РЕАКТОР СТУПЕНЧАТЫЙ ДЛЯ АЭРОБНОГО БИОСИНТЕЗА И СПОСОБ РАБОТЫ СТУПЕНЧАТОГО РЕАКТОРА ДЛЯ АЭРОБНОГО БИОСИНТЕЗА Российский патент 2022 года по МПК C12M1/04 C12M1/02 

Изобретение относится к биохимии, а именно к устройствам для работы с ферментами или микроорганизмами, со средствами для введения газа. Изобретение относится к области химических, физических, физико-химических и биотехнологических процессов, реализуемых в аппаратах с формированием жидкой среды высоко насыщенной растворимыми в ней газами. Изобретение может быть использовано в пищевой, агропромышленной, медицинской, микробиологической, нефтехимической промышленности для процессов синтеза различных биологических продуктов, развивающихся в жидкой, обогащенной газовыми субстратами и окислителями среде.

Предшествующий уровень техники

Известен патент РФ на изобретение № 2144952 «Аппарат для выращивания микроорганизмов». Аппарат для выращивания микроорганизмов, оснащенный двумя идентичными по объему емкостями, сообщенными переливными трубопроводами, расположенными выше размещенных у дна газовых распылителей (барботеров), конструкция обеспечивает при аэрации обмен емкостей аэрируемой жидкостью.

К недостаткам аппарата можно отнести неравномерность и низкий уровень аэрации, а также сложность при применении для ферментации облигатных микроорганизмов из-за слабой скорости потока по трубопроводам рециркуляции жидкой фазы. Большая емкость слабо турболизированной среды в совокупности с большим объемом будет способствовать деаэрации микробной суспензии.

Известен патент РФ на изобретение № 2352626 «Аппарат для выращивания микроорганизмов». Аппарат для выращивания микроорганизмов, состоящий из двух закрытых емкостей, соединённых трубопроводами рецикла жидкой фазы с разовыми распылителями (барботерами). Рециркуляция обеспечивается эффектом увлечения жидкой фазы поднимающимися пузырьками газов (аэролифт) с одновременным массообменом.

К недостаткам аппарата можно отнести неравномерность аэрации емкостей, так как аэрирование происходит только в одной из них, что приводит к результирующему низкому уровню аэрации при увеличении размеров используемых емкостей. В емкости, не оснащенной аэраторами, значительно снижается турболизованность среды, что приводит к деаэрации микробной суспензии и как следствие к снижению скорости массобмена.

Известен патент РФ на изобретение № 2727193 «Ферментер и ферментационная установка для непрерывного культивирования микроорганизмов». Ферментер и ферментационная установка для непрерывного культивирования микроорганизмов, представляющий собой замкнутый контур жидкой фазы, состоящий из емкостей с теплообменником, аэраторами и насосом для рециркуляции микробной суспензии.

К недостаткам аппарата можно отнести высокое энергопотребление, связанное с необходимостью обеспечения скорости потока при одновременном деспергировании распылителями слаборастворимых газов в жидкой среде. Увеличение рабочего объема свыше 50м³ приведет к увеличению диаметров элементов рециркуляционного контура, что приведет к расслоению потоков разной плотности из-за невозможности обеспечить равномерность турбулизации потока

При использовании углеводородного субстрата, в частности метана, с применением метанкислящих микроорганизмов, обеспечивающих в присутствии растворенного кислорода синтез высокобелковой биомассы. Струйные аэраторы с эжекцией газовой смеси обеспечивают достаточную турбулизацию ферментационной среды, что позволяет эффективно использовать малорастворимые субстраты и дисперсные среды для процессов ферментации, аэраторы формируют большую поверхность контакта газовой и жидкой фазы, что приводит к увеличению скорости массопередачи питательных компонентов к клеткам и повышению выхода целевого продукта в процессе биосинтеза.

Недостатком известных аппаратов, предназначенных для биосинтеза в водной среде с углеводородным субстратом, является технологическое ограничение рабочего объема аппарата, увеличение которого выше определенного объема приводит к значительному снижению удельной производительности установок из-за невозможности обеспечить равномерность и требуемый уровень массопереноса в теле рабочей жидкости, что приводит к снижению скорости массопередачи питательных компонентов к клеткам и снижению выхода целевого продукта в процессе биосинтеза или приводит к значительному росту энергозатрат на формирование жидкой фазы с требуемыми параметрам, снижая рентабельность производства. При использовании методов аэрации потока жидкости в замкнутом канале, например, в канале тороидальной формы, задача однородной аэрации решается, но до определенного размера сечения канала, после преодоления которого происходит расслоение потоков, общая турбулизация потока снижается и как следствие снижаются массобменные параметры установки, что приводит к необходимости добавления аэраторов и побудителей расхода жидкости, что в совокупности увеличивает сложность конструкции и объем требуемых энергозатрат.

Увеличение высоты рабочих камер однокамерных реакторов с струйными аэраторами приводит к пропорциональному увеличению длины аэратора, что может осуществляться до определённого предела и имеет ограничения при конструировании и монтаже корпуса аппарата. Так же решение ограничено техническими параметрами перекачивающего оборудования и энергозатратами для перемещения жидкой фазы. Максимальный объем биореактора для аэробной ферментации в жидкой среде при получении оптимальных условий диспергирования газовых субстратов составляет 30м³. При соблюдении требуемых пропорций изготовление однокамерного реактора с струйным аэраторам объемом более 64м³ нецелесообразно.

Задачей предлагаемого изобретения является создание реактора ступенчатого для аэробного биосинтеза с технологической возможностью значительного увеличения рабочего объема при сохранении высокого уровня массообменных процессов в зоне биосинтеза, при условии диспергирования труднорастворимых газов в водной среде.

Технический результат предлагаемого реактора ступенчатого для аэробного биосинтеза выражается в возможности создания промышленных эффективных реакторов для аэробного биосинтеза рабочим объемом до 1200м³ при сохранении высоких массообменных характеристик, высоким коэффициентом эффективного использования площади для размещения, повышение степени использования кислорода и метана, в случае применения изобретения для биосинтеза метанотрофных микроорганизмов и уменьшение энергозатрат на процесс аэробного биосинтеза.

Технический результат получен за счет того, что реактор ступенчатый для аэробного биосинтеза выполнен в виде вертикального двух камерного корпуса и одной или нескольких групп неделимых зависимых элементов для аэрации жидкой фазы, причем каждая группа неделимых зависимых элементов всегда содержит два струйных аэратора, нижний из которых располагают в верхней камере корпуса, при этом сам реактор выполнен с патрубками для подачи газов и технологических жидкостей, а также для отвода жидкой и газовой фазы. Обогащение жидкой фазы смесью газов осуществляют двухступенчатой аэрацией с использованием струйных гравитационных аэраторов с эжекционным эффектом для увеличения массобменных процессов в большом объеме. Реактор ступенчатый для аэробного биосинтеза оснащен теплообменниками, побудителями расхода жидкости для рециркуляции жидкой фазы и трубопроводом для подачи жидкой фазы в переливную камеру. В нижней части корпуса установлены штуцеры циркуляции жидкой фазы и штуцеры для отбора жидкой фазы. Увеличение рабочего объема реактора производят расчетным пропорциональным увеличением диаметра двухкамерного корпуса в соответствии с количеством радиально добавляемых групп неделимых зависимых элементов для аэрации жидкой фазы.

Описание

Биосинтез микроорганизмов, утилизирующих газовые углеродсодержащие субстраты, производят на растворимых и дисперсных средах, что предусматривает высокий уровень аэрации жидкой среды труднорастворимыми газами.

Увеличение рабочего объема реактора ступенчатого (Фиг.1) для аэробного биосинтеза производят пропорциональным увеличением диаметра двухкамерного корпуса с радиальным добавлением (Фиг. 3) групп неделимых зависимых групп элементов аэрации жидкой фазы (Фиг. 2). Ограничение количества групп неделимых зависимых элементов обусловлены конструктивными ограничениями при изготовлении, монтаже и обслуживании реактора, трубопроводов контуров рециркуляции жидкой и газовых фаз, а также всех прочих коммуникаций материального обеспечения, энергетики и КИП.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

На фиг. 1 изображен реактор ступенчатый для аэробного биосинтеза в составе нескольких групп неделимых зависимых элементов для аэрации жидкой фазы.

На фиг. 2 изображена группа неделимых зависимых элементов для аэрации жидкой фазы.

На фиг. 3 изображена схема увеличения рабочего объема реактора ступенчатого для аэробного биосинтеза (радиальное размещение неделимых групп аэрации).

Реактор ступенчатый для аэробного биосинтеза состоит из: герметичного вертикального корпуса с верхней и нижней камерами рабочих зон (см. фиг. 1) и одной или нескольких, групп неделимых зависимых элементов (см. фиг 2.) для аэрации жидкой фазы.

Реактор ступенчатый[1] для аэробного биосинтеза содержит групп неделимых зависимых элементов[3] для аэрации жидкой фазы n+1.

Увеличение рабочего объема реактора производят расчетным пропорциональным увеличением диаметра двухкамерного корпуса в соответствии с количеством радиально (см. фиг. 3) добавляемых групп неделимыми зависимых элементов аэрации жидкой фазы. Реактор ступенчатый для аэробного биосинтеза состоит из: корпуса [2]; группы неделимых зависимых элементов аэрации жидкой фазы[3]; группы добавляемых неделимых зависимых элементов аэрации жидкой фазы [4]; верхней камеры корпуса [5]; нижней камеры корпуса [6]; внутреннего трубопровода циркуляции газовой фазы [7]; брызгоотбойника [8]; струйного аэратора верхней камеры [9]; переливной камеры струйного аэратора верхней камеры [10]; струйного аэратора нижней камеры [11]; стабилизирующего экрана [12]; трубопровода контура циркуляции жидкой фазы [13]; теплообменника [14]; штуцера отвода теплоносителя из теплообменника [15]; штуцера ввода теплоносителя в теплообменник [16]; побудителя расхода жидкости [17]; электропривода побудителя расхода жидкости [18]; штуцера датчика температуры [19]; датчика температуры жидкой фазы нижней камеры [20]; стерилизуемого порта отбора образцов микробной суспензии [21]; штуцера слива жидкой фазы [22]; штуцера датчика растворенного кислорода [23]; датчик растворенного кислорода [24]; штуцера отбора микробной суспензии [25]; штуцера датчика температуры [26]; датчика температуры жидкой фазы до теплообменника [27]; штуцера датчика давления [28]; датчика давления жидкой фазы до теплообменника [29]; конусовидного отбойника [30]; трубчатого отвода газовой фазы с внутреннего объема конусовидного отбойника [31]; штуцера датчика температуры [32]; датчика температуры жидкой фазы после теплообменника [33]; штуцера датчика температуры [34]; датчика температуры жидкой фазы верхней камеры [35]; штуцера датчика фосфора [36]; датчика фосфора [37]; штуцера датчика аммонийного азота [38]; датчика аммонийного азота [39]; разрывной аварийной мембраны [40]; датчика давления [41]; штуцера ввода засевной биомассы [42]; штуцера подачи питательных сред [43]; штуцера подачи титрантов [44]; штуцера аварийной подачи азота [45]; датчика азота [46]; датчика метана [47]; датчик кислорода [48]; датчик углекислого газа [49]; штуцер подачи газового субстрата (метана) [50]; штуцер подачи газового окислителя (кислород или воздушная смесь) [51]; трубопровод контура циркуляции газовой фазы [52]; предохранительный (аварийный) клапан [53]; штуцер отвода газовой фазы [54].

Реактор ступенчатый для аэробного биосинтеза работает следующим образом:

1. В чистый простерилизованный реактор подают воду в количестве от 70 до 80% номинального объема, после чего подают раствор ортофосфорной кислоты до достижения требуемой концентрации фосфора, затем концентрацию азота доводят до требуемого значения аммиачной водой.

2. Запускают побудитель расхода жидкости для циркуляции жидкой фазы, после чего, управляя температурой теплоносителя, добиваются стабильной температуры жидкой фазы в диапазоне 42-44°С, затем, по показаниям датчиков температуры контролируют температуру жидкой фазы, термостатирование жидкой фазы производят непрерывно в автоматическом режиме в теплообменнике.

3. Реактор продувают инертным газом, возможно применение азота, для снижения концентрации кислорода до не более 5% объема, при этом концентрацию кислорода контролируют в отходящей из реактора газовой смеси, одновременно побудителем расхода жидкости забирают жидкую фазу нижней камеры реактора и подают ее через теплообменник в переливную камеру верхнего аэратора, при этом, применяя эффект эжекции, подают в аэратор газовую фазу из верхней части рабочей зоны верхней камеры аэратора, обеспечивая подачу газовой фазы из верхней части нижней камеры по внутреннему трубопроводу газовой фазы в верхнюю камеру реактора, затем через аэратор верхней группы направляют жидкую фазу в слой жидкости в рабочей зоне верхней камеры тем самым насыщенная ее газами, затем жидкую фазу направляют через аэратор нижней группы в нижнюю камеру, насыщая ее газовой фазой.

4. Жидкую фазу направляют через аэратор нижней группы в нижнюю камеру, насыщая ее газовой фазой, одновременно осуществляют контроль концентрации растворенного кислорода в жидкой фазе датчиками растворенного кислорода, погруженными в рабочую среду верхней и нижней камеры.

5. Одновременно с контролем концентрации растворенного кислорода водные растворы минерального питания подают внутрь верхней камеры до достижения требуемых концентраций, при этом вводом титрующих растворов в верхнюю камеру добиваются требуемого параметра кислотности среды рН = 5.7, при избытке азота титрование осуществляют раствором гидроксида натрия.

6. Состав газовой смеси газовой фазы корректируют, добавляя метан и воздух в необходимых пропорциях и давлении,

7. Засевную биомассу подают внутрь корпуса при условии достижения требуемых параметров среды из расчета создания требуемой концентрации, после чего доводят уровень жидкой фазы до 100% рабочего объема при этом обеспечивают кислородом микробную культуру, синтезируемой в реакторе, что определяют по остаточной рабочей концентрации растворенного кислорода, которую регулирует путем увеличения парциального давления в системе культивирования, повышением рабочего давления в реакторе или увеличивают расход воздуха.

8. Подачу питательной среды осуществляют непрерывно по потребности микроорганизмов в источниках минерального питания из расчета остаточных концентраций, которые определяют по концентрации азота и фосфора, по результату измерений при необходимости корректируют их концентрацию в растворах.

9. Изменение рабочего давления среды биосинтеза осуществляют регуляторами расхода газа на вводных трубопроводах в реактор и, при этом контролируют состав газовой смеси в условиях изменения давления, контроль и регулирование газовой смеси производят непрерывною, одновременно регулируют скорость протока подачей воды и питательных растворов.

10. Из реактора непрерывно отбирают определенное количество бактериальной суспензии при непрерывной подаче всех компонентов питательной среды, природного газа и воздуха.

11. При отборе микробной суспензии из реактора предусматривают ее отстаивание для дегазации растворенных газов.

Предложенное решение позволяет создавать промышленные аппараты большого объема для аэробного биосинтеза с высоким уровнем массобменных характеристик.

Все вышесказанное подтверждает промышленную применимость предлагаемого реактора ступенчатого для аэробного биосинтеза и способа работы аэробного биосинтеза в ступенчатом реакторе.

Перечень позиций:

1. Реактор ступенчатый для аэробного биосинтеза;

2. корпус;

3. группа неделимых зависимых элементов аэрации жидкой фазы;

4. группа добавляемых неделимых зависимых элементов аэрации жидкой фазы;

5. верхняя камера корпуса;

6. нижняя камера корпуса;

7. внутренний трубопровод циркуляции газовой фазы;

8. брызгоотбойник;

9. струйный аэратор верхней камеры;

10. переливная камера струйного аэратора верхней камеры;

11. струйный аэратор нижней камеры;

12. стабилизирующий экран;

13. трубопровод контура циркуляции жидкой фазы;

14. теплообменник;

15. штуцер отвода теплоносителя из теплообменника;

16. штуцер ввода теплоносителя в теплообменник;

17. побудитель расхода жидкости;

18. электропривод побудителя расхода жидкости;

19. штуцер датчика температуры;

20. датчик температуры жидкой фазы нижней камеры;

21. стерилизуемый порт отбора образцов микробной суспензии;

22. штуцер слива жидкой фазы;

23. штуцер датчика растворенного кислорода;

24. датчик растворенного кислорода;

25. штуцер отбора микробной суспензии;

26. штуцер датчика температуры;

27. датчик температуры жидкой фазы до теплообменника;

28. штуцер датчика давления;

29. датчик давления жидкой фазы до теплообменника;

30. конусовидный отбойник;

31. трубчатый отвод газовой фазы с внутреннего объема конусовидного отбойника;

32. штуцер датчика температуры;

33. датчик температуры жидкой фазы после теплообменника;

34. штуцер датчика температуры;

35. датчик температуры жидкой фазы верхней камеры;

36. штуцер датчика фосфора;

37. датчик фосфора;

38. штуцер датчика аммонийного азота;

39. датчик аммонийного азота.

40. разрывная аварийная мембрана;

41. датчик давления;

42. штуцер ввода засевной биомассы;

43. штуцер подачи питательных сред;

44. штуцер подачи титрантов;

45. штуцер аварийной подачи азота;

46. датчик азота;

47. датчик метана;

48. датчик кислорода;

49. датчик углекислого газа;

50. штуцер подачи газового субстрата (метана);

51. штуцер подачи газового окислителя (кислород или воздушная смесь);

52. трубопровод контура циркуляции газовой фазы;

53. предохранительный (аварийный) клапан;

54. штуцер отвода газовой фазы.

Изобретение относится к биохимии, а именно к устройствам для работы с ферментами или микроорганизмами, со средствами для введения газа. Изобретение может быть использовано в пищевой, агропромышленной, медицинской, микробиологической, нефтехимической промышленности для процессов синтеза различных биологических продуктов, развивающихся в жидкой, обогащенной газовыми субстратами и окислителями среде. Реактор ступенчатый для аэробного биосинтеза выполнен в виде вертикального двух камерного корпуса и одной или нескольких групп неделимых зависимых элементов для аэрации жидкой фазы. Каждая группа неделимых зависимых элементов всегда содержит два струйных аэратора, нижний из которых располагают в верхней камере корпуса. Сам реактор выполнен с патрубками для подачи газов и технологических жидкостей, а также для отвода жидкой и газовой фазы. Обогащение жидкой фазы смесью газов осуществляют двухступенчатой аэрацией с использованием струйных гравитационных аэраторов с эжекционным эффектом для увеличения массобменных процессов в большом объеме. Реактор оснащен теплообменниками, побудителями расхода жидкости для рециркуляции жидкой фазы и трубопроводом для подачи жидкой фазы в переливную камеру. В нижней части корпуса установлены штуцеры циркуляции жидкой фазы и штуцеры для отбора жидкой фазы. Увеличение рабочего объема реактора производят расчетным пропорциональным увеличением диаметра двухкамерного корпуса в соответствии с количеством радиально добавляемых групп неделимых зависимых элементов для аэрации жидкой фазы. Изобретение обеспечивает увеличение рабочего объёма при сохранении высокого уровня массообменных процессов в зоне биосинтеза. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Реактор ступенчатый для аэробного биосинтеза, состоящий из: герметичного вертикального корпуса с верхней и нижней камерами рабочих зон и одной или нескольких групп неделимых зависимых элементов для аэрации жидкой фазы, при этом в состав корпуса входят: штуцеры отвода газовой фазы, штуцеры трубопроводов подачи питательных и титрующих растворов, штуцеры для размещения датчиков температуры и газов, в газовой и жидкой фазе, внутренний трубопровод циркуляции газовой фазы, соединяющий верхнюю и нижнюю камеру с брызго отбойником, штуцеры трубопровода циркуляции жидкой фазы, штуцеры трубопроводов газовой фазы, штуцеров трубопроводов ввода и стерилизуемый порт отбора микробной суспензии, а в состав группы неделимых зависимых элементов входят: переливная камера верхнего аэратора, верхний струйный гравитационный аэратор с эжекцией газовой фазы с вводом струи в верхнюю камеру реактора, нижний струйный гравитационный аэратор с эжекцией газовой фазы, оснащенный стабилизирующим экраном и размещаемый внутри верхней камеры реактора с вводом струи в нижнюю камеру реактора, побудителя расхода жидкости, трубопровода циркуляции жидкой фазы, привода побудителя жидкой фазы, теплообменника, штуцеров слива жидкой фазы, штуцера отбора микробной суспензии, штуцер с датчиком температуры жидкой фазы до теплообменника, штуцер с датчиком давления до теплообменника, штуцеров ввода и вывода теплоносителя теплообменника, штуцера с датчиком температуры жидкой фазы после теплоносителя, штуцера подачи газового субстрата, штуцер подачи газового окислителя.

2. Реактор ступенчатый для аэробного биосинтеза по п. 1, отличающийся тем, что групп неделимых зависимых элементов для аэрации жидкой фазы содержит n+1.

3. Реактор ступенчатый для аэробного биосинтеза по п. 1, отличающийся тем, что увеличение рабочего объема реактора производят расчетным пропорциональным увеличением диаметра двухкамерного корпуса в соответствии с количеством радиально добавляемых групп неделимых зависимых элементов для аэрации жидкой фазы.

4. Способ работы реактора ступенчатого для аэробного биосинтеза по любому из пп. 1-3, заключающийся в том, что в чистый простерилизованный реактор подают воду в количестве от 70 до 80% номинального объема, после чего подают раствор ортофосфорной кислоты до достижения требуемой концентрации фосфора, затем концентрацию азота доводят до требуемого значения аммиачной водой, запускают побудитель расхода жидкости для циркуляции жидкой фазы, после чего, управляя температурой теплоносителя, добиваются стабильной температуры жидкой фазы в диапазоне 42-44°С, затем по показаниям датчиков температуры контролируют температуру жидкой фазы, термостатирование жидкой фазы производят непрерывно в автоматическом режиме в теплообменнике, после чего реактор продувают инертным газом для снижения концентрации кислорода до не более 5% объема, при этом концентрацию кислорода контролируют в отходящей из реактора газовой смеси, одновременно побудителем расхода жидкости забирают жидкую фазу нижней камеры реактора и подают ее через теплообменник в переливную камеру верхнего аэратора, при этом, применяя эффект эжекции, подают в аэратор газовую фазу из верхней части рабочей зоны верхней камеры аэратора, обеспечивая подачу газовой фазы из верхней части нижней камеры по внутреннему трубопроводу газовой фазы в верхнюю камеру реактора, затем через аэратор верхней группы направляют жидкую фазу в слой жидкости в рабочей зоне верхней камеры, тем самым насыщенная ее газами, затем жидкую фазу направляют через аэратор нижней группы в нижнюю камеру, насыщая ее газовой фазой, одновременно с этим, осуществляют контроль концентрации растворенного кислорода в жидкой фазе датчиками растворенного кислорода, погруженными в рабочую среду верхней и нижней камеры, в то же время водные растворы минерального питания подают внутрь верхней камеры до достижения требуемых концентраций, при этом вводом титрующих растворов в верхнюю камеру добиваются требуемого параметра кислотности среды рН = 5.7, далее при избытке азота титрование осуществляют раствором гидроксида натрия, при этом обеспечивают состав газовой смеси газовой фазы, добавляя метан и воздух в необходимых пропорциях и давлении, при условии достижения требуемых параметров среды внутрь корпуса подают засевную биомассу из расчета создания требуемой концентрации, после чего доводят уровень жидкой фазы до 100% рабочего объема, при этом обеспечивают кислородом микробную культуру, синтезируемой в реакторе, что определяют по остаточной рабочей концентрации растворенного кислорода, которую регулирует путем увеличения парциального давления в системе культивирования, повышением рабочего давления в реакторе или увеличивают расход воздуха, при этом подачу питательной среды осуществляют непрерывно по потребности микроорганизмов в источниках минерального питания из расчета остаточных концентраций, которые определяют по концентрации азота и фосфора, при необходимости корректируют их концентрацию в растворах, изменение рабочего давления среды биосинтеза осуществляют регуляторами расхода газа на вводных трубопроводах в реактор и, при этом контролируют состав газовой смеси в условиях изменения давления, контроль и регулирование газовой смеси производят непрерывною, одновременно регулируют скорость протока подачей воды и питательных растворов, при этом из реактора непрерывно отбирают определенное количество бактериальной суспензии при непрерывной подаче всех компонентов питательной среды, природного газа и воздуха, при отборе микробной суспензии из реактора предусматривают ее отстаивание для дегазации растворенных газов.