RU2644344C1 - Биологический реактор для превращения газообразных углеводородов в биологически активные соединения - Google Patents
Биологический реактор для превращения газообразных углеводородов в биологически активные соединения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2644344C1 RU2644344C1 RU2016142237A RU2016142237A RU2644344C1 RU 2644344 C1 RU2644344 C1 RU 2644344C1 RU 2016142237 A RU2016142237 A RU 2016142237A RU 2016142237 A RU2016142237 A RU 2016142237A RU 2644344 C1 RU2644344 C1 RU 2644344C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- methane
- air
- working fluid
- fermentation tank
- Prior art date
Links
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 title claims description 3
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 title claims description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 title 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 99
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 50
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 45
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 claims abstract description 44
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 claims abstract description 44
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 31
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 238000005276 aerator Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 65
- 244000005700 microbiome Species 0.000 claims description 28
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 7
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 5
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 claims description 4
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims description 4
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 claims description 3
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 30
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 description 24
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 19
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 19
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 230000001954 sterilising effect Effects 0.000 description 10
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 8
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 8
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 6
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 6
- 239000012531 culture fluid Substances 0.000 description 5
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 4
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 3
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 2
- 230000002906 microbiologic effect Effects 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 2
- 208000035404 Autolysis Diseases 0.000 description 1
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010057248 Cell death Diseases 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 238000009395 breeding Methods 0.000 description 1
- 230000001488 breeding effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 238000007872 degassing Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012527 feed solution Substances 0.000 description 1
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 1
- 239000002054 inoculum Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 244000005706 microflora Species 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000000241 respiratory effect Effects 0.000 description 1
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 description 1
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000011555 saturated liquid Substances 0.000 description 1
- 238000011218 seed culture Methods 0.000 description 1
- 230000028043 self proteolysis Effects 0.000 description 1
- 238000009331 sowing Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 229920003051 synthetic elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000005061 synthetic rubber Substances 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
- C12M1/02—Apparatus for enzymology or microbiology with agitation means; with heat exchange means
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
- C12M1/04—Apparatus for enzymology or microbiology with gas introduction means
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
- C12M1/36—Apparatus for enzymology or microbiology including condition or time responsive control, e.g. automatically controlled fermentors
Landscapes
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области биохимии. Предложен биологический реактор для превращения газообразных углеводородов в биологически активные соединения. Реактор включает ферментационную емкость, теплообменник, насос для перекачки воды из нижней в верхнюю полость теплообменника, газопроницаемую полимерную трубчатую мембрану для метана, газопроницаемую полимерную трубчатую мембрану для воздуха с функцией аэратора, ресивер воздуха, ресивер метана, газожидкостный разделитель, бактериальный фильтр отработанных газов и прибор управления. При этом трубчатые мембраны для метана и воздуха занимают весь объем ферментационной емкости, расположены параллельно одна другой и с зазором между ними для свободного протока рабочей жидкости. Изобретение обеспечивает повышение производительности и взрывобезопасности биологического реактора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к аппаратурному оснащению ферментационных процессов превращения газообразных углеводородов в биологически активные соединения и может быть использовано в микробиологической, пищевой, медицинской, аграрной промышленности и в исследовательской практике.
Известна «Ферментационная установка для метанассимилирующих микроорганизмов» (патент RU 2580646 от 10.04.2016).
Установка содержит колонный ферментер для проведения аэробных процессов культивирования и соединенные с ним трубопроводами газовых и жидкостных технологических потоков два реактора, при этом ферментер содержит корпус, в верхней части которого установлены патрубок выхода отработанного газа и патрубок подачи питательных солей и технологической воды, компонентов питания и засевной биосуспезии, в нижней части установлены патрубок ввода газожидкостного потока в ферментер из реакторов и патрубок вывода биосуспензии из ферментера в реакторы, каждый реактор содержит патрубок отбора газожидкостного потока в ферментер, установленный ниже уровня культуральной жидкости в реакторе, дисковую мешалку с приводом, установленную на уровне культуральной жидкости в реакторе, патрубок подачи биосуспезии из ферментера в реактор, первый реактор содержит подключенный в верхней части патрубок подачи метансодержащего газа, второй реактор содержит подключенный в верхней части патрубок подачи кислородсодержащего газа, при этом ферментер дополнительно содержит средство поддержания температуры, средство поддержания pH среды, средство поддержания уровня растворенного кислорода, по меньшей мере, один анализатор отходящего газа, а привод мешалки в каждом реакторе снабжен датчиком измерения мощности, связанным через логическое устройство-контроллер с регуляторами расхода поступающих газовых потоков и с регулирующими клапанами подачи жидкости в каждый реактор. Насыщение рабочей жидкости метаном и кислородом проводят в отдельных реакторах, а культивирование микроорганизмов проводят в колонном ферментере, при этом объем колонного ферментера на порядок больше суммарного объема 2-х реакторов.
Жидкость, насыщенная в первом реакторе метаном, и жидкость, насыщенная во втором реакторе кислородом, под действием насосов по трубопроводам поступает в колонный ферментер. В ферментере жидкости перемешиваются с образованием питательной среды для размножения микроорганизмов.
Предлагаемое решение имеет существенные недостатки.
Так как основной энергетический субстрат - метан и кислород - потребляются микроорганизмами в смеси растворенных газов, а рабочая жидкость в реакторах насыщается метаном и кислородом раздельно, то жидкость в реакторах не может являться питательной средой для культивируемых микроорганизмов. Кроме того, микроорганизмы в объеме реакторов будут находиться в условиях переходного процесса, что вызовет задержку роста микроорганизмов в ферментере и, как следствие, снизит производительность установки.
Рабочая жидкость в реакторах насыщается газами в условиях высокого давления и перемешивания дисковыми мешалками, работа которых сопровождается образованием мелкодисперсной пены, негативно влияющей на обменные процессы в рабочей жидкости и на выделение целевых продуктов.
Для привода мешалок применяют электродвигатели, а для гашения пены используют поверхностно-активные вещества, что повышает себестоимость производимых продуктов.
При протоке насыщенных газами жидкостей по трубопроводам ввиду разницы давлений в реакторах и трубопроводах происходит частичная дегазация жидкостей с образованием свободных пузырьков метана и кислорода, что снижает концентрацию растворенных газов в рабочей жидкости, поступающей в ферментер.
На входе в ферментер жидкости, насыщенные растворенными газами, перемешиваются с образованием питательной среды, которая активно потребляется размножающимися микроорганизмами, а свободные пузырьки метана и кислорода поднимаются в газовую полость ферментера и накапливаются в ней с образованием взрывоопасной смеси.
Объем жидкости, поступающей из реакторов в ферментер, кратно меньше объема рабочей жидкости, находящейся в ферментере, в связи с чем зона активного роста микроорганизмов в ферментере будет измеряться объемом жидкости двух реакторов, а остальной объем рабочей жидкости в ферментере будет малопроизводительным.
По совокупности негативных признаков описанная установка не обладает заявленными преимуществами.
Известен «Биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода газового питания» (патент RU 2446205 C1), содержащий цилиндрический корпус, крышку, днище, газораспределительное устройство, газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны, установленные вдоль оси корпуса, трубу теплообменника, установленную внутри корпуса вдоль центральной его оси, трубу подвода газа, размещенную в полости теплообменника и соединенную с газораспределительным устройством, и винтовую перфорированную поверхность с газопроницаемыми мембранами.
Работа биореактора начинается с продувки мембран рабочим газом, после чего отвод рабочего газа из мембран прекращают, а давление газа в мембранах повышают до заданного значения. По мере повышения концентрации клеток давление газа в мембранах увеличивают.
Массообмен в биореакторе осуществляют протоком культуральной жидкости, по винтовой линии, перпендикулярно поверхностям мембран, что, по мнению авторов, способствует повышению производительности биореактора.
Биореактор имеет ряд недостатков:
Газораспределительное устройство выполнено в виде винтовой перфорированной поверхности, через отверстия в которой пропущены трубчатые мембраны. Такая конструкция металлоемка и сложна в изготовлении. В процессе протока культуральной жидкости через биореактор, ввиду высокого сопротивления и отсутствия турбулентности, образуются зоны с нулевой скоростью протока жидкости, что приводит к автолизу микроорганизмов и снижению производительности и качества целевых продуктов.
Теплообменник установлен по оси биореактора, что в условиях недостаточного перемешивания культуральной жидкости приводит к образованию градиента температур, снижающего производительность биореактора.
Ферментационные процессы протекают с образованием стойкой пены, обогащенной продуцирующими микроорганизмами, которую из биореактора, в потоке отработанных газов, отводят в атмосферу, что приводит к нарушению технологического регламента, потерям биомассы и снижению производительности биореактора.
Управление ферментационными процессами проводят по скорости продуцирования углекислого газа, что возможно только в условиях строгой асептики. При нарушении асептических условий в биореакторе концентрация углекислого газа повышается за счет дыхательной активности посторонней микрофлоры и не может использоваться для управления ферментационными процессами.
Биореактор не обеспечивает условия для реализации микробиологических процессов, протекающих с использованием газов, образующих взрывоопасные смеси, например процессов культивирования водородокисляющих или метанокисляющих микроорганизмов, что существенно снижает сферу применения биореактора.
Известен «Биореактор с мембранным устройством газового питания микроорганизмов» (патент RU 2596396 от 10.08.2016).
Биореактор содержит корпус, крышку, днище, теплообменник, газораспределительное устройство, коллектор метана, газопроницаемые полимерные мембраны метана, патрубки и трубопроводы для протока рабочих жидкостей и газов.
Биореактор содержит также аэратор, газожидкостный разделитель, направляющие пластины, диффузор, насос, бактериальные фильтры питающих и отработанных газов, датчики: pH, Т°C и уровня жидкости, заслонку отходящих газов, расходомеры O2 и CO2, регулятор давления CH4, анализатор отходящих газов CH4, O2, CO2 и прибор управления.
Теплообменник биореактора выполнен в виде теплообменной рубашки, закрепленной на корпусе реактора;
- газораспределительное устройство снабжено диффузором, направляющим поток аэрирующего воздуха в зазоры между газопроницаемыми мембранами;
- газожидкостный разделитель выполнен в виде емкости и снабжен датчиком уровня рабочей жидкости;
- аэратор выполнен в виде распылительной форсунки и размещен в полости диффузора;
- в качестве аэратора используют дисковый аэратор фирмы Matala, Австралия.
Существенным недостатком данного биореактора является конструкция газораспределительного устройства, растворение метана и кислорода в котором проводят в разнесенных и несоизмеримых между собой объемах рабочей жидкости, а перемешивание полученных жидкостей осуществляют пузырьками воздуха, полученными после растворения кислорода воздуха в малом объеме диффузора газораспределительного устройства.
В указанных условиях активная фаза потребления микроорганизмами смеси растворенных метана и кислорода будет ограничена малым объемом рабочей жидкости, вытесняемой из диффузора под действием газлифта. Дальнейшее перемешивание объема рабочей жидкости, насыщенной метаном, при отсутствии растворенного кислорода будет являться переходным малопроизводительным процессом.
В балластный объем жидкости, составляющий большую часть рабочего объема аппарата, продолжает поступать метан, который при отсутствии растворенного кислорода не потребляется микроорганизмами, а отводится в атмосферу, повышая степень взрывоопасности аппарата.
Стерилизация биореактора проводится с существенными потерями водяного пара, который из теплообменной рубашки отводится в канализацию.
Терморегулирование рабочей жидкости осуществляется вводом острого водяного пара в теплообменную рубашку, что приводит к локальному перегреву рабочей жидкости и снижает качество продуктов ферментации.
В результате работы описанного газораспределительного устройства и теплообменника реактор имеет низкую производительность, низкую экономичность и высокую степень взрывоопасности.
Цель изобретения
Повышение производительности, экономичности и взрывобезопасности биологического реактора за счет гомогенного растворения в рабочей жидкости питающих газов, являющихся основным энергетическим субстратом, при существенном сокращении расхода питающих газов, исключении образования в реакторе взрывоопасных объемов смеси метана с кислородом и интенсификации теплового и газового обмена в рабочей жидкости.
Поставленная цель достигается тем, что реактор, содержащий:
- ферментационную емкость, аэратор, теплообменник, трубчатую газопроницаемую мембрану для метана, газожидкостный разделитель, анализатор отходящих газов, датчик температуры, датчик pH, насос перекачки рабочей жидкости, редуктор давления метана, датчик уровня жидкости, бактериальный фильтр отработанных газов, асептические разъемы, прибор управления,
дополнительно содержит:
- трубчатую газопроницаемую мембрану для воздуха с функцией аэратора;
- редуктор давления воздуха, установленный на входе в трубчатую газопроницаемую мембрану для воздуха;
- ресивер воздуха, снабженный датчиком давления воздуха и клапаном для слива конденсата и сообщенный с выходом трубчатой газопроницаемой мембраны для воздуха;
- ресивер метана, снабженный датчиком давления метана и клапаном для слива конденсата и сообщенный с выходом трубчатой газопроницаемой мембраны для метана;
- насос перекачки воды в теплообменнике;
- нагреватель воды, установленный в теплоомбеннике;
- змеевик охлаждения отработанных газов, установленный в газожидкостном разделителе,
при этом:
- трубчатые мембраны для метана и воздуха размещены по всему объему ферментационной емкости параллельно одна другой и с зазором между ними для свободного протока рабочей жидкости;
- трубчатые мембраны могут быть изготовлены из физиологически инертного газопроницаемого эластомера СКТН (каучук синтетический термостойкий низкомолекулярный СКТН, ГОСТ 13835-73).
Биологический реактор согласно изобретению схематично представлен на прилагаемом чертеже и содержит ферментационную емкость 1, крышку 2, теплообменник 3, нагреватель 4, редуктор 5 давления метана, трубчатую мембрану 6 для метана, редуктор 7 давления воздуха, трубчатую мембрану 8 для воздуха, ресивер 9 воздуха, ресивер 10 метана, газожидкостный разделитель 11, змеевик 12, фильтр 13 отработанных газов, анализатор 14 отработанных газов, насосы 15-16, асептические разъемы 17-18, датчик 19 температуры теплообменника, датчик 20 температуры рабочей жидкости, датчик pH рабочей жидкости 21, датчик 22 давления метана, датчик 23 давления воздуха, датчик 24 уровня рабочей жидкости, управляемые клапаны 25-38, обратный клапан 39, штуцер 40 ввода метана, штуцер 41 ввода воздуха, штуцер 42 ввода растворов кислоты и щелочи для регулирования pH, штуцеры 43-44 ввода холодной воды, штуцер 45 ввода стерильного питательного раствора, штуцер 46 слива продуктов ферментации, прибор 47 управления.
Работа реактора
К штуцеру 40 подключают источник метана.
К штуцеру 41 подключают источник воздуха.
К штуцеру 42 подключают источник раствора кислоты или щелочи.
К штуцерам 43-44 подключают источник холодной воды.
К штуцеру 45 подключают источник питательного раствора.
К штуцеру 46 подключают приемник продуктов ферментации.
От прибора управления 47:
Открывают клапан 36 и включают насос 16, посредством которого в ферментационную емкость 1, через асептический разъем 18, вносят исходный питательный раствор в объеме полного заполнения реактора по датчику 24 уровня питательного раствора, установленного в газожидкостном разделителе 11. При контакте питательного раствора с датчиком 24 клапан 36 закрывают, после чего от штуцера 45 отсоединяют источник исходного питательного раствора.
Открывают клапан 34.
Питательный раствор под действием насоса 16 протекает через магистраль по замкнутому контуру: ферментационная емкость 1 → газожидкостный разделитель 11 → ферментационная емкость 1, обеспечивая циркуляционное перемешивание раствора в ферментационной емкости 1.
Открывают клапаны 37, 29.
В теплообменник 3 через штуцер 43 и открытый клапан 37 поступает вода, которая при заполнении теплообменника 3 через открытый клапан 29 стекает в канализацию. В этих условиях клапан 37 закрывают, а на приборе управления 47 задают:
- температуру стерилизации раствора;
- время стерилизации раствора;
- температуру охлаждения раствора.
С помощью прибора управления 47 применяют алгоритм «Стерилизация». С применением алгоритма «Стерилизация» закроется клапан 28, откроется клапан 30 и включится нагреватель 4.
Вода в теплообменнике 3 начнет нагреваться с одновременным вытеснением воздуха из рубашки теплообменника 3 через открытый клапан 29 в канализацию.
При достижении температуры воды 100°C по датчику 19 клапан 29 закроется, а нагрев воды будет продолжаться, повышая температуру питательного раствора в ферментационной емкости 1.
Нагрев питательного раствора будет сопровождаться отводом паровоздушной смеси из ферментационной емкости 1, через газожидкостный разделитель 11, фильтр 13 и открытый клапан 30 в сливную канализацию. При температуре питательного раствора 105°C по датчику 20, клапан 30 закроется, а температура в ферментационной емкости 1 будет повышаться до заданной температуры стерилизации питательного раствора и поддерживаться включением и отключением нагревателя 4 по датчику 20.
По истечении заданного времени стерилизации нагреватель 4 выключится, откроются клапаны 37, 29, через которые будет протекать холодная вода, охлаждая питательный раствор в ферментационной емкости 1 до заданной температуры. При достижении заданной температуры охлаждения питательного раствора сработает датчик 20, по которому клапаны 37, 29 закроются, а температура питательного раствора в ферментационной емкости 1 будет поддерживаться включением и отключением нагревателя 4 по датчику 20. Процедура стерилизации и охлаждения питательного раствора завершается открытием клапана 28.
Перед проведением ферментационного процесса:
На редукторе 5 задают исходное давление метана.
На редукторе 7 задают исходное давление воздуха.
К штуцеру 45 асептического разъема 18 подключают источник посевной культуры микроорганизмов.
Закрывают клапан 34.
Открывают клапан 36.
Посредством работы насоса 16 в ферментационную емкость 1, через асептический разъем 18, вносится заданный объем посевных микроорганизмов. По завершении засева, клапан 36 закрывают, открывают клапан 34, а со штуцера 45 отсоединяют источник посевной культуры и на его место подключают источник стерильного питательного раствора.
На приборе 47 задают:
- верхнее давление метана в ресивере 10,
- нижнее давление метана в ресивере 10,
- верхнее давление воздуха в ресивере 9,
- нижнее давление воздуха в ресивере 9,
- верхнее значение pH рабочей жидкости,
- нижнее значение pH рабочей жидкости,
- температуру рабочей жидкости,
- число циклов перезагрузки ресивера 10,
- время слива продуктов ферментации,
и применяют алгоритм «Процесс».
По алгоритму «Процесс»:
Откроются клапаны 25, 26.
В мембраны 6, 8 под избыточным давлением, заданным на редукторах 5, 7, вводятся метан и воздух, которые протекают по трубчатым мембранам и нагнетаются в ресиверы 10, 9.
При достижении заданных давлений газов в ресиверах 10, 9, сработают датчики 22 23 и клапаны 25, 26 закроются.
Откроется клапан 30.
Холодная вода протекает через змеевик 12 и отводится в канализацию.
Под действием насоса 16 рабочая жидкость из газожидкостного разделителя 11 непрерывно отводится в ферментационную емкость 1 и распределяется по множественным межтрубным зазорам, образованным газопроницаемыми мембранами 6, 8, надутыми метаном и воздухом.
Метан и воздух через газопроницаемые поверхности мембран 6, 8 поступают в рабочую жидкость и насыщают рабочую жидкость с образованием смеси растворенных газов, обеспечивающей гомогенное размножение микроорганизмов в объеме реактора.
В метаболизме микроорганизмов участвуют метан, кислород и двуокись углерода. Метан поступает в рабочую жидкость через стенку трубчатой мембраны для метана, а кислород и двуокись углерода поступают в рабочую жидкость через стенку трубчатой мембраны для воздуха.
Так как кислород и двуокись углерода занимают всего 21% состава атмосферного воздуха, а остальным газом является азот, который не потребляется микроорганизмами, он выделяется из рабочей жидкости в виде пузырьков газа и усиливает перемешивание рабочей жидкости, протекающей по межтрубным зазорам мембран.
В результате дыхания размножающихся микроорганизмов выделяются отработанные газы, которые из ферментационной емкости 1, по перепускному трубопроводу, вытесняются в разделитель 11, отделяются от жидкости, охлаждаются змеевиком 12 и, через бактериальный фильтр 13, клапан 28 и анализатор 14 газов, отводятся в атмосферу.
При охлаждении отработанных газов змеевиком 12 образуется конденсат, который из разделителя 11 насосом 16 отводится в ферментационную емкость 1.
Значение pH рабочей жидкости поддерживается по датчику 21 растворами кислоты или щелочи. При подкислении рабочей жидкости до заданного нижнего значения pH откроется клапан 27, и в рабочую жидкость будет вводиться раствор щелочи, а при восстановлении рабочей жидкости до заданного верхнего значения pH, в рабочую жидкость через клапан 27 вводится раствор кислоты.
При потреблении микроорганизмами метана и кислорода и при отводе из ферментационной емкости 1 отработанных газов, давление метана и воздуха в ресиверах 10, 9 падает до заданных нижних значений. С датчиков 22, 23 на прибор 47 поступают сигналы на открытие клапанов 25, 26, через которые в ресиверах 10, 9 будет восстановлено давление газов до заданных верхних значений. Клапаны 25, 26 после восстановления давлений газов в ресиверах 10, 9 закроются.
Каждый цикл загрузки метана в ресивер 10 фиксируется прибором 47 и, при реализации заданного числа циклов, насос 16 выключится, откроется клапан 35 и, через асептический разъем 17 и штуцер 46, в течение заданного времени, произойдет слив продуктов ферментации. По истечении заданного времени слива, клапаны 35, 34 закроются, включится насос 16 и откроется клапан 36, через который в реактор 1 будет введен стерильный питательный раствор в объеме, необходимом для срабатывания датчика 24 уровня рабочей жидкости. По сигналу с датчика 24, клапан 36 закроется, откроется клапан 34, и процедуры слива продуктов ферментации и введения в емкость 1 питательного раствора повторятся до завершения ферментационного процесса.
Клапаны 32, 33 открывают при продувке трубчатых мембран 6, 8 метаном и воздухом, а также при сбросе конденсата из ресиверов 10, 9 в канализацию.
Обратный клапан 39 установлен для предотвращения попадания атмосферного воздуха в анализатор 14 отработанных газов.
Клапан 38 используется при полном сливе воды из теплообменника 3.
Эффективность работы биологического реактора согласно изобретению
Обеспечивается повышение качественных показателей реактора, которое достигается за счет комплексного применения новых технологических и конструкторских решений данного изобретения.
Растворение питающих газов в культивационной среде осуществляют посредством трубчатой мембраны для метана, которая размещена параллельно трубчатой мембране для воздуха и вблизи одна от другой в ферментационной емкости с образованием множественных межтрубных каналов для свободного протока рабочей жидкости. Обе трубчатые мембраны изготовлены из физиологически инертного материала, обладающего высокой молекулярной газопроницаемостью и термостойкостью, что обеспечивает гомогенное размножение микроорганизмов в объеме ферментационной емкости, предотвращает проникновение посторонних микроорганизмов в рабочую жидкость, сокращает энергетические затраты на растворение газов, повышает асептическую и взрывобезопасную надежность реактора.
Трубчатые мембраны для метана и воздуха занимают весь объем ферментационной емкости, расположены параллельно одна другой и с зазором между ними для свободного протока рабочей жидкости, что обеспечивает растворение метана и кислорода воздуха в рабочей жидкости с образованием смеси питающих газов, гомогенно распределенной по всему объему ферментационной емкости.
Газы, выделяемые микроорганизмами при культивировании, а также газы N2, CO2, не являющиеся энергетическим субстратом и составляющие 79% атмосферного воздуха, используются для пузырькового перемешивания рабочей жидкости в межтрубных каналах мембран для метана и для атмосферного воздуха.
Трубчатые мембраны могут быть изготовлены, например, из эластомера СКТН (каучук синтетический термостойкий низкомолекулярный СКТН, ГОСТ 13835-73).
Управление ферментационным процессом осуществляют по заданному объему потребленного метана, что позволяет поддерживать качество получаемых продуктов при каждом порционном сливе.
Скорость замещения рабочей жидкости питательным раствором, а также продувка рабочей жидкости азотом из аэрирующего воздуха поддерживает концентрацию растворенной двуокиси углерода, выделяемой микроорганизмами в процессе ферментации, на уровне, не токсичном для размножения микроорганизмов.
Оснащение теплообменника нагревателем, датчиком температуры и насосом для циркуляционного перемешивания теплоносителя позволяет существенно сократить энергетические потери при стерилизации оборудования и питательных растворов и повысить качество терморегулирования рабочей жидкости в процессе ферментации.
Реактор выполнен в виде автоклава, что позволяет существенно сократить энергетические затраты, интенсифицировать теплообмен и, тем самым, существенно сократить время на стерилизацию оборудования и питательных растворов.
Новые условия реализации ферментационных процессов в биологическом реакторе не зависят от геометрической формы и размера реактора при масштабировании и существенно расширяют сферу применения биологического реактора.
Claims (2)
1. Биологический реактор для превращения газообразных углеводородов в биологически активные соединения, включающий ферментационную емкость с крышкой, теплообменником, газопроницаемой полимерной трубчатой мембраной для метана, датчиком температуры рабочей жидкости, датчиком рН, соединенный с ферментационной емкостью газожидкостный разделитель с датчиком уровня рабочей жидкости, соединенный с газожидкостным разделителем через бактериальный фильтр отработанных газов анализатор отработанных газов, а также асептические разъемы для внесения питательной среды и микроорганизмов в ферментационную емкость, прибор управления и трубопроводы с клапанами для протока жидкостей и газов, отличающийся тем, что он дополнительно содержит газопроницаемую полимерную трубчатую мембрану для воздуха с функцией аэратора, редуктор давления воздуха, установленный на входе в трубчатую мембрану для воздуха, ресивер воздуха, снабженный датчиком давления и клапаном для слива конденсата и подключенный к выходу трубчатой мембраны для воздуха, ресивер метана, снабженный датчиком давления и клапаном для слива конденсата и подключенный к выходу трубчатой мембраны для метана, насос для перекачки воды из нижней в верхнюю полость теплообменника, нагреватель воды, установленный в нижней полости теплообменника, змеевик охлаждения отработанных газов, установленный в газожидкостном разделителе для охлаждения и конденсации влаги из отработанных газов. при этом трубчатые мембраны для метана и воздуха занимают весь объем ферментационной емкости, расположены параллельно одна другой и с зазором между ними для свободного протока рабочей жидкости.
2. Биологический реактор по п. 1, отличающийся тем, что газопроницаемые полимерные трубчатые мембраны изготовлены из эластомера СКТН.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016142237A RU2644344C1 (ru) | 2016-10-26 | 2016-10-26 | Биологический реактор для превращения газообразных углеводородов в биологически активные соединения |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016142237A RU2644344C1 (ru) | 2016-10-26 | 2016-10-26 | Биологический реактор для превращения газообразных углеводородов в биологически активные соединения |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2644344C1 true RU2644344C1 (ru) | 2018-02-08 |
Family
ID=61173834
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016142237A RU2644344C1 (ru) | 2016-10-26 | 2016-10-26 | Биологический реактор для превращения газообразных углеводородов в биологически активные соединения |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2644344C1 (ru) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111836898A (zh) * | 2018-03-30 | 2020-10-27 | 英威达纺织（英国）有限公司 | 用于在连续有氧发酵中控制溶解氧浓度的方法 |
| US11999943B2 (en) | 2018-05-02 | 2024-06-04 | Inv Nylon Chemicals Americas, Llc | Materials and methods for maximizing biosynthesis through alteration of pyruvate-acetyl-CoA-TCA balance in species of the genera ralstonia and cupriavidus and organisms related thereto |
| US12060596B2 (en) | 2018-05-02 | 2024-08-13 | Inv Nylon Chemicals Americas, Llc | Materials and methods for controlling limitation conditions in product biosynthesis for non-PHB generating species of the genera Ralstonia or Cupriavidus and organisms related thereto |
| US12065636B2 (en) | 2018-03-30 | 2024-08-20 | Inv Nylon Chemicals Americas, Llc | High hydrogen utilization and gas recycle |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2415913C1 (ru) * | 2009-10-27 | 2011-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Биотехконсалтинг" | Биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода и стерилизации газового питания |
| RU2446205C1 (ru) * | 2010-10-29 | 2012-03-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Биотехконсалтинг" | Биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода газового питания |
| RU2580646C1 (ru) * | 2015-08-03 | 2016-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ГИПРОБИОСИНТЕЗ" | Ферментационная установка для метанассимилирующих микроорганизмов |
| RU2596396C1 (ru) * | 2015-05-25 | 2016-09-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологического приборостроения с опытным производством Российской Академии наук (ИБП РАН) | Биореактор с мембранным устройством газового питания микроорганизмов |
-
2016
- 2016-10-26 RU RU2016142237A patent/RU2644344C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2415913C1 (ru) * | 2009-10-27 | 2011-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Биотехконсалтинг" | Биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода и стерилизации газового питания |
| RU2446205C1 (ru) * | 2010-10-29 | 2012-03-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Биотехконсалтинг" | Биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода газового питания |
| RU2596396C1 (ru) * | 2015-05-25 | 2016-09-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологического приборостроения с опытным производством Российской Академии наук (ИБП РАН) | Биореактор с мембранным устройством газового питания микроорганизмов |
| RU2580646C1 (ru) * | 2015-08-03 | 2016-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ГИПРОБИОСИНТЕЗ" | Ферментационная установка для метанассимилирующих микроорганизмов |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111836898A (zh) * | 2018-03-30 | 2020-10-27 | 英威达纺织（英国）有限公司 | 用于在连续有氧发酵中控制溶解氧浓度的方法 |
| CN111836898B (zh) * | 2018-03-30 | 2024-02-23 | 英威达纺织（英国）有限公司 | 用于在连续有氧发酵中控制溶解氧浓度的方法 |
| US12065636B2 (en) | 2018-03-30 | 2024-08-20 | Inv Nylon Chemicals Americas, Llc | High hydrogen utilization and gas recycle |
| US12338428B2 (en) | 2018-03-30 | 2025-06-24 | Inv Nylon Chemicals Americas, Llc | Materials and methods for managing aerobic gas fermentation |
| US11999943B2 (en) | 2018-05-02 | 2024-06-04 | Inv Nylon Chemicals Americas, Llc | Materials and methods for maximizing biosynthesis through alteration of pyruvate-acetyl-CoA-TCA balance in species of the genera ralstonia and cupriavidus and organisms related thereto |
| US12060596B2 (en) | 2018-05-02 | 2024-08-13 | Inv Nylon Chemicals Americas, Llc | Materials and methods for controlling limitation conditions in product biosynthesis for non-PHB generating species of the genera Ralstonia or Cupriavidus and organisms related thereto |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2644344C1 (ru) | Биологический реактор для превращения газообразных углеводородов в биологически активные соединения | |
| RU2580646C1 (ru) | Ферментационная установка для метанассимилирующих микроорганизмов | |
| RU2607782C1 (ru) | Биореактор для выращивания метанутилизирующих микроорганизмов | |
| EA008157B1 (ru) | Система культивирования клеток | |
| RU2728193C1 (ru) | Ферментер и ферментационная установка для непрерывного культивирования микроорганизмов | |
| CN106520552A (zh) | 一种细胞培养生物反应器 | |
| KR101401565B1 (ko) | 수소생산미생물을 이용한 수소생산장치 및 수소생산방법 | |
| CN102864068B (zh) | 一种快速筛选培养厌氧氨氧化微生物菌群装置 | |
| RU2415913C1 (ru) | Биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода и стерилизации газового питания | |
| RU2743581C1 (ru) | Ферментационная установка для культивирования метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus | |
| RU2596396C1 (ru) | Биореактор с мембранным устройством газового питания микроорганизмов | |
| US9732312B2 (en) | Method and device for feeding gases or gas mixtures into a liquid, suspension or emulsion in a reactor in a specific manner | |
| CN107098469B (zh) | 一种厌氧反应器 | |
| WO2016092073A1 (en) | Coupled systems of aeration, agitation and heat exchange for the culture of microorganisms in single use bioreactors | |
| KR100852936B1 (ko) | 산소수 제조장치 | |
| CN210394377U (zh) | 一种厌氧菌培养系统 | |
| RU2762273C2 (ru) | Установка для получения биомассы аэробных микроорганизмов | |
| ES2914725T3 (es) | Sistemas y métodos de fermentación aeróbica | |
| KR101635452B1 (ko) | 중공사막 모듈 및 이를 포함하는 기액 물질 전달 장치 | |
| RU2585666C1 (ru) | Аппарат для культивирования метанокисляющих микроорганизмов | |
| RU2446205C1 (ru) | Биореактор вытеснения с мембранным устройством подвода газового питания | |
| RU2769129C1 (ru) | Ферментационная установка для культивирования метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus | |
| WO1990002170A1 (en) | Membrane bioreactor | |
| CN203238251U (zh) | 具有新型曝气装置的微藻养殖池 | |
| RU2768390C1 (ru) | Реактор ступенчатый для аэробного биосинтеза и способ работы ступенчатого реактора для аэробного биосинтеза |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20210125 |
|
| PD4A | Correction of name of patent owner |