Главная
АИ #44 (71)
Статьи журнала АИ #44 (71)
Повышение производительности биореактора при получении белка из метана за счет и...

Повышение производительности биореактора при получении белка из метана за счет интенсификации процесса массообмена

Рубрика

Энергетика

Ключевые слова

массообмен
кислород
метан
биореактор
белок

Аннотация статьи

В статье, в продолжении рассмотрения актуальной проблемы получения кормового белка из метансодержащего газа, анализируется энергоэкономный подход к интенсификации массообменных процессов в биореакторе с целью повышения производительности по биомассе.

Текст статьи

Проблема промышленного получения кормовой протеинсодержащей добавки для балансировки по аминокислотам и витаминам рационов сельскохозяйственных животных, птиц и рыб, с закрытием в СССР 7 крупных биозаводов, выпускавших более 1 млн т белково-витаминного концентрата (БВК) на н-парафинах, а затем на низкосортном зерносырье, стала крайне острой и привела к значительным импортным поставкам белка. Созданная в 1985г. первая отечественная опытно-промышленная установка получения белка из природного газа (гаприна) на Светлоярском заводе БВК обеспечила выпуск ~40тыс т качественного биопродукта с высоким содержанием протеина (~75%), но была закрыта в 1994г., при этом, заложенные в проект показатели не были достигнуты, в частности, из-за невысокой производительности биореактора и большой затрачиваемой электроэнергии (более 5 тыс. квтч/т продукта) [1].

Данная ситуация обуславливает актуальность создания новых современных биопроизводств, обеспечивающих получение высокопротеиновой биодобавки, содержащей необходимый набор аминокислот и витаминов, при экономической эффективности биопроцесса, в частности, за счет снижения энергозатрат на стадии ферментации в биореакторах. В известных конструкциях биореакторов, разработанных для процессов аэробной ферментации с использованием наиболее доступных жидкофазных субстратов (н-парафины, этанол, метанол, ферментализаты) их массоперенос в клетки обеспечивался путем интенсивного перемешивания и аэрации среды за счет различных типов перемешивающих устройств, эжекторов, циркуляционных насосов и прочих энергозатратных способов [2]. В настоящее время в качестве доступного в больших объемах углеродсодержащего сырья рассматривается метансодержащий газ: природный газ, а также биогаз, получаемый при сбраживании различных органических отходов. Применительно к процессу ферментации на метансодержащем газе нами была проведена оценка перспективности известных биореакторов и сформулированы предварительные задачи для разработки нового промышленного биореактора и процесса при получении белка из газа [3].

Учитывая, что кислород и метан являются трудно растворимыми в воде газами, и растворимость при оптимальной температуре ферментации метанокисляющих микроорганизмов (40-45 оС) составляет около 0,021–0,023 об/об., а их потребление микроорганизмами осуществляется в растворенном в культуральной жидкости виде, задача обеспечения интенсивного массопереноса О2 и СН4 из газовой фазы в жидкость и в клетки крайне важна. Схему транспорта кислорода (аналогично метана) из газовой фазы в жидкую и в клетки иллюстрирует рис.1.

Рис. 1. Схема массопереноса О2 из газа и десорбции СО2 в ферментационной среде

Скорость изменения концентрации кислорода dC/dt (аналогично уравнение справедливо и для метана) в процессе ферментации имеет вид:

dC/dt = kLa (C* - CL) - qO2,

где: C* - равновесная концентрация О2, определяемая согласно закону Генри,

CL – концентрация растворенного Опри данном парциальном давлении кислорода,

kLa – объемный коэффициент массопередачи О2.

Скорость потребления кислорода микроорганизмами (qO2) непосредственно связана со скоростью роста клеток (µ) и их концентрацией (x):

qO2 = αO2 (dx / dt) = α O2 µ x,

где αO– стехиометрический коэффициент потребления Оклетками.

Для установившегося непрерывного процесса ферментации можно записать:

kLa (C* - CL ) = qO2,

Отсюда следует, что величина Мо2 = kLa (C* - CL) определяет количество переданного кислорода из газа в жидкость, характеризует скорость потребления кислорода клетками и следовательно скорость их роста в условиях перемешивания и аэрации ферментационной среды в биореакторе, и как результат определяет удельную продуктивность процесса (µ x) и производительность (µ x V) биореактора (кг биомассы в час), где V (м3) –рабочий объем биореактора. Таким образом, актуальна задача увеличения Мо2.

Известен и используется на практике способ влияния на движущую силу массопереноса (C*-CL) путем увеличения давления в аппарате. Однако, ограничением этого метода интенсификации является увеличивающееся с давлением ингибирующее влияние растворенного СО(согласно схеме рис.1) при достижении определенного для конкретного штамма микроорганизмов значения. Величина kLa – объемного коэффициента массопередачи кислорода зависит от коэффициента массоотдачи (kL1/час) – межфазной турбулентности и от удельной поверхности контакта фаз газ-жидкость (a, м23). Теоретический анализ данных величин, определяющих массообмен в системе газ-жидкость детально анализируется в работах академика В.В. Кафарова [4].

Практически интересен вопрос экспериментального исследования эффекта межфазной турбулентности и переноса кислорода в биологической среде, рассмотренный нами в работе [5] с применением метода голографической интерферометрии. Ниже представлены полученные нами экспериментальные результаты, выполненные на биологической и модельной средах с получением интерферограмм и измерением по ним гидродинамического и диффузионных слоев. При этом, величину коэффициента массоотдачи (kL) определяли по скорости движения полос и по движению турбулентного фронта при абсорбции О2 водой и биологической культуральной жидкостью. На графике рис. 2 приведены результаты дискретного измерения деформации полос для абсорбции О2 водой.

Рис. 2. Интерферограмма развития межфазной турбулентности и деформации пограничного слоя при абсорбции О2 в водной среде (фиксация изменения полос на фотографиях через 10 сек.)

Проведенными испытаниями было показано, что добавление в ферментационную среду некоторых поверхностно-активных веществ (ПАВ) способствует интенсификации процесса ферментации [6]. Анализ интерферограмм при добавлении в среду выбранных ПАВ, подтверждает их влияние на межфазную турбулентность при абсорбции О2. Так, добавление в культуральную жидкость ПАВ №2 (проксанол), согласно интерферограммам приведенным на рис.3 приводит к ощутимой деформации интерференционных полос по глубине слоя, при этом поверхность раздела фаз газ-жидкость заметно малоподвижна, что замедляет межфазный переход кислорода.

Рис. 3. Интерферограмма развития межфазной турбулентности и деформации пограничного слоя при абсорбции О2 в водной среде с добавлением ПАВ №2 (фиксация изменения полос на фотографиях с дискретностью 5 сек.)

В то же время из интерферграмм, приведенных на рис. 4 наглядно следует, что добавление ПАВ №3 (блоксополимер окиси этилена и окиси пропилена) привело к значительной деформации интерференционных полос по сечению слоя, что обуславливает ускоренный перенос О2 внутрь жидкости. Непосредственно у границы раздела фаз газ-жидкость наблюдаются заметные колебания слоя, в отличие от спокойной картины раздела фаз для системы без добавления ПАВ (рис. 2). Скорость изменения структуры слоя во времени при добавлении в среду ПАВ №3 существенно выше, чем при абсорбции водой. Полученные данные показывают высокую межфазную турбулентность и ускорение массопереноса О2 в слой жидкости при использовании ПАВ №3

Рис. 4. Интерферограмма развития межфазной турбулентности и деформации пограничного слоя при абсорбции О2 в водной среде с добавлением ПАВ №3 (фиксация изменения полос на фотографиях с дискретностью 5 сек.)

На графике рис.5 приведены результаты математической обработки полученных интерференционных картин по влиянию ПАВ на скорость массопереноса О2 и проведен расчет в сравнении с результатами, полученными в воде без добавления ПАВ (0 %).

Рис. 5. Сравнительный анализ влияния различных ПАВ на скорость абсорбции О2 (1 - ПАВ №1, 2 - ПАВ № 2, 3 - ПАВ №3)

Цель и результат проведенных исследований состоял в теоретическом и экспериментальном обосновании интенсификации процесса массопереноса кислород за счет добавления в культуральную жидкость определенного поверхностно-активного вещества, в качестве которого был отобран ПАВ №3. При этом, отмеченный в лабораторных, а затем в промышленных испытаниях эффект повышения производительности процесса аэробной ферментации в биореакторе в среднем на 23 % без увеличения вкладываемой мощности определяет значительный экономический эффект. Данный метод увеличения скорости массопередачи двух труднорастворимых газов: метана и кислорода без дополнительных энергозатрат в биореакторе имеет определенное экономическое значение для повышения эффективности ферментационного процесса получения белковой биомассы при ферментации метанутилизирующих бактерий.

Список литературы

  1. Быков В.А., Винаров А.Ю., Градова Н.Б., Ковальский Ю.В. Микробиологическая промышленность // Химический комплекс (Антология: Строители России. XX–XXI век). – М.: Мастер, 2008. – С. 406–424.
  2. Винаров А.Ю., Гордеев Л.С., Кухаренко А.А., Панфилов В.И. Процессы и аппараты биотехнологии: ферментационные аппараты : учебное пособие для вузов. /под редакцией В. А. Быкова / – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва : Издательство Юрайт, 2021. – 274 с.
  3. Винаров А.Ю. Биореакторное оформление процесса ферментации при получении белка из природного газа // мат-лы ХХ111 Межд. научно-практической конференции. АПНИ. г.Белгород 2017, №2-2. С.24-27.
  4. Кафаров В.В. О теоретическом анализе диффузионных процессов. Журнал Прикладной химии. 1956, 29, №1. С.4–46.
  5. Винаров А.Ю., Кафаров В.В. Быков В.А., Шитиков Е.С, Карлов С.П. Голографическое исследование межфазной турбулентности и переноса кислорода в биологических средах. Доклады АН СССР 1985, №4, С.986-990.
  6. Винаров А.Ю. Применение поверхностно активных веществ в процессах ферментации. Ж. Биотехнология. 1986. №5. С.39-45.

Поделиться

1195

Винаров А. Ю. Повышение производительности биореактора при получении белка из метана за счет интенсификации процесса массообмена // Актуальные исследования. 2021. №44 (71). С. 7-11. URL: https://apni.ru/article/3131-povishenie-proizvoditelnosti-bioreaktora-pri

Похожие статьи

Актуальные исследования

#31 (213)

Прием материалов

27 июля - 2 августа

осталось 7 дней

Размещение PDF-версии журнала

7 августа

Размещение электронной версии статьи

сразу после оплаты

Рассылка печатных экземпляров

20 августа