Способ получения биомассы микроорганизмов Советский патент 1989 года по МПК C12N1/00 C12N1/00 C12R1/72 C12R1/01 

(21)4245218/28-13

(22)27.05.87

(46) 23.05.89. Бюл. V 19

(71)Всесоюзный научно-исследовательский институт биосинтеза белковых веществ

(72)С.В.Кан, Ю.П.Боярчук, Е.Л.Листов, Б.А.Литманс, Н.А.Родкина, В.А.Еремин, Г.И.Мещанкин

и А.Ю.Винаров

(53)663.14 (088.8)

(56)Патент США № 3810348, кл. 55-91, опублик. 1974.

Авторское свидетельство СССР № 1199795, кл. С 12 N 1/04, 1984.

(54)СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОМАССЫ МИКРООРГАНИЗМОВ

(57)Изобретение относится к способам интенсификации процессов масообмена, в частности процесса выращивания микроорганизмов при прямоточном контакте фаз, и может использоваться в микробиологической, пищевой, химической и других отраслях промышленности. Целью изобретения является увеличение продуктивности процесса за счет интенсификации массообмена и снижения

потерь неутилизированного кислорода. Способ заключается в том, что в зону контакта фаз помещают инертный наполнитель, состоящий из отдельных элементов, который приводят в псевдо- ожиженное состояние газожидкостной смесью, направленной снизу вверх, а элементы инертного наполнителя выполняют из двух типов материала, различающихся по удельному весу. При этом необходимо выполнение следующего условия: рг жс с р1 с р . рг , где р, - удельный вес материала, из которого изготовлены элементы первой части инертного напопнителя; рг - удельный вес материала, из которого изготовлены элементы второй части инертного наполнителя; р - плотность жидкой фазы; р г чс - плотность газожидкостной смеси. Возможно также соотношение удельных весов материалов и плотностей Лаз в виде

f г. с L Рж Fi 4 Pi ПР этом количества элементов каждой из частей, различающихся удельным весом, могут находиться в соотношении 3:1- 1:3. 1 табл.

§

(Л

d

4-

оо ю

СП

Јь

Изобретение относится к способам интенсификации процессов массообмена ,в частности, процесса выращивания микроорганизмов при прямоточном контакте фаз и может использоваться в микробиологической, пищевой, химической и других отраслях промышленности. Целью изобретения является увеличение продуктивности процесса за счет интенсификации массообмена и снижения потерь неутилизированного кислорода. Способ заключается в том, что в зону контакта фаз помещают инертный наполнитель, состоящий из отдельных элементов, который приводят в псевдоожиженное состояние газожидкостной смесью, направленной снизу вверх, а элементы инертного наполнителя выполняют из двух типов материала, различающихся по удельному весу, при этом необходимо выполнение следующего условия: ρ _г.ж.с. *98 ρ₁ *98 ρ_ж *98 ρ₂, где ρ₁ - удельный вес материала, из которого изготовлены элементы первой части инертного наполнителя

ρ₂ - удельный вес материала, из которого изготовлены элементы второй части инертного наполнителя

ρ_ж - плотность жидкой фазы

ρ_г.ж.с. - плотность газожидкостной смеси. Возможно также соотношение удельных весов материалов и плотностей фаз в виде: ρ_г.ж.с. *98 ρ_ж *98 ρ₁ *98 ρ₂. При этом количества элементов каждой из частей, различающихся удельным весом, могут находиться в соотношении 3:1 ÷ 1:3. 1 табл.

1

Изобретение относится к микробиологической промышленности, в частности к способам интенсификации массообмена в процессе выращивания микроорганизмов при прямоточном контакте взаимодействующих фаз, и может быть использовано в пищевой, химической, а также других отраслях промышленности.

Цель изобретения - увеличение продуктивности процесса за счет интенсификации массообмена и снижение потерь неутилизированного кислорода.

Способ заключается « том, что под слой инертного наполнпт-етя, находящегося в некотором поломе KYтьтурапь- ной жидкости, погппт а рирунчций агент - воздух ипп i . ii-i-o i гугьгую

смесь. При этом обеспечивается постоянное движение образовавшейся газожидкостной смеси снизу вверх, что, в свою очередь, обеспечивает условия прямоточного контакта фаз. За счет кинетической энергии восходящего потока газожидкостной смеси, часть менее тяжелых элементов наполнителя переходит в псевдоожиженное состояние, находясь при этом в постоянном хаотическом движении. Это приводит к диспергированию и равномерному распределению по объему газовой составляющей восходящего потока. Уменьшение среднего диаметра пузырьков газа ведет к увеличению межфазной поверхности контакта, а также времени контакта фаз, за счет снижения скорости всплытия отдельных пузырьков. Оставшаяся часть элементов наполнителя, обладающая большим удельным весом, находится при этом в менее подвижном состоянии, выполняя роль вспомогательного турбулизирующего слоя, по своим функциям и назначениям аналогичного обычному неподвижному слою насадки. В результате создаются оптимальные условия для эффективного переноса массы (кислорода) из фазы в фазу, что и повышает эффективность процесса выращивания. В случае увеличения расхода газа, например при переходе с ведения процесса выращивания с использованием воздушно-кислородной смеси на воздушный вариант, возрастает кинетическая энергия газожидкостного потока, что приводит в псевдоожиженное состояние оставшуюся часть наполнителя, обладающего большим удельным весом. Вследствие этого количество элементов, активно участвующих в процессе развития межфазной поверхности, за счет диспергирования газовой фазы части восходящего потока увеличивается, а вместе с этим возрастает интенсивность процесса развития межфазной поверхности и уве0

личения времени контакта фаз. Все это позволяет снизить, а в отдельных случаях исключить потери неутилизированного кислорода, вызванные изменением гидродинамической обстановки в аппарате при ведении процесса выращивания микроорганизмов, В непрерывном режиме выращивания готовую культу- ральную жидкость выводят из ферментера, а рабочий объем ферментера поддерживают постоянным при помощи подачи технологической воды. Газовая фаза отводится из ферментера на очист- 5 ку, а затем в атмосферу.

Преимущества предлагаемого способа иллюстрируют результаты сравнительных испытаний, представленные в таблице, Исследования проводят в колонном эрлифтном ферментере объемом 0,1 м3, в ходе процесса выращивания кормовых дрожжей на синтетическом этиловом спирте. В качестве продуцента используется культура Candida utilis. Аэрирующий агент - воздух с начальной концентрацией в нем кислорода 21%, Опыты проводят в трех вариантах: I вариант - полый аппарат с колосниковыми решетками (по известному способу), II вариант - с наполнителем единой плотности (полипропиленовые шары р 0,9 г/см3), III вариант - с наполнителем, состоящим из двух частей, различающихся удельным весом материала, из которого изготовлены их отдельные элементы ( р 1,4 г/см3 - винипластовые кольца,

о 0,9 г/см3 - полипропиленовые шары). Плотность неаэрированной суспензии р 1,06 г/см3, а средняя плотность газожидкостной смеси (G) изменяется в зависимости от расхода воздуха от 0,7 до 0,8 г/см3. Определяют продуктивность (X) и степень использования кислорода (ц). Соотношение количеств частей элементов с различными удельными весами в III варианте равно 1:1.

0

5

0

5

0

5

Из таблицы видно, что продуктив- ность процесса и степень использования кислорода, полученные при использовании предлагаемого способа (III вариант), выше, чем аналогичные характеристики I и II вариантов.

Пример 1. Процесс выращивания бактериальной биомассы на природном газе в колонном эрлифтном аппарате с рециркуляцией жидкой фазы объемом 0,1 м3; продуцент - Methylo- coccus capsulatus (штамм ВСБ-874) - .депонировано в ЦМПМ под № 1743; рабочий объем аппарата 0,06 м3; расход газовоэдушной смеси 33,9 нм3/ч (метан + воздух с начальной концентрацией кислорода 21%); плотность неаэ- рированной питательной среды с бактериями p - 1,06 г/см3; плотность газожидкостной смеси fг с 0,65 г/см3.

В качестве инертного наполнителя используют полипропиленовые шары с удельным весом о 0,9 г/см3 и ви- нипластовые кольца с удельным весом рг 1,43 г/см3, взятые в соотношении 1:3, инертный наполнитель размещен в барботажной части колонны. При этом выполняется условие Р г. к с (. f . р о . Выращивание биомассы осуществляют в непрерывном режиме, смесь метана и воздуха подают в нижнюю часть колонны под слой инертного наполнителя, который приводится потоком газожидкостной смеси в псевдоожи женное состояние.

Технологические характеристики процесса: продуктивность & 1,7 кг АСВ/м3 ч; степент исполь- зования кислорода v 3,4%; содержание белка 60%.

П р и м е р 2. Процесс выращивани биомассы на синтетическом этаноле в колонном эрлифтном ферментере с рециркуляцией жидкой фазы объемом 0,1 м3, продуцент - Candida utilis (штамм ВСБ-651) - депонировано в ЦМПМ под № 277; рабочий объем 0,06 м3 расход воздуха 22,6 нм3/ч (начальная концентрация кислорода 21%); плотность неаэрированной питательной среды с дрожжами рж 1,06 г/см3; плотность газожидкостной смеси 0,75 г/см3.

Инертный наполнитель - шары из полимерного материала ( pi 1,2 г/см3) и винипластовые (поли- винилкарбаэол или пластикат изоляци

s 0

5 0

5

онный) кольца (f г/см3), взятые в соотношении 3:1. Соотношение

fr. с. с Р Р 1 /V

Наполнитель, как и в примере 1,

размещается в барботажной зоне колонны, воздух подается в нижнюю часть аппарата под слой инертного наполнителя, приводимого в псевдоожиженное состояние потоком газожидкостной смеси. Процесс проводится в непрерывном режиме с рециркуляцией жидкой фазы.

Технологические характеристики процесса: продуктивность X 3,8 кг АСВ/м3 ч; степень использования кислорода (f 3,9%; содержание белка 60%.

При соотношении количеств тяжелых и легких элементов наполнителя более чем, например, 1:4, 1:5, 4:1 и т.д., экспериментальные данные незначительно отличаются от результатов,полученных при использовании наполнителя одного удельного веса (вариант II). Это объясняется слишком малым содержанием либо тяжелых, либо легких элементов по отношению к общему их количеству, что не может оказывать значительного влияния на процесс развития поверхности контакта и увеличение времени пребывания газа в реакционной зоне при увеличении расхода газовой фазы.

Использование соотношений плотностей фаз и удельных весов материалов, так же, как f г с - р, Рг Я

или

fl Pl fr.C :

приводит к

тому, что все элементы наполнителя будут находиться в верхней части реакционной зоны (под удерживающей решеткой) в виде малоподвижного слоя, причем это состояние слоя наполнителя характерно как до, так и после увеличения расхода газа. В таком состоянии система не отвечает требованиям, предъявленным к ней в плане соответствующей интенсификации мас- сообмена при увеличении расхода аэрирующего агента.

П р и м е р 3. Процесс выращивания бактериальной биомассы на природном газе в колонном эрлифтном ферментере с рециркуляцией жидкой фазы объемом 0,1 м3; продуцент - Methylococcus capsulatus (штамм ВСБ-874) - депонировано в ЦМПМ под № 1743 (ЦМЛМ-В- 1743); рабочий объем аппарата 0,06 м3; расход газовоздушной смеси 33,9 нм3/ч (метан + воздух с начальной концентрацией кислорода 21%); плотность неаэрированной питательной среды с бактериями рх 1,06 г/см3; плотность газожидкостной смеси 0,65 г/см3 . Инертный наполнитель: шары из полиэтилена, плотность материала pt 0,97 г/см3; шары из сополимеров винихлорида с винилацетатом, плотность материала р2 1,37 г/см3, взятые в соотношении 1:3, при этом выполняется условие

г ж

Р,

Р

Инертный наполнитель размещен в барботажной части колонны. Выращива- ние биомассы осуществляется в непрерывном режиме, смесь метана и воз ду- ха подают в нижнюю часть колонны под .слой инертного наполнителя,, приводимого потоком газожидкостной смеси в псевдоожиженное состояние.

Технологические характеристики процесса: продуктивность X 1,6 кг АСВ/мэ-ч; степень использования кислорода v 3,36%; содержание белка 60%.

П р и м е р 4. Процесс выращивани микроорганизмов на синтетическом этаноле в колонном эрлифтном ферментере с рециркуляцией жидкой фазы объемом 0,1 м3, продуцент - Candida utilis (штамм ВВС-651) - депонировано в ЦМПМ под 277 (ЦМПМ-277); рабочий объем 0,06 м3; расход воздуха 22,6 нм3/ч (начальная концентрация

кислорода 21%); рж- плотность неаэрированной питательной среды с дрожжами 1,06 г/„см3 ; Ргже пяог ность газожидкостной смеси 0,75 г/см3 Инертный наполнитель: кольца из полихлорстирола, р, 1,28 г/см3; кольца из пентапласта, р4 1,40 г/см3, взятые в соотношении 3:1, при этом выполняется условие

, -Ргхс /ж Pi

Наполнитель размещен в барботажной зоне колонны, воздух подают в нижнюю часть колонны под слой инертного наполнителя, приводимого в псевдоожиженное состояние потоком газожидкостной смеси.

Технологические характеристики процесса: продуктивность X 3,75 кг АСВ/м3-ч;.степень использования кислорода ц 3,9%; содержание белка 60%,

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с известным позво- ляет значительно интенсифицировать

0

5 0

5

о

5

0

5

процесс массообмена за счет увеличения поверхности и времени фазового контакта (примерно на 15-20%) и равномерного распределения газа по высоте и сечению рабочего объема и тем самым улучшить массообменные характеристики аппаратуры, работающей с прямоточной организацией контакта фаз, в частности колоннах эрлифтных ферментеров для выращивания микроорганизмов, и повысить продуктивность процесса выращивания (таблица).

Применение инертного наполнителя различной плотности, соблюдая при этом предлагаемое соотношение плотностей газожидкостной, жидкой и твердой фаз, позволяет стабилизировать

значения массообменных характеристик оборудования, а именно степени использования кислорода, при возможных изменениях расхода аэрирующего агента за счет соответствующего увеличения интенсивности процесса развития поверхности межфазного контакта и его продолжительности.

Формула изобретения

Способ получения биомассы микроорганизмов, предусматривающий выращивание их в непрерывном режиме на питательной среде, содержащей источники углерода, азота, фосфора, минеральные соли, с использованием инертного наполнителя в условиях аэрации и прямоточного контакта питательной среды и аэрирующего агента, подаваемых снизу вверх, отличающий- с я тем, что,, с целью увеличения продуктивности процесса за счет интенсификации массообмена и снижения потерь неутилизированного кислорода, в качестве инертного наполнителя используют систему, состоящую из двух типов полимерных материалов, различающихся по удельному весу, при этом выбор материалов осуществляют с учетом соблюдения следующего неравенства

50

г..с

л

9г

или

Рг..с f ж f-, Pi , соответственно,

где р и р - удельные веса материалов ;

р - плотность неаэрирован- ,ной питательной среды,

91481254

содержащей микроорганизмы;

fr.

ж.с

плотность газожидкостной смеси,;

10

а весовые количества каждого из полимеров устанавливают в интервале соотношений от 1:3 до 3:1 и поддерживают наполнитель в процессе культивирования в псевдоожиженном состоянии.