УЛУЧШЕННЫЙ ПЕТЛЕВОЙ ФЕРМЕНТЕР Российский патент 2024 года по МПК C12M1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к улучшенному ферментационному реактору. В частности, настоящее изобретение относится к улучшенному ферментационному реактору, включающему петлевую часть и верхний резервуар.

Уровень техники

При ферментации на метанотрофных организмах дегазация в верхнем резервуаре имеет предельную важность, поскольку недостаточная дегазация ферментационной жидкости приводит к высвобождению газообразных отходов, подобных СО₂, которые в определенных количествах могут накапливаться и становиться токсичными для метанотрофных организмов, осуществляющих ферментацию в ферментационном реакторе.

Во время ферментации при использовании ферментационного реактора, включающего петлевую часть и верхний резервуар и также называемого петлевым реактором, ферментационная жидкость циркулирует, переходя из верхнего резервуара в часть с нисходящим потоком через U-образную часть в часть с восходящим потоком и возвращаясь в верхний резервуар. При поступлении ферментационной жидкости в верхний резервуар вследствие доступности в верхнем резервуаре свободного пространства над уровнем жидкости развивается пенообразование.

Управление развитием пенообразования во время ферментации является важным, поскольку чрезмерно большое пенообразование может создавать риск возникновения процесса ферментации, при котором чрезмерно обширное пенообразование может увеличивать риск возникновения взрывов, поскольку газ в пене в основном может представлять собой метан, а при высвобождении газа концентрация метана может значительно увеличиться и создавать соотношение с кислородом в пределах области взрываемости.

В случае образования избыточных количеств пены используют противопенообразователь, следствием чего могут быть приостановление процесса ферментации и появление риска возможного перезапуска процесса ферментации.

В целях управления обширным пенообразованием традиционно используют электронные детекторы или датчики пены. Однако, вызов, бросаемый при использовании электронных детекторов/датчиков пены, заключается том, что при их активировании процесс ферментации прекращается, и время от времени процесс ферментации должен быть запущен заново. Другая возможность может заключаться в увеличении противопенообразования для ферментационной жидкости в целях уменьшения развития пенообразования в соответствии с представленным выше описанием изобретения при использовании средств «обработки» в отношении избыточного развития пенообразования. Как это упоминалось прежде, недостатки использования противопенообразователей заключаются в образовании газа, ответственного за нарастание пены, в основном метаном и при его высвобождении концентрация метана в верхнем резервуаре мгновенно и значительно увеличивается. При высоком уровне пены концентрация метана становится еще более увеличенной, и соотношение между метаном и кислородом может оказаться в пределах области взрываемости, чего необходимо избегать. Кроме того еще, при добавлении к ферментационной жидкости пенообразователей дегазация может быть ухудшенной, и добавление метана должно быть прекращено, и клетки периодически могут страдать от голода.

Таким образом, был бы преимущественным улучшенный ферментационный реактор, и, в частности, более эффективный и/или надежный ферментационный реактор, в котором возможно управлять как недостаточным пенообразованием, так и чрезмерно обширным пенообразованием, в котором дегазация может быть улучшена, в котором задержки уменьшаются или исключаются, а затраты могут быть понижены тогда, когда ферментация на метанотрофных организмах была бы преимущественной.

Сущность изобретения

Таким образом, одна цель настоящего изобретения относится к улучшенному ферментационному реактору.

В частности, одна цель настоящего изобретения заключается в предложении ферментационного реактора, который разрешает вышеупомянутые проблемы предшествующего уровня техники, связанные с дегазацией, и в то же самое время избегает чрезмерно избыточного пенообразования при уменьшении риска возникновения взрывов, риска возможного прекращения процесса ферментации и время от времени возможного его запуска заново.

Таким образом, один аспект изобретения относится к ферментационному реактору, включающему петлевую часть и верхний резервуар, при этом упомянутая петлевая часть включает часть с нисходящим потоком, соединенную с частью с восходящим потоком через U-образную часть, где верхний резервуар включает:

(i) первое выпускное отверстие, соединяющее верхний резервуар с частью с нисходящим потоком петлевой части и делающее возможным перетекание ферментационной жидкости, присутствующей в верхнем резервуаре, из верхнего резервуара в петлевую часть;

(ii) первое впускное отверстие, соединяющее верхний резервуар с частью с восходящим потоком петлевой части и делающее возможным перетекание ферментационной жидкости, присутствующей в петлевой части, из петлевой части в верхний резервуар; и

(iii) вентиляционную трубу для выгрузки отходящих газов из верхнего резервуара;

где

верхний резервуар, кроме того, включает средство визуального наблюдения.

Другой аспект настоящего изобретения относится к процессу ферментации на, по меньшей мере, одном метанотрофном организме или совместной ферментации, включающей, по меньшей мере, один метанотрофный организм, где способ включает стадию:

(а) добавления, по меньшей мере, одного метанотрофного организма; необходимых субстратов, таких как питательные соли, компоненты, регулирующие значение рН, и вода; и, по меньшей мере, одного компонента газообразного субстрата

в ферментационный реактор, включающий петлевую часть и верхний резервуар, при этом упомянутая петлевая часть включает часть с нисходящим потоком, соединенную с частью с восходящим потоком через U-образную часть, где верхний резервуар включает:

(i) первое выпускное отверстие, соединяющее верхний резервуар с частью с нисходящим потоком петлевой части и делающее возможным перетекание ферментационной жидкости, присутствующей в верхнем резервуаре, из верхнего резервуара в петлевую часть;

(ii) первое впускное отверстие, соединяющее верхний резервуар с частью с восходящим потоком петлевой части и делающее возможным перетекание ферментационной жидкости, присутствующей в петлевой части, из петлевой части в верхний резервуар; и

(iii) вентиляционную трубу для выгрузки отходящих газов из верхнего резервуара;

где

верхний резервуар, кроме того, включает средство визуального наблюдения.

Еще один другой аспект настоящего изобретения относится к использованию ферментационного реактора, включающего петлевую часть и верхний резервуар, при этом упомянутая петлевая часть включает часть с нисходящим потоком, соединенную с частью с восходящим потоком через U-образную часть, где верхний резервуар включает:

(i) первое выпускное отверстие, соединяющее верхний резервуар с частью с нисходящим потоком петлевой части и делающее возможным перетекание ферментационной жидкости, присутствующей в верхнем резервуаре, из верхнего резервуара в петлевую часть;

(ii) первое впускное отверстие, соединяющее верхний резервуар с частью с восходящим потоком петлевой части и делающее возможным перетекание ферментационной жидкости, присутствующей в петлевой части, из петлевой части в верхний резервуар; и

(iii) вентиляционную трубу для выгрузки отходящих газов из верхнего резервуара;

где

верхний резервуар, кроме того, включает средство визуального наблюдения;

для ферментации на, по меньшей мере, одном метанотрофном организме.

Краткое описание фигур

Фигура 1 демонстрирует верхний резервуар (1) ферментационного реактора для ферментации на, по меньшей мере, одном метанотрофе, включающего петлевую часть и верхний резервуар (1). При этом петлевая часть (не продемонстрирована на фигуре) включает часть с нисходящим потоком (не продемонстрирована), соединенную с частью с восходящим потоком (не показана) через U-образную часть (не показана), где верхний резервуар (1) включает: (i) первое выпускное отверстие (2), соединяющее верхний резервуар (1) с частью с нисходящим потоком петлевой части и делающее возможным перетекание ферментационной жидкости, присутствующей в верхнем резервуаре (1), из верхнего резервуара (1) в петлевую часть; (ii) первое впускное отверстие (3), соединяющее верхний резервуар (1) с частью с восходящим потоком петлевой части и делающее возможным перетекание ферментационной жидкости, присутствующей в петлевой части, из петлевой части в верхний резервуар (1); и (iii) вентиляционную трубу (5) для выгрузки отходящих газов из верхнего резервуара. На иллюстрации, продемонстрированной на фигуре 1, верхний резервуар (1) оснастили выпускным отверстием для продукта (4), предназначенным для получения биомассы (продукта ферментации). В другом варианте осуществления выпускное отверстие для продукта может быть расположено в петлевой части ферментационного реактора, а предпочтительно в U-образной части петлевой части. Верхний резервуар (1), кроме того, оснащают средством визуального наблюдения (6), в частности, средство визуального наблюдения (6) может быть предусмотрено в виде смотрового отверстия или в виде смотрового стекла (6), необязательно в комбинации со съемочной камерой. В дополнение к средству визуального наблюдения (6) верхний резервуар (1) может быть оснащен, по меньшей мере, одним датчиком пены (8) внутри верхнего резервуара. В случае повышения уровня пены один способ понижения уровня пены может заключаться в добавлении противопенообразователя через впускное отверстие для противопенообразования (9). В целях улучшения визуального наблюдения верхний резервуар (1) может быть оснащен источником света (7). Источник света может быть предусмотрен в виде отдельного элемента или в виде встроенного элемента в смотровое стекло (6).

Теперь настоящее изобретение будет описываться более подробно в последующем изложении.

Подробное описание изобретения

В соответствии с этим, как это к своему удивлению установил изобретатель настоящего изобретения, управление пенообразованием и турбулентностью в ферментационной жидкости в верхнем резервуаре U-образного петлевого реактора оказывает значительное воздействие на дегазацию с участием отходящих газов. Таким образом, обеспечение достижения достаточного пенообразования, а также достаточной турбулентности в ферментационной жидкости в результате приводило к получению улучшенной производительности для процесса ферментации. Таким образом, представляет интерес получение стабильной степени пенообразования для ферментационной жидкости.

Таким образом, один предпочтительный аспект настоящего изобретения относится к ферментационному реактору, включающему петлевую часть и верхний резервуар, при этом упомянутая петлевая часть включает часть с нисходящим потоком, соединенную с частью с восходящим потоком через U-образную часть, где верхний резервуар включает:

(i) первое выпускное отверстие, соединяющее верхний резервуар с частью с нисходящим потоком петлевой части и делающее возможным перетекание ферментационной жидкости, присутствующей в верхнем резервуаре, из верхнего резервуара в петлевую часть;

(ii) первое впускное отверстие, соединяющее верхний резервуар с частью с восходящим потоком петлевой части и делающее возможным перетекание ферментационной жидкости, присутствующей в петлевой части, из петлевой части в верхний резервуар; и

(iii) вентиляционную трубу для выгрузки отходящих газов из верхнего резервуара;

где

верхний резервуар, кроме того, включает средство визуального наблюдения.

U-образная часть петлевого реактора может быть соединяющей нижнюю часть части с нисходящим потоком с нижней частью части с восходящим потоком. Кроме того еще, верхняя часть части с восходящим потоком может быть соединенной с первым впускным отверстием, соединяющим верхний резервуар с верхней частью части с восходящим потоком. Первое выпускное отверстие может быть соединяющим верхний резервуар с верхней частью части с нисходящим потоком.

В настоящем контексте термин «ферментационный реактор» относится к реактору, включающему верхний резервуар, соединенный с верхними концами части с нисходящим потоком и части с восходящим потоком. Часть с нисходящим потоком и часть с восходящим потоком соединяются по нижним концам через U-образную часть.

Обыкновенные ферментеры представляют собой перемешиваемые резервуары, которые могут быть предусмотрены при наличии или при отсутствии систем рециркуляции или каналов пробоотбора. У данных типов ферментеров или реакторов смешивание газов с ферментационной жидкостью осуществляют при использовании лопастей перемешивающего устройства, расположенных по центру в ферментере, и в перемешиваемый резервуар добавляют газообразные субстраты. Лопасти перемешивающего устройства создают турбулентность в жидкости, что означает рассеивание газа, обычно нагнетаемого в нижней области реактора, в жидкости в форме маленьких мелкодисперсных газовых пузырьков. Газообразные субстраты добавляются в нижней области перемешиваемого резервуара и должны быть сжаты для преодоления гидравлического давления в резервуаре, в который их закачивают. Данное сжатие газов требует использования значительных количеств энергии.

Данный тип реактора обеспечивает достижение относительно гомогенного смешивания, то есть, будут обнаруживаться приблизительно одни и те же концентрации газов и субстратов при их измерении будь то в верхней или в нижней областях реактора. Но интенсивное смешивание в целях создания маленьких газовых пузырьков и обеспечения достижения оптимального смешивания в резервуаре также требует использования избыточной энергии и, кроме того, предполагает значительное нагревание ферментационной жидкости. Избыточное использование энергии делает данный тип реактора неэкономичным, в особенности для дешевых продуктов, таких как микробные клетки, которые в настоящее время продаются в качестве корма для животных или корма для рыб.

С намерением уменьшения потребления энергии для смешивания, но все еще обеспечения достижения достаточного массопереноса газов в жидкую фазу также были разработаны и другие типы ферментеров. Данные ферментеры зачастую называются эрлифтными ферментерами, петлевыми ферментерами со струйным перемешиванием или U-образными петлевыми ферментерами.

В целях избегания механического перемешивания были разработаны различные типы эрлифтных реакторов. Большинство данных реакторов представляет собой так называемые петлевые реакторы, имеющие две секции: часть с восходящим потоком и часть с нисходящим потоком, которые взаимно связываются по обоим концам. Газы подаются в виде маленьких пузырьков в нижней области реактора в части с восходящим потоком обычно в компоновке сопел. Пузырьки смешиваются с жидкостью, в результате чего совокупная плотность уменьшается, и газо-жидкостная смесь поднимается при одновременном вытеснении под воздействием новой жидкости, выходящей из части с нисходящим потоком. Газожидкостная смесь перемещается вверх через часть с восходящим потоком реактора и высвобождает газовые пузырьки в верхней области. После этого жидкость опускается вниз через часть с нисходящим потоком. В целях получения продолжительного времени пребывания газовых пузырьков в жидкости. Эрлифтные реакторы обыкновенно являются очень высокими вытянутыми по длине реакторами, и газ должен быть подан под высоким давлением для преодоления гидростатического давления в нижней области реактора. Для случая газа в виде воздуха это подразумевает использование компрессоров. Сжатие воздуха обычно требует использования значительных количеств энергии.

Эрлифтные реакторы демонстрируют относительно неудовлетворительное использование нагнетаемого газа. В типичном случае используют только 20-40% газообразного кислорода. Зачастую затруднительными являются получение хорошего и быстрого высвобождения газовых пузырьков из ферментационной жидкости в верхней области реактора и отделение таким образом произведенной газовой фазы (что скорее может представлять собой пенообразование) от жидкой фазы до перетекания жидкости в часть с нисходящим потоком реактора. Таким образом, газовая фаза, в том числе значительные количества газообразных отходов от ферментации, например, СО₂, захватывается в бульоне, после этого повторно диспергируется в бульоне, что может привести к пониженной солюбилизации газов подложки, добавленных в ферментер.

U-образный петлевой реактор в соответствии с описанием настоящего изобретения обладает простой структурой и конструируется с учетом обеспечения нагнетания несжатого или почти что несжатого газового субстрата в U-образную часть в комбинации с продолжительным временем пребывания газов по всей U-образной части и, таким образом, высокой степенью использования нагнетаемых газов. Верхняя область реактора включает верхний резервуар, который разработан для достижения хорошего разделения газа и жидкости.

В настоящем контексте термин «петлевой реактор» относится к одному конкретному примеру ферментационного реактора. Петлевой реактор, соответствующий настоящему изобретению, включает верхний резервуар и петлевую часть. Предпочтительно петлевой реактор, соответствующий настоящему изобретению, может быть U-образным петлевым реактором.

Термин «петлевой реактор», соответствующий настоящему изобретению, предпочтительно может быть определен наличием длины петлевой части, которая может быть большей, чем длина и/или высота верхнего резервуара. Предпочтительно петлевой реактор или ферментационный реактор, соответствующие настоящему изобретению, могут включать петлевую часть, имеющую длину, которая является большей, предпочтительно существенно большей, чем длина и/или высота верхнего резервуара.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения ферментационный реактор, соответствующий настоящему изобретению, может включать петлевую часть, имеющую длину, которая является большей, предпочтительно существенно большей, чем длина и/или высота верхнего резервуара.

В одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения длина петлевой части является, по меньшей мере, на 125% (об./об.) большей, чем длина и/или высота верхнего резервуара; таким образом, как, по меньшей мере, на 150% (об./об.); например, по меньшей мере, на 200% (об./об.); таким образом, как, по меньшей мере, на 300% (об./об.); например, по меньшей мере, на 400% (об./об.); таким образом, как, по меньшей мере, на 600% (об./об.); например, по меньшей мере, на 800% (об./об.); таким образом, как, по меньшей мере, на 1000% (об./об.); например, по меньшей мере, на 1500% (об./об.); таким образом, как, по меньшей мере, на 2000% (об./об.); например, на величину в диапазоне 125-2000% (об./об.); таким образом, как на величину в диапазоне 150-1500% (об./об.); например, на величину в диапазоне 200-1000% (об./об.); таким образом, как на величину в диапазоне 300-800% (об./об.); например, на величину в диапазоне 400-600% (об./об.).

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения ферментационный реактор, соответствующий настоящему изобретению, может включать петлевую часть, имеющую длину, которая может быть большей, предпочтительно существенно большей, чем длина и/или высота верхнего резервуара; и при этом объем верхнего резервуара является большим, чем объем петлевой части.

Петлевая часть настоящего изобретения относится к части с нисходящим потоком, части с восходящим потоком, а также соединяющей части на нижних концах части с восходящим потоком и части с нисходящим потоком, образованной U-образной частью. Таким образом, термин «петлевая часть» относится к ферментационному реактору при отсутствии верхнего резервуара.

В настоящем контексте термин «U-образная часть» относится к изгибанию, полученному в нижней части ферментационного реактора или петлевого реактора и соединяющему нижние концы части с восходящим потоком и части с нисходящим потоком. Предпочтительно часть с восходящим потоком и часть с нисходящим потоком являются вертикальными или по существу вертикальными.

Ферментационный реактор, соответствующий настоящему изобретению, включает петлевую часть и верхний резервуар, при этом упомянутая петлевая часть включает часть с нисходящим потоком, соединенную с частью с восходящим потоком через U-образную часть. U-образная часть, соответствующая настоящему изобретению, может включать по существу горизонтальную соединяющую часть, которая соединяет нижний конец части с нисходящим потоком с нижним концом части с восходящим потоком.

В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения ферментационный реактор и/или петлевой реактор, соответствующие настоящему изобретению, могут быть U-образным петлевым реактором.

В одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения часть с нисходящим потоком и часть с восходящим потоком имеют по существу идентичные вертикальные длины. В настоящем контексте термин «вертикальная длина» относится к части с нисходящим потоком или части с восходящим потоком, где вертикальная часть с восходящим потоком может быть одной частью с нисходящим потоком или одной частью с восходящим потоком, или она может быть разделена на две и более вертикальные части с нисходящим потоком или две и более вертикальные части с восходящим потоком, которые в комбинации (комбинации из двух и более вертикальных частей с нисходящим потоком или комбинации из двух и более вертикальных частей с восходящим потоком) представляют собой вертикальную часть с нисходящим потоком или вертикальную часть с восходящим потоком.

Длина горизонтальной соединяющей части может варьироваться в зависимости от типа предлагаемого и/или используемого петлевого реактора.

Ферментационный реактор может быть разработан в виде вертикального петлевого ферментера или горизонтального петлевого ферментера.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения ферментационный реактор может быть вертикальным петлевым реактором. Термин «вертикальный петлевой реактор» может относиться к петлевому реактору, включающему основную часть U-образной части в вертикальном или по существу вертикальном положении по отношению к горизонтальному положению. В одном варианте осуществления настоящего изобретения ферментационный реактор включает основную часть U-образной части в вертикальном или по существу вертикальном положении.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения ферментационный реактор может быть горизонтальным петлевым реактором. Термин «горизонтальный петлевой реактор» может относиться к петлевому реактору, включающему основную часть U-образной части в горизонтальном или по существу горизонтальном положении по отношению к вертикальному положению. В одном варианте осуществления настоящего изобретения ферментационный реактор включает основную часть U-образной части в горизонтальном или по существу горизонтальном положении.

Предпочтительно ферментационный реактор может быть разработан в виде вертикального петлевого ферментера.

В контексте настоящего изобретения термин «основная часть» относится, по меньшей мере, к 51% (об./об.) U-образной части, имеющей желательное положение; таким образом, как, по меньшей мере, к 55% (об./об.); например, по меньшей мере, к 60% (об./об.); таким образом, по меньшей мере, к 65% (об./об.); например, по меньшей мере, к 70% (об./об.); таким образом, по меньшей мере, к 75% (об./об.); например, по меньшей мере, к 80% (об./об.); таким образом, по меньшей мере, к 85% (об./об.); например, по меньшей мере, к 90% (об./об.); таким образом, по меньшей мере, к 95% (об./об.); например, по меньшей мере, к 98% (об./об.).

U-образная часть ферментационного реактора настоящего изобретения может быть разработана различным образом.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения петлевая часть может быть разработана при наличии одной части с нисходящим потоком и одной части с восходящим потоком, соединенных при использовании U-образной части.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения часть с нисходящим потоком и/или часть с восходящим потоком могут включать две и более области части с нисходящим потоком и/или части с восходящим потоком. Примеры двух и более областей части с нисходящим потоком и/или части с восходящим потоком могут быть найдены в публикации WO 2018/132379, которая посредством ссылки на нее включается в настоящий документ.

В настоящем контексте термин «верхний резервуар» относится к контейнеру, расположенному в верхней области ферментационного реактора и ответственному за удаление отходящего газа из ферментационной жидкости. Предпочтительно верхний резервуар во время функционирования/ферментации только частично заполняется ферментационной жидкостью. В одном варианте осуществления настоящего изобретения термин «частично заполненный ферментационной жидкостью» относится к соотношению 90:10 между ферментационной жидкостью и газом; таким образом, как к соотношению 80:20; например, к соотношению 70:30; таким образом, как к соотношению 60:40; например, к соотношению 50:50; таким образом, как к соотношению 40:60; например, к соотношению 30:70; таким образом, как к соотношению 20:80; например, к соотношению 10:90.

В контексте настоящего изобретения термин «средство визуального наблюдения» относится к одному или нескольким средствам, дающим возможность специалистам в соответствующей области техники получать непосредственную информацию в отношении характеристик пенообразования в верхнем резервуаре.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения непосредственная информация может быть информацией в режиме реального времени в отношении характеристик пенообразования в верхнем резервуаре.

В одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения характеристики пенообразования в верхнем резервуаре могут включать плотность пенообразования, высоту пенообразования и уровень турбулентности, получаемые в верхнем резервуаре.

Турбулентность в верхнем резервуаре может быть получена в ферментационной жидкости, присутствующей в верхнем резервуаре при принудительной подаче ферментационной жидкости из части с восходящим потоком через первое впускное отверстие в верхний резервуар.

Плотность пенообразования может представлять собой выражение размера пузырьков в пене. Чем большими будут пузырьки в пене, тем меньшей будет плотность пенообразования, и тем меньшим будет значение кг пены/м³. Чем меньшими будут пузырьки в пене, тем большей будет плотность пенообразования, и тем большим будет значение кг пены/м³.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения средство визуального наблюдения может быть расположены с обеспечением горизонтального или по существу горизонтального поля наблюдения.

В одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения средство визуального наблюдения могут быть расположены на стороне верхнего резервуара, делая возможным объединенный обзор выше поверхности ферментационной жидкости и ниже поверхности ферментационной жидкости.

Предпочтительно средство визуального наблюдения могут быть расположены на торце верхнего резервуара.

Еще более предпочтительно средство визуального наблюдения может быть расположено на торце верхнего резервуара, обеспечивая обзор от первого впускного отверстия (или части с восходящим потоком) до первого выпускного отверстия (или части с нисходящим потоком).

В одном варианте осуществления настоящего изобретения средство визуального наблюдения может представлять собой смотровое отверстие, съемочную камеру или комбинацию из смотрового отверстия и съемочной камеры.

Предпочтительно смотровое отверстие может представлять собой смотровое стекло.

Съемочная камера может быть встроенной в линию съемочной камерой.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения верхний резервуар может быть оснащен источником света в целях улучшения визуального наблюдения внутри верхнего резервуара. Источник света может быть предусмотрен в виде окна, делающего возможным поступление окружающего света в верхний резервуар, и/или в виде искусственного источника света, введенного в верхний резервуар.

В одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения источник света может быть предусмотрен в виде отдельного элемента (например, в виде отдельного искусственного источника сета) или в виде встроенного элемента (например, в виде встроенного искусственного источника света) в смотровое стекло.

В дополнение к средству визуального наблюдения верхний резервуар может быть оснащен, по меньшей мере, одним датчиком пены внутри верхнего резервуара.

В целях избегания избыточного развития пенообразования и/или принятия мер по обращению с ним к ферментационной жидкости может быть добавлен противопенообразователь. Таким образом, верхний резервуар может быть оснащен впускным отверстием для противопенообразования.

Ферментационный реактор может быть оснащен одним или несколькими датчиками для управления уровнем и/или добавлением газообразных субстратов, воды, минеральных питательных элементов и тому подобного.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения ферментационный реактор, предпочтительно петлевая часть, включает датчик или анализатор ионов для определения уровня содержания одной или нескольких ионных частиц в ферментационной жидкости, предпочтительно одну или более ионных частиц выбирают из фосфата, кальция, водорода, нитрата, нитрита и/или аммония, предпочтительно нитрата и/или нитрита.

В одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения петлевой реактор может быть оснащен циркуляционным насосом. Циркуляционный насос предпочтительно может быть расположен в петлевой части петлевого реактора.

Предпочтительно циркуляционный насос может быть расположен в верхней половинной части части с нисходящим потоком.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения ферментационный реактор может включать устройство для уменьшения расхода. Предпочтительно устройство для уменьшения расхода может быть вставлено по ходу технологического потока выше первого впускного отверстия в верхней половине части с восходящим потоком.

В одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения петлевая часть ферментационного реактора предпочтительно может включать одно или более впускных отверстий для газа; одно или более впускных отверстий для воды; и/или одно или более впускных отверстий для ферментационной среды.

Одним или несколькими впускными отверстиями для газа; одним или несколькими впускными отверстиями для воды; и/или одним или несколькими впускными отверстиями для ферментационной среды можно управлять при использовании компьютера. Предпочтительно одним или несколькими впускными отверстиями для газа; одним или несколькими впускными отверстиями для воды; и/или одним или несколькими впускными отверстиями для ферментационной среды можно управлять при использовании компьютера на основании данных, полученных от одного или нескольких датчиков или анализаторов.

В целях обеспечения наличия улучшенных условий ферментации может оказаться важным распределение в ферментационной жидкости газообразного субстрата, такого как метан. Таким образом, петлевая часть ферментационного реактора может включать одно или более активных устройств для распределения газа в ферментационной жидкости.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения одно или более активных устройств для распределения газа в ферментационной жидкости представляют собой микро- или нанобарботер для введения и/или распределения газа в ферментационной жидкости; и/или устройство для динамического перемещения, расположенное в петлевой части реактора, такое как динамический смеситель.

В качестве альтернативы или в дополнение к динамическим смесителям петлевая часть может включать один или более неактивных смесительных элементов. В одном варианте осуществления настоящего изобретения один или более неактивных смесительных элементов могут представлять собой статический смеситель.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения петлевой реактор может включать, по меньшей мере, один статический смеситель, по меньшей мере, один динамический смеситель или включает, по меньшей мере, один статический смеситель и, по меньшей мере, один динамический смеситель.

В дополнение к важности надлежащей дегазации в верхнем резервуаре важным может оказаться улучшение массопереноса газообразных субстратов в жидкую фазу, где газ становится доступным для биокатализаторов (например, метанотрофных организмов) энергоэффективным образом.

Кроме того еще, как это упоминалось, также важным может оказаться улучшение эффективности удаления газообразных отходов в результате улучшения переноса газообразных отходов из жидкой фазы в газовую фазу для удаления из ферментера, предпочтительно проводимого в верхнем резервуаре.

Предпочтительно достижение данной улучшенной эффективности удаления газообразных отходов может быть обеспечено в результате эксплуатации U-образной части петлевой части при повышенном давлении и атмосферном давлении или даже в вакууме в верхнем резервуаре.

Данный улучшенный массоперенос в комбинации с улучшенным удалением газа в верхнем резервуаре может быть достигнут при использовании ферментационного реактора, петлевого реактора, соответствующих изобретению, которые включают петлевую часть, имеющую по существу вертикальную часть с нисходящим потоком, по существу вертикальную часть с восходящим потоком и U-образную часть, имеющую по существу горизонтальную соединяющую часть, которая соединяет нижний конец части с нисходящим потоком с нижним концом части с восходящим потоком, верхний резервуар может быть расположен выше петлевой части и соединяет верхний конец части с нисходящим потоком и верхний конец части с восходящим потоком.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения верхний резервуар может иметь диаметр, который является существенно большим, чем диаметр петлевой части, части с нисходящим потоком и/или части с восходящим потоком.

В одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения объем петлевой части является большим, предпочтительно существенно большим, чем объем верхнего резервуара.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения верхний резервуар может иметь диаметр, который является существенно большим, чем диаметр петлевой части, части с нисходящим потоком и/или части с восходящим потоком, и длина петлевой части может быть большей, предпочтительно существенно большей, чем длина или высота верхнего резервуара.

Ферментационный реактор может включать средство циркуляции жидкости, предпочтительно в виде циркуляционного насоса.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения ферментационный реактор может включать выпускное отверстие, предпочтительно выпускное отверстие может быть расположено в верхнем резервуаре или в U-образной части петлевой части ферментационного реактора для отбора ферментационной жидкости.

Ферментационный реактор может включать одну или более точек нагнетания газа, которые в соответствии с пожеланиями и требованиями располагаются в части с нисходящим потоком, U-образной части и/или части с восходящим потоком. Предпочтительно одна или более точек нагнетания газа располагаются в части с нисходящим потоком.

Непосредственно после одной или нескольких точек нагнетания газа располагаются, по меньшей мере, один активный смесительный элемент и/или, по меньшей мере, один неактивный смесительный элемент для диспергирования газа (газов), введенного в ферментационную жидкость.

Как это было продемонстрировано, в результате увеличения давления в U-образной петле, петлевом реакторе может быть получен увеличенный массоперенос из газовой фазы в жидкую фазу. Таким образом, в U-образую часть ферментера может быть вставлено первое устройство для управления давлением, предназначенное для увеличения давления, по меньшей мере, в первой зоне U-образной части в ферментере по отношению к давлению во второй зоне ферментера.

В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения первое устройство для управления давлением может быть вставлено в верхний конец части с нисходящим потоком, а второе устройство для управления давлением может быть вставлено в U-образную часть ферментера и по ходу технологического потока ниже первого устройства для управления давлением при взгляде в направлении течения ферментационной жидкости.

Первое устройство для управления давлением может представлять собой клапан (например, относящийся к типам клапанов, доступных на коммерческих условиях), насос, например, пропеллерный насос, лопастной насос или турбинный насос, или давление может быть увеличено в результате нагнетания сжатого воздуха или другого газа, например, инертного газа. Первое устройство для управления давлением предпочтительно представляет собой пропеллерный насос, который также создает циркуляцию жидкости в ферментере.

Второе и необязательно третье устройство для управления давлением может быть расположено в части с нисходящим потоком, части с восходящим потоком или в U-образной части, но предпочтительно второе устройство для управления давлением располагается в верхней половинной части части с восходящим потоком. Третье необязательное устройство для управления давлением предпочтительно располагается в верхней половинной части части с восходящим потоком и по ходу технологического потока ниже второго устройства для управления давлением при взгляде в направлении течения ферментационной жидкости. Второе и/или третье устройства для управления давлением выбирают из группы устройств, включающих клапан (например, относящийся к типам клапанов, доступных на коммерческих условиях), статический смеситель, гидроциклон, насос (например, пропеллерный насос, лопастной насос или турбинный насос), клапан с управлением по давлению, пластину с отверстиями, сопла или форсунки или сужение диаметра или поперечного сечения той части ферментера, в которой оно располагается.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения получение улучшенного массопереноса газообразного субстрата может быть обеспечено в U-образной части ферментационного реактора, соответствующего настоящему изобретению.

В одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения удаление газообразных отходов может быть обеспечено в верхнем резервуаре ферментационного реактора, соответствующего настоящему изобретению.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения предусматривается средство в целях допущения продувания свободного пространства над уровнем жидкости для улучшения удаления газообразных отходов и уменьшения риска формирования взрывоопасных газовых смесей в свободном пространстве над уровнем жидкости ферментера.

Данное продувание может быть достигнуто в результате расположения в верхнем резервуаре средств продувания газа, таких как устройства для добавления и/или удаления газа в свободном пространстве над уровнем жидкости. Средство продувания газа предпочтительно может быть расположено выше поверхности жидкости в целях создания течения газа для продувающего газа параллельно, прямоточно или противоточно по отношению к течению жидкости в верхней части ферментера. Средство добавления газа также может быть расположено ниже поверхности жидкости в верхней части. В альтернативном или дополнительном вариантах удаление газообразных отходов может быть увеличено в результате уменьшения давления в свободном пространстве над уровнем жидкости при применении отсасывания или приложении вакуума, что, таким образом, уменьшает давление в свободном пространстве над уровнем жидкости, и/или в результате установки средств модифицирования расхода в верхней части. Изобретение также допускает извлечение энергии, приложенной для увеличения давления, в целях ее повторного использования. Достижения этого можно добиться в результате соединения второго и необязательно третьего устройства для управления давлением с тормозом или генератором в целях уменьшения давления при использовании пропеллерного насоса. В случае соединения генератора со вторым и/или третьим устройством для управления давлением может быть собрано некоторое количество энергии, приложенное к системе, что, таким образом, уменьшает общее потребление энергии системы.

В настоящем контексте термин «продувание» используется в отношении технологического процесса, осуществляемого в верхнем резервуаре для удаления или содействия удалению отходящего газа из свободного пространства над уровнем жидкости верхнего резервуара и/или из ферментационной жидкости в верхнем резервуаре.

Верхний резервуар, расположенный в соответствии с настоящим изобретением, может быть разработан для вмещения от 1% до 99% общего объема ферментера, но предпочтительно от 10% до 60% общего объема ферментера, еще более предпочтительно 40-50% общего объема для ферментации. В одном варианте осуществления настоящего изобретения объем верхнего резервуара может быть меньшим, чем объем U-образной части.

Верхний резервуар может быть оснащен средством регулирования расхода жидкости или газа в целях содействия смешиванию в ферментационном реакторе или содействия высвобождению пузырьков газа из ферментационной жидкости. Средство регулирования расхода газа или жидкости могут представлять собой динамические смесители, перегородки или статические смесители.

Размер, то есть, как диаметр, так и длина и/или высота, петлевой части и размер верхнего резервуара могут варьироваться в соответствии с потребностями в совокупном объеме ферментера.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения ферментационный реактор, соответствующий настоящему изобретению, может быть оснащен впускным отверстием для выталкивающего газа, где выталкивающий газ может быть введен для выталкивания диоксида углерода в жидкой фазе в отделяемую фазу отходящего газа. Впускное отверстие для выталкивающего газа предпочтительно может быть расположено по ходу технологического потока выше верхнего резервуара и/или по ходу технологического потока выше первого впускного отверстия.

Выталкивающий газ, то есть, газ, использованный для вытеснения диоксида углерода из растворенной фазы, (обычно азот, но необязательно другой инертный невоспламеняющийся газ), может, например, быть введен в одной или нескольких точках от начала по существу вертикальной зоны с восходящим потоком до поступления в зону удаления отходящего газа, однако, в особенности предпочтительно он будет введен в одной или нескольких точках между верхним участком (например, верхними 20%, более предпочтительно верхними 10%) вертикального участка зоны с восходящим потоком и началом наиболее плоского (то есть, наиболее горизонтального) участка зоны c исходящим потоком.

В контексте настоящего изобретения термин «выталкивающий газ» используется в отношении технологического процесса, осуществляемого в петлевой части, предпочтительно на верхнем конце части с восходящим потоком и содействующего удалению отходящего газа из ферментационной жидкости в газовую фазу.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения ферментационный реактор включает как впускное отверстие в верхнем резервуаре для введения продувающего газа в верхний резервуар, так и впускное отверстие на верхнем конце части с восходящим потоком в петлевой части для введения выталкивающего газа в целях перемещения отходящего газа из ферментационной жидкости в газовую фазу.

Одно преимущество настоящего изобретения может заключаться в возможности обеспечения улучшенного использования газообразных веществ, добавленных в ферментационный реактор.

Поэтому изобретение также может относиться к ферментационному реактору и способу ферментации в виде осуществления технологического процесса ферментации, для которых, по меньшей мере, один из субстратов может представлять собой газ.

Способ ферментации может включать стадии добавления ферментирующих микроорганизмов, обязательных субстратов, таких как питательные соли, компоненты, регулирующие значение рН, и вода, и, по меньшей мере, одного компонента газообразного субстрата, такого как метан, в петлевой реактор и ферментации при одновременной циркуляции ферментационной жидкости в петлевом реакторе при использовании средств циркуляции жидкости, отбора потока продукта из ферментера и необязательно отправления извлеченной ферментационной жидкости (супернатанта) в случае наличия такового на рецикл в петлевой реактор.

Петлевой реактор и способ ферментации на микроорганизмах, соответствующие настоящему изобретению, могут включать средство управления давлением в петлевом реакторе.

Способ ферментации, соответствующий настоящему изобретению, может включать стадии управления различным образом давлением в циркулирующей ферментационной жидкости, по меньшей мере, в двух различных зонах в петлевом реакторе в результате увеличения давления, по меньшей мере, в первой зоне U-образной части или петлевой части ферментационного реактора по отношению к давлению в другой зоне ферментационного реактора, что, тем самым, увеличивает массоперенос, по меньшей мере, одного добавленного компонента газообразного субстрата, такого как метан, из газовой фазы в жидкую фазу в данной зоне, со следующим далее уменьшением давления в другой зоне по отношению к давлению в первой зоне до поступления циркулирующей ферментационной жидкости в верхнюю часть реактора, что инициирует высвобождение газов, таких как отходящие газы, подобные CO₂, из жидкой фазы, и высвобождение газов, захваченных в циркулирующей ферментационной жидкости в верхнем резервуаре ферментационного реактора.

Производительность ферментационного реактора и/или процесса ферментации, соответствующих настоящему изобретению, может быть дополнительно оптимизирована в том смысле, что циркулирующая ферментационная жидкость испытывает воздействие переменного давления во время циркуляции в ферментере и характеризуется увеличенными массопереносом и растворимостью газов субстрата в жидкой фазе в зоне, характеризующейся увеличенным давлением. Производительность также может быть улучшена в результате высвобождения газов, таких как газообразные отходы из циркулирующей ферментационной жидкости, где данное высвобождение увеличивается в зонах, где давление уменьшается.

Ферментационный реактор и/или способ ферментации, соответствующие настоящему изобретению, могут быть дополнительно улучшены в результате создания третьей зоны между вторым устройством для управления давлением и третьим устройством для управления давлением и управления различным образом давлением в циркулирующей ферментационной жидкости в каждой из трех различных зон - первой зоне, второй зоне и третьей зоне. Данное управление давлением в третьей зоне может быть обеспечено в результате увеличения давления в первой зоне при использовании первого устройства для управления давлением и уменьшения давления в последующих двух зонах (во второй зоне и в третьей зоне) на двух стадиях при использовании второго и третьего устройств для управления давлением.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения увеличенное давление в петлевой части ферментационного реактора в первой зоне и/или между первым устройством для управления давлением и вторым устройством для управления давлением может быть получено в результате приложения давления на более, чем 0,5 бар выше атмосферного давления; таким образом, как давления на более, чем 1 бар выше атмосферного давления; например, давления на более, чем 1,5 бар выше атмосферного давления; таким образом, как давления на более, чем 2 бар выше атмосферного давления; например, давления на более, чем 2,5 бар выше атмосферного давления; таким образом, как давления на более, чем 3 бар выше атмосферного давления; например, давления на более, чем 3,5 бар выше атмосферного давления; таким образом, как давления на более, чем 4 бар выше атмосферного давления; например, давления на более, чем 4,5 бар выше атмосферного давления; таким образом, как давления на более, чем 5 бар выше атмосферного давления; например, давления на более, чем 5,5 бар выше атмосферного давления; таким образом, как давления на более, чем 6 бар выше атмосферного давления; например, давления на более, чем 7 бар выше атмосферного давления.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения увеличенное давление в петлевой части ферментационного реактора, в первой зоне и/или между первым устройством для управления давлением и вторым устройством для управления давлением может быть получено в результате приложения давления в диапазоне 0,5-10 бар выше атмосферного давления; таким образом, как давления в диапазоне 1-9 бар выше атмосферного давления; например, давления на более, чем 1,5-8 бар выше атмосферного давления; таким образом, как давления в диапазоне 2-7 бар выше атмосферного давления; например, давления на более, чем 3-6 бар выше атмосферного давления; таким образом, как давления в диапазоне 4-5 бар выше атмосферного давления.

В еще одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения давление в верхнем резервуаре может быть менее, чем на 0,5 бар выше атмосферного давления; таким образом, как на 0,25 бар выше атмосферного давления; таким образом, как на 0,1 бар выше атмосферного давления; таким образом, как приблизительно атмосферным давлением; например, менее, чем на 0,75 бар ниже атмосферного давления; таким образом, как на 0,5 бар ниже атмосферного давления; например, менее, чем на 0,25 бар ниже атмосферного давления; таким образом, как на 0,1 бар ниже атмосферного давления.

Первое устройство для управления давлением предпочтительно может представлять собой насос, например, пропеллерный насос, лопастной насос или турбинный насос, в особенности разработанный для циркуляции газожидкостной смеси. Другие подходящие для использования средства увеличения давления и создания циркуляции жидкости в ферментере представляют собой, например, добавление сжатого газа, например, воздуха или инертного газа, в комбинации с устройством для циркуляции жидкости, которое может представлять собой насос.

Второе устройство для управления давлением, соответствующее настоящему изобретению, может быть выбрано из числа устройств для управления давлением, таких как: сужение диаметра/поперечного сечения части с восходящим потоком или U-образной части, пластина с отверстиями, форсунки или сопла, вставленные в часть с восходящим потоком или U-образную часть, клапан, например, клапан с управлением по давлению в одном или нескольких местоположениях в ферментере, статический смеситель, гидроциклон или насос, такой как пропеллерный насос, лопастной насос или турбинный насос.

Как это упоминалось прежде, газоотделение для газообразных отходов в ферментере может быть улучшено в результате добавления средств продувания свободного пространства над уровнем жидкости и/или ферментационной жидкости в верхнем резервуаре. Достижения этого можно добиться в результате создания течения газа для продувающего газа в целях продувания свободного пространства над уровнем жидкости параллельно, прямоточно или противоточно по отношению к течению жидкости в верхней части. Газоотделение также может быть дополнительно улучшено в результате добавления продувающего газа (например, воздуха, СО₂ или инертного газа или их смесей) в верхний резервуар ниже поверхности жидкости для увеличения десорбирования газов из ферментационной жидкости в верхнем резервуаре в свободное пространство над уровнем жидкости. Достижения этого также можно добиться в результате перепускания ферментационной жидкости через средство регулирования расхода в верхнем резервуаре.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения ферментационный реактор и способ, соответствующие настоящему изобретению, предназначены для метанотрофной ферментации.

В одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения ферментационный реактор может быть предназначен для ферментации на метанотрофных организмах.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения газообразный субстрат, подаваемый во время ферментации на метанотрофных организмах, может содержать алкан. Предпочтительно алкан представляет собой С1 соединение. В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения алкан предпочтительно может представлять собой С1 соединение и/или С1 алкан. Предпочтительно С1 соединение и/или С1 алкан могут представлять собой метан, метанол, природный газ, биогаз, синтез-газ или любую их комбинацию. Еще более предпочтительно С1 соединение и/или С1 алкан могут представлять собой метан.

Метанотрофные организмы предпочтительно могут представлять собой метанотрофные бактерии, такие как Methylococcus Capsulatus.

Метанотрофные бактерии могут быть представлены при совместной ферментации совместно с одной или несколькими гетеротрофными бактериями.

Следующие гетеротрофные бактерии могут оказаться в особенности подходящими для использования при совместной ферментации на организмах M. capsulatus; Ralstonia sp.; Bacillus brevis; Brevibacillus agri; Alcaligenes acidovorans; Aneurinibacillus danicus и Bacillus firmus. Подходящие для использования дрожжи могут быть выбраны из биологических видов Saccharomyces и/или Candida.

Предпочтительные гетеротрофные бактерии выбирают из организмов Alcaligenes acidovorans (NCIMB 13287), Aneurinibacillus danicus (NCIMB 13288) и Bacillus firmus (NCIMB 13289) и их комбинаций.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения метанотрофный организм может быть генетически модифицированным метанотрофным организмом, и/или гетеротрофный организм может быть генетически модифицированным гетеротрофным организмом.

Ферментационный реактор и/или процесс ферментации, соответствующие настоящему изобретению, могут иметь особое отношение к производству белка одноклеточных организмов (БОО) в результате осуществления непрерывных процессов ферментации на культурах, например, на Methylococcus capsulatus.

Предпочтительные метанотрофные бактерии представляют собой биологические виды из семейства Methylococcus, в особенности Methylococcus capsulatus, которые используют метан или метанол в качестве источника углерода и аммиак, нитрат или молекулярный азот в качестве источника азота для синтеза белка.

Дополнительные подробности в отношении подходящих для использования модификаций петлевого реактора и характера эксплуатации такого петлевого реактора и переработки получающейся в результате биомассы могут соответствовать описаниям изобретений в публикациях WO 2010/069313; WO 2000/70014; WO 2003/016460; WO 2018/158319; WO 2018/158322; WO 2018/115042 и WO 2017/080987, все из которых посредством ссылки включаются в настоящий документ.

Первый вариант осуществления настоящего изобретения относится к петлевому реактору; предпочтительно U-образному петлевому реактору, где петлевой реактор включает петлевую часть. Петлевая часть включает часть с нисходящим потоком петлевой части, U-образную часть, часть с восходящим потоком и верхний резервуар. Верхний резервуар включает вентиляционную трубу для сбрасывания газа или газов, отделенных в свободном пространстве над уровнем жидкости верхнего резервуара и также обозначаемых термином «отходящий газ». Вдоль петлевой части ферментационного реактора, петлевого реактора располагаются элементы для введения газа, например, газообразного субстрата, подобного метану, аммиаку, атмосферному воздуху, чистому кислороду или атмосферному воздуху, обогащенному по чистому кислороду, в ферментационный реактор. Предпочтительно элементы для введения газа располагаются в петлевой части петлевого реактора, еще более предпочтительно элементы для введения газа располагаются в части с нисходящим протоком и/или части с восходящим протоком петлевого реактора. Ферментационный реактор (петлевой реактор) может быть оснащен насосом для циркуляции ферментационной жидкости (циркуляционным насосом) в петлевом реакторе. В одном варианте осуществления настоящего изобретения циркуляционный насос может быть установлен в U-образной части ферментационного реактора для циркуляции бульона в ферментере. Данный циркуляционный насос в альтернативном и предпочтительном вариантах может быть расположен в верхней части части с нисходящим потоком, например, при исполнении им функции первого устройства для управления давлением. По всем части с нисходящим потоком и/или части с восходящим потоком динамические смесители или статический механический смесительный элемент обеспечивают диспергирование подаваемых газов для получения многочисленных маленьких мелкодисперсных пузырьков в ферментационной жидкости. Могут быть предусмотрены каналы подачи для добавления воды и питательных солей, таких как фосфат, аммоний, магний, кальций, калий, железо, медь, цинк, марганец, никель, кобальт и молибден в форме сульфатов, хлоридов или нитратов, фосфатов, и компонентов для управления значением рН, предпочтительно каналы подачи располагаются в части с нисходящим потоком и/или в части с восходящим потоком, предпочтительно каналы подачи располагаются в части с нисходящим потоком. В ферментационном реакторе (петлевом реакторе) может быть предусмотрено выпускное отверстие для сцеживания ферментационной жидкости, характеризующейся уровнями содержания произведенных биомассы и/или веществ других продуктов, в целях переработки ниже по ходу технологического потока. Выпускное отверстие может быть расположено в U-образной части и/или в верхнем резервуаре. Петлевой реактор (ферментационный реактор) также может быть снабжен одним или несколькими датчиками. Датчики могут быть расположены для восприятия или определения концентраций рассматриваемых газов и/или ионов, например, СН₄ и О₂, и/или, по меньшей мере, одного из ионов фосфата, аммония, нитрата, нитрита и водорода (рН), могут быть предусмотрены один или более термодатчиков для восприятия температуры ферментационной жидкости в петлевой части и/или датчик пены для восприятия развития избыточного пенообразования в верхнем резервуаре.

Датчики могут доставлять сигналы в систему обработки данных (ПК) (не продемонстрирована), которая может управлять всем процессом ферментации, включая оборудование для переработки ниже по ходу технологического потока.

В целях управления пенообразованием и/или турбулентностью в ферментационной жидкости в верхнем резервуаре для обеспечения достижения оптимизированной дегазации отходящих газов и, таким образом, улучшенной производительности процесса ферментации верхний резервуар петлевого реактора (ферментационного реактора) может быть оснащен средством визуального наблюдения. Предпочтительно средство визуального наблюдения может быть расположено с обеспечением горизонтального или по существу горизонтального поля наблюдения. Средство визуального наблюдения может быть расположено на стороне верхнего резервуара, делая возможным объединенный обзор выше поверхности ферментационной жидкости и ниже поверхности ферментационной жидкости. Предпочтительно средство визуального наблюдения может быть расположено на торце верхнего резервуара. Предпочтительно средство визуального наблюдения может быть расположено на торце верхнего резервуара, обеспечивая обзор от первого впускного отверстия (или части с восходящим потоком) до первого выпускного отверстия (или части с нисходящим потоком). Средство визуального наблюдения может представлять собой смотровое отверстие, съемочную камеру или комбинацию из смотрового отверстия и съемочной камеры. В одном варианте осуществления настоящего изобретения смотровое отверстие может представлять собой смотровое стекло. В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения съемочная камера может быть встроенной в линию съемочной камерой.

Один пример проводимой ниже по ходу технологического потока переработки, подходящей для использования в отношении полученной биомассы в целях получения различных фракций, может соответствовать описанию изобретения в публикации WO 2018/115042.

Второй вариант осуществления настоящего изобретения относится к петлевому реактору (ферментационному реактору), подобному описанному выше первому варианту осуществления, в котором давление может быть увеличено в конкретных зонах петлевого реактора, в то время как давление является по существу равным атмосферному давлению, или в других зонах петлевого реактора, например, в верхнем резервуаре, может быть получено давление, необязательно уменьшенное ниже атмосферного давления.

В целях управления давлением в конкретных зонах петлевого реактора (ферментационного реактора) в петлевом реакторе могут быть расположены одно или более устройств для управления давлением в целях обеспечения управления давлением в ферментере таким образом, чтобы различные зоны ферментера испытывали бы большее или меньшее давление, чем другие зоны, например, петлевая часть петлевого реактора.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения устройства, использованные для управления давлением, также используются и для обеспечения циркуляции жидкости и/или газожидкостной смеси в ферментере, то есть, имеет место циркуляционный насос.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения первое устройство для управления давлением может быть расположено в верхней области части с нисходящим потоком или в соединительных частях между верхним резервуаром и частью с нисходящим потолком, например, в их нижней части. Первое устройство для управления давлением может предпочтительно обеспечивать циркуляцию жидкости в ферментере и в то же самое время стимулирует увеличение давления при прохождении жидкости или газожидкостной смеси через первое устройство для управления давлением. Первое устройство для управления давлением предпочтительно может представлять собой насос, например, циркуляционный насос, пропеллерный насос, лопастной насос или турбинный насос, в особенности разработанный для циркуляции газожидкостной смеси. Другие подходящие для использования средства увеличения давления и создания циркуляции жидкости в ферментере представляют собой, например, добавление сжатого газа, имеющее своей целью увеличение давления, а не просто подачу питательных веществ или ингредиентов в ферментационную жидкость. Когда первое устройство для управления давлением может представлять собой насос, такой как пропеллерный насос, насос, например, пропеллерный насос, может быть приведен в действие при использовании двигателя.

Второе устройство для управления давлением может быть расположено в петлевом реакторе (ферментационном реакторе), предпочтительно в петлевой части, например, в одной части, выбираемой из части с нисходящим потоком или части с восходящим потоком или в горизонтальной части U-образной части петлевого реактора (ферментационного реактора). Предпочтительно второе устройство для управления давлением может быть расположено в части с восходящим потоком ферментационного реактора таким образом, что давление может быть увеличено между первым устройством для управления давлением и вторым устройством для управления давлением при взгляде в направлении течения.

При увеличении давления в конкретной зоне в ферментере также увеличивается и растворимость нагнетаемых газов в жидкой фазе. В одном предпочтительном варианте осуществления второе устройство для управления давлением может быть расположено посередине интервала до верхней области части с восходящим потоком ферментационного реактора (или петлевой части).

Второе устройство для управления давлением может быть выбрано из числа устройств для управления давлением, таких как: сужение диаметра/поперечного сечения части с восходящим потоком или U-образной части, пластина с отверстиями, форсунки или сопла, вставленные в часть с восходящим потоком или U-образную часть, клапан, например, клапан с управлением по давлению в одном или нескольких местоположениях в ферментере, статический смеситель, гидроциклон или насос, такой как пропеллерный насос, лопастной насос или турбинный насос.

Петлевой реактор (ферментационный реактор) может быть оснащен одним или несколькими устройствами для восприятия давления. Одно или более устройств для восприятия давления могут быть расположены по всему петлевому реактору таким образом, как в верхнем резервуаре и/или в петлевой части. Предпочтительно, по меньшей мере, один датчик давления может быть расположен в каждой из зон ферментера, эксплуатируемых при различных давлениях. Устройства для восприятия давления могут быть соединены с системой для управления технологическим процессом, например, компьютером, которая может управлять устройствами для управления давлением в целях выдерживания оптимального давления в каждой из зон ферментационного реактора.

В отношении как первого, так и второго вариантов осуществления в соответствии с представленным выше описанием изобретения петлевой ферментер (ферментационный реактор), соответствующий настоящему изобретению, может дополнительно включать один или более датчиков для определения растворенного кислорода (РК), которые также могут быть расположены в ферментере в целях детектирования выдерживания уровня содержания кислорода в ферментере в пределах предварительно определенного диапазона, который зависит от микроорганизма или микроорганизмов, использованных при ферментации.

В ферментационном реакторе, в верхнем резервуаре и/или в U-образной части, могут быть расположены дополнительные датчики, например, для измерения температуры, значения рН, проводимости, окислительно-восстановительного потенциала и различных ионов, присутствующих в бульоне, например, аммония, нитрита, нитрата, фосфатов и тому подобного.

Датчики могут включать биодатчики, электрохимические датчики, например, ионоселективные электроды или датчики на основе ПИА (проточно-инжекционного анализа) и оптических измерений, например, спектрофотометрические устройства. Для измерения нескольких различных компонентов в бульоне или в клетках в ферментере, например, концентрации клеток, аминокислот, метанола, этанола и/или других ионов, также может быть использован и зонд в ближней инфракрасной области (БИК). Ферментационный реактор может быть оборудован масс-спектрометрическим (МС) датчиком или электронным анализатором запахов для определения концентрации газообразных и летучих компонентов (например, СО₂ и/или СН₄) в свободном пространстве над уровнем жидкости. Датчик МС или электронный анализатор запахов могут управлять давлением, приложенным в ферментере, и/или добавлением газообразных компонентов, например, метана и/или воздуха/кислорода, и/или добавлением газообразного аммиака или аммиака/аммония в растворе. В U-образной части ферментационного реактора, предпочтительно в соединении с нагнетанием газа, может быть установлена высокоскоростная съемочная камера для определения размера пузырьков газов в бульоне. Размер пузырьков может быть определен в результате обработки изображений для данных от высокоскоростной съемочной камеры.

В верхнюю часть ферментера также может быть добавлен рециркулирующий супернатант, в альтернативном варианте, он может быть добавлен в одной или нескольких позициях в U-образной части ферментационного реактора. Возвращение супернатанта с переработки ниже по ходу технологического потока может уменьшить общее потребление субстратов, углерода и минералов, что, таким образом, уменьшает издержки процесса ферментации.

Соединительные части могут включать или могут не включать средства противодействия образованию завихрений (не продемонстрированы), например, перегородки и тому подобное в соответствии с потребностями.

Ферментационный реактор, соответствующий настоящему изобретению, обычно может функционировать в непрерывном режиме эксплуатации после очищения и реализации методики стерилизации со следующим далее периодом запуска, во время которого в ферментационный реактор добавляют воду, необходимые питательные соли и микроорганизмы. Ферментационная жидкость может циркулировать в ферментационном реакторе, в основном при использовании первого устройства для управления давлением. После этого может быть инициировано добавление газообразных субстратов, и может быть запущена ферментация. При достижении плотностью микроорганизмов концентрации, равной приблизительно 0,5-10%, а предпочтительно 1-5%, (при расчете на сухую массу) ферментационную жидкость можно непрерывно отбирать из ферментационного реактора, например, из верхнего резервуара или из U-образной части, и подвергать переработке ниже по ходу технологического потока, например, в соответствии с описанием изобретения в публикации WO 2018/115042.

Отбор ферментационной жидкости может быть инициирован одновременно с добавлением подпиточной воды, водного субстрата и/или рециркуляцией супернатанта при степени разбавления в зависимости от микроорганизмов, использованных при ферментации. Добавлением компонентов субстрата в жидком растворе, дополнительной воды, рециркуляцией супернатанта в качестве подпитки для отобранного бульона и газообразных субстратов можно управлять при использовании компьютера, принимающего данные от газовых датчиков, и подходящих для использования вычислений в целях получения необходимых количеств каждого компонента для получения оптимизированного роста организмов.

Как это необходимо отметить, варианты осуществления и признаки, описанные в контексте одного из аспектов настоящего изобретения, также относятся и к другим аспектам изобретения.

Все патентные и непатентные ссылки, процитированные в настоящей заявке, во всей своей полноте посредством ссылки на них включаются в настоящий документ.

Литературные ссылки

WO 2010/069313

WO 2000/70014

WO 2003/016460

WO 2018/158319

WO 2018/158322

WO 2018/115042

WO 2017/080987

WO 2018/132379

Изобретение относится к ферментационному реактору, включающему петлевую часть и верхний резервуар, при этом упомянутая петлевая часть включает часть с нисходящим потоком, соединенную с частью с восходящим потоком через U-образную часть, где верхний резервуар включает: (i) первое выпускное отверстие, соединяющее верхний резервуар с частью с нисходящим потоком петлевой части и делающее возможным перетекание ферментационной жидкости, присутствующей в верхнем резервуаре, из верхнего резервуара в петлевую часть; (ii) первое впускное отверстие, соединяющее верхний резервуар с частью с восходящим потоком петлевой части и делающее возможным перетекание ферментационной жидкости, присутствующей в петлевой части, из петлевой части в верхний резервуар; и (iii) вентиляционную трубу для выгрузки отходящих газов из верхнего резервуара. Верхний резервуар дополнительно включает средство визуального наблюдения, расположенное на торце верхнего резервуара, обеспечивающее обзор от первого впускного отверстия до первого выпускного отверстия с по существу горизонтальным полем наблюдения. Изобретение обеспечивает визуальный контроль за развитием пенообразования во время ферментации. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ферментационный реактор, включающий петлевую часть и верхний резервуар, при этом упомянутая петлевая часть включает часть с нисходящим потоком, соединенную с частью с восходящим потоком через U-образную часть, причем верхний резервуар включает:

(i) первое выпускное отверстие, соединяющее верхний резервуар с частью с нисходящим потоком петлевой части и обеспечивающее протекание ферментационной жидкости, присутствующей в верхнем резервуаре, из верхнего резервуара в петлевую часть;

(ii) первое впускное отверстие, соединяющее верхний резервуар с частью с восходящим потоком петлевой части и обеспечивающее протекание ферментационной жидкости, присутствующей в петлевой части, из петлевой части в верхний резервуар; и

(iii) вентиляционную трубу для выгрузки отходящих газов из верхнего резервуара;

при этом верхний резервуар дополнительно включает средство визуального наблюдения, расположенное на торце верхнего резервуара, обеспечивая обзор от первого впускного отверстия до первого выпускного отверстия с по существу горизонтальным полем наблюдения.

2. Ферментационный реактор по п. 1, в котором средство визуального наблюдения располагается на стороне верхнего резервуара, обеспечивающей объединенный обзор выше поверхности ферментационной жидкости и ниже поверхности ферментационной жидкости.

3. Ферментационный реактор по любому одному из предшествующих пунктов, в котором средство визуального наблюдения представляет собой смотровое отверстие, съемочную камеру или комбинацию из смотрового отверстия и съемочной камеры.

4. Ферментационный реактор по п. 3, в котором смотровое отверстие представляет собой смотровое стекло.

5. Ферментационный реактор по любому одному из предшествующих пунктов, в котором верхний резервуар оснащают датчиком пены внутри верхнего резервуара.

6. Ферментационный реактор по любому одному из предшествующих пунктов, в котором ферментационный реактор предназначен для ферментации на метанотрофных организмах.

7. Ферментационный реактор по любому одному из предшествующих пунктов, в котором петлевая часть ферментационного реактора включает одно или более активных устройств и/или один или более неактивных смесительных элементов для распределения газа в ферментационной жидкости.