аналогично отверстиям газораспределительных трубок. Каждый дополнительный коллектор несет, по меньшей мере, одну газораспределительную трубку, установленную радиально в корпусе ферментера. Отверстия в коллекторах и газораспределительных трубках расположены с пропорционально уменьшающимся между ними шагом от центра корпуса ферментера к его периферии.An aerator for a fermenter is known (AS No. 1558976, S12M 1/04, publ. 04/23/1990), which includes a central supply pipeline located in its body and a manifold with gas distribution tubes having holes for air outflow located on the side surfaces. In order to increase mass transfer characteristics by ensuring circular circulation of the liquid by exposing it to directed air jets, it is equipped with additional collectors having holes located similar to the holes of the gas distribution tubes. Each additional manifold carries at least one gas distribution tube mounted radially in the fermenter body. The holes in the collectors and gas distribution tubes are located with a proportionally decreasing pitch between them from the center of the fermenter body to its periphery.

Недостатком указанного устройства является невысокая степень диспергирования пузырьков воздуха из-за недостаточной перфорации конструкции изделия, что является негативным фактором при интенсификации массообменных характеристик и, как следствие, обусловливает низкую насыщенность растворенным кислородом культуральной жидкости. Следует также отметить равномерное распределение отверстий на трубках, что приводит к слипанию пузырьков и, как следствие, уменьшению площади для переноса кислорода из воздушной фазы в жидкую. Кроме того, в данном аппарате отсутствует перемешивающее устройство, что заведомо не позволяет достичь нормальных показателей массообменных характеристик и повысить коэффициент массопередачи более 800 ч^-1.The disadvantage of this device is the low degree of dispersion of air bubbles due to insufficient perforation of the product structure, which is a negative factor in the intensification of mass transfer characteristics and, as a consequence, causes low saturation of dissolved oxygen in the culture fluid. It should also be noted that the holes on the tubes are uniformly distributed, which leads to bubbles sticking together and, as a consequence, a decrease in the area for the transfer of oxygen from the air phase to the liquid phase. In addition, this apparatus does not have a mixing device, which obviously does not allow achieving normal mass transfer characteristics and increasing the mass transfer coefficient to more than 800 h ^-1 .

Наиболее близким к предлагаемому устройству (прототипом) является аэратор (патент RU №2299180, C02F 3/16, опубл. 20.05.2007), состоящий из привода с валом, механизма рассеивания, в корпусе которого установлены кольцо, снабженное сквозными отверстиями и импеллер, узлы подачи воды и воздуха. Импеллер выполнен в виде закрепленных на основании туннельных направляющих с лопатками на их концах, посредством которых атмосферный воздух контактирует с водой. Реализация известного решения обеспечивает упрощение конструкции аэратора, повышение интенсивности аэрирования рабочей среды.The closest to the proposed device (prototype) is an aerator (patent RU No. 2299180, C02F 3/16, published on May 20, 2007), consisting of a drive with a shaft, a dispersion mechanism, in the body of which a ring equipped with through holes and an impeller, assemblies are installed supply of water and air. The impeller is made in the form of tunnel guides fixed on the base with blades at their ends, through which atmospheric air comes into contact with water. The implementation of the known solution simplifies the design of the aerator and increases the intensity of aeration of the working environment.

Недостатком данного аэратора является наличие всего одного импеллера, находящегося в нижней части аппарата, который представляет из себя лопастной импеллер диаметром 0,4 от диаметра аппарата. Пузырьки выходящего воздуха будут достаточно велики, так как они будут соответствовать размерам специальных окон, что отрицательно сказывается на насыщении растворенным кислородом жидкости и не позволяет повысить коэффициент массопередачи более 900 ч^-1.The disadvantage of this aerator is the presence of only one impeller, located in the lower part of the device, which is a bladed impeller with a diameter of 0.4 of the diameter of the device. The escaping air bubbles will be quite large, since they will correspond to the dimensions of special windows, which negatively affects the saturation of the liquid with dissolved oxygen and does not allow increasing the mass transfer coefficient to more than 900 h ^-1 .

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка эффективного устройства с высокими массобменными характеристиками.The problem to be solved by the present invention is the development of an effective device with high mass transfer characteristics.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение производительности биореактора, а также возможность реализации технологии культивирования микроорганизмов в промышленных масштабах за счет конструктивного исполнения трубчатых мембран и импеллеров, количество которых может варьироваться в зависимости от рабочего объема биореактора.The technical result to be achieved by the present invention is to increase the productivity of the bioreactor, as well as the possibility of implementing the technology for cultivating microorganisms on an industrial scale due to the design of tubular membranes and impellers, the number of which can vary depending on the working volume of the bioreactor.

Указанный технический результат достигается за счет того, что биореактор для выращивания метанокисляющих микроорганизмов, снабженный штуцером для удаления отходящих газов, штуцерами для подачи минеральной среды, посевного материала, титрантов, пеногасителя, штуцером для отбора культуральной жидкости, снабженным пропорциональным клапаном, содержит цилиндрический корпус, заключенный в терморубашку, оснащенный съемной крышкой, в осевом отверстии которой размещено двойное торцевое уплотнение, в котором во внутренней полости корпуса вдоль центральной его оси установлен вал электропривода с закрепленными на нем от 3 до 6 импеллеров с диаметром 0,6 внутреннего диаметра корпуса. При этом каждый из импеллеров состоит из лопастей, каждая из которых выполнена в виде половины трубы, разрезанной вдоль ее оси, жестко закрепленных на посадочной втулке под углом 30 градусов к ее оси. Содержит установленный в нижней части корпуса аэратор, состоящий из трубчатых металлических мембран с пиком распределения пор 0,1-1 мкм, жестко закрепленных на трубопроводе подвода метановоздушной смеси, подключенном к внутренне полости корпуса.The specified technical result is achieved due to the fact that the bioreactor for growing methane-oxidizing microorganisms, equipped with a fitting for removing exhaust gases, fittings for supplying a mineral medium, seed material, titrants, defoamer, a fitting for sampling the cultural liquid, equipped with a proportional valve, contains a cylindrical body enclosed in a thermal jacket, equipped with a removable cover, in the axial hole of which there is a double mechanical seal, in which an electric drive shaft with 3 to 6 impellers with a diameter of 0.6 of the internal diameter of the housing is installed in the internal cavity of the housing along its central axis. In this case, each of the impellers consists of blades, each of which is made in the form of half a pipe, cut along its axis, rigidly fixed to the landing sleeve at an angle of 30 degrees to its axis. It contains an aerator installed in the lower part of the housing, consisting of tubular metal membranes with a peak pore distribution of 0.1-1 microns, rigidly fixed to the methane-air mixture supply pipeline connected to the internal cavity of the housing.

Использование в предлагаемом биореакторе различного количества импеллеров (в зависимости от объема биореактора), размещенных внутри корпуса на разных уровнях вдоль центральной оси корпуса, исключает наличие застойных зон по всему объему и обеспечивает высокие массообменные характеристики биореактора, в т.ч. биореактора общим объемом свыше 100 л. Применение металлических трубчатых мембран с пиком распределения пор 0,1-1 мкм позволяет исключить обрастание мембран, а также дополнительно проводить обеззараживание метановодушной смеси для исключения контаминации мембран культивируемым сообществом микроорганизмов, что позволяет эффективно насыщать метановоздушной смесью культуральную жидкость.The use in the proposed bioreactor of a different number of impellers (depending on the volume of the bioreactor), located inside the housing at different levels along the central axis of the housing, eliminates the presence of stagnant zones throughout the entire volume and ensures high mass transfer characteristics of the bioreactor, incl. bioreactor with a total volume of over 100 liters. The use of metal tubular membranes with a pore distribution peak of 0.1-1 μm makes it possible to eliminate fouling of membranes, as well as to additionally carry out disinfection of the methane-air mixture to exclude contamination of the membranes by the cultivated community of microorganisms, which makes it possible to effectively saturate the cultural liquid with the methane-air mixture.

На фиг. 1 схематично показан биореактор в продольном сечении.In fig. Figure 1 schematically shows the bioreactor in longitudinal section.

На фиг. 2 - общий вид импеллера.In fig. 2 - general view of the impeller.

Биореактор содержит корпус 1 цилиндрической формы, предназначенный для работы под избыточным давлением 0,6-0,9 МПа, заключенный в терморубашку 2, обеспечивающую термостатирование корпуса 1 посредством потока теплоносителя, входящего в рубашку 2 через штуцер 3 и отходящего через штуцер 4. Корпус 1 в верхней части оснащен съемной крышкой 5, снабженной торцевым уплотнением 6, размещенным в осевом отверстии крышки 5, через которое проходит вал электропривода 7 с закрепленными на нем на разных уровнях вдоль центральной оси корпуса 1 импеллерами 8, диаметр которых составляет 0,6 внутреннего диаметра корпуса 1. Каждый из импеллеров 8 состоит из шести лопастей 9, жестко закрепленных (например, приваренных) на посадочной втулке 10 под углом 30 градусов к ее оси, посредством которой импеллер 8 крепится на вал привода 7. Каждая из лопастей 9 выполнена в виде половины трубы, диаметр которой составляет четыре диаметра вала привода 7. Количество импеллеров, размещенных на разных уровнях, варьируется от 3 до 6, что позволяет реализовать конструкцию биореактора объемом более 100 л. Крышка 5 также снабжена штуцером 11 для удаления отходящих газов. В верхней части корпуса 1 установлен штуцер 12 для подачи минеральной среды, проходящий через рубашку 2. Внутри корпуса 1, в нижней его части, установлен аэратор 13, диаметр которого равен диаметру импеллера 8, состоящий из металлических мембран с размером пор 0,1-1 мкм, выполненных в виде трубок, расположенных в плоскости, перпендикулярной центральной оси корпуса 1, жестко закрепленных (например, приваренных) на трубопроводе 14 подвода метановоздушной смеси (например, марки ЭПHС.П - PSF). Также в нижней части корпуса 1 расположен штуцер 15 отбора отработанной культуральной жидкости, снабженный пропорциональным клапаном 16 (например, двухходовой Burkert тип 2875 с диапазоном регулирования 1:200), обеспечивающим контролируемый отбор культуральной жидкости при проведении ферментации в проточном режиме культивирования. Корпус 1 снабжен штуцерами подачи посевного материала, титрантов, пеногасителя (на фигурах не показаны) и оснащен датчиками температуры, рН и растворенного кислорода.The bioreactor contains a cylindrical body 1, designed to operate under an excess pressure of 0.6-0.9 MPa, enclosed in a thermal jacket 2, which ensures thermostatting of the body 1 through the flow of coolant entering the jacket 2 through fitting 3 and leaving through fitting 4. Housing 1 in the upper part it is equipped with a removable cover 5, equipped with a mechanical seal 6, located in the axial hole of the cover 5, through which passes the electric drive shaft 7 with impellers 8 fixed on it at different levels along the central axis of the housing 1, the diameter of which is 0.6 of the internal diameter of the housing 1. Each of the impellers 8 consists of six blades 9, rigidly fixed (for example, welded) to the landing sleeve 10 at an angle of 30 degrees to its axis, through which the impeller 8 is attached to the drive shaft 7. Each of the blades 9 is made in the form of half a pipe , the diameter of which is four times the diameter of drive shaft 7. The number of impellers located at different levels varies from 3 to 6, which makes it possible to implement a bioreactor design with a volume of more than 100 liters. Cover 5 is also equipped with a fitting 11 for removing exhaust gases. In the upper part of the housing 1 there is a fitting 12 for supplying a mineral medium passing through the jacket 2. Inside the housing 1, in its lower part, there is an aerator 13, the diameter of which is equal to the diameter of the impeller 8, consisting of metal membranes with a pore size of 0.1-1 μm, made in the form of tubes located in a plane perpendicular to the central axis of the housing 1, rigidly fixed (for example, welded) to the pipeline 14 for supplying the methane-air mixture (for example, brand EPNS.P - PSF). Also in the lower part of the housing 1 there is a fitting 15 for sampling the spent culture liquid, equipped with a proportional valve 16 (for example, a two-way Burkert type 2875 with a control range of 1:200), which ensures a controlled selection of the culture liquid during fermentation in a flow-through cultivation mode. Housing 1 is equipped with fittings for supplying seed material, titrants, and defoamer (not shown in the figures) and is equipped with temperature, pH and dissolved oxygen sensors.

Биореактор работает следующим образом.The bioreactor works as follows.

После включения осуществляется термостатирование корпуса 1 (рабочей зоны биореактора) через терморубашку 2, за счет подведения теплоносителя в рубашку 2 через штуцер 3 и отвод через штуцер 4. Параллельно процессу термостатирования начинается перемешивание культуральной жидкости, находящейся в корпусе 1 с закрытой крышкой 5. Рабочий объем составляет 0,7-0,8 от общего геометрического объема биореактора. Перемешивание осуществляется посредством импеллеров 8. Конструктивное исполнение импеллеров 8 обеспечивает направление потока перемешивающейся культуральной жидкости к днищу корпуса 1, тем самым увеличивая время пребывания микропузырьков в культуральной жидкости и обусловливая развитое турбулентное движение по всему объему биореактора (что приближает его к аппарату идеального смешения), сокращает время распределения поступающего титранта и минеральной среды и таким образом позволяет избежать лимитирования растворенным кислородом клеток продуцента. По трубопроводу 14 подается метановоздушная смесь в мембранный аэратор 15, через который она попадает в рабочую зону биореактора. Благодаря использованию трубчатых мембран с пиком распределения пор 0,1-1 мк удается создать микропузырьки диаметром от 0,1 до 1 мкм, что позволяет увеличить площадь передачи воздуха из газовой фазы в жидкую и увеличить время пребывания пузырька в жидкой фазе, благодаря тому, что он медленнее всплывает. Оба эти фактора положительно сказываются на концентрации растворенного кислорода, как основном лимитирующем факторе ферментации. Далее отработанная метановоздушная смесь удаляется через штуцер 11. Начинается процесс ферментации путем подачи минеральных солей через штуцер 12 и отбор отработанной культуральной жидкости через трубопровод 15, оснащенный пропорциональным клапаном 16, обеспечивающим контролируемый отбор культуральной жидкости при проведении ферментации в проточном режиме культивирования.After switching on, housing 1 (the working area of the bioreactor) is thermostatically controlled through thermal jacket 2, by supplying coolant into jacket 2 through fitting 3 and draining through fitting 4. In parallel with the thermostatting process, mixing of the culture liquid begins in housing 1 with lid 5 closed. Working volume is 0.7-0.8 of the total geometric volume of the bioreactor. Mixing is carried out by means of impellers 8. The design of the impellers 8 ensures the direction of the flow of the mixing culture liquid to the bottom of the housing 1, thereby increasing the residence time of microbubbles in the culture liquid and causing developed turbulent movement throughout the entire volume of the bioreactor (which brings it closer to an ideal mixing apparatus), reduces time of distribution of the incoming titrant and the mineral medium and thus avoids the limitation of dissolved oxygen in the producer cells. The methane-air mixture is supplied through pipeline 14 to membrane aerator 15, through which it enters the working area of the bioreactor. Thanks to the use of tubular membranes with a pore distribution peak of 0.1-1 μm, it is possible to create microbubbles with a diameter of 0.1 to 1 μm, which makes it possible to increase the area of air transfer from the gas phase to the liquid phase and increase the residence time of the bubble in the liquid phase, due to the fact that it floats up more slowly. Both of these factors have a positive effect on the concentration of dissolved oxygen, as the main limiting factor in fermentation. Next, the spent methane-air mixture is removed through fitting 11. The fermentation process begins by supplying mineral salts through fitting 12 and collecting waste culture fluid through pipeline 15, equipped with a proportional valve 16, which ensures controlled selection of culture fluid during fermentation in a flow-through cultivation mode.

Экспериментально полученные данные при отработке процесса культивирования метанокисляющих микроорганизмов в предлагаемом биореаторе подтверждают, что реализация предлагаемого изобретения обеспечивает хорошую насыщенность всей рабочей зоны биореактора газовым субстратом, что позволяет повысить коэффициент массопередачи (Kla) с 950 ч^-1 до 1500 ч^-1 и обеспечивает повышение производительности процесса ферментации в предлагаемом биореакторе в 1,5-2 раза.Experimentally obtained data when testing the process of cultivating methane-oxidizing microorganisms in the proposed bioreactor confirm that the implementation of the proposed invention ensures good saturation of the entire working area of the bioreactor with a gas substrate, which makes it possible to increase the mass transfer coefficient (Kla) from 950 h ^-1 to 1500 h ^-1 and provides increased productivity the fermentation process in the proposed bioreactor by 1.5-2 times.

Claims

A bioreactor for growing methane-oxidizing microorganisms, equipped with a fitting for removing waste gases, fittings for supplying a mineral medium, seed material, titrants, a defoamer, a fitting for sampling the cultural liquid, equipped with a proportional valve, containing a cylindrical body enclosed in a thermal jacket, equipped with a removable lid, in an axial the hole of which contains a double mechanical seal, in which an electric drive shaft with 3 to 6 impellers with a diameter of 0.6 of the internal diameter of the housing is mounted in the internal cavity of the housing along its central axis, with each impeller consisting of blades, each of which made in the form of half a pipe, cut along its axis, rigidly fixed to the landing sleeve at an angle of 30 degrees to its axis, an aerator installed in the lower part of the body, consisting of tubular metal membranes with a pore distribution peak of 0.1-1 microns, rigidly fixed to methane-air mixture supply pipeline connected to the internal cavity of the housing.