Результат интеллектуальной деятельности: АППАРАТ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к аппаратам для выращивания микроорганизмов, и может найти применение при выращивании микроорганизмов на природном газе, а также спиртах и гидролизных щелоках.

Для крупнотоннажного производства кормового белка (БВК) из природного газа во всем мире в основном используются два типа аппаратов это петлевые и струйные ферментеры.

Петлевые ферментеры известны по патентам WO 2010/069313 А2, US 6.492.135 В1 и US 10.184.103 В2.

Петлевые ферментеры имеют довольно простую конструкцию в виде вертикальной петли образованной двумя контурами - восходящим и нисходящим контурами газожидкостного потока. Верхняя часть ферментеров выполнена в виде расширительной емкости таким образом, что восходящая часть петли через изгиб проходит горизонтально и тангенциально в сторону расширения верхнего конца нисходящей части петли. Эта особенность конструкции способствует разделению пузырьков газа и жидкости, который выводится из ферментера в виде абгаза. В нижней части ферментеров устанавливают встроенный насос, который обычно помещается рядом с U-образным изгибом и обеспечивает циркуляцию газожидкостной смеси в ферментере. Природный газ и воздух/или кислород могут вводиться в различных местах в U-образной петли. Как правило, они подаются в верхнем конце нисходящей части контура и нижнем конце восходящей части контура. Газы вводятся с помощью газораспределителей, обеспечивающих распределение по всему поперечному сечению нисходящей или восходящей частей контура. Таким образом U-образный ферментер обеспечивает длительное время контакта между газовой и жидкой фазами, так как инжектируемый газ присутствует как в нисходящей части, так и в восходящей части контура. Это позволяет обеспечить существенно более высокое использование газа по сравнению с обычными эрлифтными биореакторами.

Однако, пузырьки газа в жидкостях имеют тенденцию сливаться в более крупные пузырьки (коалесцировать). Эта тенденция способствует тому, что эрлифтные реакторы воздушного подъема становятся неэффективными, поскольку пузырьки становятся все больше и больше при движении вверх в восходящем потоке, частично из-за коалесценции и частично из-за пониженного гидростатического давления. Кроме того, с увеличением диаметра ферментера эта тенденция увеличивается в квадратичной зависимости, а пузырьки газа стремятся в центр контура разрушая равномерное распределение газа и жидкости по всему поперечному сечению нисходящей и восходящей частям контура, что отрицательно влияет на гидродинамику и как следствие на массообменные параметры ферментера. В U-образном реакторе эта тенденция, как указано в описании патентов, нейтрализуется путем обеспечения статических смесителей, соответствующим образом разнесенных на расстояния, а пузырьки газа могут быть повторно диспергированы (например, с помощью множества статических смесителей, предусмотренных как в нисходящей, так и в восходящей части реактора) несколько раз в жидкости.

К сожалению ни в одном из выше указанных патентов не приводится конструкция этих статических смесительных элементов. Лишь в патенте US 10.184.103 В2 сказано, что смесительные элементы могут быть, например, производства компании Sulzer. Компания Sulzer производит очень много различных видов смесителей, для многих отраслей промышленности (производят смесители и для смешения твердых тел с жидкостью и газами, которые ни в коем случае не могут подойти для ферментационного оборудования), в нашем случае можно было бы использовать смесители для жидкости и газов, но сложность и/или невозможность их использования в некоторых случаях очевидна:

- они обладают сложной конструкцией;

- имеют высокую металлоемкость;

- их трудно промыть не разобрав конструкцию;

- обладают высоким гидродинамическим сопротивлением потоку жидкости;

- в основном используются на трубопроводах небольших диаметров;

- конструкции трудно масштабируются на большие потоки жидкости,

- в них требуется много энергии для диспергирования больших объемов газа и жидкости.

Все эти проблемы с диспергированием газа в жидкость помешали компаниям Юнибио и Калиста создать ферментер для выращивания микроорганизмов на природном газе обладающий высокой единичной производительностью и продуктивностью. Так компания Юнибио использует для выращивания метанокисляющих микроорганизмов U-образный ферментер объемом около 100 м³ с продуктивностью 4 кг абсолютно сухой биомассы с 1 кубического метра рабочего объема ферментера в час.

В нашей стране для выращивания метанокисляющих микроорганизмов в промышленных масштабах в 80-е начала 90-х годов использовали ферментеры струйного типа. Струйные аппараты могли оснащаться аэраторами (эжекторами) сливного (А.С. СССР №1521498) или напорного (А.С. СССР №605830) типов. В Советском Союзе были разработаны и эксплуатировались ферментеры струйного типа геометрическим объемом 1100 м³, а в ГДР при производстве БВК из дизельного топлива использовались ферментеры объемом 2200 м³. Все ферментеры зарекомендовали себя как надежные, высокопроизводительные, высокопродуктивные массообменные аппараты, обладающие низкими показателями по потреблению электроэнергии как на единицу готовой продукции, так и на единицу растворенного кислорода в жидкости. Ферментеры состояли из емкости, контура циркуляции жидкой фазы с циркуляционным насосом, в верхней части аэратора (аэраторов) и контура рециркуляции газовой фазы. За счет многократной рециркуляции газовой фазы достигалась высокая степень использования компонентов газовой среды. Работа струйных аппаратов под давлением позволила достичь продуктивности процесса работы на природном газе - 6,0-6,2 кг/м³ час.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является аппарат для выращивания микроорганизмов по А.С. СССР №873683, содержащий емкость с технологическими патрубками, эжектором, подключенному к контуру циркуляции культуральной жидкости, побудитель расхода жидкости, установленный в нижней части корпуса отбойный экран и устройствами для пеногашения и контур рециркуляции газовой фазы.

Недостатком известных струйных аппаратов является не высокие массообменные параметры ферментера в области контура (в ферментерах объемом 1100 м³ их было 6) циркуляции жидкости, который (которые) по объему может быть 17-20% от рабочего объема ферментера, по сравнению с массообменом в аэраторах и в емкости ферментера. Этот факт связан с тем, что движение жидкости по поперечному сечению контура циркуляции жидкой фазы происходит с одинаковой скоростью без поперечного перемешивания (за исключением пристеночной области, но она очень мала при высоких скоростях жидкости). Высокая плотность газожидкостной среды около 950 кг/м³, а следовательно низкое газосодержание около 5%, также не способствует высокому массообмену. Из-за достаточно большой доли контура циркуляции жидкости и слабого массообмена в этом объеме ферментера, в целом массообменные характеристики всего ферментера снижаются на 8-10%.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в увеличении массообменных характеристик аппарата и как следствие увеличении его продуктивности.

Данный технический результат достигается тем, что аппарат для выращивания микроорганизмов содержит корпус с технологическими патрубками подачи растворов минеральных солей и титрующих агентов, струйный аэратор, расположенный вертикально в верхней части корпуса и подключенн к системе рециркуляции жидкой фазы, причем система включает теплообменник, побудитель расхода жидкости и трубопроводы, выполненные с возможностью отвода жидкой фазы из нижней части корпуса и подачи ее через струйный аэратор в верхнюю часть корпуса, и трубопровод, соединяющий боковую сторону корпуса выше допустимого уровня жидкой фазы в корпусе с верхней частью корпуса аэратора для обеспечения рециркуляции газовой фазы, внутри корпуса аппарата в нижней его части соосно установлен отбойник в виде конуса, направленного вверх. Система газообеспечения выполнена таким образом, что газовые компоненты питательной среды (природный газ и воздух) подаются равными количествами в контур рециркуляции газовой и жидкой фаз, причем, в контур рециркуляции жидкой фазы природный газ и воздух подаются сразу после теплообменника, а внутри трубопровода рециркуляции жидкой фазы по его высоте соосно установлены смесительные элементы, образованные из двух камер - внешней и внутренней, причем каждая камера имеет одинаковую площадь поперечного сечения, а внутри каждой камеры установлены профилированные пластины для создания закрученного потока, причем профилированные пластины установлены таким образом, что обеспечивают противоположное вращение потоков во внешней и во внутренней камерах.

Аппарат для выращивания микроорганизмов (Рис 1) включает корпус 1, струйный аэратор 2, подключенный к системе рециркуляции жидкой фазы. Система включает теплообменник 3, побудитель 4 расхода жидкости и трубопроводы 5 и 6. Внутри корпуса 1 в нижней его части соосно установлен отбойник 7 в виде конуса, направленного вверх. Так же струйный аэратор 2 подключен к системе рециркуляции газовой фазы трубопроводом 8. Ввод кислорода воздуха и газообразного субстрата в аппарат предусмотрен в двух точках - на трубопроводе рециркуляции газовой фазы 9.1, 10.1 и на трубопроводе 6 рециркуляции жидкой фазы 9.2 и 10.2 сразу после теплообменника. На всасывающей линии побудителя расхода установлен штуцер подачи питательных солей и титрующего раствора 10, в верхней крышке корпуса аппарата предусмотрен штуцер отвода отработанной газовой смеси 11. В нижней точке аппарата на трубопроводе 5 установлен штуцер для слива жидкости 12. Для отвода дегазированной под отбойником 7 газовой смеси предусмотрен трубопровод 13 соединяющий верхнюю часть отбойника с газовой фазой аппарата. Внутри трубопровода рециркуляции жидкой фазы по его высоте соосно установлены смесительные элементы 14, образованные из двух камер - внешней 15 и внутренней 16, причем каждая камера имеет одинаковую площадь поперечного сечения, а внутри каждой камеры установлены профилированные пластины 17, 18 для создания закрученного потока, причем профилированные пластины установлены таким образом, что обеспечивают противоположное вращение потоков во внешней и во внутренней камерах, полностью перекрывают сечение трубопровода и обеспечивают столкновение выходящих из смесительного элемента газожидкостных потоков. Смесительные элементы установлены по всей высоте контура рециркуляции жидкой фазы с шагом 2-3 диаметра трубопровода

Аппарат работает следующим образом. Побудитель 4 расхода жидкости забирает культуральную жидкость из-под отбойника 7 и нагнетает ее через теплообменник 3 в струйный аэратор 2. В теплообменнике 3 происходит термостатирование культуральной жидкости до требуемой температуры. В аэраторе 2 за счет падения жидкости вниз с большой скоростью происходит подсос газовой фазы из верхней части аппарата по трубопроводу 8 и перемешивание газовой и жидкой фаз. Газожидкостная смесь, выходя из струйного аэратора 2 с большой скоростью, падает в слой жидкости, в аппарате создается нисходящий турбулентный поток, который отразившись от отбойника 7 направляется вверх вдоль стенки аппарата, создавая интенсивное перемешивание, а часть его побудителем расхода жидкости подсасывается под отбойник 7. Под отбойником 7 создается область для дегазации газожидкостной смеси. Дегазация достигается за счет естественного всплытия газовых пузырьков, дегазированная газовая смесь по трубопроводу 13 поступает в газовую фазу ферментера. Свежие компоненты газовой питательной среды (природный газ и воздух) поступают в аппарат в двух точках: в контур рециркуляции газовой фазы 9.1, 10.1 и в контур рециркуляции жидкой фазы 10.1, 10.2 примерно в равных количествах. В контур рециркуляции жидкой фазы природный газ и воздух поступают сразу после теплообменника. В смесительных элементах, установленных внутри трубопровода рециркуляции жидкой фазы, газожидкостной поток делится на две половины и закручивается в противоположных направлениях. При выходе из смесительных элементов закрученные потоки взаимодействуют друг с другом создавая зоны повышенной турбулентности, что способствует увеличению массообменных параметров аппарата.

Эти технические решения позволяют повысить массообмен в контуре рециркуляции жидкой фазы и как следствие увеличить массообменные характеристики всего аппарата и, как следствие, увеличить его продуктивность на 10-12%.