РЕАКТОРЫ, СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ФЕРМЕНТАЦИИ С ПОДАЧЕЙ ГАЗА С ПРИМЕНЕНИЕМ ЗОНЫ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПОТОКА Российский патент 2021 года по МПК C12M1/04 C12M1/34 C12N1/30 

Предшествующий уровень техники

Данное изобретение относится к реакторам, системам и способам, полезным при ферментации, и в частности ферментирующим реакторам, системам и способам, использующим газообразный субстрат.

Описание предшествующего уровня техники

По мере все возрастающего истощения месторождений углеводородов, повышения продукции парниковых газов и последних проблем изменения климата, замещающие биотоплива (например, этанол, биодизель) вместо ископаемого топлива становятся центром внимания промышленности. Однако, биотоплива, получаемые на сегодняшний день, имеют собственные сложности и затруднения. Биотоплива первого поколения получают из растений (например, крахмала; тростникового сахара; и кукурузы, семян рапса, соевых бобов, пальмового дерева и других растительных масел), но данные топливные культуры соперничают с культурами, выращенными для потребления человеком и животными. Количество доступных в мире сельскохозяйственных участков недостаточно для удовлетворения потребности и в пище и в топливе. Для восстановления потребности производителей пищевых продуктов в зерновых культурах, подходящих для биотоплива, разрабатывают биотоплива второго поколения, применяющие альтернативный биологический материал, такой как целлюлоза или водоросли. Однако технические сложности при производстве наряду с высокой стоимостью продукции не делают биотоплива второго поколения более экономичными или доступными.

Биотоплива третьего или следующего поколения получают при помощи альтернативного непищевого углеродного сырья. Как часть данного усилия, применение альтернативного небиологического сырья при производстве соединений высших углеводородов, включая топлива, смазки, и пластики все возрастает. Такое сырье может включать одно или более углеродсодержащее соединение или смеси углеродсодержащего и не содержащего углерод соединений, которые включают среди прочего метан и сингаз. Метан, например, относительно распространен, имеет природное происхождение и обнаружен во многих местах мира. Также метан образуется во время многих процессов биологического разложения и, таким образом, может быть получен при удалении отходов и на площадках хранения отходов. Из-за своей относительной распространенности метан является потенциальным парниковым газом, оказывающий в 23 раза больший эффект в качестве парникового газа, чем CO₂. Исторически метан рассматривали в качестве, в некоторой степени, ценного побочного продукта, который сложно преобразовать в продукты с большей ценностью или транспортировать к месту продажи из труднодоступных или трудноразрабатываемых локаций, таких как труднодоступные газовые месторождения или добывающие платформы в открытом море. Метан из таких источников, а также метан, полученный в результате процессов биологического разложения, происходящих в канализационных очистных сооружениях и свалках, как правило, или отводят или сжигают. Способность экономично и эффективно превращать метан и сходные углеродсодержащие газы в один или более углеводород с большим числом C₂ или высшие углеводороды, позволит производителям в полной мере воспользоваться относительно обильным непродуцируемым биологически исходным сырьем, в то же время, обеспечивая существенную пользу для окружающей среды.

Увеличение внутренней продукции метана делает метан более доступным для использования на внутреннем рынке. Природный газ внутри страны в основном получают посредством гидравлического разрыва пласта («фрэкинг»), но метан также может быть получен из других источников, таких как места захоронения отходов и канализационные стоки. Но летучесть метана делает транспортировку и/или непосредственное применение метана в виде топлива проблематичным.

В виду этого существуют серьезные причины для превращения метана в один или более жидкий продукт, например, моторное топливо, чтобы сделать более легкой транспортировку к месту применения или продажи. В настоящее время применяют два основных подхода: сжижение, приводящее к сжиженному природному газу (СПГ) и химическое превращение газа в жидкость (газо-жидкостная конверсия, ГЖК) (Patel, 2005, 7th World Congress of Chemical Engineering, Glasgow, Scotland, UK). Способ Фишера-Тропша (F-T) в настоящее время является наиболее распространенным подходом к превращению большого количества метана в углеводороды более высокого порядка (Patel, 2005). Следует отметить, что при способе F-T в качестве входящего материала применяют сингаз; сингаз получают из природного газа посредством парового риформинга (сингаз также может быть получен в результате газификации угля, за счет высокотемпературной реакции воды и кислорода). Способ F-T дает выход нефтепродуктов сопоставимый с сегодняшними уровнями обеспечения энергоресурсами, но имеет ряд недостатков, включая низкие выходы, малую селективность (необходимость в комплексе для последующей переработки), и требует существенных капитальных вложений и масштабирования для достижения экономичного производства (Spath and Dayton, December 2003 NRELlTP-510-34929). Огромный масштаб, требуемый для производства способом F-T (обычно превышающий два миллиарда долларов по капитальным расходам [Patel, 2005]) также представляет существенное ограничение из-за большого количества исходного метанового сырья, требуемого для возмещения огромных капитальных затрат при применении способа F-T. Поскольку транспортировка метана чрезмерно дорога, в большинстве случаев такое производство должно быть расположено совместно со стабильным, безопасным и экономически выгодным источником метана, обычно в виде значительного резервуара с метаном или метанового трубопровода. Дополнительная стоимость и масштабный коэффициент являются экономическими аспектами газоочистных технологий (Spath and Dayton, 2003), поскольку катализаторы F-T весьма чувствительны к распространенным загрязнениям, обнаруживаемым в природном газе, которые проходят неизменными через процесс преобразования сингаза.

Требования для непосредственного доступа к большим объемам относительно чистого метансодержащего газа, в сочетании с массивными вложениями капитала, существенно ограничивают природный газ на основе производства F-T для успешного и экономически целесообразного производства только в нескольких местах в мире (Spath and Dayton, 2003). Высокие минимальные требования для процесса газо-жидкостной конверсии или производства сжиженного природного газа в сочетании с высокой стоимостью транспорта, приводят к меньшему числу источников метана, остающимся в виде «труднодоступных» месторождений газа. Такой труднодоступный газ может включать, но не ограничиваясь, естественный газ, получаемый в нефтяных скважинах на шельфе или отходящий метан с полигонов для захоронения отходов. Из-за существующего отсутствия технологий эффективной мелкомасштабной конверсии, газ из таких труднодоступных источников обычно выпускают в атмосферу или сжигают, поскольку накопление метана создает существенную угрозу для безопасности. Производственные площадки для газожидкостной конверсии, применяющие способ Фишера-Тропша, эксплуатируются полунепрерывно с 1938. Некоторые компании в настоящее время исследуют введение новых производств, учитывая существующую доступность и стоимость метана, обсуждаемые выше. Однако, несмотря на значительное исследование и развитие в течение более чем 70 с лишним лет, ограничения технологии Фишера-Тропша препятствуют широкому внедрению коммерческого способа газожидкостной конверсии.

Прогресс в эффективности утилизации животного сырья был достигнут за последние несколько десятилетий за счет применения кормовых добавок. Данные добавляемые вещества увеличивают содержание питательных веществ, калорийность и/или свойства сопротивляемости болезням состава кормов для животных. Все возрастающими трудностями для производителей животных является подорожание зерна. Увеличение стоимости отчасти обусловлено разнонаправленными требованиями к зерновым для биотоплива и применения в пищу человеком. Ввиду увеличения стоимости зерна и белковых добавок наряду с ограничением земли, доступной для производства кормов, желательны альтернативные корма для животных с низкой стоимостью с предпочтительными питательными свойствами и свойствами увеличения сопротивляемости болезням.

Ряд различных белоксодержащих материалов был предложен в качестве заменителей для более традиционных источников белка, таких как рыбная мука, соевые продукты и плазма крови, в пищевых продуктах для человека и кормах для животных. Данные белок содержащие материалы включают одноклеточные микроорганизмы, такие как грибы, дрожжи и бактерии, которые содержат высокие пропорции белка. Данные микроорганизмы могут расти на углеводороде или других субстратах.

Принимая во внимание вышеизложенное, биологическая ферментация с применением C₁-субтратов в качестве источника углерода представляет собой привлекательное решение как существующей конкуренции между источниками пищи и ферментации для производства химических веществ/топлива, потребности в животных кормах с низкой стоимостью, а также недостаток возможностей утилизации природного газа. Однако ферментация газообразных субстратов, таких как метан, CO или CO₂ представляет существенные экономические проблемы из-за необходимости того, что углеродный субстрат должен быть переведен из газовой фазы в водную чтобы сделать возможным захват и метаболизирование C₁-нефотосинтетическими микроорганизмами в культуре. В тоже самое время другие газы, такие как O₂ или H₂, также может быть необходимо, перевести из газовой фазы, чтобы сделать возможным клеточный метаболизм (аэробный или анаэробный метаболизм, соответственно). Отходы производства (такие как CO₂ в случае аэробного метаболизма) должны быть изолированы от микроорганизмов для эффективного микробного роста. Более того, выделение тепла в результате метаболизма C₁-субстратов является существенным, и система требует охлаждения для поддержания оптимальных условий микробного роста.

Конвективный массоперенос из жидкой фазы в газообразную может быть описан при помощи коэффициента массопереноса. Поток эквивалентен произведению коэффициента массопереноса, площади поверхности и разницы концентраций (Поток = k A ΔC).

На коэффициент массопереноса влияют различные факторы, включая размер молекулы подлежащей переносу, ее растворимость в водной фазе и размер пограничного слоя между фазами (обычно контролируемого в ферментационной системе за счет скорости перемешивания и турбулентности). Площадь поверхности между газообразной и жидкой фазами в большинстве ферментационных систем ограничена в основном размерами пузырька входящего газа. Размер пузырька можно контролировать за счет введения газа через небольшие поры, а также повышения поперечной силы для разделения пузырьков на части и предупреждения коалесценции. Разница концентраций может представлять собой разницу концентраций по сторонам пограничного слоя газообразной фазы, разницу концентраций по сторонам пограничного слоя жидкой фазы, разницу концентраций между всем объемом пара и паром, который будет находиться в равновесии со всем объемом жидкости, или разницу концентраций между всем объемом жидкости и жидкостью, которая будет находиться в равновесии со всем объемом пара. В большинстве ферментационных систем разницу концентраций контролируют посредством давления газообразной фазы.

Обычные ферментационные системы (биореакторы) достигают перемешивания газов одним из двух способов: перемешивание или воздушный барботаж. Ферментеры с перемешиванием достигают перемешивания за счет перемешивающих лопастей, обычно расположенных по центру в едином большом ферментере. Перемешивающие лопасти создают турбулентность и сдвиг в жидкости при том, что пузырьки газа входят в районе дна ферментера; таким образом, препятствуя передвижению пузырьков, поскольку они движутся вверх ферментера и сдвиг пузырьков газа для снижения тенденции пузырьков к коалесценции внутри ферментера. Преимуществом данного типа ферментера является быстрое относительно гомогенное перемешивание и дисперсия пузырьков газа, которая возможна в результате высокой скорости перемешивающих лопастей. Однако данный тип ферментера может быть сложен для масштабирования, поскольку энергетические требования для получения такой же скорости перемешивания и транспорта массы могут препятствовать увеличению объема. Более того интенсивное перемешивание означает существенное нагревание ферментационной жидкости, и применение единого большого ферментера ограничивает площадь поверхности доступную для охлаждения посредством теплообмена.

Ферментеры с аэрирующим устройством избегают механических мешалок за счет создания потока жидкости. Ферментеры с аэрирующим устройством имеют участки нисходящих и восходящих потоков, которые взаимосвязаны на обоих концах; данные участки могут или представлять собой отдельные части (называемый петельный ферментер) или концентрические (ферментер с аэрирующим устройством). В обоих случаях газ подают на дне восходящего участка через аппарат образующий пузырьки. Пузырьки смешиваются с жидкостью, снижая плотность жидкости и способствуя поднятию смеси газ-жидкость через участок восходящего потока. Поднимающаяся смесь вытесняет жидкость в верхней части реактора, которая перемещается вниз по участку нисходящего потока, замещая жидкость на дне, устанавливая круговое течение в ферментере. С целью достижения длительного времени нахождения пузырьков в жидкости ферментеры с аэрирующим устройством обычно высокие и имеют ограниченную площадь поверхности. Это значит, что газ должен подаваться при относительно высоком давлении для преодоления гидростатического давления, формируемого столбом жидкости, присутствующей в ферментере. Кроме того, размер пузырьков существенно увеличивается на протяжении ферментера, поскольку давление снижается с высотой. Увеличивающийся диаметр пузырьков пропорционально снижает скорость массопереноса между пузырьками газа и жидкой фазы за счет снижения соотношения площади пузырьков газа (пропорционально квадрату радиуса пузырька газа) к объему пузырька газа (пропорционально кубу радиуса пузырька газа) через который может происходить массоперенос. Скорости потока и сдвиговые силы в ферментерах с аэрирующим устройством существенно ниже, чем в ферментерах с перемешиванием, которые также имеют тенденцию к повышению коалесценции пузырьков и снижению эффективности охлаждения ферментера. И наконец, отделение неиспользованного и отработанного газов от смеси выходящей из верхней части ферментера перед возвращением жидкости в нижнюю часть может быть проблематичным.

Петлевые реакторы описаны в патенте США No. 7,575,163 и предложены для ферментирующих микроорганизмов, например, для образования биомассы или для получения материалов, продуцируемых микроорганизмами. Фигура 1 иллюстрирует один петлевой реактор 1, включающий зону удаления выходящего газа 2, который направляется в вертикальную нисходящую зону 3. Зона удаления выходящего газа 2 включает выпускное отверстие 7 и аварийное вентиляционное отверстие 8. Вертикальная нисходящая зона 3 включает входное отверстие для питающего газа 15. Пропеллерная мешалка 10, движимая мотором 11, способствует циркуляции жидкой культуральной среды через петлевой реактор. Выше пропеллерной мешалки 10 расположено выходное отверстие 12 для удаления материала из петлевого реактора. Ниже пропеллерной мешалки 10 расположены входные отверстия для аммиака и минеральных веществ 17 и 18. Жидкая культуральная среда 9 проходит через множество статических смесителей 14 в горизонтальной части 4 петлевого реактора. Горизонтальная часть петлевого реактора также включает множество входных отверстий для питающего газа 13. Ниже последнего статического смесителя 14, петлевой реактор включает участок вертикального восходящего потока 5. Верхний конец вертикального восходящего участка 5 жидкостно сообщается с горизонтальной зоной оттока 6. Вертикальный восходящий участок 5 обеспечен входным отверстием для питающего газа 16. Выше входного отверстия для питающего газа 16 расположено входное отверстие вытесняющего газа 19, через которое вытесняющий газ поступает в жидкую культуральную среду. Патент 7,575,163 описывает петлевой реактор, проиллюстрированный на фигуре 1, обладающий перепадом высот между поверхностью газ-жидкость 22 в конце зоны оттока 6 и центральной линией петли в горизонтальной части, который составляет по меньшей мере 10 метров.

Петлевые реакторы типа, описанного в патенте 7,575,163, могут требовать относительно больших наземных площадей и зданий, имеющих достаточный объем для вмещения всего или частей таких реакторов. Пространство и строительный объем, требуемые для петлевого реактора, не могут быть применены другим образом. Другие биореакторы, не считая петлевых реакторов, также могут занимать относительно большие наземные площади и требовать зданий имеющих достаточный объем для вмещения всего или частей таких реакторов. С повышением реальной стоимости недвижимости, стоимость пространства, занимаемого биореакторами, становится обременительной. Уменьшение наземной площади и объема, занимаемого биореакторами, без ухудшения рабочих характеристик биореактора, будет снижать тяжесть повышающейся стоимости земли и стоимости строительства.

Краткое описание изобретения

В одном аспекте настоящее изобретение описывает системы, способы и аппараты для эффективного массоперноса газообразных субстратов для микробиологической ферментации. Кроме того данное изобретение описывает системы, способы и аппараты для ферментации газообразных углеродсодержащих исходных продуктов с применением культуры, в основном содержащей нефотосинтетческие микроорганизмы, метаболизирующие C₁. В других аспектах данное изобретение описывает системы, способы и аппараты для ферментации газообразных исходных продуктов при помощи других нежели нефотосинтетических микроорганизмов, метаболизирующих C₁. В еще одном аспекте данное изобретение описывает масштабируемые дизайны ферментера для создания возможности массопереноса газообразной фазы интенсивного потока в жидкую фазу. Желательны системы и способы ферментации, которые преодолевают недостатки, известные в области техники, и обеспечивают население новыми способами и устройствами для оптимального производства различных продуктов.

В таких ферментационных системах могут быть применены один или более видов микроорганизмов, способных метаболизировать газообразные соединения; например, C₁-соединения. Такие микроорганизмы включают прокариоты или бактерии, такие как Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium, Methanomonas, Methylophilus, Methylobacillus, Methylobacterium, Hyphomicrobium, Xanthobacter, Bacillus, Paracoccus, Nocardia, Arthrobacter, Rhodopseudomonas или Pseudomonas. В некоторых случаях C₁-метаболизирующие микроорганизмы могут включать метанотрофов, метилотрофов или их комбинации. Предпочтительные метанотрофы включают Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium, Methanomonas или их комбинации. Примеры метанотрофов включают Methylomonas sp. 16a (ATCC PTA 2402), Methylosinus trichosporium (NRRL B-11, 196), Methylosinus sporium (NRRL B-11, 197), Methylocystis parvus (NRRL B-11, 198), Methylomonas methanica (NRRL B-5 11,199), Methylomonas alb us (NRRL B-11 ,200), Methylobacter capsulatus (NRRL B-11,201), Methylobacterium organophilum (ATCC 27,886), Methylomonas sp. AJ-3670 (FERM P-2400), Methylomicrobium alcaliphilum, Methylocella silvestris, Methylacidiphilum infernorum, Methylibium petroleiphilum, Methylosinus trichosporium OB3b, Methylococcus capsulatus Bath, Methylomonas sp. 16a, Methylomicrobium alcaliphilum 20Z или их быстрорастущие варианты. Предпочтительные метилотрофы включают Methylobacterium extorquens, Methylobacterium radiotolerans, Methylobacterium populi, Methylobacterium chloromethanicum, Methylobacterium nodulans или их комбинации.

Микроорганизмы способные метаболизировать C₁-соединения обнаруживаемые в сингазе, включают, но не ограничиваясь Clostridium, Moorella, Pyrococcus, Eubacterium, Desulfobacterium, Carboxydothermus, Acetogenium, Acetobacterium, Acetoanaerobium, Butyribacterium, Peptostreptococcus или их комбинации. Примеры метилотрофов включают Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahli, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxydivorans, Butyribacterium methylotrophicum, Clostridium woodii, Clostridium neopropanologen или их комбинации. В некоторых случаях C₁-метаболизирующие микроорганизмы являются эукариотами, такими как дрожжи, включая Candida, Yarrowia, Hansenula, Pichia, Torulopsis или Rhodotorula.

В других случаях C₁-метаболизирующий нефотосинтетический микроорганизм является облигатным C₁-метаболизирующим нефотосинтетическим микроорганизмом, таким как облигатный метанотроф, облигатный метилотроф или их комбинация. В некоторых случаях C₁-метаболизирующий нефотосинтетический микроорганизм представляет собой рекомбинантный микроорганизм, содержащий гетерологичный полинуклеотид, кодирующий фермент, продуцирующий жирную кислоту, фермент, ассимилирующий формальдегид или их комбинации.

Кроме того или альтернативно вышесказанному настоящее изобретение описывает следующие воплощения. Первое воплощение направлено на систему для стимуляции продукции биомассы, включая петлевой реактор, петлевой реактор, включающий: газожидкостный сепаратор для разделения многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды на газообразную и жидкую фазу, газожидкостный сепаратор, включающий выходное и входное отверстия; петлевой участок, включающий входное отверстие, сообщающееся по току жидкости с выходным отверстием газожидкостного сепаратора и выходное отверстие, сообщающееся по току жидкости с входным отврестием газожидкостного сепаратора; по меньшей мере одну по существу горизонтальную зону между входным отверстием петлевого участка и выходным отверстием петлевого участка; первую зону по существу вертикального потока, первую зону по существу вертикального потока, расположенную между входным отверстием петлевого участка и выходным отверстием петлевого участка; и вторую зону по существу вертикального потока, вторую зону по существу вертикального потока, расположенную между первой зоной по существу вертикального потока и выходным отверстием петлевого участка, во время работы, многофазная смесь течет через вторую зону по существу вертикального потока и многофазная смесь течет через первую зону по существу вертикального потока в том же направлении.

Второе воплощение, раскрытое в данном документе, направлено на первое воплощение, включающее третью зону по существу вертикального потока, третью зону по существу вертикального потока, расположенную между второй зоной по существу вертикального потока и выходным отверстием петлевого участка, во время работы, многофазная смесь течет через третью зону по существу вертикального потока в том же направлении, что и многофазная смесь, протекающая через первую зону по существу вертикального потока и вторую зону по существу вертикального потока.

Третье воплощение, раскрытое в данном документе, направлено на систему первого и второго воплощений, где массоперенос между газом и жидкой культуральной средой многофазной смеси в по меньшей мере одной по существу горизонтальной зоне во время работы петлевого реактора, характеризуется объемным коэффициентом массопереноса по существу горизонтальной зоны (k_La), массоперенос между газом и жидкой культуральной средой многофазной смеси в первой зоне по существу вертикального потока во время работы реактора, характеризуется объемным коэффициентом массопереноса первой зоны по существу вертикального потока (k_La), и массоперенос между газом и жидкой культуральной средой многофазной смеси во второй зоне по существу вертикального потока во время работы реактора характеризуется объемным коэффициентом массопереноса второй зоны по существу вертикального потока (k_La), где по меньшей мере один из объемных коэффициентов массопереноса первой зоны по существу вертикального потока (k_La) и второй зоны по существу вертикального потока (k_La) от двух до пяти раз больше, чем коэффициент массопереноса по существу горизонтальной зоны (k_La).

Четвертое воплощение, раскрытое в данном документе, направлено на систему стимуляции продукции биомассы, включающую петлевой реактор, петлевой реактор, включающий: газожидкостный сепаратор для разделения многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды на газообразную и жидкую фазы, газожидкостный сепаратор, включающий выходное и входное отверстия; петлевую часть, включающую входное отверстие, сообщающееся по току жидкости с выходным отверстием газожидкостного сепаратора и выходное отверстие, сообщающееся по току жидкости с входным отверстием газожидкостного сепаратора; первую по существу горизонтальную зону между входным отверстием петлевой части и выходным отверстием петлевой части, первую по существу горизонтальную зону, включающую первый участок потока, где во время работы петлевого реактора многофазная смесь течет в первом направлении и второй участок потока, где во время работы реактора многофазная смесь течет во втором направлении, отличном от первого направления; вторую по существу горизонтальную зону между входным отверстием петлевого участка и выходным отверстием петлевого участка, вторую по существу горизонтальную зону, включающую третий участок потока, во время работы петлевого реактора многофазная смесь течет в третьем направлении и четвертый участок потока, где во время работы петлевого реактора многофазная смесь течет в четвертом направлении, отличном от третьего направления; и по меньшей мере одну зону по существу вертикального потока между первой по существу горизонтальной зоной и второй по существу горизонтальной зоной.

Пятое воплощение, раскрытое в данном документе, направлено на четвертое воплощение, где первая по существу горизонтальная зона петлевого участка включает пятый участок потока, где во время петлевого реактора многофазная жидкость течет в пятом направлении, отличном от первого направления потока в первом участке потока, и отличном от второго направления потока во втором участке потока.

Шестое воплощение, раскрытое в данном документе, направлено на четвертое и пятое воплощения, где вторая по существу горизонтальная зона петлевого участка включает шестой участок потока, где во время петлевого реактора многофазная жидкость течет в шестом направлении, отличном от третьего направления потока в третьем участке потока, и отличном от четвертого направления потока в четвертом участке потока.

Седьмое воплощение, раскрытое в данном документе, направлено на воплощения с четвертого по шестое, где массоперенос между газом и жидкой культуральной средой многофазной смеси в первой по существу горизонтальной зоне во время работы реактора характеризуется объемным коэффициентом массопереноса первой по существу горизонтальной зоны (k_La), масооперенос между газом и жидкой культуральной средой многофазной смеси во второй по существу горизонтальной зоне во время работы петлевого реактора характеризуется объемным коэффициентом массопереноса второй по существу горизонтальной зоны (k_La), и массоперенос между газом и жидкой культуральной средой многофазной смеси в по меньшей мере одной по существу вертикальной зоне во время работы реактора петлевого реактора, характеризуется объемным коэффициентом массопереноса по существу вертикальной зоны потока (k_La), где объемный коэффициент массопереноса зоны по существу вертикального потока (k_La) от двух до пяти раз больше, чем по меньшей мере один из объемных коэффициентов массопереноса первой по существу горизонтальной зоны (k_La) и объемного коэффициента массопереноса второй по существу горизонтальной зоны (k_La).

Восьмое воплощение, раскрытое в данном документе, направлено на способ стимуляции продукции биомассы в петлевом реакторе, включающий пропускание многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды через первую зону по существу вертикального потока петлевого реактора; в первой зоне по существу вертикального потока перенос газа многофазной смеси к жидкой культуральной среде многофазной смеси; пропускание многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды через по существу горизонтальную зону петлевого реактора; в по существу горизонтальной зоне перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси; пропускание многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды через вторую зону по существу вертикального потока петлевого реактора; во второй зоне по существу вертикального потока перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси; разделение многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды на газообразную фазу и жидкую фазу ниже второй зоны по существу вертикального потока; пропускание газообразной фазы и жидкой фазы, отделенных от мульфтифазной смеси газа и жидкой культуральной среды в газожидкостный сепаратор через входное отверстие газожидкостного сепаратора; и удаление жидкой фазы из выходного отверстия газожидкостного сепаратора и передача удаленной жидкой фазы к входному отверстию петлевого реактора, к входному отверстию петлевой части петлевого реактора, пропускание многофазной смеси через вторую зону по существу вертикального потока и пропускание многофазной смеси через первую зону по существу вертикального потока в том же направлении.

Девятое воплощение, раскрытое в данном документе, направлено на восьмое воплощение, включающее этапы пропускания многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды через третью зону по существу вертикального потока петлевого реактора, пропускание многофазной смеси через третью зону по существу вертикального потока в том же направлении, что и пропускание многофазной смеси через первую зону по существу вертикального потока и вторую зону по существу вертикального потока, и в третьей зоне по существу вертикального потока, перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси.

Десятое воплощение, описанное в данном документе, направлено на восьмое и девятое воплощения, где перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси в первой зоне по существу вертикального потока происходит при объемном коэффициенте массопереноса первой зоны по существу вертикального потока (k_La), перенос газа многофазной системы в жидкую культуральную среду многофазной системы в по существу горизонтальной зоне происходит при объемном коэффициенте массопереноса по существу горизонтальной зоны (k_La), и перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси во второй зоне по существу вертикального потока происходит при объемном коэффициенте массопереноса второй зоны по существу вертикального потока (k_La), где по меньшей мере один из объемного коэффициента массопереноса первой зоны по существу вертикального потока (k_La) и объемного коэффициента массопереноса второй зоны по существу вертикального потока (k_La) от двух до пяти раз больше, чем объемный коэффициент массопереноса по существу горизонтальной зоны (k_La).

Одиннадцатое воплощение, описанное в данном документе, направлено на воплощения с восьмого по десятое, где перенос газа от многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси в третьей зоне по существу вертикального потока происходит при объемной коэффициенте массопереноса третьей зоны по существу вертикального потока (k_La), где объемный коэфициент массопереноса третьей зоны по существу вертикального потока (k_La) от двух до пяти раз больше, чем объемный коэффициент массопереноса по существу горизонтальной зоны (k_La).

Двенадцатое воплощение, описанное в данном документе, направлено на способ стимуляции продукции биомассы в петлевом реакторе, включающий пропускание многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды через первую по существу горизонтальную зону петлевого реактора; в первой по существу горизонтальной зоне перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси, протекание многофазной смеси в первом направлении через первый участок потока первой по существу горизонтальной зоны и протекание многофазной смеси во втором направлении через второй участок потока первой по существу горизонтальной зоны, первом направлении, отличном от второго направления; пропускание многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды через зону с по существу вертикальным потоком петлевого реактора и в зоне по существу вертикального потока перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси; пропускание многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды через вторую по существу горизонтальную зону петлевого реактора; во второй по существу горизонтальной зоне, перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси, протекание многофазной смеси в третьем направлении через третий участок потока второй по существу горизонтальной зоны и протекание многофазной смеси в четвертом направлении через четвертый участок потока второй по существу горизонтальной зоны, третье направление отлично от четвертого направления; разделение многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды на газообразную фазу и жидкую фазу ниже второй по существу горизонтальной зоны; пропускание газообразной фазы и жидкой фазы, отделенной от многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды в газожидкостном сепараторе через входное отверстие газожидкостного сепаратора, и удаление жидкой фазы из выходного отверстия газожидкостного сепаратора и доставка удаленной жидкой фазы к входному отверстию петлевой части петлевого реактора.

Тринадцатое воплощение, описанное в данном документе, направлено на двенадцатое воплощение, где пропускание многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды через первую по существу горизонтальную зону дополнительно включает протекание многофазной смеси в пятом направлении через пятый участок потока первой по существу горизонтальной зоны, пятое направление отличном от первого направления и отлично от второго направления потока во втором участке потока.

Четырнадцатое воплощение, описанное в данном документе, направлено на двенадцатое и тринадцатое воплощения, где пропускание многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды через вторую по существу горизонтальную зону дополнительно включает протекание многофазной смеси в шестом направлении через шестой участок потока второй по существу горизонтальной зоны, шестое направление отлично от третьего направления потока во втором участке потока и отлично от четвертого направления потока в четвертом участке потока.

Пятнадцатое воплощение, описанное в данном документе, направлено на воплощения с двенадцатого по четырнадцатое, где перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси в первой по существу горизонтальной зоне происходит при объемной коэффициенте массопереноса первой по существу горизонтальной зоны (k_La), перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси в зоне по существу вертикального потока происходит при объемном коэффициенте массопереноса зоны по существу вертикального потока (k_La), и перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси во второй по существу горизонтальной зоне происходит при объемном коэффициенте массопереноса второй по существу горизонтальной зоны (k_La), где объемный коэффициент массопереноса зоны по существу вертикального потока (k_La) от двух до пяти раз больше, чем по меньшей мере один из объемного коэффициента массопереноса первой по существу горизонтальной зоны (k_La) и объемного коэффициента массопереноса второй по существу горизонтальной зоны (k_La).

Шестнадцатое воплощение, описанное в данном документе, направлено на воплощения с четвертого по седьмое, где вторая зона горизонтального потока пересекает первую зону горизонтального потока.

Семнадцатое воплощение, описанное в данном документе, направлено на воплощения с двенадцатого по пятнадцатое, где пропускание многофазной смеси через вторую зону горизонтального потока 504 включает пропускание многофазной смеси во вторую зону горизонтального потока через первую зону горизонтального потока 502.

Краткое описание графических материалов

На фигурах размеры и относительные расположения элементов фигур необязательно вычерчены в масштабе. Например, различные элементы и углы не вычерчены в масштабе, и некоторые из этих элементов произвольно увеличены и расположены для лучшей читаемости изображения. Более того, отдельные формы элементов, как на чертеже, не предназначены для передачи какой-либо информации, относящейся к действительной форме отдельных элементов, и выбраны лишь для облегчения распознавания на чертежах.

На фигуре 1 приведено схематическое изображение петлевого реактора предшествующего уровня техники, включающего вертикальный участок восходящего потока из зоны оттока, где происходит дегазация.

На фигуре 2 приведена блок-схема примера петлевого реактора для стимуляции продукции биомассы и необязательных подсистем согласно одному или более проиллюстрированным и описанным воплощениям.

На фигуре 3 приведен схематический вид примера системы для стимуляции продукции биомассы, которая полезна при ферментации газообразного субстрата, включающая первую зону потока и вторую зону потока согласно одному или более проиллюстрированным и/или описанным воплощениям.

На фигуре 4А приведен схематический вид примера системы для стимуляции продукции биомассы, которая полезна при ферментации газообразного субстрата, включающая первую зону по существу вертикального потока и вторую зону по существу вертикального потока согласно одному или более проиллюстрированному и/или описанному воплощению.

На фигуре 4B приведен схематический вид примера системы для стимуляции продукции биомассы, которая полезна при ферментации газообразного субстрата, включающая первую зону по существу вертикального потока и вторую зону по существу вертикального потока согласно одному или более, проиллюстрированным и/или описанным воплощениям.

На фигуре 4С приведен схематический вид примера системы для стимуляции продукции биомассы, которая полезна при ферментации газообразного субстрата, включающей первую зону по существу вертикального потока, вторую зону по существу вертикального потока и третью зону по существу вертикального потока согласно одному или более проиллюстрированным и/или описанным воплощениям.

На фигуре 4D приведен схематический вид примера системы для стимуляции продукции биомассы, которая полезна для ферментации газообразного субстрата, включающая первую зону по существу вертикального потока, вторую зону по существу вертикального потока и третью зону по существу вертикального потока согласно одному или более, проиллюстрированному и/или описанному воплощению.

На фигуре 5 приведен схематический вид примера системы для стимуляции продукции биомассы, которая полезна при ферментации газообразного субстрата, включающая первую по существу горизонтальную зону понижения давления, вторую по существу горизонтальную зону понижения давления и зону по существу вертикального потока согласно одному и/или более проиллюстрированным и/или описанным воплощениям.

На фигуре 6 приведена высокоуровневая блок-схема процесса ферментации, который включает протекание многофазной смеси через множество зон по существу вертикального потока петлевого реактора согласно одному или более проиллюстрированному и/или описанному воплощению.

На фигуре 7 приведена высокоуровневая блок-схема процесса ферментации, включающего протекание многофазной смеси через зону по существу вертикального потока и множество по существу горизонтальных зон согласно одному или более проиллюстрированному и/или описанному воплощению.

Подробное описание изобретения

В нижеследующем описании определенные характерные детали приведены для обеспечения полного понимания различных воплощений. Однако специалисты в области техники поймут, что данное изобретение может быть осуществлено на практике без данных деталей. В других случаях структуры, схема стандартных деталей резервуара, подробные параметры схемы доступных компонентов, таких как распределители жидкости или газа, насосы, турбины и подобные, детали, связанные со схемой и конструкцией резервуаров высокого давления Американского общества инженеров-механиков (ASME), теория управляющих систем, конкретные этапы в одном или более процессе ферментации и т.п. не приведены или описаны подробно, чтобы избежать чрезмерно запутанных описаний упомянутых воплощений. Если контекст не подразумевает иное, на протяжении описания и последующей формулы изобретения слово «содержит» и его вариации, такие как «содержат» и «содержащий» следует толковать в открытом исчерпывающем смысле, т.е. «включая, но не ограничиваясь». Более того, заголовки в данном документе приведены исключительно для удобства и не ограничивают объем или смысл заявленного изобретения.

Ссылки на протяжении данного описания на «одно воплощение» или «воплощение» означают, что характерная особенность, структура или характеристика, описанные в данной связи с данным воплощением включена в по меньшей мере одно воплощение. Таким образом, появление фраз «в одном воплощении» или «в воплощении» в различных местах данного изобретения не обязательно все относятся к одному и тому же воплощению. Более того, конкретные признаки, структуры или характеристики могут быть скомбинированы любым приемлемым способом в одном или более воплощений. Также как используется в данном описании и прилагаемой формуле изобретения, формы единственного числа включают множество ссылок, если контекст ясно не указывает на иное. Следует отметить, что термин «или» обычно применяют в его смысле, включающем «и/или», если контекст явно не указывает на обратное.

Ферментация относится к объемному росту микроорганизмов на среде для выращивания с целью получения конкретного химического продукта, который может быть применен сам по себе или обработан до полезного продукта. Ферментация может быть проведена при аэробных или анаэробных условиях. Примеры ферментации включают, ферментацию, которая превращает углеродсодержащие газы, такие как метан и сингаз в газообразные или жидкие углеводороды с более длинными цепями, которые могут быть восстановлены и применены в продукции биопластиков, углеводородного топлива и белков.

Ферментеры обычно определены в качестве любого сосуда, в котором происходит процесс ферментации. Учитывая огромное количество ферментационных процессов и широкий спектр ферментируемых субстратов, ферментеры можно ранжировать от простых проточных химических реакторов с мешалкой, применяемых в ликеро-водочной промышленности до весьма сложных и специализированных резервуаров, имеющих газораспределение и внутренние элементы, рассчитанные на конкретный субстрат и/или конкретные биологические виды. Ферментеры, полезные при превращении углеродсодержащих газов, таких как метан и сингаз (смесь CO и H₂) в газообразные и жидкие углеводороды с более длинными цепями, обычно диспергируют газообразный субстрат, содержащий C₁-углеродное соединение в жидкой среде, содержащей одно или более питательное вещество для обеспечения многофазной смеси. Данная многофазная смесь поступает к одной или более микробной колонии, которая превращает часть C₁-углеродного соединения(ий) в газообразный субстрат для более предпочтительных соединений с более длинными цепями, C₂ или выше. Композиция субстрата, питательных веществ и микроорганизмов, составляющих колонию (т.е. биомасса внутри ферментера), могут быть по-разному скорректированы или приспособлены для обеспечения желаемой конечной матрицы C₂ или более высоких соединений, которые могут присутствовать в жидком, газообразном или внутриклеточном материале.

Ферментеры полезные при утилизации углеродсодержащих газов, таких как метан и сингаз (смесь CO и H₂) в качестве субстрата для культивирования одноклеточных микроорганизмов, таких как грибы, дрожжи и бактерии, которые содержат высокие доли белков, обычно диспергируют газообразный субстрат, содержащий C₁-углеродное соединение внутри жидкой среды, содержащей одно или более питательных веществ для обеспечения многофазной смеси. Данная многофазная смесь контактирует с одной или более микробиологическими колониями, которые превращают часть C₁-углеродного соединения(ий) в газообразном субстрате в белки. Композиция субстрата, питательных веществ и микроорганизмов, составляющих колонию (т.е биомасса внутри ферментера) может по-разному скорректированы или приспособлены для обеспечения желаемой конечной матрицы белок-содержащей биомассы.

Исходя из перспективы массопереноса, ферментеры с газообразным субстратом представляют особую проблему тем, что данный субстрат захватывается газовыми пузырьками, и для того чтобы произошел захват субстрата микроорганизмами, газовый субстрат должен сначала пройти от пузырька газа к микроорганизму или напрямую или опосредовано через растворение в жидкой среде. Таким образом, такие процессы ферментации часто ограничены способностью системы усиливать и/или поддерживать желаемый высокий уровень массопереноса субстрата от пузырьков газа к микробиологическим организмам внутри ферментера. По меньшей мере скорость массопереноса от пузырька газа в окружающую жидкую среду или к микроорганизмам представляет собой зависимость давления газа внутри пузырька газа, соотношения объема к площади поверхности пузырька газа и времени контакта пузырька газа с окружающей жидкостью или микроорганизмами. Повышение давления внутри пузырька газа или увеличение времени контакта пузырька газа с окружающей жидкостью или микроорганизмами приводит к более высокой скорости массопереноса между субстратом и микроорганизмами. Снижение отношения объема к площади поверхности пузырька газа (т.е. диаметру пузырьков газа) приводит к более высокой скорости массопереноса между пузырьком газа и окружающей жидкостью. Предпочтительные ферментеры с точки зрения массопереноса, таким образом, будут генерировать большое число пузырьков газа относительно небольшого диаметра при относительно невысоком давлении, находящихся в тесном или непосредственном контакте с окружающей жидкостью или микроорганизмами в течение продолжительного периода времени.

Изобретение, раскрытое в данном документе представляет собой ряд систем, способов и устройств ферментации, которые способны обеспечить относительно небольшой диаметр, относительно высокое давление пузырьков газа. Изобретение, раскрытое в данном документе представляет собой ряд систем, способов и устройств ферментации, способных обеспечить более длительное время контакта с окружающей жидкой средой и/или биологическим организмом(ми). Такие системы, способы и устройства фрементации могут преимущественно обеспечить высокоэффективную систему ферментации газообразного субстрата, которая может быть в частности полезна при переводе C₁-соединений в более предпочтительные газообразные, жидкие и внутриклеточные C₂- и более высокие соединения или стимулировании роста микроорганизмов, содержащих доли пропорции белка.

Как употреблено в данном документе, термины «C₁-субстрат» или «C₁-соединение» относятся к любой углеродсодержащей молекуле или композиции, которая утрачивает связь углерод-углерод. Примеры C₁-молекул или композиций включают метан, метанол, формальдегид, муравьиную кислоту или ее соль, монооксид углерода, диоксид углерода, сингаз, метиламины (например, монометиламин, диметиламин, триметиламин), метилтиолы или метилгалогены.

Как употреблено в данном документе, термин «микроорганизм» относится к любому микроорганизму, обладающему способностью использовать газообразный субстрат в качестве источника энергии или его единственного источника энергии и биомассы, и может использовать или не использовать другие углеродные субстраты (такие как сахара и комплексные углеводороды) для энергии и биомассы. Примеры микроорганизмов, как употреблено в данном документе, включают гетеротрофные бактерии Ralstonia sp. (ранее Alcaligenes acidovorans) DB3 (штамм NCIMB 13287), Brevibacillus agri (ранее Bacillus firmus) DB5 (штамм NCIMB 13289) и Aneurinibacillus sp. (ранее Bacillus brevis) DB4 (штамм NCIMB 13288), который каждый имеют оптимум роста при температуре приблизительно 45°C. Ralstonia sp. DB3 представляют собой грам-отрицательные, аэробные, подвижные палочки, относящиеся к семейству Pseudomonadaceae, которые могут использовать этанол, ацетат, пропионат и бутират для роста. Aneurinibacillus sp. DB4 представляют собой грамотрицательные, эндоспороформирующие, аэробные палочки, относящиеся к роду Bacillus, которые способны утилизировать ацетат, D-фруктозу, D-маннозу, рибозу и D-тагатозу. Brevibacillus agri DB5 представляет собой грамотрицательные, эндоспороформирующие, подвижные аэробные палочки рода Bacillus, которые могут утилизировать ацетат, N-ацетил-глюкозамин, цитрат, глюконат, D-глюкозу, глицерол и маннитол. Приемлемые дрожжи для применения в процессах по изобретению могут быть выбраны из группы, состоящей из Saccharomyces и Candida.

При желании процессы, описанные в данном документе, могут быть осуществлены при помощи бактерий (или дрожжей), генетически модифицированных таким образом, что они образуют желаемое химическое соединение, которое затем может быть экстрагировано из межклеточной жидкости или биомассы, извлеченной из реактора. Научная и патентная литература содержит ряд примеров таких генетически модифицированных микроорганизмов, включая, в том числе метанотрофных бактерий.

В по меньшей мере одном случае в соответствии с описанными в данном документе воплощениями, микроорганизмы, применяемые для ферментации газообразного углеродсодержащего сырья, представляют собой культуру, в основном содержащую C₁-метаболизирующий нефотосинтетический микроорганизм. Такие ферментационные системы могут применять один или более видов C₁-метаболизирующих микроорганизмов, которые являются прокариотами или бактериями, такими как Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium, Methanomonas, Methylophilus, Methylobacillus, Methylobacterium, Hyphomicrobium, Xanthobacter, Bacillus, Paracoccus, Nocardia, Arthrobacter, Rhodopseudomonas или Pseudomonas. В некоторых случаях С₁-метаболизирующие бактерии могут включать метанотрофа или метилотрофа. Предпочтительные метанотрофы включают Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium, Methanomonas или их комбинации. Примеры метанотрофов включают Methylomonas sp. 16a (ATCC PTA 2402), Methylosinus trichosporium (NRRL B-11,196), Methylosinus sporium (NRRL B-11, 197), Methylocystis parvus (NRRL B-11, 198), Methylomonas methanica (NRRL B-5 11,199), Methylomonas alb us (NRRL B-ll ,200), Methylobacter capsulatus (NRRL B-11,201), Methylobacterium organophilum (ATCC 27,886), Methylomonas sp. AJ-3670 (FERM P-2400), Methylomicrobium alcaliphilum, Methylocella silvestris, Methylacidiphilum infernorum, Methylibium petroleiphilum, Methylosinus trichosporium OB3b, Methylococcus capsulatus Bath, Methylomonas sp. 16a, Methylomicrobium alcaliphilum 20Z или их быстро растущие варианты. Предпочтительные метилотрофы включают Methylobacterium extorquens, Methylobacterium radiotolerans, Methylobacterium populi, Methylobacterium chloromethanicum, Methylobacterium nodulans или их комбинации.

Также могут быть применены микроорганизмы способные метаболизировать C₁-соединения, обнаруженные в сингазе, включая, но не ограничиваясь, Clostridium, Moorella, Pyrococcus, Eubacterium, Desulfobacterium, Carboxydothermus, Acetogenium, Acetobacterium, Acetoanaerobium, Butyribacterium, Peptostreptococcus или их комбинации. Примеры метилотрофов включают Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahli, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxydivorans, Butyribacterium methylotrophicum, Clostridium woodii, Clostridium neopropanologen или их комбинации. В некоторых случаях C₁-метаболизирующие микроорганизмы представляют собой эукариот, такие как дрожжи, включая Candida, Yarrowia, Hansenula, Pichia, Torulopsis или Rhodotorula.

В других случаях C₁-метаболизирующий нефотосинтетический микроорганизм представляет собой облигатный C₁-метаболизирующий нефотосинтетический микроорганизм, такой как облигатный метанотроф или метилотроф. В некоторых случаях C₁-метаболизирующий нефотосинтетический микроорганизм представляет собой рекомбинантный микроорганизм, содержащий гетерологичный полинуклеотид, кодирующий фермент, продуцирующий жирную кислоту, фермент ассимилирующий формальдегид или их комбинацию.

Как употреблено в данном документе, термины «C₁-метаболизирующий микроорганизм» или «C₁-метаболизирующий нефотосинтетический микроорганизм» относятся к любому микроорганизму, обладающему способностью использовать одноуглеродный (C₁) субстрат в качестве источника энергии или его единственного источника энергии и биомассы, и может использовать или не использовать другие углеродные субстраты (такие как сахара и комплексные углеводороды) для энергии и биомассы. Например, C₁-метаболизирующий микроорганизм может окислять С₁-субстрат, такой как метан или метанол. C₁-метаболизирующие микроорганизмы включают бактерии (такие как метанотрофы и метилотрофы) и дрожжи. В по меньшей мере некоторых случаях C₁-метаболизирующий микроорганизм не включает фотосинтетический микроорганизм, такой как водоросли. В некоторых воплощениях C₁-метаболизирующий микроорганизм будет представлять собой «облигатный C₁-метаболизирующий микроорганизм», что означает, что его единственным источником энергии являются C₁-субстраты и ничего больше.

Как используется в данном документе, термин «метилотрофная бактерия» относится к любой бактерии, способной окислять органические соединения, не содержащие углерод-углеродных связей. В конкретных воплощениях метилотрофные бактерии могут представлять собой метанотрофов. Например, «метанотрофная бактерия» относится к любой метилотрофной бактерии, способной окислять метан в качестве своего основного источника углерода и энергии. Примеры метанотрофных бактерий включают Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis, Methylomicrobium или Methanomonas. В некоторых других воплощениях метилотрофная бактерия представляет собой «облигатную метилотрофную бактерию», которая относится к бактерии, которая ограничена использованием C₁ субстратов для получения энергии.

В одном конкретном воплощении изобретения процесс осуществляют при помощи метанотрофных бактерий типа описанного в WO 02/18617 для получения каротиноидов, например, антераксантина, адониксантина, астаксантина, кантаксантина, зеаксантина и других каротиноидов, упомянутых на страницах 39 и 40 WO 02/18617. С этой точки зрения метанотрофная бактерия Methylomonas 16a (ATCC PTA 2402) может быть особо приемлемой к применению. Каратиноиды, продуцируемые таким образом, могут быть отделены от жидкой культуральной среды, как описано в WO 02/18617, WO 02/20728 и WO 02/20733.

Как употреблено в данном документе термин «сингаз» относится к смеси, включающей по меньшей мере монооксид углерода (CO) и водород (H₂). В по меньшей мере некоторых случаях сингаз также может включать CO₂, метан и другие газы в меньших количествах относительно CO и H₂. Сингаз может быть получен при помощи любого доступного способа, включая, но не ограничиваясь, конверсию водяного пара или процесс газификации угля.

Как используется в данном документе термин «рост» определен в качестве любого увеличения клеточной массы. Увеличение может происходить за счет деления клеток (репликации) и образования новых клеток в течение «сбалансированного роста» или в течение «несбалансированного роста», когда клеточная масса повышается из-за накопления одного или более внутриклеточных или межклеточных полимеров, таких как конкретные липиды. В последнем случае рост может проявляться в виде увеличения размера клеток из-за накопления биополимера внутри клетки. В течение «сбалансированного клеточного роста» все сырье (доноры электронов и акцепторы электронов) и все питательные вещества присутствуют в соотношениях, необходимых для получения всех макромолекулярных компонентов клеток. Иными словами отсутствие сырья или питательных веществ, ограничивает синтез белков, комплексных углеводных полимеров, жиров или нуклеиновых кислот. Для сравнения в течение «несбалансированного роста» сырье или питательные вещества, необходимые для синтеза одной или более клеточных макромолекул не присутствует в достаточном количестве или соотношении необходимом для сбалансированного роста. Соответственно данное сырье или питательные вещества становятся лимитирующими и рассматриваются в качестве «лимитирующего питательного вещества».

Тем не менее, некоторые клетки могут достигать чистого роста при несбалансированных условиях, но рост является несбалансированным и химические вещества, которые могут быть синтезированы в отсутствии лимитирующего сырья или питательного вещества будут накапливаться. Данные химические вещества включают полимеры, такие как липиды или внутриклеточные запасные вещества, например, полигидроксиалканоаты (ПГА), включающие полигидроксибутират (ПГБ), полигидроксивалерат (ПГВ) и полигидроксигексаноат (ПГГ)-гликоген, или секретируемые материалы, такие как внеклеточный полисахарид. Такие химические вещества полезны при продукции биопластиков.

Примеры сбалансированных и несбалансированных условий роста могут отличаться по содержанию азота в среде. Например, азот составляет приблизительно 12 мас. % по сухой клеточной массе, что означает что необходимо подать 12 мг/л азота (наряду с сырьем и другими питательными веществами в требуемых соотношениях) для роста 100 мг/л сухой клеточной массы. В случае если другое сырье и питательные вещества доступны в количествах необходимых для продукции 100 мг/л сухой клеточной массы, но обеспечено менее 12 мг/л, может происходить несбалансированный рост, с накоплением химических веществ, не содержащих азот. Если после этого азот будет обеспечен, запасные химические вещества могут служить сырьем для клеток, делая возможным сбалансированный рост, с репликацией и продуцированием новых клеток.

Как используется в данном документе, термин «цикл роста» при применении к клетке или микроорганизму относится к метаболическому циклу, через который клетка или микроорганизм проходят в условиях культивирования. Например, цикл может включать различные стадии, такие как лаг-фаза, экспоненциальная фаза, конец экспоненциальной фазы и стационарную фазу.

Как используется в данном документе, термин «экспоненциальный рост», «экспоненциальная фаза роста», «логарифмическая фаза» или «логарифмическая фаза роста» относятся к скорости, при которой микроорганизмы растут и делятся. Например, в течение логарифмической фазы микроорганизмы растут с максимальной скоростью, учитывая их генетический потенциал, природу среды и условия роста. Скорость роста микроорганизмов является постоянной в течение экспоненциальной фазы, и микроорганизм делится и удваивается в ряде регулярных интервалов. Клетки, которые являются «активно растущими» представляют собой таковые, которые растут в течение логарифмической фазы. Для сравнения «стационарная фаза» относится к точке ростового цикла, при которой клеточный рост культуры замедляется или даже прекращается.

Как используется в данном документе, термин «быстрорастущий вариант» относится к организму, микроорганизму, бактерии, дрожжам или клетке, способным расти с C₁-субстратом, таким как метан или метанол, в качестве единственного источника углерода и энергии и который имеет на экспоненциальной фазе скорость роста большую, чем родительский, контрольный или дикого типа организм микроорганизм, бактерия, дрожжи или клетка, т.е. быстрорастущий вариант, обладает более быстрым временем удвоения и соответственно скоростью роста и выходом клеточной массы на грамм метаболизированного C₁-субстрата, по сравнению с родительской клеткой (см., например, патент США № 6689601).

Как используется в данном документе, термин «биотопливо» относится к топливу по меньшей мере частично полученному из «биомассы».

Как используется в данном документе, термин «биомасса» или «биологический материал» относится к органическому материалу, имеющему биологическое происхождение, который может включать одну или несколько целых клеток, лизированных клеток, внеклеточный материал или т.п. Например, материал, полученный от культивированных микроорганизмов (например, культуры бактерий или дрожжей) считают биомассой, которая может включать клетки, клеточные мембраны, цитоплазму клеток, тельца включения, продукты, секретируемые и экскретируемые культуральную среду, или любые другие их комбинации. В конкретных воплощениях биомасса содержит C₁-метаболизирующие микроорганизмы данного изобретения вместе со средой, в которой были выращены C₁-метаболизирующие микроорганизмы по данному изобретению. В других воплощениях биомасса содержит C₁-метаболизирующие микроорганизмы (целые, или лизированные или и те и другие) по данному изобретению, восстановленные из культуры, выращенной на C₁ (например, природный газ, метан). В других воплощениях биомасса содержит истощенный супернатант среды или газы, экскретируемые или секретируемые из культуры C₁-метаболизирующего микроорганизма, культивируемого на C₁-субстрате. Такую культуру можно рассматривать в качестве возобновляемого ресурса.

Как используется в данном документе, термин «биорафинирование» относится к производству, которое объединяет процессы превращения биомассы и оборудование для продукции топлива и/или других химических веществ из биомассы.

Как используется в данном документе, «композиция масла» относится к содержанию липидов биомассы (например, бактериальная культура), включая жирные кислоты, сложные эфиры жирных кислот, триглицериды, фосфолипиды, полигидроксиалканоаты, изопрены, терпены или т.п. Масляная композиция биомассы может быть экстрагирована из остальных материалов биомассы, например посредством гексановой или хлороформной экстракции. Кроме того «масляная композиция» может быть обнаружена в любом одном или более участке культуры, включая клеточные мембраны, цитоплазму клеток, внутриклеточные тельца, секретируемые или экскретируемые культуральной средой или любые их комбинации. Масляная композиция не является ни природным газом, ни сырой нефтью.

Как используется в данном документе, термин «переработка» относится к переработке нефти или ее аспектам, при которых масляные композиции (например, биомасса, биотопливо или ископаемое топливо, такое как сырая нефть, уголь или природный газ) могут быть переработаны. Пример процесса, осуществляемого при таких переработках, включает крэкинг, переэтерификацию, риформинг, перегонку, гидроочистку, изомеризацию или любую их комбинацию.

Как используется в данном документе, термин «рекомбинантный» или «ненатуральный» относится к микроорганизму, клетке, молекуле нуклеиновой кислоты или вектору, которые обладают по меньшей мере одним генетическим изменением или модифицированы посредством введения гетерологичной молекулы нуклеиновой кислоты, или относится к клетке, которая была изменена так, что экспрессия эндогенной молекулы нуклеиновой кислоты или гена может быть контролирована. Рекомбинант также относится к клетке, которую получают из клетки, имеющей одну или более таких модификаций. Например, рекомбинантные клетки могут экспрессировать гены или другие молекулы нуклеиновых кислот, которые не обнаружены в идентичной форме внутри нативной клетки (т.е. немодифицированной или клетки дикого типа) или могут обеспечить измененный профиль экспрессии эндогенных генов, таких как гены, которые могут иным способом быть сверхэкспрессированы, менее экспрессированы или минимально экспрессированы или не экспрессированы вовсе. В другом примере генетические модификации молекул нуклеиновых кислот, кодирующих ферменты или их функциональные фрагменты, могут обеспечить биохимическую реакцию(ии) или возможности метаболического пути рекомбинантному микроорганизму или клетке, которая является новой или измененной относительно естественного состояния.

Как используется в данном документе, термин «гетерологичная» молекула нуклеиновой кислоты, конструкция или последовательность относится к молекуле нуклеиновой кислоты или части последовательности молекулы нуклеиновой кислоты, которая не является нативной по отношению к клетке, в которой она экспрессирована или представляет собой молекулу нуклеиновой кислоты с измененной экспрессией по сравнению с нативными уровнями экспрессии в таких же условиях. Например, гетерологичная контрольная последовательность (например, промотор, энхансер) может быть применена для регуляции экспрессии гена или молекулы нуклеиновой кислоты так, что их экспрессия будет отличаться от таковой гена или молекулы нуклеиновой кислоты обычно происходящей в природе или культуре. Обычно гетерологичные молекулы нуклеиновых кислот не являются эндогенными по отношению к клетке или части генома, в которых они присутствуют, и их вводят в клетку посредством конъюгации, трансформации, трансфекции, электропорации или т.п.

Как используется в данном документе, термин «вертикальный» относится к направлению, которое соотнесено с вектором ускорения свободного падения в заданном месте.

Как используется в данном документе, термин «горизонтальный» относится к направлению, перпендикулярному вектору ускорения свободного падения в заданном месте.

Как используется в данном документе «не-вертикальный» относится к направлению, которое является горизонтальным (т.е. перпендикулярным вертикальному) или отклоняется на 20° или более от вертикального, например, более 20°, 25°, 30°, 35°, 40°, 45°, 50°, 55°, 60°, 65°, 70°, 75°, 80° или 85° от вертикального.

Как используется в данном документе, фраза «по существу вертикальный» относится к направлению, которое находится в пределах 20° или менее от вертикального.

Как используется в данном документе фраза, «по существу горизонтальный» относится к направлению, которое находится в пределах 10° или менее от горизонтального.

Системы для ферментации по настоящему изобретению могут включать отдельные установки (например, технологические установки или системы, которые расположены в непосредственной близости или прилегая друг к другу, или нет), интегрированные установки или системы сами по себе могут быть взаимосвязаны и интегрированы. Системы данного изобретения могут применять по меньшей мере одно газообразное сырье, включая одно или более C₁-соединений, кислород и/или водород. В конкретных воплощениях ферментационная система использует C₁-метаболизирующий микроорганизм (например, метанотроф, такой как Methylosinus trichosporium OB3b, Methylococcus capsulatus Bath, Methylomonas sp. 16a, Methylomicrobium alcaliphilum 20Z или их быстрорастущие варианты или комбинации) в качестве основного микроорганизма в ферментационной культуре.

Разнообразные способы культивирования могут быть применены для микроорганизма, бактерий и дрожжей, описанных в данном документе. Например, C₁-метаболизирующие микроорганизмы, такие как метанотрофные или метилотрофные бактерии, могут быть выращены за счет способов периодического и непрерывного культивирования. Обычные клетки в логарифмической фазе часто ответственны за массовую продукцию интересующего продукта или промежуточного соединения, в тоже время продукция в стационарной или постэкспоненциальной фазе может быть получена в других системах.

Классический способ периодического культивирования представляет собой закрытую систему, в которой композицию среды устанавливают при начале культивирования и не изменяют в течение процесса культивирования. То есть, среду осеменяют в начале процесса культивирования при помощи одного или более микроорганизмов выбора и затем оставляют расти без добавления дополнительных микроорганизмов в систему. Как используется в данном документе «периодическая» культура подразумевает неизменное количество изначально добавленного конкретного источника углерода, в тоже время может быть осуществлен контроль факторов, таких как рН и концентрация кислорода и/или водорода, и они могут быть изменены в течение культивирования. В периодических системах композиции метаболитов и биомассы системы постоянно изменяются до окончания времени культивирования. В периодических культурах клетки (например, бактерий, таких как метилотрофы) будут обычно переходить от статичной лаг-фазы к быстрорастущей логарифмической фазе и к стационарной фазе, при которой скорость роста снижена или остановлена (и будет в конечном итоге приводить к гибели клеток, если условия не изменяться).

Периодическая система с подпиткой представляет собой вариант обычной периодической системы, при котором интересующий углеродный субстрат добавляют частями в течение культивирования. Периодические системы с подпиткой полезны в случае, когда клеточный метаболизм, вероятно, ингибирован за счет катаболической репрессии и в случае, когда желательно иметь ограниченные количества субстрата в среде. Поскольку сложно измерить действительную концентрацию субстрата в периодических системах с подпиткой, вычисления проводят на основе изменений измеряемых факторов, таких как рН, растворенный кислород и частичное давление отходящих газов. Способы периодического культивирования и периодического культивирования с подпиткой распространены и известны в области техники (см., например, Thomas D. Brock, Biotechnology: A Textbook of Industrial Microbiology, 2nd Ed. (1989) Sinauer Associates, Inc., Sunderland, MA; Deshpande, 1992, Appl. Biochem. Biotechnol. 36:227).

Непрерывное культивирование представляет собой «открытые» системы в том смысле, что культуральную среду постоянно добавляют в биореактор, в тоже время эквивалентное количество использованной («кондиционной») среды удаляют одновременно в течение обработки. Непрерывное культивирование обычно поддерживают в постоянной высокой плотности в жидкой фазе, где клетки в основном находятся в логарифмической фазе роста. Альтернативно непрерывное культивирование может быть проведено на практике с применением иммобилизованных клеток (например, биопленка), где постоянно добавляют углерод и питательные вещества и ценные продукты, побочные продукты и отходы постоянно удаляют из клеточной массы. Иммобилизация клеток может быть достигнута при применении широкого диапазона твердых носителей, состоящих из природных материалов, синтетических материалов или их комбинации.

Непрерывное или полунепрерывное культивирование позволяет изменять один или более фактор, который влияет на клеточный рост или концентрацию конечного продукта. Например, один способ может поддерживать лимитирующее питательное вещество на фиксированном уровне (например, источник углерода, азот) и делает возможным изменение других параметров с течением времени. В других воплощениях, несколько факторов, влияющих на рост, могут постоянно изменяться наряду с тем, что концентрация клеток, измеренная на основании мутности среды, сохраняется постоянной. Целью системы непрерывного культивирования является поддержание условий стационарного роста, несмотря на утрату клеточного равновесия относительно скорости роста клеток из-за извлечения среды. Способы изменения питательных веществ и ростовых факторов для процессов непрерывного культивирования и способы максимизации скорости образования продукта хорошо известны в области техники (см. Brock, 1992).

В конкретных воплощениях, культуральная среда включает углеродный субстрат в качестве источника энергии для C₁-метаболизирующего микроорганизма. Приемлемые субстраты включают C₁-субстраты, такие как метан, метанол, формальдегид, муравьиная кислота (формат), монооксид углерода, диоксид углерода, метилированные амины (метиламин, диметиламин, триметиламин и т.д.), метилированные тиолы или метилированные галогены (бромметан, хлорметан, йодметан, дихлорметан и т.д.). В определенных воплощениях культуральная среда может содержать единственный C₁-субстрат в качестве единственного источника углерода для C₁-метаболизирующего микроорганизма или может содержать смесь двух или более C₁-субстратов (смешанная C₁-субстратная композиция) в качестве множественных источников углерода для C₁-метаболизирующего микроорганизма.

Кроме того, некоторые C₁-метаболизирующие организмы известны способностью утилизировать не C₁-субстраты, такие как сахар, глюкозамин или ряд аминокислот для метаболической активности. Например, некоторые виды Candida могут метаболизировать аланин или олеиновую кислоту (Sulter et al., Arch. Microbiol. 153:485-489, 1990). Methylobacterium extorquens AM1 способен расти на ограниченном числе C₂, C₃ и C₄ субстратов (Van Dien et al., Microbiol. 149:601-609, 2003). С другой стороны, C₁-метаболизирующий микроорганизм может представлять собой рекомбинантный вариант, обладающий способностью утилизировать альтернативные углеродные субстраты. Следовательно предполагается что источник углерода в культуральной среде может содержать смесь углеродных субстратов с одно- или многоуглеродными соединениями в зависимости от выбранного C₁-метаболизирующего микроорганизма.

В конкретных воплощениях настоящее изобретение предлагает способ получения топлива, предусматривающий превращение биомассы из культуры, содержащей в основном C₁-метаболизирующий нефотосинтетический микроорганизм, в масляную композицию, и переработку масляной композиции в топливо. В конкретных воплощениях C₁-метаболизирующий нефотосинтетический микроорганизм представляет собой облигатный C₁-метаболизирующий нефотосинтетический микроорганизм, такой как облигатный метанотроф или метилотроф. В дальнейших воплощениях C₁-метаболизирующий нефотосинтетический микроорганизм представляет собой рекомбинантный микроорганизм, содержащий гетерологичный полинуклеотид, кодирующий фермент, продуцирующий жирную кислоту, фермент ассимилирующий формальдегид или их комбинацию. В дополнительных воплощениях масляную композицию получают или экстрагируют из клеточной мембраны C₁-метаболизирующего нефотосинтетического микроорганизма, такого как метилотроф или метанотроф.

В конкретных воплощениях настоящее изобретение предлагает способ получения топлива за счет переработки масляной композиции в установке для переработки для получения топлива, где масляную композицию получают из C₁-метаболизирующего нефотосинтетического микроорганизма, такого как метилотроф или метанотроф. В дополнительныхвоплощениях, способ дополнительно вклюсает применение обрабатывающей установки для экстракции масляной композиции из C₁-метаболизирующего нефотосинтетического микроорганизма. В других дополнительных воплощениях способ включает (a) культивирование C₁-метаболизирующих бактерий в присутствии сырья, содержащего C₁-субстрат в контролируемой установке для культивирования, где культивируемые бактерии продуцируют масляную композицию; (b) экстракцию масляной композиции из культивированных бактерий в обрабатывающей установке; и (c) переработку экстрагированной масляной композиции для получения топлива. В конкретных воплощениях сырьевой C₁-субстрат представляет собой метан, метанол, формальдегид, муравьиную кислоту, монооксид углерода, диоксид углерода, метиламин, метилтиол или метилгалоген.

В конкретных воплощениях настоящее изобретение предлагает способ получения натуральных продуктов, таких как этанол, ацетат, бутанол, белок одноклеточных, сахара или другие метаболиты или клеточные продукты, где природный продукт получают из C_1-метаболизирующего нефотосинтетического микроорганизма, такого как метилотроф или метанотроф.

В дополнительных воплощениях способ дополнительно включает применение обрабатывающей установки для экстракции природного продукта из C₁-метаболизирующего нефотосинтетического микроорганизма.

В других дополнительных воплощениях способ содержит (a) культивирование C₁-метаболизирующих бактерий в присутствии сырья, содержащего C₁-субстрат в контролируемой установке для культивирования, где культивируемые бактерии продуцируют натуральный продукт; (b) экстракцию натурального продукта из культивированных бактерий в обрабатывающей установке; и (c) переработку натурального продукта для получения коммерческого продукта. В конкретных воплощениях сырьевой C₁-субстрат представляет собой метан, метанол, формальдегид, муравьиную кислоту, монооксид углерода, диоксид углерода, метиламин, метилтиол или метилгалоген.

В конкретных воплощениях настоящее изобретение предлагает способ получения натуральных или ненатуральных продуктов, таких как этанол, ацетат, бутанол, изопрен, пропилен, фарнезен, ферменты или другие метаболиты или клеточные продукты, где продукт получают из генноинженерного C₁-метаболизирующего ннефотосинтетического микроорганизма, такого как метилотроф или метанотроф, который был трансформирован гетерологичной нуклеотидной последовательностью. В дополнительных воплощениях способ дополнительно включает применение обрабатывающей установки для экстракции продукта из генноинженерного C₁-метаболизирующего нефотосинтетического микроорганизма. В других дополнительных воплощениях способ включает (a) культивирование генноинженерных C₁-метаболизирующих бактерий в присутствии сырья, содержащего C₁-субстрат в контролируемых установках для культивирования, где культивируемые бактерии продуцируют натуральный продукт; (b) экстракция натурального продукта из культивируемых бактерий в обрабатывающей установке; и (c) переработка натурального продукта для получения коммерческого продукта. В определенных воплощениях сырьевой C₁-субстрат представляет собой метан, метанол, формальдегид, муравьиную кислоту, монооксид углерода, диоксид углерода, метиламин, метилтиол или метилгалоген.

В определенных воплощениях настоящее изобретение предлагает способ получения натуральных или ненатуральных продуктов, таких как этанол, ацетат, бутанол, изопрен, пропилен, фарнезен, ферменты или другие метаболиты или клеточные продукты, где продукт получен из не C₁-метаболизирующего микроорганизма, такого как Escherichia coli, Saccaromyces cerevisiae, или другие распространенные микроорганизмы-продуценты. В определенных воплощениях сырьевой субстрат представляет собой глюкозу, сахарозу, глицерол, целлюлозу или другое многоуглеродное сырье.

Петлевой реактор, проиллюстрированный на Фигуре 1, патента США 7579163, описан в качестве зоны 3 по существу вертикального нисходящего потока и зоны 5 по существу вертикального восходящего потока, разделенных по существу горизонтальной зоной 4, которая начинается на дне зоны 3 по существу вертикального нисходящего потока и заканчивается в начале зоны 5 по существу вертикального восходящего потока. Присутствие зоны 3 по существу вертикального нисходящего потока и зоны 5 по существу вертикального восходящего потока приводит к вертикальной дистанции между газожидкостной поверхностью 22 в конце зоны вытекания 6 и средней линией петлевого реактора в горизонтальной зоне 4. 7579163 патент описывает, что данная вертикальная дистанция составляет по меньшей мере 10 метров или приблизительно 32,8 фута. Дистанцированная жидкая среда течет вверх через вертикальный восходящий участок 5 в участок, где она поступает в участок разделения горизонтальнымо потоком газа/жидкой реакционной среды 6 в зависимости от подъема участка по существу горизонтального потока 4 петли и подъема участка реакции разделения среды по существу горизонтального потока газ/жидкость 6. Наличие зоны по существу вертикального нисходящего потока и зоны по существу вертикального восходящего потока достаточной длины обеспечивает вертикальную дистанцию между газожидкостной поверхностью 22 в конце зоны вытекания 6 и центральной линией петлевого реактора в горизонтальной зоне 4 приблизительно 10 метров, что значительно увеличивает суммарную стоимость дизайна и изготовления петлевого реактора с данными зонами. Например, стоимости, связанные с проектированием и производством структур, необходимых для физической поддержки вертикальных зон нисходящего и восходящего потоков достаточно высоки, для размещения вертикальной дистанции между газожидкостной поверхности 22 в конце зоны вытекания 6 и центральной линии петлевого реактора в горизонтальной зоне 4 приблизительно 10 метров значительно увеличивает суммарную стоимость дизайна, строительства и поддержания петлевого реактора, включающего такие зоны. Петлевые реакторы с зонами вертикальных восходящего и нисходящего потоков свыше приблизительно 10 метров требует чтобы здания, в которых расположены такие реакторы, обеспечивали достаточный запас высоты для размещения таких высоких зон вертикальных восходящего и нисходящего потоков.

На фигуре 2 показан пример системы 200 для стимуляции продукции биомассы, включающей петлевой реактор 101 наряду с подсистемой разделения 250, необязательной термальной подсистемой 270 и необязательной контрольной подсистемой 290. Несмотря на приведенную единую систему 200, необязательные подсистемы могут быть установлены или в ином случае скомбинированы с петлевым реактором 101 или отдельно или в любой комбинации. Одна или более жидкостей и один или более газообразный субстрат вводят в петлевой реактор 101 с образованием многофазной смеси с жидкой культуральной средой, которая проходит через петлевой реактор 101. После прохождения через петлевой реактор 101, многофазная смесь может содержать одно или более соединений, продуцированных биологическими организмами внутри петлевого реактора 101, неиспользуемые питательные вещества и другие соединения в жидкости внутри многофазной смеси, неиспользуемые газы в газовых пузырьках внутри многофазной смеси и микробиологические организмы в виде биологических твердых веществ. Излишние микроорганизмы могут быть удалены из петлевого реактора 101 в виде биомассы или периодически или постоянно. Накопления биомассы внутри петлевого реактора 101 могут быть удалены для поддержания предельной биомассы внутри петлевого реактора 101 внутри определенного диапазона или выше или ниже определенного порога. В по меньшей мере некоторых случаях биомасса, удаленная из петлевого реактора 101, может включать одно или более полезных соединений. Например, биологические организмы внутри излишней биомассы могут содержать количество одного или более внутриклеточных липидов или сходных соединений полезных при продукции биотоплива, такого как биодизель или белоксодержащие продукты.

Одна или более жидкости могут содержать любую жидкость приемлемую для поддержания или доставки одного или более питательных веществ к микроорганизмам внутри петлевого реактора 101. Такие жидкости могут включать, но не ограничиваясь, растворы, содержащие воду, один или более спирт, минералы, одно или более азотсодержащее соединение, одно или более фосфоросодержащее соединение, и т.п. По меньшей мере в некоторых случаях одно или более устройство для перемещения жидкости полезны для доставки одной или более жидкостей в петлевой реактор 101 контролируемо и при давлении. Одно или более устройств для перемещения жидкости может включать любой тип насоса или сходного устройства, способного перемещать жидкость между двумя точками. Примеры устройств для перемещения жидкости включают, но не ограничиваясь, центробежные насосы, поршневые насосы прямого вытеснения, эксцентриковые винтовые насосы, двухдиафрагменные насосы, лопастные насосы, аксиальные насосы, радиально-осевые насосы и т.п. Другие иллюстративные устройства для перемещения жидкости включают, но не ограничиваясь, эдукторы, эжекторы и сходные устройства. Перенос жидкости из петлевого реактора 101 может быть с регулируемым потоком, регулируемым давлением или контролироваться за счет комбинаций давления, температуры, потока, уровня, скорости тока, поверхностной скорости или композиционного анализа данных регулируемых параметров, собранных в одной или более точках внутри петлевого реактора 101 или в одной или более точке внутри системы 200. В по меньшей мере некоторых случаях перенос жидкости при помощи устройства для перемещения жидкости может быть контролируем за счет измеренной концентрации одного или более компонентов или соединений (например, одного или более углеродсодержащий или азотсодержащих питательных веществ) внутри петлевого реактора 101; например, поток жидкости, перенесенной устройством для перемещения жидкости, может быть увеличен в ответ на измеренное снижение концентрации питательных веществ внутри петлевого реактора 101.

Один или более газообразный субстрат может содержать любой газ, газы или комбинацию газов приемлемых для поддержания или доставки питательных веществ к биологическим организмам внутри петлевого реактора 101. Такие газы могут содержать, но не ограничиваясь, один или более газ, содержащий углеродные соединения. Такие газы могут содержать, но не ограничиваясь один или более газ, содержащий C₁-углеродные соединения, такие как метан или монооксид углерода. Один или более газообразный субстрат, используемый в метаболических процессах биологических организмов внутри петлевого реактора 101. Такие газы могут содержать, но не ограничиваясь, кислород, кислород содержащие соединения и водород. Один или более газообразный субстрат может быть перенесен в петлевой реактор 101 в качестве чистого газа или газовой смеси (например, сингаз, смесь монооксида углерода и водорода). Один или более газообразный субстрат может быть перенесен в петлевой реактор 101 отдельно (например, метан и кислород содержащий газ, такой как воздух, может быть перенесен отдельно с целью минимизировать вероятность образования смеси гремучего газа за пределами петлевого реактора 101).

Один или более газообразный субстрат может необязяательно быть перенесен в петлевой реактор 101 при помощи устройства для перемещения газа. Примеры устройств для перемещения газа включают, но не ограничиваясь, ротационные лопастные компрессоры, центробежные компрессоры, винтовые компрессоры и т.п. Давление на выходе одного или более газообразных субстратов зависит от ряда факторов, включая рабочее давление петлевого реактора 101 и падение давления, ассоциированное с газораспределителем, применяемым для распределения одного или более газообразных субстратов внутри петлевого реактора 101. Аналогично, расход одного или более газообразных субстратов может контролироваться вручную или автоматически для поддержания концентрации или уровня растворенного газа внутри петлевого реактора 101 в пределах определенного диапазона (например, растворенный кислород, свыше по меньшей мере 4 ч./млн) основываясь по меньшей мере частично на необходимости присутствия биологических организмов в петлевом реакторе 101. В по меньшей мере в некоторых случаях один или более газообразный субстрат может быть доставлен в петлевой реактор 101 под давлением от приблизительно 5 до приблизительно 600 фунт/кв.дюйм изб.давления; от приблизительно 25 до приблизительно 400 фунт/кв.дюйм изб.давления; или от приблизительно 50 фунт/кв.дюйм изб.давления до приблизительно 300 фунт/кв.дюйм изб.давления.

Любое число газов может быть введено через распределительную гребенку общего газа или любое число распределительных гребенок для отдельного газа. Такие газораспределительные гребенки могут вводить весь газообразный субстрат в единственной точке внутри петлевого реактора 101 или могут вводить газообразный субстрат частями в различных местах петлевого реактора 101. В по меньшей мере некоторых случаях газообразный субстрат может включать, но не ограничиваясь, метан, монооксид углерода, водород или кислород. В по меньшей мере некоторых случаях скорость подачи газообразного субстрата может быть соотнесена со скоростью подачи жидкой среды. Например, метан может быть введен в виде газообразного субстрата при скорости от приблизительно 0,1 грамм метан/литр жидкой среды (г/л) до приблизительно 100 г/л; от приблизительно 0,5 до приблизительно 50 г/л; или от приблизительно 1 до приблизительно 25 г/л. Монооксид углерода ("CO") может быть введен в виде газообразного субстрата 204 при скорости от приблизительно 0,1 грамма CO/литр жидкой среды (г/л) до приблизительно 100 г/л; от приблизительно 0,5 до приблизительно 50 г/л; или от приблизительно 1 до приблизительно 25 г/л. Кислород может быть введен в виде газообразного субстрата 204 при скорости от приблизительно 1 грамма кислорода/литр жидкой среды (г/л) до приблизительно 100 г/л; от приблизительно 2 до приблизительно 50 г/л; или от приблизительно 5 до приблизительно 25 г/л. Водород может быть введен в виде газообразного субстрата 204 при скорости от приблизительно 0,01 грамм водорода/литр жидкой среды (г/л) до приблизительно 50 г/л; от приблизительно 0,1 до приблизительно 25 г/л; или от приблизительно 1 до приблизительно 10 г/л.

Внутри петлевого реактора 101 микроорганизмы будут метаболизировать по меньшей мере часть углеродсодержащих соединений присутствующих в многофазной смеси. По меньшей мере часть данного процесса может включать получение дополнительных микроорганизмов, которые повышают общее количество биомассы, присутствующей в петлевом реакторе 101. При отсутствии контроля биомасса внутри реактора 101 будет накапливаться до точки, в которой один или более функциональный аспект петлевого реактора 101 (например, скорость тока, падение давления, получение желаемых продуктов и т.д.) будет ухудшаться или подвержен негативному влиянию за счет присутствия излишка биомассы. В таких случаях, желательна возможность удаления по меньшей мере части биомассы, присутствующей в петлевом реакторе 101. В по меньшей мере некоторых случаях биомасса преимущественно накапливается в местах внутри газожидкостного сепаратора (102 на Фигуре 3), способствуя удалению твердых биологических веществ из петлевого реактора 101 через по меньшей мере одно отвертсие удаления биомассы (128 на Фигуре 3). Удаленная биомасса может быть доставлена в подсистему разделения 250, где биомасса может дополнительно быть обработана и из биомассы могут быть получены желаемые продукты. Такие восстановленные продукты могут быть применены в восстановленном виде или служить сырьем для дополнительной обработки, которая дает различный продукт.

В по меньшей мере некоторых случаях весь или часть процесса получения биомассы может быть по меньшей мере частично автоматически контролируем при помощи подсистемы управления 290. Подсистема управления 290 может собирать информацию, связанную с процессом за счет одного или более датчиков в виде сигналов, содержащих аналоговые или цифровые данные, представляющие один или более параметр процесса. Например, подсистема управления может собирать сигналы, связанные с процессом при помощи одного или более датчиков, включая, но не ограничиваясь, датчики потока массы, датчики объема потока, температурные датчики, датчики давления, датчики уровня, аналитические датчики (например, датчики растворенного кислорода, датчики биологической потребности в кислороде или «BOD»-датчики, датчики pH, кондуктометрические датчики и т.п.) или любое другое устройство способное обеспечить сигнал, содержащий данные представляющие одно или более состояний, связанных с процессом внутри петлевого реактора 101.

Подсистема управления 290 может исполнять один или более набор инструкций, контролирующих, изменяющих или подводящих один или более аспект процесса ферментации основываясь по меньшей мере частично на различных сигналах процесса, получаемых от датчиков. Такие инструкции могут приводить к генерированию одного или более контрольного выходного сигнала подсистемой управления 290. Контрольные выходные сигналы могут быть переданы от подсистемы управления 290 к одному или более исполнительному устройству, такому как блокировочные клапаны, регулирующие клапаны, двигатели, регулируемые приводы и т.д. Взаимодействие между исполнительными устройствами и процессом ферментации может напротив обеспечить подсистеме управления 290 высокую степень относительно точного поддержания процесса продукции биомассы.

Например, учитывая получение одного или более сигналов, содержащих данные о температуре многофазной смеси в петлевом реакторе 101, подсистема управления 290 может инициировать, изменять или прекращать поток теплообменной среды к теплообменнику. Аналогично, учитывая ответ на прием одного или более сигналов содержащих данные об уровне растворенного кислорода многофазной смеси в петлевом реакторе 101, подсистема управления 290 может повышать, понижать или поддерживать поток кислородсодержащего газообразного субстрата к петлевому реактору 101. Хотя только два иллюстративных примера приведены в данном документе, любой ток, уровень, давление, расчетное значение или т.п., применимые к процессу ферментации, могут быть аналогично контролируемы посредством подсистемы управления 290 при помощи одного или более соответствующих сенсоров и одного или более исполнительных устройств.

На фигуре 3 изображен пример системы 100 для стимуляции продукции биомассы. Пример системы 100 включает петлевой реактор 101, включающий газо-жидкостный сепаратор 102 (например, газожидкостный сепаратор или другое оборудование, способное к отделению жидкостей и газов от многофазной смеси жидкой культуральной среды, включающей микроорганизмы и устройство для обеспечения движения жидкости 104 (например, насос или другое устройство способное вызывать движение жидкости), петлевой участок 106 и первую невертикальную зону понижения давления 108. Как используется в данном документе, петлевой участок 106 относится к части петлевого реактора 101, которая тянется от выходного отверстия устройства для обеспечения движения жидкости 104 к газожидкостному сепаратору 102. Как проиллюстрировано и показано ниже более детально, петлевой участок 106 включает две или более зоны вертикального потока. В дополнительных воплощениях примера системы 100, петлевой реактор 101 может включать первую невертикальную зону понижения давления 108 и/или вторую невертикальную зону понижения давления 113 ниже первой невертикальной зоны понижения давления 108 в дополнение к зонам вертикального потока, описанным ниже и проиллюстрированным при помощи ссылки на Фигуры 4A-4D и 5. Пример системы 100 в дополнительных воплощениях включает другие подсистемы, включая подсистему подачи питательных и/или минеральных веществ 114 и теплообменник(и) 116. Пример системы 100 стимулирует продукцию биомассы за счет введения газообразного субстрата(ов) и питательного вещества(в) в жидкую культуральную среду для образования многофазной смеси жидкой культуральной среды с подачей газового субстарата(ов) и питательного(ых) вещества(в). Данная многофазаная смесь течет через петлевой реактор 101 за счет работы устройства для обеспечения движения жидкости 104. Жидкая культуральная среда включает микроорганизмы способные преобразовывать газообразные субстраты в желаемые продукты, некоторые из которых могут быть восстановлены из микроорганизмов или из газообразной фазы и/или жидкой фазы, которая образуется в газо-жидкостном сепараторе 102. Газообразный субстрат(ы) и питательное(ые) вещество(ва) могут быть доставлены в петлевой реактор 101 из подсистемы подачи питательных веществ 114, и петлевой реактор 101 эксплуатируют при условиях, обеспечивающих массоперенос газообразного вещества(в) и питательного(ых) вещества(в) в жидкую культуральную среду и к микроорганизмам. Питательные вещества и минералы могут быть введены в местах иных, чем обозначенные подсистемой подачи питательных/минеральных веществ 114. Например, минералы и/или питательные вещества могут быть поданы в теплообменник(и) 116. Газожидкостный сепаратор 102 принимает жидкую культуральную среду, включая любые газы, которые остаются в жидкой культуральной среде, и газы, которые отделены от жидкой культуральной среды и разделяет их на жидкую фазу и газообразную фазу. Жидкую фазу, отделенную от газообразной фазы в газожидкостном сепараторе 102 удаляют из газожидкостного сепаратора 102 и направляют в устройство для обеспечения движения жидкости 104.

Пример системы 100, проиллюстрированной на Фигуре 3, включает петлевой участок 106, который включает две или более зоны вертикального потока (проиллюстрировано и описано со ссылкой на Фигуры 4A-4D и 5). Элементы петлевого реактора 101, включающего, но не ограничиваясь, газожидкостный сепаратор 102 (например, газожидкостный сепаратор или другое оборудование, способное отделять жидкости и газы от многофазной смеси жидкостей, газов и микроорганизмов), устройство для обеспечения движения жидкости 104 (например, насос или другое устройство, способное вызывать движение жидкости), петлевой участок 106, первую невертикальную зону понижения давления 108 и вторую невертикальную зону понижения давления 113, могут быть металлическими, неметаллическими или иметь композитную структуру. Например, элементы могут содержать один или более металлический материал, такой как нержавеющая сталь 304, 304L, 316 или 316L. В некоторых случаях одно или более покрытий, слоев, верхних слоев, вставок или других материалов могут быть размещены, нанесены, соединены с или быть сформированы единым целым со всеми или частью металлических, неметаллических или композитных структур для благоприятного или неблагоприятного эффекта в отношении способности микроорганизмов прикрепляться к ним и расти на них. Например, покрытия, ингибирующие рост или прикрепление микроорганизмов может размещаться на или формироваться единым целым с поверхностями петлевого реактора 101, который имеет теплопроводную связь с теплообменной установкой 116. В другом примере покрытие, которое ингибирует рост или прикрепление биологических организмов может быть размещаться на или формировать единое целое с частями петлевого реактора 101, где желательно достижение более легкого удаления накопленной биомассы.

В по меньшей мере некоторых примерах конструкция элементов петлевого реактора 101 может включать характерные особенности, которые способствуют стерилизации всех или части рабочих поверхностей контакта. Такая стерилизация может быть выполнена, например, при помощи стерилизации паром, стерилизации ультрафиолетом, химической стерилизации или их комбинаций. В по меньшей мере некоторых случаях один или более неметаллический материал или одно или более неметаллическое покрытие могжет применяться внутри всей или части, изнутри или снаружи всех или части элементов петлевого реактора 101. Применение таких неметаллических материалов может предпочтительно обеспечить, например, стерилизуемые поверхности, которые способны поддерживать или обеспечивать биологический рост.

Газожидкостный сепаратор 102 может включать любое количество устройств, систем или их комбинаций для разделения многофазной смеси 121 на по меньшей мере газообразный поток 123 и жидкий поток 125, которые работают на таких же принципах, как газожидкостные сепараторы, применяемые с обычными биореакторами. В по меньшей мере некоторых случаях биологические твердые вещества, присутствующие в многофазной смеси 121, могут быть отделены в поток, содержащий твердые вещества. В по меньшей мере некоторых случаях по меньшей мере часть потока, содержащего твердые вещества, из газожидкостного сепаратора 102 может быть скомбинирована с одной или более жидкостями, и смесь возвращена в газожидкостный сепаратор или петлевой участок 106. В по меньшей мере некоторых случаях газожидкостный сепаратор 102 может включать один или более газожидкостных сепараторов, работающих параллельно или последовательно.

Газожидкостный сепаратор 102 может включать один или более пассивный сепаратор (например, один или более гидроциклонов и т.п.) способный отделять газообразный поток 123 и жидкий поток 125 от многофазной смеси 121. В по меньшей мере некоторых случаях пассивный сепаратор может также включать участок для разделения твердых веществ для отделения по меньшей мере части биологически твердых веществ, присутствующих в многофазной смеси 121. В других случаях газожидкостный сепаратор 102 может включать одно или более активное разделительное устройство (например, трехфазный роторный сепаратор) способное отделять газообразный поток 123, жидкий поток 125, содержащий твердые вещества, от многофазной смеси 121.

В по меньшей мере некоторых случаях газообразный поток 123 может включать смесь одного или более газообразных субстратов (например, метан или монооксид углерода) и одного или более газообразных побочных продуктов (например, диоксид углерода), полученных в качестве побочных продуктов биологических организмов в петлевом реакторе 101. В по меньшей мере некоторых случаях, газообразный поток 123 может быть отделен, и по меньшей мере часть одного или более газообразных субстратов снова направлена (не показано) в петлевой реактор 101, например в качестве газообразного субстрата. В по меньшей мере некоторых случаях газообразный поток 123 может включать одно или более полезные соединения. Например, газообразный поток 123 может содержать количество одного или более газообразных C₂₊-углеводородных соединений и соединений на их основе, имеющих ценность или в качестве конечного продукта или в качестве сырьевого материала в последующем процессе. Такие полезные соединения могут быть отделены от газообразного потока 123 перед рециркуляцией по меньшей мере части газообразного потока 123 в петлевой реактор 101.

В по меньшей мере некоторых случаях жидкий поток 125 будет включать смесь, содержащую одну или более жидкостей, питательных веществ и т.п., вводимых в петлевой реактор 101 системой подачи питательных и/или минеральных веществ 114. В по меньшей мере некоторых случаях жидкий поток 125 может быть удален из петлевого реактора и возвращен в газожидкостный сепаратор 102 за счет распыления на поверхность многофазной смеси в газожидкостном сепараторе 102 с целью снижения пенообразования внутри газожидкостного сепаратора 102. Противопенные вещества могут быть добавлены к жидкому потоку 125, распыляемому в газожидкостном сепараторе 102 или могут быть распылены в газожидкостном сепараторе 102 без жидкого потока 125. В по меньшей мере некоторых случаях жидкий поток 125 может включать одно или более полезных соединений. Например, жидкий поток 125 может содержать количество одного или более жидких C₂₊-углеводородных соединений, включая, но не ограничиваясь, спирты, кетоны, гликоли и другие соединения на их основе имеющие ценность в качестве или конечного продукта или в качестве сырья в последующем процессе. Такие полезные углеводородные соединения могут быть отделены от жидкого потока 125.

В некоторых случаях реактор применяют для получения природных и не природных продуктов, таких как этанол, ацетат, бутанол, изопрен, пропилен, изопрен, ферменты или другие метаболиты или клеточные продукты, где продукт получают из микроорганизма. В таких случаях продукты могут быть представлены или в виде газообразного потока 123 или в виде жидкого потока 125 в зависимости от физических свойств продукта.

В по меньшей мере некоторых случаях дно газожидкостного сепаратора 102 может быть создано, сформировано или спроектировано для обеспечения накопления биологического материала 127 (т.е. «биологические твердые вещества» или «биомасса») при желаемом расположении внутри сепаратора 102. Например, дно газожидкостного сепаратора 102 может иметь коническую форму, быть вогнутым или иметь наклон, так чтобы биологические твердые вещества 127 оседали на дно сепаратора 102, предпочтительно собираясь в одном или более предопределенном месте. В воплощении, проиллюстрированном на Фигуре 3, жидкий поток 125 и твердые биологические вещества 127 может быть удален со дна газожидкостного сепаратора 102 и доставлен к устройству для обеспечения движения жидкости 104, например, насосу. Жидкий поток 125 и твердые биологические вещества 127, удаленные из газожидкостного сепаратора 102, могут поступать во входное отверстие 129 насоса 104 и выходить из выходного отверстия 131 насоса 104. Выходное отверстие 131 насоса 104 сообщается по току жидкости с входным отверстием 133 петлевого участка 106 петлевого реактора 101. Приемлемые насосы для движения жидкого потока 125 и твердых биологических веществ 127 включают насосы способные перемещать жидкости (жидкости или газы) и жидкие глины, за счет механического действия и способные давать желаемые скорости тока при существенном отсутствии срезающих усилий неблагоприятных для биомассы и/или кавитации. Желательно избежать кавитации, поскольку кавитация вызывает выход газообразных субстратов и питательных веществ в многофазной смеси из раствора, делая их менее доступными для биомассы. Примеры такого типа насосов представляют собой центрифужные насосы, хотя насосы, не являющиеся центрифужными насосами, также могут использоваться. Например, поршневые насосы, двухдиафрагменные насосы и т.п. также могут быть применены. Также могут быть применены другие устройства, нежели насосы для движения многофазной смеси, например, могут быть применены винты, движимые мотором, такие как винты и моторы, описанные в патенте США 7579163, вместо или в комбинации с насосом.

На фигуре 3 выходное отверстие 131 устройства для обеспечения движения жидкости 104 сообщается по току жидкости с входным отверстием 133 петлевого участка 106. Петлевой участок 106 продолжается от его входного отверстия 133 к выходному отверстию 135 петлевого участка 106. Выходное отверстие 135 петлевого участка 106 сообщается по току жидкости с газожидкостным сепаратором 102. Петлевой участок 106 может быть сформирован из трубопровода, изготовленного из материалов, описанных выше для элементов петлевого реактора 101. Площадь сечения петлевого участка 106 может иметь постоянное значение или петлевой участок 106 может включать один или более участков, которые имеют различную площадь поперечного сечения. Ссылка на площадь поперечного сечения петлевого участка 106 в настоящем изобретении не включает площадь поперечного сечения газожидкостного сепаратора 102. Внутренний диаметр петлевого участка 106 может варьировать в широком диапазоне. Примеры диаметров варьируют от приблизительно 20 сантиметров до приблизительно 3 метров. Другие примеры диаметров варьируют от 25 сантиметров до 2,5 метров. В случае, когда петлевой участок 106 включает участки, отличающиеся от площади поперечного сечения, участки петлевого участка 106, имеющего большую площадь поперечного сечения, обладают площадью поперечного сечения, которая по большей мере в три раза больше площади поперечного сечения петлевого участка 106, имеющего меньшую площадь поперечного сечения. В других примерах воплощений участки петлевого участка 106, имеющего большую площадь поперечного сечения, имеют поперечные сечения, которые по большей мере в два раза больше площади поперечного сечения участков петлевого участка 106, имеющего меньшие площади поперечного сечения. В других воплощениях участки петлевого участка 106, имеющего большую площадь поперченного сечения, имеют площади поперечного сечения, которые по большей мере в 0,5 раз больше площади поперечных сечений участков петлевого участка 106, имеющего меньшие площади поперечных сечений. Длина петлевого участка 106 может варьировать в зависимости от ряда факторов, включая желаемую продолжительность времени, которое многофазная смесь 121 остается в петлевом участке 106. Длина петлевого участка 106 также может быть определена на основании других факторов, таких как, но не ограниваясяь, общий объем реактора/жидкости, общее падение давления на протяжении петли, желаемая утилизация субстрата и выход. В примерах воплощений петлевой участок 106 может варьировать в длину по своей центральной линии от приблизительно 30 до приблизительно 250 м, от приблизительно 40 до приблизительно 200 м, от 50 до приблизительно 150 м и от 60 до приблизительно 100 м.

Воплощения петлевого участка 106, проиллюстрированные на Фигуре 3 являются U-образными, включая два изгиба 137, которые изогнуты под углом 90°, если смотреть сверху. Петлевой участок 106 может иметь другие формы. Например, петлевой участок 106 может включать более чем два 90° изгиба 137, или он может включать более чем один изгиб менее 90°. В других воплощениях петлевой участок 106 может включать ряд изгибов более 90° или менее 90°.

Выходное отверстие 135 петлевой части 106 поднято относительно входного отверстия 133 петлевого участка 106. Петлевой участок 106 может подстраиваться под эту разницу в высоте между его входным отверстием 133 и его выходным отверстием 135 за счет комбинации наклона от входного отверстия 133 до выходного отверстия 135 и присутствия зон вертикального потока (описано со ссылкой на Фигурах 4 и 5). Конкретный наклон петлевого участка 106 или частей петлевого участка зависит отчасти от длины петлевого участка 106, вертикальная дистанция между центральной линией петлевого участка 106 в области входного отверстия 133 и центральной линией петлевого участка 106 в области выходного отверстия 135, и того включает ли петлевой участок 106 вертикальные зоны понижения давления. С другой стороны, часть петлевого участка 106 может иметь наклон вниз и часть петлевого участка 106 может иметь наклон вверх. В таких альтернативных воплощениях часть петлевого участка 106, имеющая наклон вверх обеспечивает снижение высоты за счет присутствия части петлевого участка 106, имеющей наклон вниз, и разницу в высоте между входным отверстием 133 петлевого участка 106 и выходным отверстием 135 петлевого участка 106. Например, часть петлевого участка 106, продолжающаяся от его входного отверстия 133 до первого 90° изгиба 137 на Фигуре 3 может иметь наклон вниз, и часть петлевого участка 106, продолжающаяся от первого или второго изгиба 137, может иметь наклон вверх до выходного отверстия 135 петлевого участка 106.

В воплощениях петлевого реактора 101, который включает вертикальные зоны понижения давления, которые частично обеспечивают изменение высоты от выходного отверстия 131 устройства для обеспечения движения жидкости 104 до выходного отверстия 135 петлевого участка 106, снижена величина изменения высоты, которая должна быть обеспечена за счет оставшегося невертикального петлевого участка 106 (т.е. части петлевого участка 106, которая не является вертикальной).

Примеры воплощения, проиллюстрированных на Фигуре 3 включают множество статических смесителей 139, расположенных вдоль длины петлевого участка 106. Преимущества применений статических смесителей описаны в патенте США 7579163 и включает смешивание природных газов с многофазной смесью. Примеры типов статических смесителей также описаны в патенте 7579163. Статические смесители, которые могут быть применены в воплощениях, описанных в данных документах не ограничены таковыми, описанными в патенте 7579163. Статистические смесители, отличные от таковых, описанных в патенте 7579163 могут быть применены в воплощениях, описанных в данном документе. Например, другие типы статических смесителей доступны от компаний, таких как StaMixCo LLC (Бруклин, Нью-Йорк) Sulzer Management Ltd. (Винтертур, Швейцария). В примерах воплощений, проиллюстрированных на Фигурах 3 и 4, 50 статических смесителей 139 схематично представлены 23 блоками. Статические смесители 139 примера воплощения Фигуры 3 могут присутствовать с плотностью приблизительно один смеситель на три метра петлевого участка 106, в случае, когда статический смеситель имеет длину приблизительно 1 метр. Другими словами в конкретных примерах, статические смесители расположены отдельно на расстоянии эквивалентном трехкратной длине одного из статических смесителей. Число статических смесителей не ограничено до 50 как и их плотность не ограничена одним смесителем на 3 метра петлевого участка 106. В соответствии с воплощениями, описанными в данном документе, может быть предложено меньшее или большее число статических смесителей и статические смесители могут быть предложены с меньшей или большей плотностью. Конкретное число примененных статических смесителей и плотность с которой их размещают будет определяться частично на основании их вклада в массоперенос газа к жидкости и микроорганизмам и/или падения давления в результате работы статических смесителей.

В продолжение относительно Фигуры 3 в примерах воплощений система 100 включает подсистему подачи питательных и/или минеральных веществ 114 для введения питательных веществ и минералов в петлевой участок 106 в одном или более месте. Такие питательные вещества включают питательные вещества способные поддерживать или транспортировать растворенную или суспендированную питательную среду к микроорганизмам, образующим биомассу в многофазной смеси внутри петлевого реактора 101. В данном воплощении, проиллюстрированном на Фигуре 3, питательные и минеральные вещества вводят в двух участках вдоль петлевого участка 106; однако подсистема подачи питательных и/или минеральных веществ 114 может вводить питательные и минеральные вещества в разных участках вдоль петлевого участка 106 и может вводить питательные/минеральные вещества меньше или больше чем в двух местах вдоль петлевого участка 106. Подсистема 114 обеспечивает газообразные субстраты/питательные вещества для введения в жидкую культуральную среду с образованием многофазной смеси жидкой культуральной среды и поставленных газообразных питательных/минеральных веществ. Такие газообразные субстраты/питательные вещества могут включать газ или комбинацию газов, способных поддерживать или обеспечивать питательную среду или питательные вещества биологическим организмам, продуцирующим биомассу, в петлевом реакторе 101. Как показано на Фигуре 3, примеры питательных веществ включают природный газ, азот, кислород и аммиачную воду. Может присутствовать источник пара для обеспечения тепловой энергией и в целях очистки. Питательные вещества, которые могут быть поставлены подсистемой питательных веществ 114, не ограничены природным газом, азотом, кислородом и аммиачной водой. Другие питательные/минеральные вещества, такие как метан, сингаз, вода, фосфат (например, в виде фосфорной кислоты), нитраты, мочевина, магний, кальций, калий, железо, медь, цинк, марганец, никель, кобальт и молибден, обычно применяемые в виде сульфатов, хлоридов или нитратов, могут быть обеспечены подсистемой питательных веществ 114.

В примерах воплощений система 100 включает теплообменник 116 для введения или удаления тепловой энергии от многофазной смеси в петлевой участок 106. Теплообменник 116 может вводить тепловую энергию в или удалять тепловую энергию от многофазной смеси в петлевом участке 106 в одном или более местах вдоль петлевого участка 106. В воплощениях, проиллюстрированных на Фигуре 3, теплообменник 116 удаляет или вводит тепловую энергию в одном месте вдоль петлевого участка 106; однако, тепловая энергия может быть удалена или введена в более чем одном месте вдоль петлевого участка 106. В по меньшей мере некоторых случаях микробиологическая активность, происходящая внутри петлевого реактора 101 дает тепло в качестве побочного продукта. Оставаясь неконтролируемым, такое тепло может негативно влиять на метаболизм или состояние микроорганизмов внутри петлевого реактора 101. С другой стороны, микроорганизмы также могут иметь температуру, ниже которой страдают метаболизм или состояние организма. В связи с этим, биологические организмы внутри петлевого реактора 101 имеют определенный температурный диапазон, обеспечивающий оптимальный рост и метаболические состояния. В по меньшей мере некоторых случаях многофазная смесь внутри петлевого реактора 101 может быть поддерживаться при температуре приблизительно 130°F или менее; приблизительно 120°F или менее; приблизительно 110°F или менее; приблизительно 100°F или менее; приблизительно 95°F или менее; приблизительно 90°F или менее; приблизительно 85°F или менее; или приблизительно 80°F или менее с применением теплообменника 116. В по меньшей мере некоторых случаях многофазная смесь внутри петлевого реактора 101 может поддерживаться при температуре от приблизительно 55 до приблизительно 120°F; от приблизительно 60 до приблизительно 110°F; от приблизительно 110 до приблизительно 120°F; от приблизительно 100 до приблизительно 120°F; от приблизительно 65 до приблизительно 100°F; от приблизительно 65 до приблизительно 95°F; или от приблизительно 70 до приблизительно 90°F с применением теплообменника 116.

В примерах воплощений, описанных в данном документе, давление газа в пространстве над продуктом 143 газожидкостного сепаратора 102 варьирует от приблизительно 0,2 до приблизительно 0,6 бар; однако, давление газа в пространстве над продуктом 143 не ограничено диапазоном от 0,2 до 0,6 бар. Например, в примерах воплощений, описанных в данном документе, давление газа в пространстве над продуктом 143 может составлять менее 0,2 бар или свыше приблизительно 0,6 бар. Давление в выходном отверстии 131 насоса 104 варьирует от приблизительно 3,5 до приблизительно 4,0 бар; однако, давление в выходном отверстии 131 насоса 104 не ограничено диапазоном от приблизительно 3,5 до приблизительно 4,0 бар. В примерах воплощений, описанных в данном документе, давление в выходном отверстии 131 насоса 104 может составлять менее чем приблизительно 3,5 бар или более чем приблизительно 4,0 бар. В примерах воплощений, которые включают статические смесители 139, падение давления на противоположной стороне статического смесителя варьирует от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,1 бар; однако падение давления на противоположной стороне статического смесителя не ограничено диапазоном от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,1 бар. Например, в примерах воплощений, описанных в данном документе, падение давления на противоположной стороне статического смесителя может составлять менее 0,01 или свыше 0,1 бар. В соответствии с примерами воплощений, описанными в данном документе, давление внутри петлевого участка 106 в начале невертикальной зоны понижения давления 108 варьирует от приблизительно 2,0 до приблизительно 2,5 бар; однако давление внутри петлевого участка 106 в начале невертикальной зоны понижения давления 108 не ограничено диапазоном от приблизительно 2,0 до приблизительно 2,5 бар. Например, давление внутри петлевого участка 106 в начале невертикальной зоны понижения давления 108 может составлять менее чем приблизительно 2,0 или свыше приблизительно 2,5 бар. В соответствии с примерами воплощений, описанными в данном документе, давление в петлевом участке 106 в конце невертикальной зоны понижения давления 108 варьирует от приблизительно 0,2 до приблизительно 0,6 бар; однако давление внутри петлевого участка 106 в конце невертикальной зоны понижения давления 108 не ограничено диапазоном от приблизительно 0,2 до приблизительно 0,6 бар. Например, в соответствии с воплощениями, описанными в данном документе, давление внутри петлевого участка 106 в конце невертикальной зоны понижения давления 108 может составлять менее чем приблизительно 0,2 бар или свыше приблизительно 0,6 бар. В воплощениях, описанных в данном документе, падение давления в пределах невертикальной зоны понижения давления 108 может варьировать от приблизительно 1,8 бар до приблизительно 2,3 бар; однако, падение давления в пределах невертикальной зоны понижения давления 108 не ограничено диапазоном от приблизительно 1,8 бар до приблизительно 2,3 бар. Например, падение давления в пределах невертикальной зоны понижения давления 108 может составлять менее 1,8 бар или более 2,3 бар. В некоторых случаях падение давления в пределах невертикальной зоны падения давления 108 составляет по меньшей мере 20%, по меньшей мере 30%, по меньшей мере 40%, по меньшей мере 50%, по меньшей мере 60%, по меньшей мере 70% или по меньшей мере 80% падения давления между выходным отверстием устройства для обеспечения движения жидкости 104 и пространства над продуктом 143 газожидкостного сепаратора 102. Вышеизложенное описание, касающееся падения давления в пределах невертикальной зоны понижения давления 108, и процентное отношение падения давления между выходным отверстием устройства для обеспечения движения жидкости 104 и пространства над продуктом 143 газожидкостного сепаратора 102, обусловленные невертикальной зоной понижения давления 108, равно применимо к падению давления в по ту сторону редуктора давления 145, расположенного в зоне понижения давления 108.

В воплощениях, проиллюстрированных на Фигуре 3, первая невертикальная зона понижения давления 108 расположена ниже последнего статического смесителя 139 и выше выходного отверстия 135 петлевого участка 106, который сообщается по току жидкости с газожидкостным сепаратором 102. Первая невертикальная зона понижения давления 108 включает редуктор давления 145. В соответствии с воплощениями, проиллюстрированными на Фигуре 3, давление внутри петлевого участка 106 непосредственно ниже редуктора давления 145 является меньшим, чем давление внутри петлевого участка 106 непосредственно выше редуктора давления 145. Редуктор давления 145 приводит к тому, что давление внутри петлевого участка 106 непосредственно ниже редуктора давления 145 меньше чем давление внутри петлевого участка 106 непосредственно выше редуктора давления 145. Предпочтительные устройства для применения в качестве редуктора давления 145 включают устройства, которые обеспечивают желаемое снижение давления за счет других изменений, нежели изменения в гидростатическом давлении. Например, редуктор давления 145 может представлять собой регулирующий клапан (в отличие от обратного клапана), компенсатор (например, имеющий диаметр вышерасположенной части меньший, чем диаметр нижерасположенной части), статический смеситель, колено и их комбинации. Примеры регулирующих клапанов включают регулирующие клапаны, которые приводятся в движение гидравлически, пневматически, вручную, посредством соленоида или мотора; однако регулирующие клапаны полезные в воплощениях, описанных в данном документе, не ограничены вышеупомянутыми типами управления. Аналогично редуктор давления 145 не ограничен регулирующими клапанами, компенсаторами, статическими смесителями, коленами и их комбинациями. Например, редуктор давления 145 может представлять собой устройство, которое не является регулирующим клапаном, компенсатором, статическим смесителем или коленом, которое приводит к тому, что давление внутри петлевого участка 106 непосредственно ниже устройства является меньшим, чем давление внутри петлевого участка 106 непосредственно выше устройства.

В соответствии с воплощениями, описанными в данном документе, редуктор давления 145 может представлять собой различные редукторы давления, такие как регулирующий клапан. Применение различных редукторов давления делает возможной подведение разницы в давлении внутри петлевого участка 106 непосредственно выше устройства и внутри петлевого участка 106 непосредственно ниже устройства за счет степени открытия устройства. Например, разница в давлении может быть снижена за счет открывания устройства, и разница в давлении может быть повышена за счет закрывания устройства.

Относительно воплощений на Фигуре 3, необязательная вторая зона понижения давления 113 может включать редуктор давления типа, описанного для редуктора давления 145. В соответствии с воплощениями Фигуры 3 вторая зона понижения давления 113 представляет собой невертикальную зону понижения давления и включает редуктор давления. В примерах воплощений первый редуктор давления 145 первой зоны понижения давления 108 отделен от редуктора давления второй зоны понижения давления 113 за счет невертикальной части петлевого участка 106. В соответствии с воплощениями, проиллюстрированными на Фигуре 3, многофазная смесь в петлевом участке 106 течет из первой невертикальной зоны понижения давления 108 к газожидкостному сепаратору 102 без тока в вертикальном направлении. В соответствии с воплощениями согласно Фигуре 3, в случае, когда присутствует вторая зона понижения давления 113, она дает меньшее понижение давления по сравнению с понижением давления в пределах первой зоны понижения давления 108. Например, понижение давления в пределах второй зоны понижения давления 113 является приблизительно равным разнице давления между пространства над продуктом 143 газожидкостного сепаратора 102 и давления в выходном отверстии первой зоны понижения давления 108 и/или редуктора 145. Такое понижение давления в пределах второй зоны понижения давления 113 может варьировать от приблизительно 0,1 до приблизительно 0,5 бар; однако понижение давления в пределах второй зоны понижения давления 113 не ограничено диапазоном от 0,1 до приблизительно 0,5 бар. Например, понижение давления в пределах второй зоны понижения давления 113 может составлять менее 0,1 или свыше 0,5 бар. В некоторых случаях понижение давления в пределах второй зоны понижения давления 113 составляет менее 10%, менее 5%, менее 3% или менее 2% понижения давления от выходного отверстия устройства для обеспечения движения жидкости 104 до пространства над продуктом 143 газожидкостного сепаратора 102.

Петлевая часть 106 выше первой невертикальной зоны понижения давления 108 включает входное отверстие для десорбционного газа 149. В проиллюстрированном воплощении, входное отверстие для десорбционного газа 149 сообщается по току жидкости с источником десорбционного газа, например, азота и сообщается по току жидкости с невертикальным участком петлевого участка 106. Таким образом, в соответствии с воплощениями, проиллюстрированными на Фигуре 3, десорбционный газ может быть введен в невертикальный участок петлевого участка 106. Введение десорбционного газа в многофазную смесь через входное отверстие десорбционного газа 149 приводит к снижению парциального давления других газов в многофазной смеси (например, диоксид углерода и метан). Снижение парциального давления других газов, присутствующих в многофазной смеси, может снижать массопереносом питательных газов к микроорганизму и/или приводить к выходу других газов из раствора.

В соответствии с другими воплощениями Фигуры 3 вторая зона понижения давления 113 может быть обеспечена за счет модификации петлевого участка 106 для включения участка, ориентированного вертикально. Вертикальная ориентация участка петлевого участка 106 обеспечивает вторую зону понижения давления 112, которая приводит к тому, что давление внутри петлевого участка 106 в верхнем конце второй зоны понижения давления 112 меньше, чем давление внутри петлевого участка 106 в нижнем конце второй зоны понижения давления 112. Понижение давления, обеспеченное второй зоной понижения давления 112 обусловлено, по меньшей мере частично, разницей в гидростатическом давлении от вершины ко дну второй зоны понижения давления 112. Длина вертикальной части второй зоны понижения давления 112 может быть определена, по меньшей мере частично, на основании желаемого снижения давления, обеспеченного второй зоной понижения давления 112.

Фигуры 4A-4D иллюстрируют различные воплощения настоящего изобретения, которые включают петлевой участок 106, включая две или более зоны по существу вертикального потока, в которых поток многофазной смеси происходит по существу в одном и том же направлении, например, по существу восходящем направлении. Поток в по существу восходящем направлении относится к потоку, который направлен по существу против гравитации, например, в направлении противоположном вектору ускорения свободного падения. Описание газожидкостного сепаратора 102, входного отверстия 133 петлевого участка 106 и выходного отверстия 135 петлевого участка 106 на основании Фигуры 3 равно применимо к газожидкостному сепаратору 102, входному отверстию 133 петлевого участка 106 и выходному отверстию 135 петлевого участка 106 на Фигурах 4A-4D, а также Фигуре 5. Относительно воплощений в соответствии с Фигурой 4A, петлевой участок 106 включает зону по существу горизонтального потока 404A, один конец которой сообщается по току жидкости с выходным отверстием 402 газожидкостного сепаратора 102. Другой конец зоны по существу горизонтального потока 404A сообщается по току жидкости с одним концом зоны по существу горизонтального потока 404B, наоборот, другой конец которой сообщается по току жидкости с концом зоны по существу горизонтального потока 404C. Другой конец зоны по существу горизонтального потока 404C сообщается по току жидкости с другим концом зоны невертикального потока 406A, другой конец которой сообщается по току жидкости с входным отверстием зоны по существу вертикального потока 408A. Конец зоны по существу вертикального потока 408A противоположен его входному отверстию, т.е. его выходное отверстие сообщается по току жидкости с концом зоны по существу горизонтального потока 404D, другой конец которой сообщается по току жидкости с концом зоны по существу вертикального потока 408B. Многофазная смесь течет в нисходящем направлении в зону по существу вертикального потока 408B. Поток в нисходящем направлении относится к потоку в направлении, по существу совпадающем с гравитацией, например, потоку в направлении вектора ускорения свободного падения. Другой конец зоны по существу вертикального потока 408B сообщается по току жидкости с концом зоны по существу невертикального потока 406B, другой конец которой сообщается по току жидкости с входным отверстием зоны по существу вертикального потока 408C. Выходное отверстие зоны по существу вертикального потока 408C, противоположное входному отверстию зоны по существу вертикального потока 408C сообщается по току жидкости с зоной по существу вертикального потока 404E, противоположный конец которой сообщается по току жидкости с зоной по существу вертикального потока 408D. Поток многофазной смеси течет в восходящем направлении в зоне по существу вертикального потока 408C, в тоже время поток многофазной смеси течет в нисходящем направлении в зоне по существу вертикального потока 408D. Зона по существу вертикального потока сообщается по току жидкости с одним концом зоны невертикального потока 406C, в тоже время противоположный конец зоны невертикального потока 406C сообщается по току жидкости с газожидкостным сепаратором 102. В соответствии с воплощениями, проиллюстрированными на Фигуре 4A, поток многофазной смеси в по существу восходящем направлении протекает в зонах по существу вертикального потока 408A и 408C и поток многофазной смеси в по существу нисходящем направлении протекает в зонах по существу вертикального тока 408B и 408D.

В воплощениях системы для стимуляции продукции биомассы в соответствии с Фигурой 4A, многофазная смесь газа и жидкой культуральной среды течет через петлевой участок 106 в направлении, обозначенном стрелочками 409. Моделирование объемных коэффициентов массопереноса для газообразного субстрата в зонах по существу вертикального потока, где многофазная смесь течет по существу в восходящем направлении, подтверждает, что объемные коэффициенты массопереноса (k_La) между газообразным субстратом и жидкой культуральной средой многофазной смеси, протекающей в таких зонах по существу вертикального потока, существенно выше (например, приблизительно от двух до пяти раз выше) коэффициентов массопереноса между газообразным субстратом и жидкой культуральной средой многофазной смеси, протекающей в зонах по существу горизонтального потока. В воплощениях, описанных в данном документе, может быть применено и использовано данное наблюдение для снижения наземной площади (т.е. площади поверхности или площади пола), занимаемой системой для стимуляции продукции биомассы. Например, в отношении системы, проиллюстрированной на Фигуре 4A, для достижения количества массопереноса в одной или более зоне(ах) по существу горизонтального потока, эквивалентного количеству массопереноса, достигаемому в двух зонах по существу вертикального потока 408A и 408B Фигуры 4A, необходимо использование площади поверхности или площади пола такой зоны(н) по существу горизонтального потока. Площадь поверхности или площадь пола требуемая для размещения такой зоны(н) по существу горизонтального потока будет больше чем площадь поверхности или площадь пола, занимаемая зонами по существу вертикального потока 408A и 408B. За счет применения системы стимуляции продукции биомассы, которая включает по меньшей мере две зоны по существу вертикального потока, где многофазная смесь течет в по существу восходящем направлении, такое же или даже большее количество массопереноса может быть достигнуто в системе, занимающей меньшую площадь поверхности или площадь пола, занимаемую системой для стимуляции продукции биомассы, которая включает менее двух зон вертикального потока, поддерживая восходящий поток многофазной смеси и достигает по существу такого же количества массопереноса. Другими словами за счет применения системы для стимуляции продукции биомассы, включающей по меньшей мере две зоны по существу вертикального потока, где многофазная смесь течет по существу в восходящем направлении, одинаковое или даже большее количество массопереноса может быть достигнуто при помощи совокупной длины зон по существу горизонтального потока, которые меньше совокупной длины зон по существу горизонтального потока, необходимых системе для стимуляции продукции биомассы, которая достигает по существу таких же количеств массопереноса и включает менее двух зон вертикального потока, через которые многофазная смесь течет в восходящем направлении.

Фигуры 4B-4D иллюстрируют альтернативные воплощения систем для стимуляции продукции биомассы, которые включают по меньшей мере две зоны по существу вертикального потока, через которые многофазная смесь протекает в по существу восходящем направлении. На фигуре 4B изображены воплощения системы для стимуляции продукции биомассы, имеющие сходные черты с системой, проиллюстрированной на Фигуре 4A. Описание выходного отверстия 402 газожидкостного сепаратора 102 на Фигуре 4A применимо к выходному отверстию 402 газожидкостного сепаратора 102 на Фигуре 4B. Система Фигуры 4B отличается от системы, проиллюстрированной на Фигуре 4A, в том смысле, что система Фигуры 4B включает зоны по существу горизонтального потока 404D, 404F и 404H в местах зон по существу невертикального потока 406A, 406B и 406C системы, проиллюстрированной на Фигуре 4A. В соответствии с воплощениями, проиллюстрированными на Фигуре 4B, зоны по существу горизонтального потока 404A, 404B и 404C являются такими же, как зоны по существу горизонтального потока 404A, 404B и 404C, описанными со ссылкой на Фигуру 4A. На Фигуре 4B, нижний конец зоны по существу горизонтального потока 404C сообщается по току жидкости с одним концом зоны по существу горизонтального потока 404D. Другой конец зоны по существу горизонтального потока 404D сообщается по току жидкости с одним концом (например, входное отверстие) зоны по существу вертикального потока 408A, при этом другой конец зоны по существу вертикального потока 408A (например, выходное отверстие) сообщается по току жидкости с одним концом зоны по существу горизонтального потока 404E. Другой конец зоны по существу горизонтального потока 404E сообщается по току жидкости с концом зоны по существу вертикального потока 408B, другой конец которой сообщается по току жидкости с одним концом зоны по существу горизонтального потока 404F. Другой конец зоны по существу горизонтального потока 404F сообщается по току жидкости с одним концом (например, входное отверстие) зоны по существу вертикального потока 408C, при этом другой конец (например, выходное отверстие) зоны по существу вертикального потока 408C сообщается по току жидкости с одним концом зоны по существу горизонтального потока 404G. Другой конец зоны по существу горизонтального потока 404G сообщается по току жидкости с одним концом зоны по существу вертикального потока 408D. Другой конец зоны по существу вертикального потока 408D сообщается по току жидкости с одним концом зоны по существу горизонтального потока 404H, при этом другой конец зоны по существу горизонтального потока 404H заканчивается выходным отверстием 135 петлевого участка 106. Выходное отверстие 135 петлевого реактора 106 сообщается по току жидкости с газожидкостным сепаратором 102. В системе, проиллюстрированной на Фигуре 4B, поток многофазной смеси в по существу восходящем направлении протекает между входным отверстием и выходным отверстием зон по существу вертикального потока 408A и 408C и поток многофазной смеси в по существу нисходящем направлении протекает в зонах по существу вертикального потока 408B и 408D.

Фигура 4C иллюстрирует другое воплощение системы стимулирования продукции биомассы, которая обладает сходством с системой, проиллюстрированной на Фигуре 4A. Описание выходного отверстия 402 газожидкостного сепаратора 102 на Фигуре 4A применимо к выходному отверстию 402 газожидкостного сепаратора 102 на Фигуре 4C. Система проиллюстрированная на Фигуре 4C отличается от системы, проиллюстрированной на Фигуре 4A тем, что система, проиллюстрированная на Фигуре 4C, включает две дополнительных зоны по существу вертикального потока 414A и 414C (в совокупности четыре), в которых многофазная смесь протекает в по существу таком же направлении, например, по существу восходящем направлении. Система, проиллюстрированная на Фигуре 4C, также включает соответствующие зоны по существу вертикального потока 414B и 414D, в которых многофазная смесь протекает в по существу нисходящем направлении, т.е. по существу в направлении вектора ускорения свободного падения. На фигуре 4C, входное отверстие 133 петлевого участка 106 сообщается по току жидкости с выходным отверстием 402 газожидкостного сепаратора 102. Входное отверстие 133 петлевого участка 106 сообщается по току жидкости с одним концом зоны по существу горизонтального потока 412A. другой конец зоны по существу горизонтального потока 412A сообщается по току жидкости с концом зоны по существу горизонтального потока 412B, и другой конец зоны по существу горизонтального потока 412B сообщается по току жидкости с концом (например, входным отверстием) зоны по существу вертикального потока 414A. Другой конец (например, выходное отверстие) зоны по существу вертикального потока 414A сообщается по току жидкости с зоной по существу горизонтального потока 412C, другой конец которой сообщается по току жидкости с концом зоны по существу вертикального потока 414B. Противоположный конец зоны по существу вертикального потока 414B сообщается по току жидкости с концом зоны по существу горизонтального потока 412D, противоположный конец которой сообщается по току жидкости с концом (например, входным отверстием) зоны по существу вертикального потока 414C. Другой конец (например, выходное отверстие) зоны по существу вертикального потока 414C сообщается по току жидкости с концом зоны по существу горизонтального вытекающего потока 412E. Противоположный конец зоны по существу горизонтального потока 412E сообщается по току жидкости с концом зоны по существу вертикального потока 414D, противоположный конец зоны по существу вертикального потока 414D сообщается по току жидкости с зоной по существу горизонтального потока 412F. Баланс системы для стимуляции продукции биомассы, проиллюстрированной на Фигуре 4C ниже зоны по существу горизонтального потока 412F идентичен части системы стимуляции продукции биомассы, проиллюстрированной на Фигуре 4A, расположенной ниже зоны по существу горизонтального потока 404C. Относительно баланса системы, проиллюстрированной на Фигуре 4C ниже зоны по существу горизонтального потока 412F, зона невертикального потока 416A сообщается по току жидкости с зоной по существу вертикального потока 414E, сообщающейся по току жидкости с зоной по существу горизонтального потока 412G, которая сообщается по току жидкости с зоной по существу вертикального потока 414F, сообщающейся по току жидкости с зоной по существу невертикального потока 416B, сообщающейся по току жидкости с зоной по существу вертикального потока 414G, сообщающейся по току жидкости с зоной по существу горизонтального потока 412H, сообщающейся по току жидкости с зоной по существу вертикального потока 414H, сообщающейся по току жидкости с зоной по существу невертикального потока 416C. В системе, проиллюстрированной на Фигуре 4C, поток многофазной смести протекает в направлении, указанном стрелочками 409. В системе Фигуры 4C, поток многофазной смеси в по существу восходящем направлении происходит в зонах по существу вертикального потока 414A, 414C, 414E и 414G и поток многофазной смеси в по существу нисходящем направлении происходит в зонах по существу вертикального потока 414B, 414D, 414F и 414H.

На фигуре 4D изображено другое воплощение системы стимуляции продукции биомассы, обладающей сходством с системой, проиллюстрированной на Фигуре 4C. Описание выходного отверстия 402 газожидкостного сепаратора 102 на фигуре 4A применимо к выходному отверстию 402 газожидкостного сепаратора 102 на Фигуре 4D. Система, проиллюстрированная на Фигуре 4D, отличается от системы, проиллюстрированной на Фигуре 4C тем, что система Фигуры 4D включает зоны по существу горизонтального потока 412G, 412I и 412K в участках зон по существу невертикального потока 416A, 416B и 416C системы, проиллюстрированной на Фигуре 4C. На Фигуре 4D, зоны по существу горизонтального потока 412A, 412B, 412C, 412D, 412E и 412F являются такими же, как зоны по существу горизонтального потока 412A, 412B, 412C, 412D, 412E и 412F, описанные со ссылкой на воплощения в соответствии с Фигурой 4C. Описание зон по существу горизонтального потока 412G и 412H на Фигуре 4C применимо к зоне по существу горизонтального потока 412H и 412J на Фигуре 4D. Описание зон по существу вертикального потока 414A-414H Фигуры 4C в равной степени применимо к зонам по существу вертикального потока 414A-414H на Фигуре 4D. В системе, проиллюстрированной на Фигуре 4D, поток многофазной смеси происходит в направлении, указанном стрелками 409. В системе, проиллюстрированной на Фигуре 4D, поток многофазной смеси в по существу восходящем направлении происходит в зонах по существу вертикального потока 414A, 414C, 414E и 414G, и поток многофазной смеси в по существу нисходящем направлении происходит в зонах по существу вертикального потока 414B, 414D, 414F и 414H.

Системы для стимуляции продукции биомассы в соответствии с воплощениями, описанными в данном документе, не ограничены таковыми, проиллюстрированными на Фигурах 4A-4D. Например, системы стимуляции продукции биомассы в соответствии с воплощениями, описанными в данном документе, могут включать различные комбинации и/или расположения зон по существу горизонтального, невертикального потока и по меньшей мере двух зон по существу вертикального потока, в которых многофазная смесь газа и жидкой культуральной среды протекает в том же направлении через по меньшей мере две зоны по существу вертикального потока, например, в восходящем направлении.

Относительно Фигуры 5, другое воплощение системы стимуляции продукции биомассы в соответствии с настоящим изобретением включает первую зону по существу горизонтального потока, которая лежит в первой по существу горизонтальной плоскости и вторую зону по существу горизонтального потока, которая лежит во второй по существу горизонтальной плоскости, отличной от первой по существу горизонтальной плоскости. Например, в воплощении, проиллюстрированном на Фигуре 5, первая по существу горизонтальная зона 502 лежит в по существу горизонтальной плоскости, расположенной ниже по существу горизонтальной плоскости, в которой лежит вторая по существу горизонтальная зона 504. Первая по существу горизонтальная зона 502 и вторая по существу горизонтальная зона 504 разделены зоной по существу вертикального потока 506, имеющей входное отверстие, сообщающееся по току жидкости с первой по существу горизонтальной зоной 502 и выходное отверстие, сообщающееся по току жидкости со второй по существу горизонтальной зоной 504. Системы стимуляции продукции биомассы в соответствии с воплощениями, проиллюстрированными на Фигуре 5, могут быть охарактеризованы одной по существу горизонтальной зоной, которая включает участок потока, который пересекает или параллелен участку потока другой по существу горизонтальной зоны, которая лежит в другой по существу горизонтальной плоскости. За счет такого расположения первой и второй по существу горизонтальных зон и по меньшей мере одной зоны по существу вертикального потока согласно воплощениям, описанным в данном документе, наземная площадь (т.е. площадь поверхности или площадь пола) системы может быть уменьшена по сравнению с системами для стимуляции продукции биомассы, которые не включают такое расположение, в тоже время достигая массопереноса по существу равного таковому систем, которые не включают такое расположение.

Согласно воплощениям системы стимуляции продукции биомассы в соответствии с Фигурой 5 петлевой участок 106 включает первую зону по существу горизонтального потока 502, которая лежит в первой горизонтальной плоскости и включает первый участок потока 502A, второй участок потока 502C и пятый участок потока 502B между первым участком потока 502A и вторым участком потока 502C. Петлевой участок 106 также включает вторую зону по существу горизонтального потока 504, которая лежит во второй горизонтальной плоскости (отличной от первой горизонтальной плоскости), которая включает третий участок потока 504A, четвертый участок потока 504C и шестой участок потока 504B между третьим участком потока 504A и четвертым участком потока 504C. Первая зона по существу горизонтального потока 502 расположена между выходным отверстием 402 газожидкостного сепаратора 102 и входным отверстием газожидкостного сепаратора 102, которое сообщается по току жидкости с выходным отверстием 135 петлевого участка 106. Вторая зона по существу горизонтального потока 504 расположена между первой зоной по существу горизонтального потока 502 и входным отверстием газожидкостного сепаратора 102, сообщающимся по току жидкости с выходным отверстием 135 петлевого участка 106. Зона по существу вертикального потока 506 расположена между первой зоной по существу горизонтального потока 502 и второй зоной по существу горизонтального потока 504 и обеспечивает жидкостное сообщение между первой зоной по существу горизонтального потока 502 и второй зоной по существу горизонтального потока 504.

Согласно воплощениям, проиллюстрированным на Фигуре 5, входное отверстие 133 петлевого участка 106 (т.е. входное отверстие первой зоны по существу горизонтального потока 502 и ее первого участка потока 502A) сообщается по току жидкости с выходным отверстием 402 газожидкостного сепаратора 102. Конец первого участка потока 502A противоположный первому участку потока 502A, находящемуся в жидком сообщении с выходным отверстием 402 газожидкостного сепаратора 102, сообщается по току жидкости с одним концом пятого участка потока 502B. В проиллюстрированном воплощении Фигуры 5, жидкостное сообщение между первым участком потока 502A и пятым участком потока 502B обеспечивает соединитель, например, 90° колено. Другой конец пятого участка потока 502B сообщается по току жидкости с одним концом второго участка потока 502C. В проиллюстрированном воплощении Фигуры 5, жидкостное сообщение пятого участка потока 502B и второго участка потока 502C обеспечено посредством соединителя, например, 90° колено. Другой конец второго участка потока 502C сообщается по току жидкости с одним концом зоны по существу вертикального потока 506. Другой конец зоны по существу вертикального потока 506 сообщается по току жидкости с входным отверстием второй зоны по существу горизонтального потока 504 (и ее третьим участком потока 504A). Сообщение по току жидкости между зоной по существу вертикального потока 506 и вторым участком потока 502C и третьим участком потока 504A обеспечено соединителями, например, 90° коленами. Конец третьего участка потока 504A противоположный зоне вертикального потока 506 сообщается по току жидкости с шестым участком потока 504B, другой конец которого сообщается по току жидкости с четвертым участком потока 504C. Сообщение по току жидкости между шестым участком потока 504B и третьим участком потока 504A и четвертым участком потока 504C обеспечено соединителями, например, 90° коленами. Конец четвертого участка потока 504C противоположного шестому участку потока 504B сообщается по току жидкости с газожидкостным сепаратором 102.

Во время работы многофазная смесь течет через петлевой участок 106 в направлении, указанном стрелочками 502A-C, 510A-C и 512. В частности в проиллюстрированных воплощениях, многофазная смесь течет через первый участок потока 502A в направлении стрелки 509A, течет через пятый участок потока 502B в направлении стрелки 509B, течет через второй участок потока 502C в направлении стрелки 509C, течет через зону по существу вертикального потока 506 в направлении стрелки 512, течет через третий участок потока 504A в направлении стрелки 510A, течет через шестой участок потока 504B в направлении стрелки 510B и течет через четвертый участок потока 504C в направлении стрелки 510C. Таким образом, согласно воплощениям, описанным в данном документе, многофазная смесь течет в первом участке потока 502A в направлении отличном от направления многофазной смеси, которая течет во втором участке потока 502C, четвертом участке потока 504C, пятом участке потока 502B и шестом участке потока 504B. Например, направление, в котором течет многофазная смесь через первый участок потока 502A противоположно направлению, в котором течет многофазная смесь во втором участке потока 502C и четвертом участке потока 504C и совпадает с направлением, в котором течет многофазная смесь в третьем участке потока 504A. Направление тока многофазной смеси в первом участке потока 502A может быть охарактеризовано как перпендикулярное направлению, в котором течет многофазная смесь в шестом участке потока 504B и в пятом участке потока 502B.

Многофазная смесь, протекающая во втором участке потока 502C, течет в направлении, отличном от направления тока многофазной смеси через первый участок потока 502A, третий участок потока 504A, пятый участок потока 502B и шестой участок потока 504B, и в направлении которое является таким же как направление тока в четвертом участке потока 504C. Например, многофазная смесь течет во втором участке потока 502C в направлении противоположном направлению многофазной смеси, протекающей в первом участке потока 502A и третьем участке потока 504A. В проиллюстрированном воплощении Фигуры 5, многофазная смесь течет через второй участок потока 502C в направлении перпендикулярном направлению многофазной смеси, протекающей в пятом участке потока 502B и шестом участке потока 504B.

Многофазная смесь, протекающая в третьем участке потока 504A, течет в направлении, отличном от направления многофазной смеси в пятом участке потока 502B, втором участке потока 502C, шестом участке потока 504B и четвертом участке потока 504C и том же направлении, что и поток многофазной смеси в первом участке потока 502A. Например, многофазная смесь течет в третьем участке потока 504A в направлении, противоположном направлению тока многофазной смеси во втором участке потока 502C и четвертом участке потока 504C. В воплощении, проиллюстрированном на Фигуре 5, поток многофазной смеси в третьем участке потока 504A происходит в направлении, перпендикулярном направлению тока многофазной смеси в шестом участке потока 504B и пятом участке потока 502B.

Многофазная смесь, протекающая в четвертом участке потока 504C, течет в направлении отличном от направления тока многофазной смеси, протекающей через первый участок потока 502A, пятый участок потока 502B, третий участок потока 504A и шестой участок потока 504B и том же направлении, что и многофазная смесь, протекающая во втором участке потока 502C. Например, многофазная смесь течет в четвертом участке потока 504C в направлении противоположном направлению тока многофазной смеси через первый участок потока 502A и третий участок потока 504A. В воплощении, проиллюстрированном на Фигуре 5, поток многофазной смеси в четвертом участке потока 504C происходит в направлении перпендикулярном направлению тока многофазной смеси в пятом участке потока 502B и шестом участке потока 504B.

Направление тока многофазной смеси через шестой участок потока 504B и пятый участок потока 502B относительно первого участка потока 502A, второго участка потока 502C, третьего участка потока 504A и четвертого участка потока 504C описано выше. Направление тока многофазной смеси через четвертый участок потока 504C отлично от направления тока многофазной смеси через шестой участок потока 504B. Например, поток многофазной смеси через четвертый участок потока 504C происходит в направлении перпендикулярном направлению тока многофазной смеси через шестой участок потока 504B.

Ссылка на направление тока в первом участке потока 502A, втором участке потока 502C, третьем участке потока 504A, четвертом участке потока 504B, пятом участке потока 502B и шестом участке потока 504B, относится к направлению объемного потока многофазной смеси на протяжении петлевого участка 106, но не направлению любых течений, микротечений, завихрений и т.п., которые могут возникать в объеме жидкости из-за того, что она течет через петлевой участок 106. Согласно воплощениям, проиллюстрированным на Фигуре 5, ссылка на направление тока в первом участке потока 502A, втором участке потока 502C, третьем участке потока 504A, четвертом участке потока 504B, пятом участке потока 502B и шестом участке потока 504B означает, что поток осуществляется по существу вдоль или оси х-оси или z-оси на основании системы координат, показанной на Фигуре 5.

В отношении Фигуры 5, в отличие от потока, который осуществляется по существу вдоль или x-оси или z-оси в пером участке потока 502A, втором участке потока 502C, третьем участке потока 504A, четвертом участке потока 504B, пятом участке потока 502B и шестом участке потока 504B, поток в зоне по существу вертикального тока 506 осуществляется в направлении, указанном стрелкой 512, которая идет по существу вдоль y-оси системы координат, показанной на Фигуре 5.

Описание примера системы 200 со ссылкой на Фигуру 2, включающей описание подсистемы разделения 250, термической подсистемы 270 и подсистемы управления 290 применимо к эквивалентным системам, проиллюстрированным и описанным со ссылкой на Фигуры 4 и 5. Аналогично описание различных компонентов и подсистем примера системы 100 для стимуляции продукции биомассы со ссылкой на Фигуры 3, включая, но не ограничиваясь, описание газожидкостного сепаратора 102, устройства для обеспечения движения жидкости 104, подсистемы подачи питательных и/или минеральных веществ 114, теплообменник(и) 116, статические смесители 139, применимо к системам, проиллюстрированным и описанным со ссылкой на Фигуры 4 и 5.

На Фигуре 6 изображен высокоуровневый метод эксплуатации 500 системы 100 для стимуляции продукции биомассы с применением одного или более петлевых реакторов 101, описанный подробно выше в отношении Фигур 2-5. Такие подсистемы преимущественно вводят один или более газообразный субстрат и жидкую среду, содержащую одно или более питательных веществ в жидкую культуральную среду, содержащую по меньшей мере один микроорганизм, способный утилизировать газообразные субстраты и жидкие питательные вещества для роста. Комбинация одного или более газообразных субстратов, жидкой питательной среды, содержащей одно или более питательных веществ и жидкой культуральной среды, содержащей по меньшей мере один микроорганизм, дает многофазную смесь, циркулирующую через петлевой реактор 101. Условия внутри петлевого реактора 101 обеспечивают массоперенос газообразных субстратов в жидкую культуральную среду и последующий микробиологический захват газообразного субстрата и жидких питательных веществ, снижение давления внутри петлевого реактора и десорбцию газов из многофазной смеси. Многофазная смесь, проходящая через петлевой участок 106 петлевого реактора 101, поступает в газожидкостный сепаратор 102, где многофазная смесь разделяется на жидкую и газообразную фазу. Способ начинается на 502.

В 504 газообразный субстрат диспергируют внутри жидкой среды с образованием многофазной смеси. Такая дисперсия может происходить в или около входного отверстия 133 петлевого участка 106, тем не менее дополнительные количества газообразного субстрата могут быть введены в жидкую культуральную среду в других участках петлевого участка 106. В некоторых случаях газообразный субстрат может быть диспергирован во множестве точек вдоль петлевого участка 106 и газообразный субстрат в каждой точке дисперсии может иметь одинаковую или отличную температуру, давление, состав или их комбинации. Способность варьировать физические или композиционные свойства газообразного субстрата в различных участках петлевого участка 106 преимущественно дают возможность адаптировать газообразный субстрат не только к определенным видам микроорганизмов, присутствующим в многофазной смеси, но также к определенному расположению данных видов микроорганизмов внутри петлевого участка 106 на основании точки дисперсии газообразного субстрата.

В 506 многофазная смесь течет через петлевой участок 106 петлевого реактора 101. Поскольку многофазная смесь течет через петлевой участок 106, она контактирует со множеством дополнительных статических смесителей 139, которые обеспечивают смешивание газообразного субстрата и/или питательных веществ с жидкой культуральной средой. За счет подведения или иного контроля скорости тока многофазной смеси через петлевой реактор 101, длительность времени нахождения пузырьков газообразного субстрата и питательных веществ в контакте с микроорганизмом(ми) может быть модифицирована. Увеличение длительности времени нахождения пузырьков газообразного субстрата и питательных веществ в контакте с микрооргаизмом(ми) может повышать степень массопереноса газообразных материалов в микроорганизмы и микробиологический захват газообразных материалов микроорганизмом. В противном случае уменьшение длительности времени нахождения пузырьков газообразного субстрата и питательных веществ в контакте с микроорганизмом(ми) может снижать степень массопереноса газообразного субстрата в микроорганизмы и микробиологический захват газообразных материалов микроорганизмами. В некоторых случаях длительность времени нахождения пузырьков газообразного субстрата и питательных веществ в контакте с микроорганизмами может быть измерена и проконтролирована. Например, подсистема управления 290 может изменять, регулировать или контролировать скорость потока многофазной смеси через петлевой реактор. В некоторых случаях температуру, давление или композицию газообразного субстрата можно изменять, регулировать или контролировать через подсистему управления 290 для поддержания желаемого размера пузырьков газообразного субстрата внутри петлевого реактора 106. В других случаях температуру, давление или композицию газообразного субстрата можно изменять, регулировать или контролировать посредством подсистемы управления 290 для поддержания концентрации одного или более компонентов газообразного субстрата (например, метан, диоксид углерода, водород, кислород, азот и т.д.) внутри жидкой фазы многофазной смеси. Объемный коэффициент массообмена (k_La) газообразного субстрата в отношении микроорганизмов и микробиологический захват газообразных материалов микроорганизмами может быть повышен за счет протекания многофазной смеси через множество зон по существу вертикального потока 408A, 408C, 414A, 414C, 414E и 414G, описанных и проиллюстрированных со ссылкой на Фигуры 4A-4D и 506 на Фигуру 5, на которой многофазная смесь течет по существу в восходящем направлении, например, против вектора ускорения свободного падения.

В 508 температуру многофазной смеси внутри петлевого реактора 101 можно изменять, регулировать или контролировать для поддержания температуры внутри определенного диапазона. В по меньшей мере некоторых случаях может быть выбран определенный температурный диапазон или в иных случаях выбран на основании по меньшей мере частично микробиологических видов, используемых внутри системы 100. Лишнее тепло может быть образовано в качестве побочного продукта микроорганизмами ответственными по меньшей мере за часть активности внутри системы 100. Если излишнее тепло не контролировать, оно может ингибировать или негативно влиять на рост или метаболизм некоторых или всех микроорганизмов внутри системы 100. В по меньшей мере некоторых случаях охлаждение многофазной смеси в петлевом реакторе 101 может быть обеспечено для поддержания многофазной смеси в петлевом реакторе 101 внутри определенного диапазона. Такое охлаждение может включать пропускание культуральной среды через резервуары или спирали, имеющие теплопроводное соединенные с петлевым реактором 101, или трубу, которая выводит часть многофазной смеси из петлевого реактора 101 в теплообменник 116. В по меньшей мере некоторых случаях подсистема управления 290 может контролировать скорость тока или температуру охлаждающей среды, пропускаемой через резервуары или спирали, имеющие теплопроводные соединения с петлевым реактором 101, или трубу, которая выводит часть многофазной смеси из петлевого реактора 101 в теплообменник 116. В других случаях тепло, продуцируемое видами микроорганизмов, может быть недостаточным для поддержания многофазной смеси в петлевом реакторе 101 в желаемом диапазоне температур. Такое может происходить, например, в очень холодных условиях среды, где петлевой реактор 101, расположен или частично расположен во внешней среде. В некоторых случаях резервуары или спирали, имеющие теплопроводное соединение с петлевым реактором 101 или трубой, которая выводит часть многофазной смеси из петлевого 101 в теплообменник 116, могут быть применены для получения многофазной смеси. В по меньшей мере некоторых случаях подсистема управления 290 может контролировать скорость тока или температуру нагреваемой среды, проходящей через резервуары или спирали 140, имеющие теплопроводные соединенения с петлевым реактором 101, или трубу, которая выводит часть многофазной смеси из петлевого реактора 101 в теплообменник 116.

В 510 давление на пузырьки с газообразным субстратом, перемещающиеся вместе с многофазной смесью через петлевой реактор 101 ниже множества зон по существу вертикального потока 408A, 408C, 414A, 414C, 414E и 414G, проиллюстрированных на Фигурах 4A-4D или 506, проиллюстрированном на Фигуре 5, в которых многофазная смесь течет по существу в восходящем направлении, например, против вектора ускорения свободного падения, может быть снижено за счет протекания многофазной смеси через первый редуктор давления. В некоторых случаях давление на пузырьки газообразного субстрата понижено за счет протекания многофазной смеси через первый редуктор давления, который не полагается на различия в гидростатическом давлении для снижения давления. Другими словами, в некоторых случаях давление на пузырьки с газообразным субстратом, перемещающиеся с многофазной смесью через петлевой реактор 101 ниже множества по существу вертикальных зон понижения давления 408A, 408C, 414A, 414C, 414E и 414G Фигур 4A-4D или 506 на Фигуре 5, снижено без изменения в повышении центральной линии петлевого реактора 101 на выходе из первой зоны понижения давления 108 относительно повышения центральной линии петлевого реактора 101 на входе в первую зону понижения давления 108. Понижение давления в 510 может в некоторых случаях преимущественно повышать скорость, с которой пузырьки с газообразным субстратом и другие газы десорбируются из многофазной смеси.

В 512, многофазная смесь выходит из первой зоны понижения давления 108 и течет в газожидкостный сепаратор 102. Газообразный материал, десорбирующийся из многофазной смеси, также может течь в газожидкостный сепаратор 102 наряду с многофазной смесью. Многофазная смесь, входящая в газожидкостный сепаратор 102 может включать, но не ограничиваясь, неадсорбированную жидкость, содержащую питательные вещества, микроорганизмы и пузырьки с газообразным субстратом. Газы и жидкость, входящие в газожидкостный сепаратор 102 разделяют газообразную фазу и жидкую фазу внутри газожидкостного сепаратора 102. Газы могут быть собраны из пространства над продуктом газожидкостного сепаратора 102, в тоже время жидкость может быть удалена со дна газожидкостного сепаратора 102. В дополнение к жидкости микроорганизмы также могут быть собраны в газожидкостном сепараторе 102 и удалены с его дна. Жидкость и микроорганизмы, удаленные со дна газожидкостного сепаратора 102, могут быть доставлены к входному отверстию 129 устройства для обеспечения движения жидкости 104 для рециркуляции через петлевой реактор 101. В по меньшей мере некоторых случаях, по меньшей мере часть собранного газа может быть впоследствии обработана или отделена. По меньшей мере часть собранного газа может быть рециркулирована в петлевой реактор в качестве газообразного субстрата. В некоторых случаях по меньшей мере часть собранного газа может быть продана или утилизирована иным образом. В по меньшей мере некоторых случаях по меньшей мере часть собранного газа может быть продана или обменена в качестве измеримого товара. В по меньшей мере некоторых случаях собранный газ может включать один или более C₂₊-углеводородных газов и соединений, имеющих значение или в качестве конечного продукта или в качестве сырья в последующих процессах. В некоторых случаях реактор применяют для получения натуральных или ненатуральных продуктов, таких как этанол, ацетат, бутанол, изопрен, пропилен, фарнезен или другие метаболиты или клеточные продукты, где продукт получают из микроорганизма. В таких случаях продукты могут присутствовать в или выбросе газа 123 или жидких отходах 125 в зависимости от физических свойств продукта.

В по меньшей мере некоторых случаях по меньшей мере часть собранной жидкости может быть в дальнейшем обработана или отделена. Например, по меньшей мере часть жидкости, отделенной от многофазной смеси, которая может включать или не включать биологические твердые вещества, может быть рециркулирована через петлевой реактор 101. Например, по меньшей мере часть отделенной жидкости, содержащей биологические твердые вещества, может быть скомбинирована с дополнительными жидкостями и пропущена через петлевой реактор 101. Такая рециркуляция может предпочтительно обеспечить постоянное, непрерывное или полунепрерывное осеменение петлевого реактора 101 определенными биологическими видами. В некоторых случаях по меньшей мере часть отделенной жидкости может быть собрана и продана или иным образом утилизирована. В по меньшей мере некоторых случаях по меньшей мере часть отделенной жидкости может быть продана или обменена в качестве измеримого продукта. В по меньшей мере некоторых случаях отделенная жидкость может включать одну или более C₂₊-углеводородные жидкости, включая, но не ограничиваясь один или более спирт, гликоль или кетон.

В 514, микроорганизмы из газожидкостного сепаратора 102 могут быть удалены выше устройства для обеспечения движения жидкости 104 или ниже устройства для обеспечения движения жидкости 104, например, через отверстие для удаления биомассы 128. Собранные микроорганизмы в дальнейшем могут быть обработаны для получения желаемых продуктов. В некоторых случаях микроорганизмы, собранные через отверстие для удаления биомассы 128 могут быть введены в подсистему разделения 250 для обработки и получения желаемых продуктов.

На фигуре 7 изображен высокоуровневый метод стимуляции продукции биомассы 600, при котором применяют систему 100, включающую один или более петлевой реактор 101, описанный в деталях выше со ссылкой на Фигуры 2-5. Пример способа продукции биомассы 600 применяет этапы идентичные или почти идентичные таковым, описанным подробно для способа стимуляции продукции биомассы 500, подробно описанного со ссылкой на Фигуру 6, за исключением того, что способ стимуляции продукции биомассы 600 включает этап понижения давления на пузырьки с газообразным субстратом внутри многофазной смеси в петлевом реакторе за счет пропускания многофазной смеси через вторую зону понижения давления. Описания этапов 502, 504 и 508 на Фигуре 6 применимы к этапам 602, 604 и 608 Фигуры 7, соответственно. Описание этапа 514 Фигуры 6 применимо к этапу 616 Фигуры 7.

В 606 многофазная смесь течет через петлевой участок 106 петлевого реактора 101. Поскольку многофазная смесь течет через петлевой участок 106, она контактирует с дополнительным множеством статических смесителей 139, которые обеспечивают перемешивание газообразного субстрата и/или питательных веществ в жидкую культуральную среду. За счет регулирования или иного контроля скорости тока многофазной смеси через петлевой реактор 101, продолжительность времени нахождения пузырьков газообразного субстрата и питательных веществ в контакте с микроорганизмом(ми) может быть изменена. Увеличение продолжительности времени нахождения пузырьков газообразного субстрата и питательных веществ в контакте с микроорганизмом(ми) может увеличивать степень массопереноса газообразных материалов в микроорганизмы и микробиологический захват газообразных материалов микроорганизмом. В отличие от этого снижение продолжительности времени нахождения пузырьков газообразного субстрата и питательных веществ в контакте с микроорганизмом(ми) может снижать степень массопереноса газообразных материалов в микроорганизмы и микробиологический захват газообразных материалов микроорганизмами. В некоторых случаях продолжительность времени нахождения пузырьков газообразного субстрата и питательных веществ в контакте с микроорганизмами может быть измерено и проконтролировано. Например, подсистема управления 290 может изменять, подводить или контролировать скорость тока многофазной смеси через петлевой реактор. В некоторых случаях температуру, давление или композицию газообразного субстрата можно изменять, регулировать или контролировать посредством подсистемы управления 290 для поддержания концентрации одного или более компонентов газообразного субстрата (например, метана, диоксида углерода, водорода, кислорода, азота и т.д.) внутри жидкой фазы многофазной смеси. Объемный коэффициент массопереноса (k_La) газообразного субстрата к микроорганизмам и микробиологический захват газообразных материалов микроорганизмами может быть обеспечен за счет протекания многофазной смеси через зоны по существу вертикального потока 408A, 408C, 414A, 414C, 414E и 414G Фигур 4A-4D или 506 на Фигуре 5.

В 610 давление на пузырьки с газообразным субстратом, перемещающиеся вместе с многофазной смесью через петлевой реактор 101 ниже зон по существу вертикального потока 408A, 408C, 414A, 414C, 414E и 414G Фигур 4A-4D или 506 на Фигуре 5, снижено за счет протекания многофазной смеси через первый редуктор давления. В некоторых случаях давление на пузырьки с газообразным субстратом (и в сущности жидкости) снижено за счет протекания многофазной смеси через первый редуктор давления, который не полагается на различия в гидростатическом давлении для понижения давления. Другими словами в некоторых случаях давление на пузырьки с газообразным субстратом, перемещающиеся вместе с многофазной смесью через петлевой реактор 101 ниже зон по существу вертикального потока 408A, 408C, 414A, 414C, 414E и 414G Фигур 4A-4D или 506 на Фигуре 5, понижают без изменения в повышении центральной линии петлевого реактора 101 на выходе из первой зоны понижения давления 108 по сравнению с повышением центральной линии петлевого реактора 101 на входе в первую зону повышения давления 108. Понижение давления в 510 может в некоторых случаях предпочтительно увеличивать скорость, с которой пузырьки с газообразным субстратом и другими газами десорбируются из многофазной смеси.

В 612 на Фигуре 7, давление на пузырьки с газообразным субстратом, перемещающиеся вместе с многофазной смесью через петлевой реактор 101 ниже зон по существу вертикального потока 408A, 408C, 414A, 414C, 414E и 414G Фигур 4A-4D или 506 на Фигуре 5, снижено за счет протекания многофазной смеси из первой зоны понижения давления 108 во вторую зону понижения давления 112. В некоторых случаях в 612 давление на пузырьки с газообразным субстратом снижено за счет протекания многофазной смеси через второй редуктор давления, который не полагается на различия в гидростатическом давлении для понижения давления. Другими словами в некоторых случаях в 612 давление на пузырьки газообразного субстрата, перемещающиеся вместе с многофазной смесью через петлевой реактор 101, понижено без изменения повышения центральной линии петлевого реактора 101 на выходе из второй зоны понижения давления 112 по сравнению с повышением центральной линии петлевого реактора 101 на входе во вторую зону повышения давления 112. В некоторых случаях при понижении давления на пузырьки с газообразным субстратом как на этапе 610, так и на 612, величина снижения давления в 612 может быть меньшей по сравнению с величиной снижения давления в 610. В некоторых случаях снижение давления предпочтительно повышает скорость, с которой пузырьки с газообразным субстратом или другими газами десорбируются из многофазной смеси.

Вышеупомянутое описание проиллюстрированных воплощений, включая таковые, описанные в реферате, предназначено не для полного объяснения или ограничения воплощений, а для уточнения раскрытых форм. Хотя конкретные воплощения и примеры описаны в данном документе в иллюстративных целях, различные эквивалентные модификации могут быть сделаны без отклонения от сущности и объема данного изобретения, а также поняты специалистами в данной области техники. Идеи, предложенные различными воплощениями в данном документе, могут быть применены к другим системам для стимуляции продукции биомассы, ферментерам и ферментационным системам. Такие системы для стимуляции продукции биомассы, ферментеры и системы ферментации могут включать петлевые реакторы или ферментеры для целей иных, чем производство промежуточных химических продуктов, и могут включать петлевые реакторы, ферментеры и ферментационные системы, полезные для производства продуктов или напитков для человека и животных. Аналогично, вспомогательные системы, описанные в данном документе, включая теплообменник газожидкостного сепаратора, устройство для обеспечения движения жидкости, подсистему подачи питательных веществ, теплообменник и подсистему управления могут включать единую систему, например, помещенный в корпус теплообменник или помещенную в корпус систему управления, или может включать изготовленную по заказу подсистему, включающую ряд подкомпонентов, которые физически, жидкостно соединены вместе, в некоторой степени усиливая контролируемую продукцию и распределение охлаждающей или нагревающей среды (т.е. посредством теплообменника), усиливая разделение по меньшей мере части многофазной смеси на газ, жидкость и полутвердые веществ для рециркуляции или восстановления и последующей обработки или продажи (т.е. посредством газожидкостного сепаратора). Подсистема управления может включать объединенную или распределенную систему контроля, которая обеспечивает мониторинг, сигнализацию, контроль и управление выходом всей или части системы продукции биомассы или любой из вспомогательных подсистем. Подсистема управления может также включать любой ряд отдельных петлерегуляторов и т.п. для контроля одного или более аспектов системы продукции биомассы или любой из вспомогательных систем.

В вышеизложенном подробном описании изложены воплощения устройств и/или способов при помощи схем технологического процесса и примеров способа. Поскольку такие блок-схемы, схематические виды и примеры содержат одну или более функций и/или операций, специалистам в области техники будет понятно, что каждая функция и/или операция внутри такой блок-схемы, технологической схемы или примеров может быть осуществлена отдельно и/или вместе, с применением широкого спектра имеющихся в продаже или выполненных по заказу компонентов, которые хорошо известны специалистам в области химических технологий. Виды микроорганизмов, приведенные в данном документе, предназначены для обеспечения образца потенциальных видов микроорганизмов, которые могут быть поддержаны в системе продукции биомассы и петлевых реакторах, как описано в данном документе.

Различные воплощения, описанные выше, могут быть скомбинированы для обеспечения дальнейших воплощений. Эти и другие изменения могут быть сделаны в воплощениях в свете вышеупомянутого подробного описания. В целом в последующей формуле изобретения примененные термины не следует толковать как ограничивающие формулу изобретения до конкретных воплощений, раскрытых в описании и формуле изобретения, но следует толковать как включающие все возможные воплощения вместе с полным объемом эквивалентов, которым дает правомочность такая формула изобретения. Соответственно формула изобретения не ограничена данным изобретением.

Группа изобретений относится к области биотехнологии. Предложены система для стимуляции продукции биомассы из культуры микроорганизмов (варианты) и способ стимуляции продукции биомассы из культуры микроорганизмов в петлевом реакторе (варианты). Система содержит петлевой реактор с имеющим входное и выходное отверстия газожидкостным сепаратором для разделения многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды, а также с петлевым участком. Способ включает неоднократный перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси в петлевом участке, разделение многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды на газообразную фазу и жидкую фазу в газожидкостном сепараторе, удаление жидкой фазы и доставку удаленной жидкой фазы к входному отверстию петлевого участка петлевого реактора. Изобретения обеспечивают уменьшение наземной площади и объема, занимаемого биореакторами, без ухудшения его рабочих характеристик. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Система для стимуляции продукции биомассы из культуры микроорганизмов, содержащая:

петлевой реактор, включающий:

газожидкостный сепаратор для разделения многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды на газообразную фазу и жидкую фазу, включающий выходное и входное отверстия;

петлевой участок, включающий:

входное отверстие в жидкостной связи с выходным отверстием газожидкостного сепаратора и выходное отверстие в жидкостной связи с входным отверстием газожидкостного сепаратора;

по меньшей мере одну по существу горизонтальную зону между входным отверстием петлевого участка и выходным отверстием петлевого участка;

первую зону по существу вертикального потока, расположенную между входным отверстием петлевого участка и выходным отверстием петлевого участка; и

вторую зону по существу вертикального потока, расположенную между первой зоной по существу вертикального потока и выходным отверстием петлевого участка, где первая и вторая зоны по существу вертикального потока выполнены таким образом, что направление тока многофазной смеси через них является одинаковым, относительно вектора ускорения свободного падения.

2. Система по п. 1, дополнительно включающая третью зону по существу вертикального потока, расположенную между второй зоной по существу вертикального потока и выходным отверстием петлевого участка, где третья зона по существу вертикального потока выполнена таким образом, что направление тока многофазной смеси через нее является таким же, что и направление тока через первую зону по существу вертикального потока и вторую зону по существу вертикального потока, относительно вектора ускорения свободного падения.

3. Система по п. 1, которая выполнена таким образом, чтобы обеспечивать массоперенос между газом и жидкой культуральной средой многофазной смеси в по меньшей мере одной по существу горизонтальной зоне, который характеризуется объемным коэффициентом массопереноса по существу горизонтальной зоны (k_La), массоперенос между газом и жидкой культуральной средой многофазной смеси в первой зоне по существу вертикального потока, который характеризуется объемным коэффициентом массопереноса первой зоны по существу вертикального потока (k_La), и массоперенос между газом и жидкой культуральной средой многофазной смеси во второй зоне по существу вертикального потока, который характеризуется объемным коэффициентом массопереноса второй зоны по существу вертикального потока (k_La), где по меньшей мере один из объемного коэффициента массопереноса первой зоны по существу вертикального потока (k_La) и объемного коэффициента массопереноса второй зоны по существу вертикального потока (k_La) от двух до пяти раз больше, чем объемный коэффициент массопереноса по существу горизонтальной зоны (k_La).

4. Система для стимуляции продукции биомассы из культуры микроорганизмов, включающая:

петлевой реактор, включающий:

газожидкостный сепаратор для разделения многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды на газообразную фазу и жидкую фазу, включающий выходное и входное отверстия;

петлевой участок, включающий:

входное отверстие в жидкостной связи с выходным отверстием газожидкостного сепаратора и выходное отверстие в жидкостной связи с входным отверстием газожидкостного сепаратора;

первую по существу горизонтальную зону между входным отверстием петлевого участка и выходным отверстием петлевого участка, включающую первый участок потока, который позволяет многофазной смеси течь в первом направлении, и второй участок потока, который позволяет многофазной смеси течь во втором направлении, отличном от первого направления;

вторую по существу горизонтальную зону между входным отверстием петлевого участка и выходным отверстием петлевого участка, включающую третий участок потока, который позволяет многофазной смеси течь в третьем направлении, и четвертый участок потока, который позволяет многофазной смеси течь в четвертом направлении, отличном от третьего направления; и

по меньшей мере одну зону по существу вертикального потока между первой по существу горизонтальной зоной и второй по существу горизонтальной зоной.

5. Система по п. 4, где первая по существу горизонтальная зона петлевого участка дополнительно включает пятый участок потока, который позволяет многофазной смеси течь в пятом направлении, отличном от первого направления потока в первом участке потока и отличном от второго направления потока во втором участке потока.

6. Система по п. 4, где вторая по существу горизонтальная зона петлевого участка дополнительно включает шестой участок потока, который позволяет многофазной смеси течь в шестом направлении, отличном от третьего направления потока в третьем участке потока и отличном от четвертого направления потока в четвертом участке потока.

7. Система по п. 4, которая выполнена таким образом, чтобы обеспечивать массоперенос между газом и жидкой культуральной средой многофазной смеси в первой по существу горизонтальной зоне, который характеризуется объемным коэффициентом массопереноса первой по существу горизонтальной зоны (k_La), массоперенос между газом и жидкой культуральной средой многофазной смеси во второй по существу горизонтальной зоне, который характеризуется объемным коэффициентом массопереноса второй по существу горизонтальной зоны (k_La), и массоперенос между газом и жидкой культуральной средой многофазной смеси в по меньшей мере одной зоне по существу вертикального потока, который характеризуется объемным коэффициентом массопереноса зоны по существу вертикального потока (k_La), где объемный коэффициент массопереноса зоны по существу вертикального потока (k_La) от двух до пяти раз больше, чем по меньшей мере один из объемного коэффициента массопереноса первой по существу горизонтальной зоны (k_La) и объемного коэффициента массопереноса второй по существу горизонтальной зоны (k_La).

8. Способ стимуляции продукции биомассы из культуры микроорганизмов в петлевом реакторе, включающий:

пропускание многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды через первую зону по существу вертикального потока петлевого реактора;

в первой зоне по существу вертикального потока перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси;

пропускание многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды через по существу горизонтальную зону петлевого реактора;

в по существу горизонтальной зоне перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси;

пропускание многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды через вторую зону по существу вертикального потока петлевого реактора, где пропускание многофазной смеси через вторую зону по существу вертикального потока и пропускание многофазной смеси через первую зону по существу вертикального потока осуществляется в одинаковом направлении, относительно вектора ускорения свободного падения;

во второй зоне по существу вертикального потока перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси;

разделение многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды на газообразную фазу и жидкую фазу ниже второй зоны по существу вертикального потока;

пропускание газообразной фазы и жидкой фазы, отделенных от многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды, в газожидкостный сепаратор через входное отверстие газожидкостного сепаратора и

удаление жидкой фазы из выходного отверстия газожидкостного сепаратора и доставку удаленной жидкой фазы к входному отверстию петлевого участка петлевого реактора.

9. Способ по п. 8, дополнительно включающий:

пропускание многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды через третью зону по существу вертикального потока петлевого реактора, где пропускание многофазной смеси через третью зону по существу вертикального потока осуществляется в том же направлении, относительно вектора ускорения свободного падения, что и пропускание многофазной смеси через первую зону по существу вертикального потока и вторую зону по существу вертикального потока;

в третьей зоне по существу вертикального потока перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси.

10. Способ по п. 8, где перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси в первой зоне по существу вертикального потока происходит при объемном коэффициенте массопереноса первой зоны по существу вертикального потока (k_La), перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси в по существу горизонтальной зоне происходит при объемном коэффициенте массопереноса по существу горизонтальной зоны (k_La) и перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси во второй зоне по существу вертикального потока происходит при объемном коэффициенте массопереноса второй зоны по существу вертикального потока (k_La), где по меньшей мере один из объемного коэффициента массопереноса первой зоны по существу вертикального потока (k_La) и объемного коэффициента массопереноса второй зоны по существу вертикального потока (k_La) от двух до пяти раз больше, чем объемный коэффициент массопереноса по существу горизонтальной зоны (k_La).

11. Способ по п. 9, где перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси в третьей зоне по существу вертикального потока происходит при объемном коэффициенте массопереноса третьей зоны по существу вертикального потока (k_La), где объемный коэффициент массопереноса третьей зоны по существу вертикального потока (k_La) от двух до пяти раз больше, чем объемный коэффициент массопереноса по существу горизонтальной зоны (k_La).

12. Способ стимуляции продукции биомассы из культуры микроорганизмов в петлевом реакторе, включающий:

пропускание многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды через первую по существу горизонтальную зону петлевого реактора;

в первой по существу горизонтальной зоне перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси, протекание многофазной смеси в первом направлении через первый участок потока первой по существу горизонтальной зоны и протекание многофазной смеси во втором направлении через второй участок потока первой по существу горизонтальной зоны, где первое направление отлично от второго;

пропускание многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды через зону по существу вертикального потока петлевого реактора и в зоне по существу вертикального потока перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси;

пропускание многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды через вторую по существу горизонтальную зону петлевого реактора;

во второй по существу горизонтальной зоне перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси, протекание многофазной смеси в третьем направлении через третий участок потока второй по существу горизонтальной зоны и протекание многофазной смеси в четвертом направлении через четвертый участок второй по существу горизонтальной зоны, где третье направление отлично от четвертого направления;

разделение многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды на газообразную фазу и жидкую фазу ниже второй по существу горизонтальной зоны;

пропускание газообразной фазы и жидкой фазы, отделенных от многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды, в газожидкостный сепаратор через входное отверстие газожидкостного сепаратора и

удаление жидкой фазы из выходного отверстия газожидкостного сепаратора и доставку удаленной жидкой фазы к входному отверстию петлевого участка петлевого реактора.

13. Способ по п. 12, где пропускание многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды через первую по существу горизонтальную зону дополнительно включает:

протекание многофазной смеси в пятом направлении через пятый участок потока первой по существу горизонтальной зоны, где пятое направление отлично от первого направления потока в первом участке потока и отлично от второго направления потока во втором участке потока.

14. Способ по п. 12, где пропускание многофазной смеси газа и жидкой культуральной среды через вторую по существу горизонтальную зону дополнительно включает:

протекание многофазной смеси в шестом направлении через шестой участок потока второй по существу горизонтальной зоны, где шестое направление отлично от третьего направления потока в третьем участке потока и отлично от четвертого направления потока в четвертом участке потока.

15. Способ по п. 12, где перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси в первой по существу горизонтальной зоне происходит при объемном коэффициенте массопереноса первой по существу горизонтальной зоны (k_La), перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси в зоне по существу вертикального потока происходит при объемном коэффициенте массопереноса зоны по существу вертикального потока (k_La) и перенос газа многофазной смеси в жидкую культуральную среду многофазной смеси во второй по существу горизонтальной зоне происходит при объемном коэффициенте массопереноса второй по существу горизонтальной зоны (k_La), где объемный коэффициент массопереноса зоны по существу вертикального потока (k_La) от двух до пяти раз больше, чем по меньшей мере один из объемного коэффициента массопереноса первой по существу горизонтальной зоны (k_La) и объемного коэффициента массопереноса второй по существу горизонтальной зоны (k_La).

16. Система по п. 4, где вторая зона по существу горизонтального потока пересекает первую зону по существу горизонтального потока.

17. Способ по п. 12, где пропускание многофазной смеси через вторую зону по существу горизонтального потока включает пропускание многофазной смеси во вторую зону по существу горизонтального потока через первую зону по существу горизонтального потока.