Биореактор с мембранным устройством газового питания микроорганизмов
Владельцы патента RU 2596396:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологического приборостроения с опытным производством Российской Академии наук (ИБП РАН) (RU)
Изобретение относится к области биохимии. Предложен биореактор с мембранным устройством газового питания микроорганизмов. Биореактор содержит цилиндрический корпус, крышку, днище, теплообменник, газораспределительное устройство, аэратор, коллектор метана, трубчатые газопроницаемые полимерные мембраны, патрубки для протока рабочей жидкости и газов, анализатор отходящих газов СН4, О2, CO2, датчики рН и Т°С, электронные расходомеры воздуха и двуокиси углерода, регулятор давления метана и контроллер управления ферментационным процессом. Газораспределительное устройство снабжено направляющими пластинами и диффузором аэрирующего воздуха, при этом выполнено в виде многоканального газлифтного насоса. Коллектор метана снабжен перфорированными отверстиями для протока газожидкостной смеси через газораспределительное устройство. Отделитель отходящих газов от жидких продуктов ферментации снабжен датчиком уровня рабочей жидкости и трубопроводом, соединяющим нижнюю часть отделителя с придонной частью биореактора. Изобретение обеспечивает повышение производительности и взрывобезопасности биореактора. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области микробиологии, в частности к биореакторам для выращивания биомассы микроорганизмов в водно-минеральной среде, насыщенной газообразными углеводородами, и может быть использовано для культивирования аэробных или анаэробных микроорганизмов, а также в исследовательской практике.
Процесс выращивания микроорганизмов на природном газе (источник информации: http://www.zges.ru/bio.php?wr=300) заключается в том, что основными питательными веществами являются метан и кислород, которые необходимо растворить в водно-минеральной среде в оптимальном соотношении.
Экспериментально установлено, что потребность бактерий в кислороде в 2-3 раза превышает их потребность в метане. Однако такое стехиометрическое соотношение метан:кислород лежит в интервале взрывоопасных концентраций, и с учетом этого фактора процесс культивирования ведут при составе газовой фазы, отличающейся от оптимального в сторону избытка метана при соответствующем лимите по кислороду. Одновременно с этим отмечено, что присутствие в газообразной смеси двуокиси углерода в концентрациях от 3 до 10% (по объему) улучшает рост бактерий, а содержание кислорода выше 18% (по объему) вызывает гибель клеток. Метанокисляющие бактерии растут при pH 6,5-7,1 и температурах 34-38°C. Для обеспечения эффективного роста клеток обычно используют ферментеры с интенсивным тепло- и массообменом, который обеспечивается увеличением скорости газового потока, улучшением перемешивания и повышением рабочего давления в биореакторе для повышения растворимости газов.
Известен «Способ производства биомассы аэробных микроорганизмов» (патент RU 2322488 C2).
Способ предусматривает культивирование микроорганизмов в условиях непрерывной циркуляции рабочей жидкости по замкнутому контуру и при непрерывном насыщении жидкости газообразными углеводородами и аэрирующими агентами, а также в условиях протока водно-минерального раствора и отвода продуктов ферментации.
Насыщение рабочей жидкости газообразными углеводородами и аэрирующим агентом осуществляют раздельно, причем насыщение аэрирующим агентом проводят при его однократном контакте с рабочей жидкостью, а насыщение газообразными углеводородами проводят при многократном их контакте с рабочей жидкостью посредством рециркуляции газообразных углеводородов по замкнутому контуру до полного их растворения.
Существенным недостатком этого известного способа является применение раздельных зон растворения газообразных углеводородов и аэрирующего агента, что приводит к образованию градиента растворенных газов, нарушению заданного соотношения газов и снижению скорости роста микроорганизмов. При этом каждое устройство для растворения газов содержит зоны газовых пузырей, в которых в процессе обмена рабочей жидкости образуются взрывоопасные концентрации газов, что не обеспечивает взрывобезопасную эксплуатацию биореактора.
Способ реализован в биореакторе сложной конструкции, что существенно повышает его стоимость и усложняет управление гидродинамическими и ферментационными процессами.
Известный способ может быть применен только в биореакторах малого объема, в которых можно реализовать высокую скорость обмена рабочей жидкости, насыщенной разными газами.
Наиболее близкий аналог заявленного изобретения описан в патенте RU 2446205 C1 «Биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода газового питания».
Известный биореактор содержит цилиндрический корпус, крышку, днище, газораспределительное устройство, газопроницаемые трубчатые мембраны, установленные вдоль оси корпуса. Внутри корпуса вдоль центральной его оси установлена несущая труба теплообменника, в которой расположена труба подвода газа, соединенная с газораспределительным устройством. Снаружи несущей трубы теплообменника установлена винтовая перфорированная поверхность, через отверстия которой проходят газопроницаемые трубчатые мембраны, закрепленные между крышкой и газораспределительным устройством.
Выращивание микроорганизмов в биореакторе осуществляется в условиях ламинарного вытеснения жидких продуктов ферментации исходной питательной средой по множественным каналам, образованным трубчатыми газопроницаемыми мембранами, надутыми питающими газами, что приводит к расслоению веществ, растворенных в питательной среде, и к снижению производительности.
Газовые мембраны надуваются смесью питающих газов, имеющих разную растворимость, что существенно затрудняет создание и поддержание заданного соотношения растворенных газов в рабочей жидкости, в результате чего снижается производительность биореактора.
Трубчатый теплообменник аналога мало эффективен из-за малой площади поверхности теплообменной трубы.
В ферментационных процессах аэрирующие газы и газы, образованные в процессе дыхательной активности микроорганизмов, образуют пену, что увеличивает объем сливаемых жидких продуктов ферментации, уменьшает рабочий объем и производительность биореактора.
Цель изобретения
Повышение производительности и взрывобезопасности биореактора за счет интенсификации перемешивания рабочей жидкости и применения раздельного, а именно диффузионного ввода метана и дисперсионного ввода аэрирующих агентов в водно-минеральную среду, засеянную микроорганизмами.
Недостатки вышеуказанного аналога устраняются при реализации вышеназванной цели настоящего изобретения с помощью биореактора с мембранным устройством газового питания микроорганизмов, содержащего цилиндрический корпус, крышку, днище, теплообменник, газораспределительное устройство, коллектор метана, газопроницаемые полимерные мембраны, патрубки для протока рабочих жидкостей и газов, в котором согласно настоящему изобретению биореактор дополнительно содержит аэратор для ввода атмосферного воздуха в рабочую жидкость в виде мелкодисперсной фракции, датчики pH, T°C и уровня жидкости, электронные расходомеры воздуха и двуокиси углерода, регулятор давления метана, отделитель отходящих газов от жидких продуктов ферментации, анализатор отходящих газов CH4, O2, CO2 и контроллер управления ферментационным процессом, при этом газораспределительное устройство выполнено в виде многоканального газлифтного насоса, прокачивающего рабочую жидкость по множественным поверхностям полимерных газопроницаемых мембран; коллектор метана сообщен трубопроводом с регулятором давления метана; аэратор через бактериальный фильтр и электронные расходомеры сообщен с источниками сжатых атмосферного воздуха и двуокиси углерода; отделитель отходящих газов от жидких продуктов ферментации сообщен с верхней полостью биореактора через регулируемую заслонку отходящих газов; анализатор газов сообщен с отделителем отходящих газов от жидких продуктов ферментации через бактериальный фильтр.
Кроме того, указанная цель достигается благодаря тому, что биореактор дополнительно содержит насос для перекачки рабочей жидкости, размещенный в разрыве трубопровода, соединяющего нижнюю часть емкости отделителя с придонной частью биореактора.
Кроме того, корпус газораспределительного устройства снабжен диффузором, в полости которого размещен аэратор и который направляет поток аэрирующего воздуха в зазоры между газопроницаемыми мембранами, при этом опорная часть диффузора снабжена вырезами для свободного протока рабочей жидкости.
Кроме того, коллектор метана снабжен отверстиями для свободного протока газожидкостной смеси через газораспределительное устройство.
Кроме того, отделитель отходящих газов от жидких продуктов ферментации выполнен в виде емкости и несет на себе датчик уровня рабочей жидкости.
Кроме того, газораспределительное устройство удерживается в вертикальном положении посредством направляющих пластин и с опорой на днище корпуса биореактора, при этом направляющие пластины закреплены между внутренней стенкой корпуса биореактора и газораспределительным устройством.
Кроме того, теплообменник выполнен в виде теплообменной рубашки.
Схема биореактора согласно настоящему изобретению представлена на прилагаемом рисунке.
Биореактор содержит:
Цилиндрический корпус 1, крышку 2, днище 3, теплообменник в виде теплообменной рубашки 4, газораспределительное устройство 5, полимерные газопроницаемые мембраны 6, коллектор 7 метана, аэратор 8 воздуха, направляющие пластины 9, диффузор 10, отделитель 11 газов, диафрагменный насос 12 для перекачки рабочей жидкости, бактериальный фильтр 13 входящих газов, бактериальный фильтр 14 отходящих газов, заслонку 15 расхода отходящих газов, регулятор 16 давления метана, электронный расходомер 17 воздуха, электронный расходомер 18 двуокиси углерода, муфту 19 датчика pH, муфту 20 датчика температуры, управляемые клапаны 21-27, обратный клапан 28, муфту 29 датчика уровня жидкости, анализатор 30 отходящих газов CH4, O2, CO2, патрубки 31-38, контроллер 39 управления.
Исполнение
- в качестве питающего газа в биореакторе согласно настоящему изобретению используется природный газообразный метан;
- коллектор метана снабжен перфорированными отверстиями для сквозного протока газожидкостной смеси через газораспределительное устройство;
- газораспределительное устройство снабжено диффузором, направляющим поток аэрирующего воздуха в зазоры между газопроницаемыми мембранами;
- в качестве аэратора применен, например, дисковый аэратор фирмы Matala, Австралия;
- опорная часть диффузора снабжена вырезами для свободного протока рабочей жидкости;
- отделитель отходящих газов от жидких продуктов ферментации выполнен в виде емкости с встроенным датчиком уровня рабочей жидкости;
- газораспределительное устройство удерживается в биореакторе в вертикальном положении посредством направляющих пластин и с опорой на днище корпуса биореактора.
- коллектор сообщен трубопроводом с регулятором давления метана;
- полимерные мембраны размещены в газораспределительном устройстве с зазором 5 мм между стенками мембран;
- полимерная мембрана имеет замкнутую, например, U-образную форму и соединена с коллектором метана;
- направляющие пластины закреплены между внутренней стенкой биореактора и корпусом газораспределительного устройства с образованием проточного канала шириной 10 мм;
- аэратор размещен в полости диффузора;
- аэратор через бактериальный фильтр и клапаны посредством трубопроводов сообщен с электронными расходомерами воздуха и двуокиси углерода;
- отделитель отходящих газов от жидких продуктов ферментации сообщен трубопроводом с верхней полостью биореактора через регулируемую заслонку отходящих газов;
- анализатор отходящих газов сообщен трубопроводом с отделителем отходящих газов от жидких продуктов ферментации через бактериальный фильтр;
- диафрагменный насос размещен в разрыве трубопровода, соединяющего нижнюю часть емкости отделителя с придонной частью биореактора
- теплообменник выполнен в виде теплообменной рубашки, закрепленной на корпусе биореактора;
- контроллер электрически связан (на рисунке не изображено) с датчиками, клапанами и другими исполнительными механизмами.
Работа биореактора
Через патрубок 33 и открытый клапан 23 в биореактор вносят водно-минеральную среду до контакта с датчиком 29 уровня в отделителе 11 газов. В процессе ввода в биореактор водно-минеральной среды воздух из биореактора отводится в атмосферу через заслонку 15 расхода, отделитель 11, бактериальный фильтр 14, анализатор 30 газов и патрубок 38.
При контакте водно-минеральной среды с датчиком 29 уровня клапан 23 закрывают, теплообменную рубашку 4 нагревают до заданной температуры ферментационного процесса, а через патрубок 31 и открытый клапан 21 производят засев водно-минеральной среды культурой микроорганизмов с образованием рабочей жидкости.
Клапан 21 закрывают, а через патрубок 34, электронный расходомер 17, открытый клапан 24, бактериальный фильтр 13, обратный клапан 28 и аэратор 8 с заданным расходом подают атмосферный воздух, который из дискового аэратора 8 вытесняется в рабочую жидкость в виде мелкодисперсной фракции, насыщая рабочую жидкость кислородом и двуокисью углерода воздуха.
В коллектор 7 через патрубок 32, регулятор 16 давления и открытый клапан 22 вводят метан с заданным давлением. Метан диффундирует в рабочую жидкость через множественные поверхности газопроницаемых полимерных мембран 6, полностью растворяясь в рабочей жидкости, насыщенной аэрирующим воздухом.
Нерастворенные газы аэрирующего воздуха в виде мелких пузырьков, распределенных в объеме диффузора 10, поднимаются вверх по зазорам пакета полимерных газопроницаемых мембран 6, выполняя функцию газлифтного насоса, непрерывно перемещающего тонкие слои рабочей жидкости через газораспределительное устройство 5.
На контроллере 39 управления ферментационным процессом задают частоту работы диафрагменного насоса 12, верхнее и нижнее значения pH рабочей жидкости, параметры отходящих газов, протекающих через анализатор 30 газов, время слива продуктов ферментации, рабочую температуру теплообменной рубашки 4 и применяют алгоритм работы биореактора.
При контакте рабочей жидкости с датчиком 29 уровня включается насос 12, откачивающий рабочую жидкость из емкости отделителя 11 обратно в биореактор, что интенсифицирует процесс отделения газов от рабочей жидкости и устраняет застойные зоны рабочей жидкости.
В процессе роста микроорганизмов, при достижении заданного нижнего значения pH рабочей жидкости, насос 12 выключается, открывается клапан 27 и полученные продукты ферментации в течение заданного времени отводятся из емкости отделителя 11 газов потребителю.
По истечении заданного времени слива продуктов ферментации клапан 27 закрывается, открывается клапан 23 и в биореактор вносится очередная порция водно-минеральной среды до контакта с датчиком 29 уровня.
Процесс дробного слива и загрузки водно-минеральной среды повторяется до восстановления заданного верхнего значения pH рабочей среды, после чего выдерживается пауза, при которой происходит снижение pH рабочей жидкости до заданного нижнего значения.
Поддержание заданного соотношения растворенных газов в рабочей жидкости осуществляется при постоянном давлении метана в газопроницаемых мембранах 6 и при регулировании расхода воздуха и двуокиси углерода посредством обратной связи, установленной между анализатором 30 отходящих газов, электронным регулятором 17 расхода аэрирующего воздуха через клапан 24 и электронным регулятором 18 расхода двуокиси углерода через клапан 25, по заданным значениям CH4, O2, CO2.
Заслонка 15, размещенная в трубопроводе на выходе газожидкостной смеси из биореактора, позволяет менять давление рабочей жидкости в биореакторе посредством изменения проходного сечения и, как следствие, управлять скоростью растворения питающих газов.
Преимущества биореактора перед известными аналогами
1. Газораспределительное устройство выполнено в виде многоканального газлифтного насоса, прокачивающего тонкие слои рабочей жидкости по множественным поверхностям полимерных газопроницаемых мембран, что повышает интенсивность растворения питающих газов и активизирует ферментативные реакции.
2. Метан поступает в рабочую жидкость, насыщенную кислородом воздуха, посредством диффузии через стенки множественных мембран, равномерно распределенных по всему рабочему объему, и полностью потребляется микроорганизмами, что исключает создание взрывоопасных соотношений газов в биореакторе.
3. Отделитель отходящих газов от жидких продуктов ферментации снабжен датчиком уровня жидкости, что оптимизирует управление отъемно-доливными процессами.
4. Ввод водно-минерального раствора в биореактор осуществляется в объеме, определенном контактом с датчиком уровня, закрепленным в емкости отделителя газов.
5. Насос, откачивающий рабочую жидкость из емкости отделителя газов обратно в биореактор, включается при контакте рабочей жидкости с датчиком уровня, а выключается по заданному нижнему значению датчика pH, что устраняет застойные зоны рабочей жидкости.
6. Слив продуктов ферментации осуществляется при достижении заданного нижнего значения pH по временному алгоритму, после чего производится очередной ввод в биореактор водно-минеральной среды.
7. Дробный слив продуктов ферментации осуществляется до восстановления заданного верхнего значения pH рабочей жидкости, после чего слив прекращается и выдерживается временная пауза до следующего снижения pH рабочей жидкости.
8. Управление соотношением газов в рабочей жидкости осуществляют по показаниям отходящих газов, протекающих через анализатор CH4, O2, CO2 через обратную связь управления электронными расходомерами воздуха и двуокиси углерода.
9. Теплообменник выполнен в виде теплообменной рубашки, имеющей увеличенную поверхность теплообмена по сравнению с аналогом, и обеспечивает лучший теплообмен.
10. Биореактор выполнен в виде ферментационного модуля, обеспечивающего прямое масштабирование рабочего объема или экстенсивное наращивание биореакторов в условиях построения каскада ферментационных модулей.
Указанные преимущества позволяют повысить производительность и взрывобезопасность биореактора.
1. Биореактор с мембранным устройством газового питания микроорганизмов, содержащий цилиндрический корпус, крышку, днище, теплообменник, газораспределительное устройство, коллектор метана, трубчатые газопроницаемые полимерные мембраны, патрубки для протока рабочей жидкости и газов, отличающийся тем, что газораспределительное устройство снабжено направляющими пластинами и диффузором аэрирующего воздуха и выполнено в виде многоканального газлифтного насоса, прокачивающего рабочую жидкость через поверхности труб полимерных газопроницаемых мембран и поверхность теплообменника, выполненного в виде теплообменной рубашки, биореактор дополнительно содержит аэратор, размещенный в полости диффузора, для ввода атмосферного воздуха в рабочую жидкость в виде мелкодисперсной фракции, коллектор метана снабжен перфорированными отверстиями для свободного протока газожидкостной смеси через газораспределительное устройство, отделитель отходящих газов от жидких продуктов ферментации, выполненный в виде емкости, снабженной датчиком уровня рабочей жидкости и трубопроводом, соединяющим нижнюю часть емкости отделителя с придонной частью биореактора, анализатор отходящих газов СН4, О2, CO2, датчики рН, Т°С, электронные расходомеры воздуха и двуокиси углерода, регулятор давления метана и контроллер управления ферментационным процессом, при этом коллектор метана сообщен трубопроводом с регулятором давления метана, аэратор через бактериальный фильтр и электронные расходомеры сообщен с источниками сжатого атмосферного воздуха и двуокиси углерода; отделитель отходящих газов от жидких продуктов ферментации сообщен с верхней полостью биореактора через регулируемую заслонку; а анализатор газов сообщен с отделителем отходящих газов от жидких продуктов ферментации через бактериальный фильтр.
2. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит насос для перекачки рабочей жидкости из емкости отделителя в придонную часть корпуса биореактора.
3. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что газораспределительное устройство удерживается в вертикальном положении посредством направляющих пластин газораспределительного устройства и с опорой на дно биореактора.
