RU2644344C1 - Biological reactor for transforming gas-hydrogen hydrocarbons to biologically active compounds - Google Patents
Biological reactor for transforming gas-hydrogen hydrocarbons to biologically active compounds 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
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
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.The invention relates to equipment of fermentation processes for the conversion of gaseous hydrocarbons into biologically active compounds and can be used in the microbiological, food, medical, agricultural industries and in research practice.
Известна «Ферментационная установка для метанассимилирующих микроорганизмов» (патент RU 2580646 от 10.04.2016).The well-known "Fermentation unit for methane-assimilating microorganisms" (patent RU 2580646 from 04/10/2016).
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.The installation contains a column fermenter for carrying out aerobic cultivation processes and two reactors connected by pipelines of gas and liquid process streams, the fermenter comprising a casing, in the upper part of which there is an exhaust gas outlet pipe and a pipe for supplying nutrient salts and process water, feed components and seed biosuspension, in the lower part there is a nozzle for introducing a gas-liquid stream into the fermenter from the reactors and a nozzle for withdrawing the biosuspension from the fermenter to the reactor each reactor contains a nozzle for selecting a gas-liquid flow to the fermenter installed below the level of the culture fluid in the reactor, a disk stirrer with a drive installed at the level of the culture fluid in the reactor, a biosuspension feed pipe from the fermenter to the reactor, the first reactor contains a feed pipe connected at the top methane-containing gas, the second reactor contains an oxygen-containing gas supply pipe connected in the upper part, while the fermenter further comprises means for maintaining temperature, a means of maintaining the pH of the medium, a means of maintaining the level of dissolved oxygen, at least one off-gas analyzer, and the agitator drive in each reactor is equipped with a power measurement sensor connected via a logic controller to flow regulators of incoming gas flows and to control supply valves liquids to each reactor. The saturation of the working fluid with methane and oxygen is carried out in separate reactors, and the cultivation of microorganisms is carried out in a column fermenter, while the volume of the column fermenter is an order of magnitude greater than the total volume of 2 reactors.
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.The liquid saturated with methane in the first reactor and the liquid saturated with oxygen in the second reactor are pumped through pipelines to the column fermenter. In the fermenter, the liquids are mixed with the formation of a nutrient medium for the propagation of microorganisms.
Предлагаемое решение имеет существенные недостатки.The proposed solution has significant drawbacks.
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.Since the main energy substrate — methane and oxygen — is consumed by microorganisms in a mixture of dissolved gases, and the working fluid in the reactors is saturated with methane and oxygen separately, the liquid in the reactors cannot be a nutrient medium for cultivated microorganisms. In addition, microorganisms in the reactor volume will be in a transition process, which will delay the growth of microorganisms in the fermenter and, as a result, reduce the productivity of the installation.
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.The working fluid in the reactors is saturated with gases under high pressure and mixing with disk mixers, the operation of which is accompanied by the formation of fine foam, which negatively affects the metabolic processes in the working fluid and the allocation of target products.
Для привода мешалок применяют электродвигатели, а для гашения пены используют поверхностно-активные вещества, что повышает себестоимость производимых продуктов.Electric motors are used to drive the mixers, and surfactants are used to extinguish the foam, which increases the cost of manufactured products.
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.During the flow of gas-saturated liquids through pipelines, due to pressure differences in reactors and pipelines, partial degassing of liquids occurs with the formation of free bubbles of methane and oxygen, which reduces the concentration of dissolved gases in the working fluid entering the fermenter.
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.At the inlet of the fermenter, liquids saturated with dissolved gases are mixed with the formation of a nutrient medium that is actively consumed by multiplying microorganisms, and free bubbles of methane and oxygen rise into the gas cavity of the fermenter and accumulate in it with the formation of an explosive mixture.
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.The volume of fluid coming from the reactors to the fermenter is several times smaller than the volume of the working fluid in the fermenter, and therefore the zone of active growth of microorganisms in the fermenter will be measured by the volume of the fluid of the two reactors, and the rest of the volume of the working fluid in the fermenter will be inefficient.
По совокупности негативных признаков описанная установка не обладает заявленными преимуществами.In terms of the totality of negative signs, the described installation does not have the declared advantages.
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.The well-known "Bioreactor displacement with a membrane gas supply device" (patent RU 2446205 C1), comprising a cylindrical body, a cover, a bottom, a gas distribution device, gas-permeable polymer tubular membranes mounted along the axis of the housing, a heat exchanger pipe mounted inside the housing along its central axis, a gas supply pipe located in the cavity of the heat exchanger and connected to the gas distribution device, and a screw perforated surface with gas-permeable membranes.
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.The bioreactor begins with purging the membranes with working gas, after which the removal of working gas from the membranes is stopped, and the gas pressure in the membranes is increased to a predetermined value. As the concentration of cells increases, the gas pressure in the membranes increases.
Массообмен в биореакторе осуществляют протоком культуральной жидкости, по винтовой линии, перпендикулярно поверхностям мембран, что, по мнению авторов, способствует повышению производительности биореактора.Mass transfer in the bioreactor is carried out by the flow of culture fluid, along the helix, perpendicular to the surfaces of the membranes, which, according to the authors, helps to increase the productivity of the bioreactor.
Биореактор имеет ряд недостатков:The bioreactor has several disadvantages:
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.The gas distribution device is made in the form of a screw perforated surface, through the holes in which tubular membranes are passed. This design is metal-intensive and difficult to manufacture. In the process of the flow of the culture fluid through the bioreactor, due to the high resistance and lack of turbulence, zones with a zero flow velocity of the liquid are formed, which leads to the autolysis of microorganisms and a decrease in the productivity and quality of the target products.
Теплообменник установлен по оси биореактора, что в условиях недостаточного перемешивания культуральной жидкости приводит к образованию градиента температур, снижающего производительность биореактора.The heat exchanger is installed along the axis of the bioreactor, which under conditions of insufficient mixing of the culture fluid leads to the formation of a temperature gradient that reduces the productivity of the bioreactor.
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.Fermentation processes proceed with the formation of a stable foam enriched in producing microorganisms, which is removed from the bioreactor in the exhaust gas stream to the atmosphere, which leads to a violation of the technological regulations, loss of biomass and a decrease in bioreactor productivity.
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.Fermentation processes are controlled by the rate of carbon dioxide production, which is possible only under strict aseptic conditions. In violation of aseptic conditions in the bioreactor, the concentration of carbon dioxide increases due to the respiratory activity of extraneous microflora and cannot be used to control fermentation processes.
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.The bioreactor does not provide conditions for the implementation of microbiological processes using gases that form explosive mixtures, for example, the cultivation of hydrogen-oxidizing or methane-oxidizing microorganisms, which significantly reduces the scope of the bioreactor.
Известен «Биореактор с мембранным устройством газового питания микроорганизмов» (патент RU 2596396 от 10.08.2016).The well-known "Bioreactor with a membrane device for the gas supply of microorganisms" (patent RU 2596396 from 08/10/2016).
Биореактор содержит корпус, крышку, днище, теплообменник, газораспределительное устройство, коллектор метана, газопроницаемые полимерные мембраны метана, патрубки и трубопроводы для протока рабочих жидкостей и газов.The bioreactor contains a housing, a cover, a bottom, a heat exchanger, a gas distribution device, a methane collector, gas-permeable polymer methane membranes, pipes and pipelines for the flow of working liquids and gases.
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.The bioreactor also contains an aerator, gas-liquid separator, guide plates, diffuser, pump, bacterial filters for supply and exhaust gases, sensors: pH, T ° C and liquid level, exhaust gas damper, O 2 and CO 2 flow meters, CH 4 pressure regulator, analyzer flue gas CH 4 , O 2 , CO 2 and control device.
Теплообменник биореактора выполнен в виде теплообменной рубашки, закрепленной на корпусе реактора;The bioreactor heat exchanger is made in the form of a heat exchange jacket mounted on the reactor vessel;
- газораспределительное устройство снабжено диффузором, направляющим поток аэрирующего воздуха в зазоры между газопроницаемыми мембранами;- the gas distribution device is equipped with a diffuser, directing the flow of aerating air into the gaps between the gas-permeable membranes;
- газожидкостный разделитель выполнен в виде емкости и снабжен датчиком уровня рабочей жидкости;- gas-liquid separator is made in the form of a tank and is equipped with a sensor for the level of the working fluid;
- аэратор выполнен в виде распылительной форсунки и размещен в полости диффузора;- the aerator is made in the form of a spray nozzle and placed in the cavity of the diffuser;
- в качестве аэратора используют дисковый аэратор фирмы Matala, Австралия.- as an aerator use a disk aerator company Matala, Australia.
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.A significant drawback of this bioreactor is the design of a gas distribution device, the dissolution of methane and oxygen in which is carried out in spaced and incommensurable volumes of the working fluid, and the mixing of the liquids is carried out with air bubbles obtained after dissolving air oxygen in a small volume of the diffuser of the gas distribution device.
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.Under these conditions, the active phase of consumption by a microorganism of a mixture of dissolved methane and oxygen will be limited by the small volume of the working fluid displaced from the diffuser under the influence of a gas lift. Further mixing of the volume of the working fluid saturated with methane in the absence of dissolved oxygen will be a transient low-productivity process.
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.Methane, which in the absence of dissolved oxygen is not consumed by microorganisms, but is discharged into the atmosphere, increasing the degree of explosion hazard of the apparatus, continues to flow into the ballast volume of the liquid, which makes up most of the working volume of the apparatus.
Стерилизация биореактора проводится с существенными потерями водяного пара, который из теплообменной рубашки отводится в канализацию.Sterilization of the bioreactor is carried out with significant losses of water vapor, which from the heat exchange jacket is discharged into the sewer.
Терморегулирование рабочей жидкости осуществляется вводом острого водяного пара в теплообменную рубашку, что приводит к локальному перегреву рабочей жидкости и снижает качество продуктов ферментации.Thermal control of the working fluid is carried out by introducing sharp water vapor into the heat exchange jacket, which leads to local overheating of the working fluid and reduces the quality of the fermentation products.
В результате работы описанного газораспределительного устройства и теплообменника реактор имеет низкую производительность, низкую экономичность и высокую степень взрывоопасности.As a result of the operation of the described gas distribution device and heat exchanger, the reactor has low productivity, low efficiency, and a high degree of explosion hazard.
Цель изобретенияThe purpose of the invention
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.Increasing the productivity, efficiency and explosion safety of a biological reactor due to the homogeneous dissolution of feed gases in the working fluid, which are the main energy substrate, while significantly reducing feed gas consumption, eliminating the formation of explosive volumes of a methane-oxygen mixture in the reactor and intensifying heat and gas exchange in the working fluid.
Поставленная цель достигается тем, что реактор, содержащий:This goal is achieved in that the reactor containing:
- 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,- fermentation tank, aerator, heat exchanger, tubular gas-permeable membrane for methane, gas-liquid separator, exhaust gas analyzer, temperature sensor, pH sensor, pump for pumping the working fluid, methane pressure reducer, liquid level sensor, bacterial filter of exhaust gases, aseptic connectors, control device ,
дополнительно содержит:Additionally contains:
- трубчатую газопроницаемую мембрану для воздуха с функцией аэратора;- tubular gas permeable membrane for air with aerator function;
- редуктор давления воздуха, установленный на входе в трубчатую газопроницаемую мембрану для воздуха;- an air pressure reducer installed at the entrance to the tubular gas permeable membrane for air;
- ресивер воздуха, снабженный датчиком давления воздуха и клапаном для слива конденсата и сообщенный с выходом трубчатой газопроницаемой мембраны для воздуха;- an air receiver equipped with an air pressure sensor and a valve for draining the condensate and in communication with the outlet of the tubular gas-permeable membrane for air;
- ресивер метана, снабженный датчиком давления метана и клапаном для слива конденсата и сообщенный с выходом трубчатой газопроницаемой мембраны для метана;- a methane receiver equipped with a methane pressure sensor and a condensate drain valve and in communication with the outlet of the tubular gas permeable membrane for methane;
- насос перекачки воды в теплообменнике;- water transfer pump in the heat exchanger;
- нагреватель воды, установленный в теплоомбеннике;- a water heater installed in the heat meter;
- змеевик охлаждения отработанных газов, установленный в газожидкостном разделителе,- exhaust gas cooling coil installed in a gas-liquid separator,
при этом:wherein:
- 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;- tubular membranes for methane and air are placed across the entire volume of the fermentation tank parallel to one another and with a gap between them for a free flow of working fluid;
- трубчатые мембраны могут быть изготовлены из физиологически инертного газопроницаемого эластомера СКТН (каучук синтетический термостойкий низкомолекулярный СКТН, ГОСТ 13835-73).- tubular membranes can be made of a physiologically inert gas-permeable elastomer SKTN (synthetic rubber heat-resistant low molecular weight SKTN, GOST 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.The biological reactor according to the invention is schematically shown in the attached drawing and contains a fermentation tank 1, a
Работа реактораReactor operation
К штуцеру 40 подключают источник метана.To the fitting 40 connect a source of methane.
К штуцеру 41 подключают источник воздуха.An air source is connected to the fitting 41.
К штуцеру 42 подключают источник раствора кислоты или щелочи.A
К штуцерам 43-44 подключают источник холодной воды.To the fittings 43-44 connect a source of cold water.
К штуцеру 45 подключают источник питательного раствора.To the fitting 45 connect the source of the nutrient solution.
К штуцеру 46 подключают приемник продуктов ферментации.A fermentation product receiver is connected to the fitting 46.
От прибора управления 47:From control unit 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.Open the
Открывают клапан 34.Open the
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.The nutrient solution under the action of the
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:Water enters the heat exchanger 3 through the fitting 43 and the
- температуру стерилизации раствора;- solution sterilization temperature;
- время стерилизации раствора;- solution sterilization time;
- температуру охлаждения раствора.- solution cooling temperature.
С помощью прибора управления 47 применяют алгоритм «Стерилизация». С применением алгоритма «Стерилизация» закроется клапан 28, откроется клапан 30 и включится нагреватель 4.Using the
Вода в теплообменнике 3 начнет нагреваться с одновременным вытеснением воздуха из рубашки теплообменника 3 через открытый клапан 29 в канализацию.The water in the heat exchanger 3 will begin to heat up while displacing the air from the jacket of the heat exchanger 3 through an
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.When the water temperature reaches 100 ° C by the
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.The heating of the nutrient solution will be accompanied by the removal of the vapor-air mixture from the fermentation tank 1, through a gas-liquid separator 11, a
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.After the specified sterilization time has passed, the
Перед проведением ферментационного процесса:Before carrying out the fermentation process:
На редукторе 5 задают исходное давление метана.On the gearbox 5 set the initial pressure of methane.
На редукторе 7 задают исходное давление воздуха.On the gearbox 7 set the initial air pressure.
К штуцеру 45 асептического разъема 18 подключают источник посевной культуры микроорганизмов.A source of inoculum culture of microorganisms is connected to the fitting 45 of the
Закрывают клапан 34.
Открывают клапан 36.Open the
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.Through the operation of the
На приборе 47 задают:On the
- верхнее давление метана в ресивере 10,- upper methane pressure in the
- нижнее давление метана в ресивере 10,- lower methane pressure in the
- верхнее давление воздуха в ресивере 9,- upper air pressure in the receiver 9,
- нижнее давление воздуха в ресивере 9,- lower air pressure in the receiver 9,
- верхнее значение pH рабочей жидкости,- the upper pH of the working fluid,
- нижнее значение pH рабочей жидкости,- lower pH value of the working fluid,
- температуру рабочей жидкости,- temperature of the working fluid,
- число циклов перезагрузки ресивера 10,- the number of reset cycles of the
- время слива продуктов ферментации,- time of discharge of fermentation products,
и применяют алгоритм «Процесс».and apply the algorithm "Process".
По алгоритму «Процесс»:According to the "Process" algorithm:
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.Methane and air are introduced into the membranes 6, 8 under excess pressure given on the gears 5, 7, which flow through the tubular membranes and are pumped into the
При достижении заданных давлений газов в ресиверах 10, 9, сработают датчики 22 23 и клапаны 25, 26 закроются.Upon reaching the specified gas pressures in the
Откроется клапан 30.
Холодная вода протекает через змеевик 12 и отводится в канализацию.Cold water flows through the
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.Under the action of the
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.Methane and air through the gas-permeable surfaces of the membranes 6, 8 enter the working fluid and saturate the working fluid with the formation of a mixture of dissolved gases, ensuring homogeneous multiplication of microorganisms in the reactor volume.
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.The metabolism of microorganisms involves methane, oxygen and carbon dioxide. Methane enters the working fluid through the wall of the tubular membrane for methane, and oxygen and carbon dioxide enter the working fluid through the wall of the tubular membrane for air.
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.Since oxygen and carbon dioxide occupy only 21% of the composition of atmospheric air, and the rest of the gas is nitrogen, which is not consumed by microorganisms, it is released from the working fluid in the form of gas bubbles and enhances the mixing of the working fluid flowing through the annular gaps of the membranes.
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.As a result of the respiration of breeding microorganisms, exhaust gases are released, which are displaced from the fermentation tank 1 into a separator 11, separated from the liquid, cooled by a
При охлаждении отработанных газов змеевиком 12 образуется конденсат, который из разделителя 11 насосом 16 отводится в ферментационную емкость 1.When the exhaust gases are cooled by the
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.The pH value of the working fluid is maintained by the
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.When microorganisms consume methane and oxygen and when exhaust gases are removed from the fermentation tank 1, the pressure of methane and air in the
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.Each cycle of methane loading into the
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.The
Клапан 38 используется при полном сливе воды из теплообменника 3.
Эффективность работы биологического реактора согласно изобретениюThe efficiency of the biological reactor according to the invention
Обеспечивается повышение качественных показателей реактора, которое достигается за счет комплексного применения новых технологических и конструкторских решений данного изобретения.This provides an increase in the quality of the reactor, which is achieved through the integrated application of new technological and design solutions of this invention.
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.The dissolution of the feed gases in the cultivation medium is carried out by means of a tubular membrane for methane, which is placed parallel to the tubular membrane for air and close to one another in a fermentation tank with the formation of multiple annular channels for the free flow of working fluid. Both tubular membranes are made of a physiologically inert material with high molecular gas permeability and heat resistance, which ensures homogeneous propagation of microorganisms in the volume of the fermentation tank, prevents the penetration of foreign microorganisms into the working fluid, reduces the energy costs of gas dissolution, and increases the aseptic and explosion-proof reliability of the reactor.
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.Tubular membranes for methane and air occupy the entire volume of the fermentation tank, are parallel to one another and with a gap between them for the free flow of the working fluid, which ensures the dissolution of methane and oxygen in the working fluid with the formation of a mixture of feed gases homogeneously distributed throughout the volume of the fermentation tank .
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.Gases emitted by microorganisms during cultivation, as well as N 2 , CO 2 gases, which are not an energy substrate and make up 79% of atmospheric air, are used for bubble mixing of the working fluid in the annular channels of the membranes for methane and for atmospheric air.
Трубчатые мембраны могут быть изготовлены, например, из эластомера СКТН (каучук синтетический термостойкий низкомолекулярный СКТН, ГОСТ 13835-73).Tubular membranes can be made, for example, from SKTN elastomer (synthetic heat-resistant low molecular weight rubber SKTN, GOST 13835-73).
Управление ферментационным процессом осуществляют по заданному объему потребленного метана, что позволяет поддерживать качество получаемых продуктов при каждом порционном сливе.The control of the fermentation process is carried out according to a given volume of methane consumed, which allows you to maintain the quality of the products obtained with each portion discharge.
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.The rate of replacement of the working fluid with a nutrient solution, as well as the purging of the working fluid with nitrogen from aerating air, maintains the concentration of dissolved carbon dioxide released by microorganisms during the fermentation process at a level that is not toxic for the multiplication of microorganisms.
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.Equipping the heat exchanger with a heater, a temperature sensor and a pump for circulating mixing of the coolant can significantly reduce energy losses during sterilization of equipment and nutrient solutions and improve the quality of thermal regulation of the working fluid in the fermentation process.
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.The reactor is made in the form of an autoclave, which can significantly reduce energy costs, intensify heat transfer and, thereby, significantly reduce the time for sterilization of equipment and nutrient solutions.
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.New conditions for the implementation of fermentation processes in a biological reactor do not depend on the geometric shape and size of the reactor during scaling and significantly expand the scope of the biological reactor.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016142237A RU2644344C1 (en) | 2016-10-26 | 2016-10-26 | Biological reactor for transforming gas-hydrogen hydrocarbons to biologically active compounds |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016142237A RU2644344C1 (en) | 2016-10-26 | 2016-10-26 | Biological reactor for transforming gas-hydrogen hydrocarbons to biologically active compounds |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2644344C1 true RU2644344C1 (en) | 2018-02-08 |
Family
ID=61173834
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016142237A RU2644344C1 (en) | 2016-10-26 | 2016-10-26 | Biological reactor for transforming gas-hydrogen hydrocarbons to biologically active compounds |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2644344C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111836898A (en) * | 2018-03-30 | 2020-10-27 | 英威达纺织(英国)有限公司 | Method for controlling dissolved oxygen concentration in continuous aerobic 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 |
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 (en) * | 2009-10-27 | 2011-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Биотехконсалтинг" | Extrusion bioreactor with membrane device for supplying and sterilising gas feed |
RU2446205C1 (en) * | 2010-10-29 | 2012-03-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Биотехконсалтинг" | Displacement bioreactor with membrane gas supply device |
RU2580646C1 (en) * | 2015-08-03 | 2016-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ГИПРОБИОСИНТЕЗ" | Fermentation apparatus for methane-assimilating microorganisms |
RU2596396C1 (en) * | 2015-05-25 | 2016-09-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологического приборостроения с опытным производством Российской Академии наук (ИБП РАН) | Bioreactor with membrane device for gas supply of microorganisms |
-
2016
- 2016-10-26 RU RU2016142237A patent/RU2644344C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2415913C1 (en) * | 2009-10-27 | 2011-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Биотехконсалтинг" | Extrusion bioreactor with membrane device for supplying and sterilising gas feed |
RU2446205C1 (en) * | 2010-10-29 | 2012-03-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Биотехконсалтинг" | Displacement bioreactor with membrane gas supply device |
RU2596396C1 (en) * | 2015-05-25 | 2016-09-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологического приборостроения с опытным производством Российской Академии наук (ИБП РАН) | Bioreactor with membrane device for gas supply of microorganisms |
RU2580646C1 (en) * | 2015-08-03 | 2016-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ГИПРОБИОСИНТЕЗ" | Fermentation apparatus for methane-assimilating microorganisms |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111836898A (en) * | 2018-03-30 | 2020-10-27 | 英威达纺织(英国)有限公司 | Method for controlling dissolved oxygen concentration in continuous aerobic fermentation |
CN111836898B (en) * | 2018-03-30 | 2024-02-23 | 英威达纺织(英国)有限公司 | Method for controlling dissolved oxygen concentration in continuous aerobic fermentation |
US12065636B2 (en) | 2018-03-30 | 2024-08-20 | Inv Nylon Chemicals Americas, Llc | High hydrogen utilization and gas recycle |
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 (en) | Biological reactor for transforming gas-hydrogen hydrocarbons to biologically active compounds | |
RU2607782C1 (en) | Bioreactor for growing methane-recycling microorganisms | |
RU2580646C1 (en) | Fermentation apparatus for methane-assimilating microorganisms | |
EA008157B1 (en) | Cell culture system | |
CN106520552A (en) | Cell culture biological reactor | |
KR101401565B1 (en) | An apparatus for producing hydrogen using microorganism producing hydrogen and A method for producing hydrogen using the same | |
RU2728193C1 (en) | Fermenter and fermentation unit for continuous cultivation of microorganisms | |
RU2743581C1 (en) | Fermentation plant for cultivation of methane-oxidizing bacteria methylococcus capsulatus | |
RU2415913C1 (en) | Extrusion bioreactor with membrane device for supplying and sterilising gas feed | |
RU2596396C1 (en) | Bioreactor with membrane device for gas supply of microorganisms | |
CN102864068B (en) | Device for fast screening and culturing anaerobic ammonia oxidation microbial communities | |
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 (en) | an anaerobic reactor | |
WO2016092073A1 (en) | Coupled systems of aeration, agitation and heat exchange for the culture of microorganisms in single use bioreactors | |
CN210394377U (en) | Anaerobe culture system | |
RU2762273C2 (en) | Installation for producing biomass of aerobic microorganisms | |
KR100852936B1 (en) | Oxygen Water Manufacturing Equipment | |
ES2914725T3 (en) | Aerobic fermentation systems and methods | |
KR101635452B1 (en) | Hollow fiber membrane module and apparatus for gas-liquid mass transfer comprising the same | |
RU2585666C1 (en) | Device for cultivation of methane-oxidising microorganisms | |
RU2446205C1 (en) | Displacement bioreactor with membrane gas supply device | |
CN206843447U (en) | A kind of gravity flow photosynthetic reaction device | |
RU2769129C1 (en) | Fermentation plant for cultivation of methylococcus capsulatus methane-oxidizing bacteria | |
WO1990002170A1 (en) | Membrane bioreactor | |
CN203238251U (en) | Microalgae culture pond with novel aeration device |
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 |