Способ получения биомассы с использованием природного газа и двухконтурной циркуляции Российский патент 2023 года по МПК C12N1/00 C12N1/20 C12M1/04 C12M1/12 C12M1/36 

Изобретение относится к области биотехнологии, а более конкретно к способу получения биомассы (гаприна) из природного газа при использовании двух контурной установки циркуляции.

Гаприн - биомасса бактерий, полученная при культивировании на метансодержащем газе, выращиваемая на корм сельскохозяйственным животным, пушным зверям, птицам и рыбам. Гаприн используют при производстве комбикормов, а также в качестве биодобавки в кормовые рационы животным и в пищу людей.

Из уровня техники известен способ получения биомассы метанокисляющих бактерий, предусматривающий выращивание их в ферментере в условиях аэрации на питательной среде, содержащей метан в качестве источника углерода, источники азота, фосфора, минеральные соли и микроэлементы, выделение биомассы из культуральной жидкости, частичный возврат отработанной культуральной жидкости на стадию выращивания, обезвоживание и сушку биомассы (RU 2626592, опубликован 21.06.2017).

Способ производства биомассы аэробных микроорганизмов, включающий культивирование микроорганизмов в условиях непрерывной циркуляции культуральной жидкости по замкнутому контуру и непрерывного насыщения газообразными углеводородами и аэрирующим агентом, при подаче питательной минеральной среды и удалении накопленной биомассы причем насыщение газообразными углеводородами и аэрирующим агентом производят раздельно, а насыщение аэрирующим агентом проводят при однократном его контакте с культуральной жидкостью и последующем удалении, насыщение газообразными углеводородами проводят при многократном их контакте с культуральной жидкостью за счет рециркуляции газообразных углеводородов по замкнутому контуру до полного их растворения.

В отдельных случаях циркуляция может обеспечиваться и за счет аэрлифта воздуха и газа. Внутри корпуса установлена обечайка (кольцевая пластина) с отбортовкой, направленной к оси корпуса. Эта обечайка является опускным каналом. Кольцевое пространство между корпусом и обечайкой образует подъемный канал, внутри которого установлены барботажные аэрирующие устройства (барботеры), присоединенные к воздушному коллектору, а над ним имеется отбойник (при принудительной циркуляции культуральной жидкости отбойник и отбортовка необязательны (RLJ 2322488, опубл. 20.04.2008).

Наиболее близким аналогом является способ получения биомассы метанокисляющ их микроорганизмов и линия для его осуществления.

Способ получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов, включает их непрерывное выращивание на водно-минеральной питательней среде при подаче метансодержащего газа и газа, содержащего свободный кислород, с использованием отработанной среды после концентрирования биомассы, и ее сушку, согласно изобретению, после концентрирования биомассы отработанную среду отделяют, затем подвергают непрерывной аэробной ферментации, в условиях асептического культивирования сопутствующей микрофлоры, с последующим разделением на биомассу сопутствующей микрофлоры и жидкую фазу, которую возвращают в водно-минеральную питательную среду для непрерывного выращивания биомассы метанокисляющих микроорганизмов и покрытия расхода свежей воды. Отделенная биомасса сопутствующей микрофлоры может быть частично или полностью направлена на инактивацию и сушку биомассы после ее концентрирования (RU 2755539 С1, опубл. 17.09.2021).

Недостатками известных из уровня техники способов являются отсутствие возможности регулирования параметров концентрации солей питательных веществ и растворенных газов в узком диапазоне, максимально благоприятном для роста биомассы, отсутствие максимально полного использования газов (метана и кислорода), отсутствие возможности контроля концентрации углекислого газа в реакторе за счет циркуляции и разделения газов (азот и углекислый газ выводятся с установки), механическое повреждение клеток в зоне кавитации на лопатках насоса, риск образования взрывоопасной смеси из не растворенных в жидкой фазе метана и кислорода.

Технический результат заключается в обеспечении оптимальных условий для роста биомассы по всему объему реактора за счет выделения отдельных секций подачи метана и кислорода, с преимущественной подачей кислорода в биоректор в растворенном состоянии и достижения требуемой концентрации питательных веществ за счет подачи очищенного фильтрата. Объем жидкой фазы в циркуляционном контуре обеспечивает инерционность системы и возможность достижения концентраций в узком диапазоне параметров.

Указанный технический результат достигается при реализации способа получения биомассы с использованием природного газа путем культивирования бактерий в условиях непрерывной двухконтурной циркуляции жидкой среды по замкнутым контурам и регулирования в реакторе параметров концентрации солей, питательных веществ и растворенных газов, включающий следующие этапы:

- ферментация в реакторе с газлифтным принципом организации циркуляции, обеспечивающейся восходящей зоной реактора и концентратором с нисходящей зоной реактора, и интенсификация процесса переноса кислорода в жидкой фазе путем использования инертной для бактерий жидкости переносчика кислорода;

- разделение зон насыщения культуральной жидкости кислородом и метаном, путем подачи метана в реактор в газообразном состоянии в восходящей зоне и в растворенном состоянии в концентратор с нисходящей зоной реактора, а также путем подачи по профилю реактора посекционно насыщенного кислородом и минеральными солями очищенного в узле устранения побочных продуктов фильтрата;

- разделение потока культуральной жидкости в концентраторе, посредством центрифуги на газовую смесь и жидкую фазу, при этом газовая смесь, состоящая из метана, углекислого газа, кислорода и азота подается на блок разделения газов, из которого азот и углекислый газ выводятся, а метан и кислород снова подают в возвратный контур циркуляции реактора через узел насыщения метаном для поддержания метаболизма бактерий и на вход реактора ферментации; причем из жидкой фазы более насыщенная биомассой культуральная жидкость остается циркулировать в реакторе, а выделенный отдельный поток культуральной жидкости с содержанием количества бактерий, соответствующего удельной скорости роста 0.25-0.29 1/ч, и жидкостью переносчиком кислорода подается из концентратора в блок инактивации;

- инактивация бактерий в кожухотрубном теплообменнике блока инактивации происходит за счет нагрева культуральной жидкости паром;

- подача потока культуральной жидкости и жидкости переносчика кислорода с растворенным углекислым газом и углекислого газа в газовой фазе с выхода теплообменника блока инактивации в дегазатор, в котором происходит дегазирование углекислого газа и его вывод за пределы установки;

- подача культуральной жидкости из дегазатора в блок сепарации и последующее выведение из него готового концентрата и фильтрата, и выделение жидкости переносчика кислорода в отдельный поток, с последующей подачей на вход узла насыщения кислородом, при этом готовый концентрат подают на блоки сушки, гранулирования и упаковки, а фильтрат пропускается через фильтры, в которых улавливаются остатки биомассы и подаются на узел устранения побочных продуктов, а также удаление растворенных веществ из фильтрата в узле устранения побочных продуктов;

- подача раствора минеральных солей через узел ввода раствора минеральных солей в очищенный в узле устранения побочных продуктов фильтрат, состав которого анализируется в режиме онлайн аналитическим блоком;

- последующая подача насосом обогащенного минеральными солями фильтрата в отдельные узлы насыщения кислородом и метаном;

-подача насыщенного кислородом и минеральными солями фильтрата и жидкости переносчика кислорода в возвратный контур циркуляции реактора и в устройства ввода в реакторе для поддержания содержания кислорода и минеральных солей по высоте реактора.

Для осуществления заявленного способа получения биомассы из природного газа путем культивирования микроорганизмов в условиях непрерывной двухконтурной циркуляции культуральной жидкости используется технологическая линия производства биомассы метанокисляющих микроорганизмов представленная на фиг. 1, где:

1 - восходящая зона реактора;

2 - концентратор с нисходящей зоной реактора;

3 - инактиватор;

4 - блок разделения газов;

5 - дегазатор;

6 - блок сепарации;

7 - узел устранения побочных продуктов;

8 - узел ввода раствора минеральных солей;

9 - аналитический блок;

10 - насос;

11 - узел насыщения кислородом;

12 - узел насыщения метаном.

Ключевыми элементами технологической линии производства биомассы являются реактор и контур циркуляции культуральной жидкости и фильтрата с содержанием балансового количества микроорганизмов в культуральной жидкости, предназначенный для инактивации и вывода биомассы (блоки 3 и 6), очищения культуральной жидкости (блок 7), получения чистого фильтрата с последующим его насыщением минеральными солями (блок 8) и газами (блоки 11 и 12). При этом реактор выполнен с газлифтным принципом организации циркуляции без применения насоса для перекачки культуральной жидкости. Газлифтный принцип циркуляции обеспечивается наличием восходящей зоны реактора с газо-жидкостным потоком и концентратором с нисходящей зоной реактора с потоком жидкой фазы.

Подача метана в реактор осуществляется в газообразном состоянии в восходящей зоне и в растворенном состоянии с небольшим количеством кислорода в концентратор с нисходящей зоной. Насыщенный кислородом и минеральными солями фильтрат с жидкостью переносчиком кислорода подается в реактор посекционно с регулированием параметров движения за счет углов в диапазоне 15-45 градусов от вертикали и скорости ввода фильтрата в диапазоне 1-5 м/с. Скорость ввода фильтрата регулируется числом сопел. Узлы ввода располагаются как на обечайке, так и внутри реактора.

Такая подача кислорода в реактор позволяет устранить лимитирующий фактор -массоперенос кислорода из газовой в жидкую фазу. Помимо этого, поэтапная подача кислорода по высоте реактора исключает возникновение высокой (взрывоопасной) концентрации кислорода в газовой фазе.

Минеральные соли подаются постоянно, так как являются источником металлов необходимых для роста бактерий. Избыток и недостаток солей лимитируют рост биомассы. Концентрация солей в реакторе в заданном диапазоне, определяемом условиями протекания процесса и требованиями к элементному составу белка, обеспечивается за счет измерения и регулирования таких концентраций.

Газо-жидкостной поток с восходящей зоны реактора попадает в концентратор. В концентраторе происходит разделение культуральной жидкости на два потока с помощью центрифуги, в которой числом оборотов регулируют нужную степень плотности биомассы в отводимом из реактора потоке культуральной жидкости и отделение газовой фазы. Газовая смесь, состоящая из метана, углекислого газа, кислорода и азота подается на блок разделения газов. Жидкая фаза за счет центробежной силы, образуемой механическим вращением, разделяется на концентрат и фильтрат. Более насыщенная биомассой культуральная жидкость (концентрат) остается циркулировать в реакторе. Выделенный отдельный поток культуральной жидкости с содержанием балансового количества бактерий (соответствующего удельной скорости роста 0.25-0.29 1/ч) и жидкостью переносчиком кислорода подается из концентратора в блок инактивации. Процесс осуществляется в кожухотрубном теплообменнике, в трубное пространство которого подается культуральная жидкость, а в межтрубное подается водяной пар, который нагревает культуральную жидкость. С выхода теплообменника поток культуральной жидкости и жидкости переносчика кислорода с растворенным углекислым газом и углекислый газ в газовой фазе поступают в дегазатор, в котором происходит дегазирование углекислого газа и его вывод за пределы установки.

Далее культуральная жидкость подается в блок сепарации. Блок сепарации и сгущения предназначен для вывода готовой продукции (концентрата) и фильтрата. Концентрат далее подается на блоки сушки, гранулирования и упаковки (блоки условно не показаны на схеме). Жидкость переносчик кислорода выделяется в отдельный поток и подается на вход узла насыщения кислородом. Фильтрат с блока сепарации пропускается через фильтры с периодической промывкой, в которых улавливаются остатки биомассы, и подается на узел устранения побочных продуктов. Фильтрат представляет собой очищенный от бактерий раствор, содержащий минеральные соли, растворенные продукты метаболизма, лизиса и автолиза клеток бактерий. В узле устранения побочных продуктов химическими, физическими или биологическими методами культуральная жидкость очищается, удаляются растворенные вещества, получается чистый фильтрат.

Состав потока на выходе из узла устранения побочных продуктов анализируется методами хроматографии и масс-спектрометрии, проводится элементный анализ. В реакторном блоке в онлайн режиме аналитическим блоком осуществляется контроль содержания минеральных солей в культуральной жидкости.

В узле ввода раствора минеральных солей осуществляется подача в фильтрат минеральных солей до требуемой концентрации. Далее насосом обогащенный минеральными солями фильтрат подается в отдельные узлы насыщения кислородом и метане о держащим газом. Метансодержащий газ получается после разделения газов с выхода из концентратора. С целью разделения газов могут применяться, как мембранная и аминовая очистка по отдельности, так и их комбинация. Насыщенный метансодержащим газом и минеральными солями фильтрат частично подается в возвратный контур циркуляции для поддержания метаболизма бактерий и на вход реактора ферментации. На вход узла насыщения кислородом подается жидкость переносчик кислорода. Насыщенный кислородом и минеральными солями фильтрат и жидкость переносчик кислорода подаются как в возвратный контур циркуляции реактора, так и в устройства ввода в реакторе, поддерживая необходимое содержание кислорода и минеральных солей (в зависимости от биомассы) по высоте реактора.

Особенностью данной схемы является обеспечение во всем объеме реактора с помощью фильтрата, минеральных солей, титранта, оптимальных условий (температура, рН, кислород, минеральные соли) для роста бактерий.

Изобретение относится к биотехнологии. Предложен способ получения биомассы с использованием природного газа путем культивирования бактерий в условиях непрерывной двухконтурной циркуляции жидкой среды по замкнутым контурам и регулирования в реакторе параметров концентрации солей, питательных веществ и растворенных газов. Осуществляют ферментацию в реакторе с газлифтным принципом организации циркуляции, обеспечивающейся восходящей зоной реактора и концентратором с нисходящей зоной реактора, и интенсификацию процесса переноса кислорода в жидкой фазе путем использования инертной для бактерий жидкости переносчика кислорода. Для разделения зон насыщения культуральной жидкости кислородом и метаном подают метан в реактор в газообразном состоянии в восходящей зоне и в растворенном состоянии в концентратор с нисходящей зоной реактора, а также подают по профилю реактора посекционно насыщенного кислородом и минеральными солями очищенного в узле устранения побочных продуктов фильтрата. При помощи центрифуги разделяют поток культуральной жидкости в концентраторе на газовую смесь и жидкую фазу. Газовая смесь, состоящая из метана, углекислого газа, кислорода и азота, подается на блок разделения газов, из которого азот и углекислый газ выводятся, а метан и кислород снова подают в возвратный контур циркуляции реактора через узел насыщения метаном и на вход реактора ферментации. Из жидкой фазы более насыщенная биомассой культуральная жидкость остается циркулировать в реакторе, а выделенный отдельный поток культуральной жидкости с содержанием количества бактерий, соответствующего удельной скорости роста 0.25-0.29 1/ч, и жидкостью переносчиком кислорода подается из концентратора в блок инактивации, где инактивируют бактерии в кожухотрубном теплообменнике блока инактивации. Подают поток культуральной жидкости, жидкости переносчика кислорода с растворенным углекислым газом и углекислого газа в газовой фазе с выхода теплообменника блока инактивации в дегазатор, в котором происходит дегазирование углекислого газа и его вывод за пределы установки. Из дегазатора культуральная жидкость подается в блок сепарации с последующим выведением из него готового концентрата и фильтрата и выделением жидкости переносчика кислорода в отдельный поток с последующей подачей на вход узла насыщения кислородом. Готовый концентрат подают на блоки сушки, гранулирования и упаковки, а фильтрат пропускают через фильтры, в которых улавливаются остатки биомассы и подаются на узел устранения побочных продуктов, а также происходит удаление растворенных веществ из фильтрата в узле устранения побочных продуктов. Раствор минеральных солей подают через узел ввода раствора минеральных солей в очищенный в узле устранения побочных продуктов фильтрат, состав которого анализируется в режиме онлайн аналитическим блоком. Обогащенный минеральными солями фильтрат подают насосом в отдельные узлы насыщения кислородом и метаном, после чего насыщенный кислородом и минеральными солями фильтрат и жидкость переносчик кислорода подают в возвратный контур циркуляции реактора и в устройства ввода в реакторе для поддержания содержания кислорода и минеральных солей по высоте реактора. Изобретение обеспечивает оптимальные условия роста биомассы по всему объёму реактора и достижение требуемой концентрации питательных веществ. 1 ил.

Способ получения биомассы с использованием природного газа путем культивирования бактерий в условиях непрерывной двухконтурной циркуляции жидкой среды по замкнутым контурам и регулирования в реакторе параметров концентрации солей, питательных веществ и растворенных газов, включающий следующие этапы:

- ферментация в реакторе с газлифтным принципом организации циркуляции, обеспечивающейся восходящей зоной реактора и концентратором с нисходящей зоной реактора, и интенсификация процесса переноса кислорода в жидкой фазе путем использования инертной для бактерий жидкости переносчика кислорода;

- разделение зон насыщения культуральной жидкости кислородом и метаном путем подачи метана в реактор в газообразном состоянии в восходящей зоне и в растворенном состоянии в концентратор с нисходящей зоной реактора, а также путем подачи по профилю реактора посекционно насыщенного кислородом и минеральными солями очищенного в узле устранения побочных продуктов фильтрата;

- разделение потока культуральной жидкости в концентраторе посредством центрифуги на газовую смесь и жидкую фазу, при этом газовая смесь, состоящая из метана, углекислого газа, кислорода и азота, подается на блок разделения газов, из которого азот и углекислый газ выводятся, а метан и кислород снова подают в возвратный контур циркуляции реактора через узел насыщения метаном для поддержания метаболизма бактерий и на вход реактора ферментации; причем из жидкой фазы более насыщенная биомассой культуральная жидкость остается циркулировать в реакторе, а выделенный отдельный поток культуральной жидкости с содержанием количества бактерий, соответствующего удельной скорости роста 0.25-0.29 1/ч, и жидкостью переносчиком кислорода подается из концентратора в блок инактивации;

- инактивация бактерий в кожухотрубном теплообменнике блока инактивации происходит за счет нагрева культуральной жидкости паром;

- подача потока культуральной жидкости и жидкости переносчика кислорода с растворенным углекислым газом и углекислого газа в газовой фазе с выхода теплообменника блока инактивации в дегазатор, в котором происходит дегазирование углекислого газа и его вывод за пределы установки;

- подача культуральной жидкости из дегазатора в блок сепарации и последующее выведение из него готового концентрата и фильтрата и выделение жидкости переносчика кислорода в отдельный поток с последующей подачей на вход узла насыщения кислородом, при этом готовый концентрат подают на блоки сушки, гранулирования и упаковки, а фильтрат пропускается через фильтры, в которых улавливаются остатки биомассы и подаются на узел устранения побочных продуктов, а также удаление растворенных веществ из фильтрата в узле устранения побочных продуктов;

- подача раствора минеральных солей через узел ввода раствора минеральных солей в очищенный в узле устранения побочных продуктов фильтрат, состав которого анализируется в режиме онлайн аналитическим блоком;

- последующая подача насосом обогащенного минеральными солями фильтрата в отдельные узлы насыщения кислородом и метаном;

- подача насыщенного кислородом и минеральными солями фильтрата и жидкости переносчика кислорода в возвратный контур циркуляции реактора и в устройства ввода в реакторе для поддержания содержания кислорода и минеральных солей по высоте реактора.