Способ производства биомассы аэробных микроорганизмов Российский патент 2022 года по МПК C12N1/20 C12M1/04 C12M1/06 C12M1/26 

Настоящее изобретение относится к способам производства биомассы аэробных микроорганизмов в жидкой среде при использовании в качестве органического сырья газообразных алканов и получения в качестве продукции биомассы культивируемых организмов.

Способ предусматривает культивирование микроорганизмов в ферментёре в культуральной жидкости, находящейся в движении внутри ферментёра за счёт энергии подачи в полость ферментёра питательной среды, газообразного органического сырья и аэрирующего агента, в качестве которого выступает атмосферный воздух. Питательная среда подаётся в ферментёр в объёме, компенсирующем объём культуральной жидкости, изымаемый для выделения биомассы микроорганизмов. Подаваемая в ферментёр питательная среда содержит элементы минерального питания микроорганизмов, она подаётся в ферментёр охлаждённой и насыщенной газообразным органическим сырьём и аэрирующим агентом. Отводимые из ферментёра газообразные продукты метаболизма микроорганизмов, в случае их накопления, утилизируются фотосинтезирующими микроорганизмами с последующим выделением биомассы последних.

Несмотря на усилия национальных правительств, международных союзов и организаций, для сотен миллионов человек на Земле остаётся актуальной проблема голода и неполноценного питания http://www.fao.org/3/a-i6431r.pdf.

Одной из глобальных задач, стоящих перед человечеством, является сохранение газового состава атмосферы Земли, что, в частности, решается путём минимализации выброса парниковых газов, одним из которых является углекислый газ, в атмосферу https://www.un.org/ru/sections/issues-depth/climate-change/index.html.

Одним из направлений хозяйственной деятельности, служащих значительным источником парниковых газов, является животноводство http://www.fao.org/gleam/results/ru/.

Принимаются меры по уменьшению объёма выбрасываемых в атмосферу парниковых газов, в частности, углекислого газа, при сохранении высокого уровня пищевого производства. Большую ценность при этом приобретают способы получения белковых продуктов, предусматривающие утилизацию газообразных отходов производства.

Одним из перспективных направлений решения проблем нехватки пищи и кормов является культивирование микроорганизмов с последующим производством из их биомассы белково-витаминных концентратов и выделением из биомассы химических веществ, применяемых, в частности, в пищевой и фармацевтической промышленности.

Известны способы культивирования микроорганизмов при использовании в качестве органического сырья газообразных углеводородов.

Так, известен способ производства биомассы аэробных организмов, патент РФ 2322488 , выбранный нами в качестве прототипа. При реализации данного способа по варианту с параллельным контактом культуральной жидкости с газообразным органическим сырьём и воздухом, культуральная жидкость циркулирует по замкнутому контуру. Из ферментёра, снабжённого подводящим трубопроводом питательной среды, трубопроводом отвода культуральной жидкости с накопленной биомассой микроорганизмов, охлаждающим устройством, трубой отвода отработанного аэрирующего агента и продуктов метаболизма, культуральная жидкость с помощью трубопровода подаётся в аэратор, где диспергируется и при взаимодействии с потоком воздуха насыщается кислородом и избавляется от углекислого газа. Воздух подаётся в аэратор при помощи насоса. Непрерывно подающийся воздух проходит через аэратор, далее он подаётся в наджидкостное пространство ферментёра для вентиляции и удаления углекислого газа из данного пространства, и выбрасывается в атмосферу, вынося газообразные метаболиты.

Параллельно с аэрированием осуществляется насыщение культуральной жидкости газообразным органическим сырьём. Для этого из вышеупомянутого ферментёра культуральная жидкость с помощью трубопровода подаётся в газатор, где диспергируется и при взаимодействии с потоком газообразных углеводородов насыщается ими. Газообразные углеводороды подаются по трубопроводу, идущему от газорегуляторной установки природного, либо сжиженного газа. В процессе насыщения культуральной жидкости газообразные углеводороды циркулируют по замкнутому контуру. Система, осуществляющая насыщение культуральной жидкости газообразными углеводородами, помимо собственно газатора включает в себя циркуляционную тягодутьевую машину, регулятор давления газа, ряд трубопроводов и запорных органов, предохранительные сбросные клапаны и, в одном из вариантов исполнения, ресивер (газгольдер). При установившемся режиме работы количеству растворившихся в культуральной жидкости углеводородов соответствует количество углеводородов, подаваемых из газорегуляторной установки.

Потоки культуральной жидкости, прошедшей через аэратор и через газатор соединяются в смесителе и подаются в ферментёр.

Для обеспечения циркуляции культуральной жидкости имеются один или два циркуляционных насоса со всасывающими и нагнетательными патрубками.

При реализации данного способа, принимаемого в качестве прототипа, по варианту с параллельным контактом культуральной жидкости с газообразным органическим сырьём и воздухом, входящие в состав описанного выше устройства ферментёр, аэратор и газатор до определённого уровня заполняют культуральной жидкостью, содержащей минеральные вещества, необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов и чистую культуру микроорганизмов. За счёт работы циркуляционных насосов и перепада уровней жидкости культуральная жидкость циркулирует в устройстве, поступая из ферментёра в аэратор и газатор. Токи аэрированной и насыщенной газообразным субстратом культуральной жидкости смешиваются и возвращаются в ферментёр. Прошедший через аэратор воздух выбрасывают в атмосферу, газообразный субстрат циркулирует, проходя через газатор до полного потребления микроорганизмами. Биологическое тепло, вырабатываемое микроорганизмами, отводится охлаждающим устройством. Содержащая биомассу микроорганизмов культуральная жидкость отводится для извлечения биомассы, отбираемый объём культуральной жидкости компенсируют, прибавляя к культуральной жидкости соответствующий объём жидкой питательной среды, содержащей минеральные вещества, необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов.

Способ по данному варианту обладает рядом недостатков. Так, установка, применяемая при реализации способа по данному варианту, сложна и включает в себя ряд насосов, трубопроводов, ёмкостей. Содержащая взвешенные микроорганизмы культуральная жидкость в процессе реализации способа находится в постоянном движении по трубопроводам, взаимодействует с насосами и внутренними деталями аэратора и газатора, диспергируется, что повреждает микроорганизмы, вводит их в состояние стресса и может привести к инактивации. Отводимые при реализации способа по данному варианту газообразные метаболиты, главным образом, углекислый газ, выбрасывают в атмосферу, что приводит к её загрязнению.

При реализации способа, принимаемого в качестве прототипа, по варианту с последовательным контактом культуральной жидкости с газообразным субстратом (газообразными углеводородами) и воздухом (аэрирующим агентом) устройство содержит ёмкость, в которой культуральная жидкость при работе барботажных аэрирующих устройств насыщается кислородом подаваемого атмосферного воздуха, и ёмкость-сателлит, в которой культуральная жидкость при работе барботажных аэрирующих устройств насыщается газообразным субстратом.

При осуществлении аэрации подаваемый атмосферный воздух проходит через культуральную жидкость однократно и выбрасывается в атмосферу, частично вынося газообразные метаболиты культивируемых бактерий.

Обе ёмкости соединены жидкостепроводами, при этом культуральная жидкость находится в постоянном однонаправленном движении, перетекая из ёмкости в ёмкость и последовательно насыщаясь кислородом и газообразным субстратом. К жидкостепроводам, связывающим ёмкости, подведены трубы для подвода в систему жидкой питательной среды (питательной минеральной среды) и для отвода культуральной жидкости с дальнейшим извлечением из неё биомассы микроорганизмов. Культуральная жидкость приводится в движение благодаря работе устройства для принудительной циркуляции (насоса) и в отдельных случаях циркуляция может обеспечиваться за счёт эрлифта при подаче воздуха и газообразного субстрата. Внутри вышеупомянутых ёмкостей находятся обечайки, из которых выходят выводящие жидкостепроводы. В пространстве между обечайками и стенками ёмкостей расположены барботажные аэрирующие устройства, насыщающие культуральную жидкость в ёмкости кислородом атмосферного воздуха, а в ёмкости-сателлите – газообразным субстратом. При движении жидкости внутри ёмкости пространство между обечайкой и внутренней поверхностью стенок ёмкости служит подъёмным каналом, а пространство внутри обечайки – опускным каналом. Аналогично организовано движение жидкости внутри ёмкости-сателлита. При этом обечайка ёмкости-сателлита в верхней части и внутри охватываемого ею пространства имеет воронкообразные сужения, наличие которых способствует увеличению поверхности контакта фаз и интенсифицирует насыщение культуральной жидкости газообразным субстратом. Подаваемый через барботтеры в ёмкость-сателлит газообразный субстрат создаёт внутри ёмкости-сателлита давление, превышающее атмосферное. По этой причине уровень культуральной жидкости внутри обечайки ниже уровня жидкости между обечайкой и внутренней поверхностью стенок ёмкости-сателлита и перетекающая внутрь обечайки культуральная жидкость формирует водопад, что способствует её насыщению газообразным субстратом. Ёмкость-сателлит снабжена выходным трубопроводом, с помощью которого возможен сброс газообразного субстрата при загрязнении углекислым газом и азотом. При реализации способа предполагается сожжение сброшенного газообразного субстрата в паровом котле или топке.

При реализации способа по данному варианту предполагается применение устройств для отвода биологического тепла, они могут быть выполнены в виде змеевика и размещены снаружи либо внутри обечайки, находящейся в ёмкости, в которой культуральная жидкость насыщается кислородом, либо на одном из жидкостепроводов, соединяющих ёмкость и ёмкость-сателлит.

При реализации способа по данному варианту ёмкостей-сателлитов может быть несколько.

При реализации способа по варианту с последовательным контактом культуральной жидкости с газообразным субстратом и воздухом ёмкость и ёмкость-сателлит заполняют культуральной жидкостью до определённого уровня. При реализации способа непрерывно происходит отбор культуральной жидкости для изъятия биомассы микроорганизмов и подача питательной среды производятся непрерывно. Циркуляционное устройство обеспечивает непрерывную циркуляцию культуральной жидкости между ёмкостями, в одной из которых культуральная жидкость насыщается благодаря работе барботеров кислородом атмосферы, а в другой благодаря работе барботеров и благодаря контакту поверхности культуральной жидкости с газовой средой при перетекании в обечайку и при движении по обечайке культуральная жидкость насыщается газообразным питательным субстратом. При этом воздух, пройдя через культуральную жидкость, выбрасывается в атмосферу, вынося газообразные метаболиты микроорганизмов, а газообразный питательный субстрат подаётся в ёмкость-сателлит, создавая в ней давление, несколько превышающее атмосферное. Поглощение газообразного питательного субстрата культуральной жидкостью в ёмкости-сателлите компенсируют подачей в ёмкость-сателлит вышеупомянутого субстрата. Возможны десорбция из культуральной жидкости углекислого газа и азота в ёмкости-сателлите и накапливание примеси этих газов в газообразном питательном субстрате. Этот процесс может быть компенсирован незначительным выпуском загрязнённого газообразного питательного субстрата из наджидкостного объёма ёмкости-сателлита. Возможна утилизация выпущенного газа путём сжигания в топке котла.

Способ по данному варианту обладает рядом недостатков. Так, установка, применяемая при реализации способа по данному варианту, сложна и включает в себя ряд насосов, трубопроводов, ёмкостей. Содержащая взвешенные микроорганизмы культуральная жидкость в процессе реализации способа находится в постоянном движении по трубопроводам, перетекает из ёмкости в ёмкость, взаимодействует с насосом, свободно падает в обечайке ёмкости-сателлита и бьётся об элементы конструкции, расположенные внутри вышеназванной обечайки. Всё это повреждает микроорганизмы, вводит их в состояние стресса и может привести к инактивации. Отводимые при реализации способа по данному варианту газообразные метаболиты микроорганизмов, главным образом, углекислый газ, выбрасывают в атмосферу, что приводит к её загрязнению.

Целью настоящего изобретения является разработка способа получения биомассы аэробных микроорганизмов с высокой степенью производительности, с минимальными затратами энергии, экологически безопасным образом с использованием в качестве газообразного питательного субстрата метана и его гомологов, с использованием для синтеза до 100% объема газообразного питательного субстрата, с максимальным использованием побочных продуктов для биосинтеза, с аэрацией культуральной жидкости атмосферным воздухом.

Указанная цель достигается тем, что жидкую питательную среду, содержащую необходимые для жизнедеятельности культивируемых микроорганизмов вещества на этапе, предшествующем подаче питательной среды в ферментёр, охлаждают, после чего насыщают газообразным питательным субстратом и аэрирующим агентом. Предварительное охлаждение питательной среды способствует эффективному растворению в ней газов. Далее охлаждённую и насыщенную газообразным питательным субстратом и аэрирующим агентом питательную среду непрерывно подают в ферментёр, заполненный культуральной жидкостью, содержащей взвешенные в питательной среде культивируемые микроорганизмы. Одновременно с подачей в ферментёр питательной среды, из ферментёра непрерывно удаляют культуральную жидкость с последующим извлечением из неё биомассы микроорганизмов. Отбор производят таким образом, чтобы объём отбираемой культуральной жидкости соответствовал объёму поступающей в ферментёр питательной среды. Охлаждённая питательная среда, поступающая в ферментёр, снижает температуру культуральной жидкости, содержащейся в ферментёре, при этом смешение питательной среды с культуральной жидкостью производят так, чтобы исключить резкий перепад температур, приводящий к стрессу культивируемых микроорганизмов, а ток поступающей в ферментёр питательной среды способствует интенсивной циркуляции и перемешиванию культуральной жидкости внутри ферментёра. Дополнительно культуральную жидкость, находящуюся в ферментёре, насыщают газообразным питательным субстратом и аэрирующим агентом при помощи многосопловых инжекторов, смонтированных в стенках ферментёра и подающих газы в культуральную жидкость. Образующиеся в процессе жизнедеятельности культивируемых микроорганизмов жидкие и газообразные метаболиты утилизируют в процессе культивирования, вводя в состав культивируемых в ферментёре микроорганизмов автотрофные и гетеротрофные бактерии, либо отводят образующуюся в ферментёре газовую смесь, содержащую не поглощённый культивируемыми микроорганизмами газообразный питательный субстрат, образовавшийся в результате деятельности культивируемых микроорганизмов углекислый газ и не растворившиеся в культуральной жидкости газы, входящие в состав аэрирующего агента (атмосферного воздуха). После разделения смеси газов газообразный питательный субстрат возвращают в систему, насыщающую им питательную среду и культуральную жидкость, а углекислый газ утилизируют, используя его в качестве газообразного питательного субстрата при выращивании сине-зелёной водоросли спирулины, либо иных микроводорослей, либо закачивают в баллоны для хранения газов для последующего применения в хозяйственных целях.

Для осуществления предложенного способа производства биомассы аэробных микроорганизмов применяется установка, представленная на фиг.1. В числе элементов установки, применяемой при осуществлении заявляемого способа присутствует ферментёр, представленный на фиг.2. Как показано на фиг.1 и фиг.2, применяемая для осуществления заявляемого способа установка содержит ферментер 1, расходные контейнеры - дозаторы 2, узел водоподготовки - стерилизатор 3, смесители ингредиентов питательной среды 4, расходные ёмкости водных растворов 5, стерилизатор питательной среды 6, смеситель - стерилизатор биогенного питания 7, аппарат окончательного формирования питательной среды 8, анализатор химического состава воды 9, устройство охлаждения питательной среды и предварительного растворения газов 10, напорный насос подачи питательной среды 11, газовые фильтры 12, фильтр разделения газов 13, многосопловые инжекторы аэрирующего агента и газообразного питательного субстрата 14, фотобиореактор 15, сепаратор микроводорослей 16, сушилка фитомассы микроводорослей 17, ручное устройство таблетирования фитомассы микроводорослей 18, центрифуга обработки культуральной жидкости 19, фильтр фугата 20, сушилка биомассы 21, гранулятор 22, тройник, либо коллектор 23, тройник, либо коллектор 24, тройник, либо коллектор 25, тройник, либо коллектор 26, тройник, либо коллектор 27, смешивающая аэрирующая головка 28, многосопловый инжектор аэрирующего агента 29, многосопловый инжектор газообразного питательного субстрата 30, трубопровод для отведения культуральной жидкости 31, снабжённый запирающим клапаном газопровод для отведения газов 32, расходный контейнер-дозатор 33, узел водоподготовки-стерилизатор 34, газовый фильтр 35, газовый фильтр 36, газовый фильтр 37.

Заполняемый культуральной жидкостью ферментёр 1, представленный на фиг.2, имеет полость, представляющую собой объёмное тело, полученное в результате вращения овоида вокруг оси симметрии, при этом ось симметрии направлена вертикально, широкая часть - внизу. Контактирующая с культуральной жидкостью формирующая внутреннюю поверхность стенка ферментёра должна быть выполнена из применяемого в пищевой промышленности прочного, химически нейтрального материала, например, из стали или прозрачного поликарбоната. Внутренняя поверхность ферментёра при этом должна быть максимально гладкой для наименьшего препятствования движению культуральной жидкости вдоль стенок ферментёра. Ферментёр в нижней точке полости оснащён смешивающей аэрирующей головкой 28, с подводящим трубопроводом для подачи предварительно обогащённой газообразным питательным субстратом и аэрирующим агентом охлаждённой питательной среды, кроме этого ферментёр оснащён многосопловым инжектором аэрирующего агента 29 и многосопловым инжектором газообразного питательного субстрата 30 с подводящими газопроводами, трубопроводом для отведения культуральной жидкости 31 и снабжённым запирающим клапаном газопроводом 32 для отведения газов, в случае их накопления в ферментёре над поверхностью культуральной жидкости. Смешивающая аэрирующая головка представляет собой продолжающий подводящий трубопровод набор патрубков, расположенных в горизонтальной плоскости, расходящихся от центра и ориентированных под острым гулом к радиальному направлению. Патрубки имеют сужения внутреннего канала, что, при подаче сквозь патрубки жидкости под давлением, создаёт эффект сопла Лаваля. Количество патрубков и параметры внутренних каналов могут быть различными, эти параметры определяют опытным путём в зависимости от характеристик ферментёра. Многосопловые инжекторы представляют собой соединённые с газопроводами посредством переходных трубок и закреплённые с внутренней стороны вышеназванной ёмкости узкораспылительные инжекторы-эдукторы, например, соответствующие вышеназванным параметрам форсунки, производимые компанией Spraying Systems Co. (https://www.spray.com/).

Также в состав установки входит система связанных жидкостепроводами устройств и узлов, предназначенных для приготовления и доставки в ферментёр питательной среды, отведения из ферментёра культуральной жидкости, и доставки культуральной жидкости к устройствам, предназначенным для выделения из неё биомассы культивируемых организмов, а также транспортировки фугата, которая включает в себя узлы водоподготовки 3 и 34, где предназначенные для создания питательной среды поступающую из доступной системы водоснабжения воду, и полученный при осуществлении заявляемого способа фугат очищают от взвешенных частиц и стерилизуют, применяя типовые для пищевой промышленности технологии очистки и подготовки воды. Фугат отделяют от биомассы культивируемых микроорганизмов при помощи центрифуги обработки культуральной жидкости 19 и фильтра фугата 20. Для отделения биомассы культивируемых микроорганизмов может быть применена проточная высокоскоростная центрифуга непрерывного действия производства компании Carl Padberg Zentrifugenbau GmbH (https://cepa.de/), например модель CEPA Z 101/Z 101 GP, либо спиральные или плоскорамные модули мембранной фильтрации компании Alfa Laval Corporate AB (https://www.alfalaval.com), либо аналогичные устройства. Фильтрация фугата осуществляется с применением фильтрационной установки, использующей процесс микрофильтрации, ультрафильтрации, нанофильтрации, либо принцип обратного осмоса, например, одна из ряда фильтрационных установок, производимых компанией Alfa Laval Corporate AB, либо аналогичная установка иного производителя. Также для подготовки к использованию при приготовлении питательной среды фугата, полученного при выделении из культуральной жидкости биомассы культивируемых микроорганизмов, вышеупомянутая система включает в себя анализатор химического состава фугата 9, показывающий концентрацию в фугате не поглощённых культивируемыми микроорганизмами элементов минерального питания, что необходимо для расчёта объёма вносимых элементов минерального питания при приготовлении питательной среды из смеси поступающей из системы водоснабжения очищенной и подготовленной воды и очищенного и подготовленного фугата. С этой целью может быть применён анализатор MULTILINE 1000 230VAC производства Xylem Analytics Germany GmbH (https://www.xylemanalytics.com/), либо иное аналогичное устройство.

Также вышеупомянутая система включает в себя расходные контейнеры-дозаторы 2, представляющие собой ёмкости, позволяющие загружать в них химические вещества в виде порошков, либо гранул. Также расходные контейнеры-дозаторы должны быть оборудованы дозаторами, позволяющими выдавать заданные объёмы, либо заданную массу сыпучих веществ. Подобные устройства широко используются на предприятиях пищевой, фармацевтической, либо химической продукции. В процессе реализации заявляемого способа расходные контейнеры-дозаторы 2 содержат загружаемые в них по мере потребности соли микроэлементов, предназначенные для включения в состав питательной среды и выдают эти вещества в заданных количествах для включения в состав питательной среды. Количество расходных контейнеров-дозаторов соответствует количеству компонентов, прибавляемых к воде в процессе приготовления питательной среды и может быть различным. Подача солей микроэлементов из расходных контейнеров-дозаторов может регулироваться вручную, при этом оператор учитывает данные, полученные анализатором химического состава фугата 9 и объём используемой для создания питательной смеси жидкости для получения требуемых итоговых концентраций. Этот процесс может быть автоматизирован, в этом случае анализ данных, полученных вышеназванным анализатором химического состава, расчёт необходимых объёмов подаваемых солей микроэлементов, управление подачей солей микроэлементов в вышеназванные смесители выполняет ЭВМ.

Также вышеупомянутая система включает в себя смесители ингредиентов питательной среды 4, в которых формируется смесь солей микроэлементов, входящих в состав питательной среды, при этом в смесители ингредиентов питательной среды поступают соли микроэлементов из расходных контейнеров-дозаторов 2 таким образом, чтобы в каждый отдельно взятый смеситель ингредиентов питательной среды попадали совместимые по консистенции, химическим свойствам и потребляемым объёмам вещества, допускающие совместное растворение. Таким образом, на один смеситель ингредиентов питательной среды приходится один или несколько расходных контейнеров-дозаторов. Смеситель ингредиентов питательной среды 4 представляет собой ёмкость, снабжённую подводящими и отводящим трубопроводом.

Также вышеупомянутая система включает в себя две расходные ёмкости водных растворов 5, представляющие собой проточные ёмкости, в которых растворяются в воде компоненты, поступающие из смесителей ингредиентов питательной среды 4. Конструктивно и функционально обе вышеназванные расходные ёмкости дублируют друг друга, в процессе реализации способа они задействованы по очереди. Одна ёмкость обеспечивает поток формируемой питательной среды, в другой создаётся раствор солей микроэлементов для последующей подачи. Выбор ёмкости для задействования при реализации способа может быть выполнен оператором вручную, кроме того, этот процесс может быть автоматизирован.

Также вышеупомянутая система включает в себя стерилизатор питательной среды 6, при этом может быть использован типовой стерилизатор водных растворов, применяемый в пищевой, химической, либо фармацевтической промышленности.

Также вышеупомянутая система включает в себя расходные контейнеры-дозаторы 33, содержащие биогенные ростовые вещества (соединения N, P, K, Mg), устроенные и управляемые аналогично расходным контейнерам-дозаторам 2. Количество расходных контейнеров-дозаторов 33 соответствует количеству компонентов, прибавляемых к воде в процессе приготовления питательной среды, и может быть различным.

Также вышеупомянутая система включает в себя смеситель-стерилизатор биогенного питания 7 и аппарат окончательного формирования питательной среды 8. При этом смеситель-стерилизатор биогенного питания состоит из трёх последовательно соединённых жидкостепроводами ёмкостей. Это ёмкость с типовой, применяющейся в пищевых производствах мешалкой, в которую поступают биогенные ростовые вещества из расходных контейнеров-дозаторов 33 и вода по жидкостепроводу из элемента 24. Следующая – ёмкость, в которой стерилизуется полученный в ёмкости с мешалкой раствор, при этом применяют типовые для пищевой промышленности технологии стерилизации растворов. Далее следует расходная ёмкость с насосом, связанная жидкостепроводом с аппаратом окончательного формирования питательной среды 8, представляющим собой ёмкость с мешалкой.

Также вышеупомянутая система включает в себя устройство охлаждения питательной среды и предварительного растворения газов 10, включающее в себя холодильную установку и ёмкость, в которой охлаждённая питательная среда насыщается аэрирующим агентом и газообразным субстратом. Для охлаждения питательной среды может быть применена холодильная установка с гидромодулем, например, установка серии МГЧ.Г, поставляемая организацией «I-Chiller - производство холодильного оборудования» (https://www.i-chiller.ru/), либо аналогичное оборудование. Ёмкость, в которой охлаждённая питательная среда насыщается аэрирующим агентом и газообразным субстратом, оснащена многосопловыми инжекторами аэрирующего агента и газообразного питательного субстрата 14 с подводящим газопроводом, аналогичные применяемым в ферментёре.

Также вышеупомянутая система включает в себя подающий охлаждённую, предварительно насыщенную питательную среду в ферментёр 1 напорный насос питательной среды 11, например, насос серии LKHP-High-Pressure производства компании Alfa Laval Corporate AB, либо аналогичный.

Также вышеупомянутая система включает в себя фотореактор 15, предназначенный для культивирования микроводорослей, например сине-зелёной водоросли спирулины каким-либо из известных способов с применением фотореактора и продувкой углекислым газом в смеси с воздухом, например патент RU 2128701.

Также вышеупомянутая система включает в себя сепаратор микроводорослей, например сине-зеленой водоросли спирулины 16, сушилку фитомассы 17 и, к примеру, устройство ручного таблетирования 18, где фитомасса приобретает товарный вид. Вышеназванные сепаратор микроводорослей, сушилка фитомассы и устройство ручного таблетирования - типовые устройства, широко применяемые на производствах биологически-активных добавок.

Также вышеупомянутая система включает в себя сушилку биомассы культивируемых микроорганизмов 21 и гранулятор 22. Это типовые устройства, широко применяемые на производствах белковых концентратов и биологически-активных добавок.

Перечисленные выше элементы системы приготовления и доставки в ферментёр питательной среды, отведения из ферментёра культуральной жидкости, и доставки культуральной жидкости к устройствам, предназначенным для выделения из неё биомассы культивируемых организмов, а также транспортировки фугата, соединены между собой жидкостепроводами следующим образом. Жидкостепровод соединяет центрифугу обработки культуральной жидкости 19 с фильтром фугата 20. Фильтр фугата 20 соединён жидкостепроводом с тройником, либо коллектором 27.Тройник, либо коллектор 27 соединён жидкостепроводами с анализатором химического состава оборотной воды 9 и фотореактором 15, в свою очередь, фотореактор 15 соединён жидкостепроводом с сепаратором микроводорослей, например сине-зелёной водоросли спирулины 16. Автоматический анализатор химического состава оборотной воды 9 соединён жидкостепроводом с узлом водоподготовки-стерилизатором, предназначенным для подготовки фугата к включению его в состав питательной среды 3. Узел водоподготовки-стерилизатор, предназначенный для подготовки фугата к включению его в состав питательной среды 3 соединён жидкостепроводом с тройником, либо коллектором 23. Тройник, либо коллектор 23 соединён жидкостепроводом с тройником, либо коллектором 24. От тройника, либо коллектора 24 отходят три жидкостепровода. Один жидкостепровод соединяет тройник, либо коллектор 24 со смесителем-стерилизатором 7. Два жидкостепровода, отходящих от тройника, либо коллектора 24 параллельно соединяют тройник, либо коллектор 24 с двумя расходными ёмкостями водных растворов 5 и таким образом служат входящими жидкостепроводами для вышеназванных ёмкостей. Два жидкостепровода, служащие выходящими жидкостепроводами соединяют расходные ёмкости водных растворов 5 с тройником, либо коллектором 25, объединяющим эти жидкостепроводы. Тройник, либо коллектор 25 соединён жидкостепроводом со стерилизатором питательной среды 6. Стерилизатор питательной среды 6 соединён жидкостепроводом с аппаратом окончательного формирования питательной среды 8. Аппарат окончательного формирования питательной среды 8 соединён жидкостепроводом с устройством охлаждения питательной среды и предварительного растворения газов 10. Устройство охлаждения питательной среды и предварительного растворения газов 10 соединено жидкостепроводом с напорным насосом питательной среды 11. Напорный насос питательной среды 11соединён жидкостепроводом с ферментёром 1.

Помимо этого, жидкостепроводы связывают следующие элементы системы приготовления и доставки в ферментёр питательной среды. Узел водоподготовки-стерилизатор, предназначенный для подготовки воды из доступной системы водоснабжения к включению её в состав питательной среды 34 соединён жидкостепроводом с тройником, либо коллектором 23.

Расходные узлы-дозаторы 2 параллельно соединены трубопроводами, допускающими транспортировку порошков и гранул, со смесителями ингредиентов питательной среды 4 таким образом, что на один смеситель ингредиентов питательной среды приходится один или более одного расходный узел-дозатор. Из каждого смесителя ингредиентов питательной среды 4 исходит жидкостепровод, снабжённый тройником, либо коллектором 26 таким образом, что каждому смесителю ингредиентов питательной среды соответствует единственный тройник, либо коллектор 26. Каждый из тройников, либо коллекторов 26 разводит ток жидкости, поступающей по жидкостепроводу из смесителя ингредиентов питательной среды 4 по жидкостепроводам, количество которых соответствует количеству расходных ёмкостей водных растворов 5, подводящим жидкость к расходным ёмкостям водных растворов 5 так, что в каждую из расходных ёмкостей водных растворов 5 приходит один жидкостепровод от каждого тройника, либо коллектора 26.

Расходные контейнеры-дозаторы 33 параллельно соединены трубопроводами, допускающими транспортировку порошков и гранул, со смесителем-стерилизатором биогенного питания 7, смеситель-стерилизатор биогенного питания 7, соединён жидкостепроводом с аппаратом окончательного формирования питательной среды 8.

Также в состав установки входит система насыщения питательной среды и культуральной жидкости газообразным питательным субстратом и аэрирующим агентом. Она включает в себя газорегуляторную установку природного, либо сжиженного газа (на схеме не показана), обеспечивающую подачу в вышеназванную систему газообразного питательного субстрата, соединённую газопроводами с газовыми фильтрами 12 и 35. Применяются типовые газовые фильтры для обеспечения систем газоснабжения, предназначенные для таких рабочих сред, как воздух, метан и его газообразные гомологи. Газовый фильтр 12 соединён газопроводом с многосопловым инжектором газообразного питательного субстрата устройства охлаждения питательной среды и предварительного растворения газов 10, газовый фильтр 35 соединён газопроводом с многосопловым инжектором газообразного питательного субстрата 30, смонтированным на ферментёре 1 и предназначенным для подачи в полость ферментёра 1 газообразного питательного субстрата.

Система насыщения питательной среды и культуральной жидкости газообразным питательным субстратом и атмосферным воздухом (аэрирующим агентом) также включает в себя дутьевой вентилятор (на схеме не показан), подающий аэрирующий агент через газопровод в газовые фильтры 36 и 37, аналогичные вышеупомянутым газовым фильтрам 12 и 35. Газовый фильтр (36) соединён газопроводом с многосопловым инжектором аэрирующего агента устройства охлаждения питательной среды и предварительного растворения газов 10, газовый фильтр 37 соединён газопроводом с многосопловым инжектором аэрирующего агента 29, смонтированным на ферментёре 1 и предназначенным для подачи в полость ферментёра 1 аэрирующего агента.

Система насыщения питательной среды и культуральной жидкости газообразным питательным субстратом и аэрирующим агентом также включает в себя фильтр разделения газов 13, связанный подводящим газопроводом с верхней частью полости ферментёра 1. Разделение смеси газообразных углеводородов, входящих в состав природного газа и углекислого газа с формированием потока очищенных углеводородов и потока углекислого газа – распространённая процедура, реализуемая, в частности, с применением мембранных технологий. В качестве примера устройств, реализующих эту задачу можно привести мембранные модули GENERON® производства компании Innovative Gas Systems, Inc. (www.generon.com, http://igs-generon.ru/) для очистки природного газа от примеси углекислого газа.

Фильтр разделения газов 13 снабжён двумя отводящими газопроводами, при этом газопровод, заполняемый отводимыми в процессе функционирования фильтра разделения газов 13 газами, входящими в состав питательного субстрата, связывает фильтр разделения газов 13 с устройством охлаждения питательной среды и предварительного растворения газов 10, а газопровод, заполняемый отводимым в процессе функционирования фильтра разделения газов 13 углекислым газом - с полостью фотореактора 15.

В состав установки входят запирающие и регулирующие интенсивность движения потоков жидкостей и газов элементы, позволяющие организовывать направление и интенсивность движения жидкостей и газов в пределах установки, также обратимо отключать от тока жидкостей, либо газов входящие в состав установки элементы и устройства для ремонта, замены и обслуживания, а также для обеспечения включения вышеназванных элементов и устройств в процесс функционирования в нужной последовательности, либо с нужной интенсивностью. Вышеназванные элементы не показаны в схеме, их устанавливают по месту и регулируют при монтаже оборудования и при выводе установки в рабочий режим, исходя из взаимного расположения элементов оборудования, уровней жидкостей и интенсивности движения потоков жидкостей и газов.

Заявляемый способ реализуют следующим образом. Подключают к имеющейся системе водоснабжения узел подготовки-стерилизатор 34. Подключают к источнику газообразного питательного субстрата газовые фильтры 12 и 35. Подключают к источнику аэрирующего агента газовые фильтры 36 и 37. Заполняют необходимыми для формирования питательной смеси солями микроэлементов расходные контейнеры-дозаторы 2, заполняют биогенными ростовыми веществами расходные контейнеры-дозаторы 33. Заполняют водой одну, либо обе расходные ёмкости водных растворов, где при помощи смесителей-дозаторов приступают к приготовлению жидкой питательной среды. Далее приготавливаемая питательная среда через стерилизатор питательной среды поступает в аппарат окончательного формирования питательной среды. В этот же аппарат через смеситель-стерилизатор биогенного питания поступают растворённые в воде биогенные ростовые вещества из расходного контейнера-дозатора 33. Окончательно насыщенную солями микроэлементов и биогенными ростовыми веществами жидкую питательную среду подают в устройство охлаждения питательной среды и предварительного растворения газов, где её насыщают газообразным питательным субстратом и аэрирующим агентом, и при этом, при необходимости, охлаждают. Далее при помощи напорного насоса питательную среду подают в ферментёр. В ферментёре в питательную среду вносят инокулят, представляющий собой смешанную производственную культуру микроорганизмов, состоящую из метанотрофных и гетеротрофных бактерий, а также бактерий, использующих углекислый газ в качестве источника углерода. Возможен вариант внесения в питательную среду смешанной производственной культуры микроорганизмов, не содержащих бактерий, использующих углекислый газ в качестве источника углерода. В этом случае вырабатываемый в процессе жизнедеятельности микроорганизмов углекислый газ отводят из ферментёра и утилизируют при помощи процесса, описанного ниже. Находящуюся в ферментёре питательную среду с внесёнными микроорганизмами (культуральную жидкость) активно перемешивают и насыщают газообразным питательным субстратом и аэрирующим агентом при помощи сопловых инжекторов и смешивающей аэрирующей головки. При повышении температуры культуральной жидкости при развитии микроорганизмов производственной культуры снижают температуру жидкой питательной среды в устройстве охлаждения питательной среды и предварительного растворения газов. Анализ температуры культуральной жидкости и корректировка температуры жидкой питательной среды могут быть выполнены оператором, также процесс может быть автоматизирован. При этом снижение температуры питательной среды во избежание холодового повреждения микроорганизмов в момент поступления охлаждённой питательной среды в ферментёр должно быть таким, чтобы разность температур жидкой питательной среды и культуральной жидкости в момент смешения составляла не более 10°С. Для достижения наилучшего результата опытным путём выясняют время начала повышения температуры культуральной жидкости, отсчитывая от момента запуска установки, при этом охлаждение подаваемой жидкой питательной среды организуют заранее с тем, чтобы упредить процесс повышения температуры культуральной жидкости.

При накоплении в культуральной жидкости массы культивируемых микроорганизмов, часть культуральной жидкости отбирают из ферментёра и направляют в центрифугу обработки культуральной жидкости. При этом отбор культуральной жидкости компенсируют подачей в ферментёр соответствующего объёма насыщенной газами охлаждённой питательной среды. В центрифуге обработки культуральной жидкости происходит разделение биомассы клеток культивируемых микроорганизмов и фугата. Фугат далее поступает в фильтр фугата, где проходит более тонкую очистку от биомассы клеток культивируемых микроорганизмов. Биомассу клеток культивируемых микроорганизмов, выделенную в центрифуге обработки культуральной жидкости и в фильтре фугата, далее подают в сушилку биомассы 21 и далее - в гранулятор 22 для получения продукции в товарном виде по стандартной технологии получения и обработки белкового концентрата. Полученный фугат направляют в автоматический анализатор химического состава оборотной воды, далее в узел водоподготовки-стерилизатор 3. После обработки в узле водоподготовки-стерилизаторе 3, фугат, пройдя через элемент 23, в котором к нему при необходимости пополнения объёма может быть добавлена вода, поступившая из узла водоподготовки-стерилизатора 34, поступает в расходные ёмкости водных растворов, замыкая цикл перемещения воды.

При реализации заявляемого способа без введения в состав смешанной производственной культуры микроорганизмов бактерий, использующих углекислый газ в качестве источника углерода, накапливающийся в верхней части ферментёра углекислый газ в смеси с подаваемыми в ферментёр газообразным питательным субстратом и аэрирующим агентом отводят в фильтр разделения газов, где формируется поток углекислого газа в смеси с другими атмосферными газами, поступившими в составе аэрирующего агента, и поток не употреблённого культивируемыми микроорганизмами газообразного питательного субстрата. Газообразный питательный субстрат подают в устройство охлаждения питательной среды и предварительного растворения газов. Углекислый газ в смеси с другими атмосферными газами подают в фотореактор 15, где углекислый газ включается в качестве газообразного питательного субстрата в процессе выращивания в жидкой питательной среде микроорганизмов, потребляющих углекислый газ, например микроводорослей, из числа которых в указанных целях широко применяется сине-зелёная водоросль спирулина, каким-либо из известных способов с применением фотореактора и продувкой углекислым газом в смеси с воздухом. По мере накопления фитомассы микроводорослей, культуральную среду из фотореактора подают на сепаратор микроводорослей 16, где происходит отделение фитомассы с возвратом питательной среды обратно в фотореактор. Фитомассу подают в сушилку фитомассы 17 и далее, например, в устройство ручного таблетирования 18, где фитомасса приобретает товарный вид.

В результате реализации заявляемого способа получаем биомассу аэробных микроорганизмов с высокой степенью производительности способа, с минимальными затратами энергии, экологически безопасным образом с использованием в качестве газообразного питательного субстрата метана и его гомологов, с использованием для синтеза до 100% объема газообразного питательного субстрата, с максимальным использованием побочных продуктов для биосинтеза, с аэрацией культуральной жидкости атмосферным воздухом.

Изобретение относится к биотехнологии, в частности, к производству биомассы аэробных микроорганизмов. Способ производства биомассы аэробных микроорганизмов предусматривает культивирование микроорганизмов в условиях непрерывной циркуляции культуральной жидкости по замкнутому контуру и непрерывном насыщении газообразными углеводородами и аэрирующим агентом при подаче питательной среды и удалении накопленной биомассы. Культуральная жидкость циркулирует в ферментёре с насыщением её газообразными углеводородами и аэрирующим агентом с предварительным её охлаждением. При этом подачу в ферментёр питательной минеральной среды производят сквозь смешивающую аэрирующую головку, использующую принцип сопла Лаваля, а в качестве аэрирующего агента используют атмосферный воздух, а в качестве газообразного питательного субстрата метан и/или его гомологи. Изобретение позволяет повысить выход биомассы и повысить экологическую безопасность окружающей среды, 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ производства биомассы аэробных микроорганизмов, предусматривающий культивирование микроорганизмов в условиях непрерывной циркуляции культуральной жидкости по замкнутому контуру и непрерывного насыщения газообразным питательным субстратом, а именно газообразными углеводородами, а именно, метаном и/или его гомологами и аэрирующим агентом, а именно, атмосферным воздухом, при подаче питательной минеральной среды, содержащей необходимые для жизнедеятельности культивируемых микроорганизмов вещества и удалении культуральной жидкости с целью выделения накопленной биомассы, отличающийся тем, что культуральная жидкость циркулирует в ферментёре, при этом жидкую питательную среду приготавливают в расходной ёмкости водных растворов, насыщая веществами, необходимыми для жизнедеятельности культивируемых микроорганизмов, после чего жидкую питательную среду, содержащую вещества, необходимые для жизнедеятельности культивируемых микроорганизмов, использующих метан и/или его гомологи в качестве газообразного питательного субстрата, на этапе, предшествующем подаче питательной среды в ферментёр, охлаждают, после чего вышеназванную жидкую питательную среду насыщают газообразным питательным субстратом и аэрирующим агентом, после чего вышеназванную питательную среду так, чтобы исключить резкий перепад температур, сквозь смешивающую аэрирующую головку, использующую принцип сопла Лаваля непрерывно подают в ферментёр, заполненный культуральной жидкостью, содержащей взвешенные в питательной среде культивируемые микроорганизмы, тем самым снижают температуру культуральной жидкости, содержащейся в ферментёре, и осуществляют интенсивную циркуляцию и перемешивание культуральной жидкости внутри ферментёра, при этом дополнительно насыщают находящуюся в ферментёре культуральную жидкость при помощи многосопловых инжекторов, смонтированных в стенках ферментёра газообразным питательным субстратом и аэрирующим агентом, отбирая из ферментёра, при накоплении в культуральной жидкости массы культивируемых микроорганизмов, часть культуральной жидкости и направляя отобранную культуральную жидкость в центрифугу обработки культуральной жидкости, где происходит разделение биомассы клеток культивируемых микроорганизмов и фугата, при этом отбор культуральной жидкости компенсируют подачей в ферментёр соответствующего объёма насыщенной газами охлаждённой питательной среды, при этом полученную биомассу клеток культивируемых микроорганизмов направляют в обработку одним из принятых способов для получения продукции в товарном виде, а фугат направляют в автоматический анализатор химического состава оборотной воды, далее направляют в узел водоподготовки - стерилизатор, далее при необходимости пополнения объёма добавляют воду, далее направляют в расходную ёмкость водных растворов, в свою очередь, в случае накопления в верхней части ферментёра образующегося в процессе жизнедеятельности культивируемых микроорганизмов углекислого газа в смеси с подаваемыми в ферментёр газообразным питательным субстратом и аэрирующим агентом, указанную выше газовую смесь отводят в фильтр разделения газов, где формируют поток углекислого газа в смеси с другими атмосферными газами, поступившими в составе аэрирующего агента, и поток не употреблённого культивируемыми микроорганизмами газообразного питательного субстрата, после чего газообразный питательный субстрат подают в устройство охлаждения питательной среды и предварительного растворения газов, при этом углекислый газ утилизируют в процессе культивирования в жидкой среде микроорганизмов, либо закачивают в баллоны для хранения газов для последующего применения в хозяйственных целях.

2. Способ производства биомассы аэробных микроорганизмов по п.1, отличающийся тем, что полость ферментёра представляет собой объёмное тело, полученное в результате вращения овоида вокруг оси симметрии, при этом ось симметрии направлена вертикально.

3. Способ производства биомассы аэробных микроорганизмов по п.1, отличающийся тем, что поступающая в ферментёр минеральная питательная среда при смешении с находящейся в ферментёре культуральной жидкостью формирует вдоль внутренней поверхности ферментёра ламинарный, оборачивающийся относительно оси симметрии полости ферментёра, восходящий поток.

4. Способ производства биомассы аэробных микроорганизмов по п.1, отличающийся тем, что температура культуральной жидкости, содержащейся в ферментёре, составляла 37°С +/- 1°С.

5. Способ производства биомассы аэробных микроорганизмов по п.1, отличающийся тем, что жидкую питательную среду на этапе, предшествующем подаче питательной среды в ферментёр, охлаждают таким образом, чтобы разность температур охлаждённой вышеназванной жидкой питательной среды и находящейся в ферментёре культуральной жидкости в момент смешения составляла не более 10°С,

6. Способ производства биомассы аэробных микроорганизмов по п.1, отличающийся тем, что культивируют Methylococcus capsulatus, либо иные микроорганизмы, использующие метан и/или его гомологи в качестве газообразного питательного субстрата.

7. Способ производства биомассы аэробных микроорганизмов по п.1, отличающийся тем, что образующийся в процессе жизнедеятельности культивируемых микроорганизмов углекислый газ утилизируют в процессе культивирования в жидкой среде сине-зелёной водоросли спирулины, либо иных микроорганизмов, потребляющих углекислый газ.

8. Способ производства биомассы аэробных микроорганизмов по п.1, отличающийся тем, что питательная среда содержит в качестве веществ, необходимых для жизнедеятельности культивируемых микроорганизмов, растворённые в дистиллированной воде KNO₃; KH₂PO₄; MgSO₄ ·7H₂O; CaCl₂; Na₂HPO₄ · 5H₂O; Na₂EDTA; FeSO₄ · 7H₂O; ZnSO₄ · 7H₂O; MnCl₂ · 4H₂O; CoCl₂ · 6H₂O; CuCl₂ · 5H₂O; NiCl₂ · 6H₂O; Na₂MoO_4.