Способ получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов и способ управления непрерывным процессом получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов

 

Назначение: относится к микробиологической и медицинской промышленности, а именно к способам получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов, выращиваемых, в частности, на природном газе, а также к способам управления этим процессом. Сущность изобретения: в колонну подают пропорционально их расходу метансодержащий газ, кислородсодержащий газ, стабилизирующий рН среды реагент и минеральные соли с частичным возвратом отработанных сред в процесс выращивания. Давление газовых сред устанавливают выше атмосферного, обеспечивающего оптимальную концентрацию растворения кислорода в среде выращивания. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к микробиологической и медицинской промышленности, а именно к способам получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов, выращиваемых, в частности, на природном газе, а также к способам управления этим процессом.

Процессы выращивания микроорганизмов, использующих в качестве источника углерода метан, в частности, из природного газа, осуществляются в водно-минеральной среде выращивания с подачей в нее метансодержащего газа, источника свободного кислорода, источников минерального питания, а также воды. В непрерывном процессе вода может частично или полностью быть повторно использована из технологического процесса получения образующихся в процессе роста микроорганизмов продуктов, в частности биомассы микроорганизмов, со стадий выделения этих продуктов, следующих после стадии выращивания микроорганизмов. Процессы выращивания микроорганизмов осуществляют при стабильных значениях рН среды выращивания и ее температуры в широком диапазоне давлений.

Известны способы управления процессом выращивания метанокисляющих микроорганизмов, включающие стабилизацию тех или иных параметров процесса.

Известен способ получения пищевых продуктов посредством выращивания одного микроорганизма или смеси микроорганизмов так, чтобы парциальное давление кислорода и общее давление в системе было таково, что парциальное давление растворенного кислорода превышало парциальное давление растворенного углерода настолько, чтобы их отношение превышало в 5 раз весовое стехиометрическое соотношение потребленного кислорода к потребленному метану, подаваемому в процесс выращивания в виде углеводородсодержащей жидкости (Патенты Англии 1320722, 1320723, кл. С 12 B 1/20, 1973).

К недостаткам этого способа относится отсутствие условий, обеспечивающих безопасность ведения процесса, а в случае обеспечения безопасных условий ведения процесса по этому способу не достигаются эффективные процессы выращивания микроорганизмов как по использованию источников питания, так и по производительности и утилизации отходящих газов.

Известен способ автоматического управления процессом выращивания микроорганизмов, согласно которому давление в аппарате регулируют в зависимости от концентрации растворенного кислорода, а расходы воздуха и метана регулируют в зависимости от общего давления в процессе, при этом поддерживают заданное оптимальное соотношение потоков метана и воздуха (А. с. СССР 810801). Способ реализуется подачей в процесс выращивания воздуха и метана в предельном для используемого аппарата количестве для обеспечения максимального массопереноса. В процессе выращивания измеряется парциальное давление (концентрация) растворенного кислорода. Для обеспечения необходимого уровня парциального давления растворенного кислорода заданными условиями выращивания регулируют общее давление процесса.

Способ осуществляют следующим образом. При изменении парциального давления (концентрации) растворенного кислорода в процессе выращивания микроорганизмов ниже нижнего значения в диапазоне оптимальных значений производится повышение давления процесса. Поскольку повышение давления приводит к снижению скорости движения потоков газовой фазы в среде выращивания (снижение объемной скорости подачи газовых потоков), для сохранения скорости газовых потоков на прежнем уровне и, следовательно, сохранения условий массообмена одновременно с повышением давления производят пропорциональное увеличение массовых потоков воздуха и метана, подаваемых в процесс, выдерживая соотношение этих потоков. При повышении парциального давления растворенного кислорода выше оптимального уровня производят снижение давления процесса с одновременным снижением расхода метана и воздуха.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является "Усовершенствованный процесс ферментации с целью превращения метана в белковый продукт", патент Англии 1463295 (аналог заявка ФРГ Р2417848) с приоритетом 12.04.73.

В соответствии с этим способом осуществляют процесс выращивания метанокисляющих микроорганизмов в водно-минеральной среде с непрерывной подачей в процесс выращивания компонентов минерального и газового питания, причем рН среды выращивания поддерживается в пределах 5,5 7,0 подачей аммиака, гидроокиси аммония, гидроокиси натрия. Они могут служить азотным питанием для микроорганизмов и концентрация аммония в среде выращивания не должна превышать 300 мг/л, предпочтительно 2-100 мг/л. Выращенную биомассу концентрируют и сушат. Отходящей газ процесса культивирования, содержащий метан, утилизируют с получением энергии, используемой для обеспечения технологических потребностей процесса получения биомассы.

Недостатком способа является поддержание производительности процесса выращивания более низкой, чем максимально достижимая в тех же условиях, отсутствие рециркуляции газовых и жидкостных потоков, относительно высокие затраты на транспортировку отходящих газов в связи с тем, что процесс осуществлен при атмосферном давлении.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение производительности процесса получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов.

Предлагаемое изобретение базируется на следующих основных теоретических и экспериментальных положениях.

1. Оптимальный режим выращивания обеспечивается при поддержании оптимальных остаточных концентраций компонентов питания в среде выращивания, причем подача этих компонентов в процесс выращивания должна осуществляться пропорционально скорости роста (производительности процесса).

2. При осуществлении процесса выращивания со стабилизацией рН среды выращивания поток стабилизирующего рН вещества или раствора пропорционален скорости роста (производительности процесса). При этом любое изменение скорости роста вызывает наиболее быстрый отклик (минимальное запаздывание) в изменении величины потока, стабилизирующего рН среды выращивания микроорганизмов.

3. Ограничение производительности процесса выращивания метанокисляющих микроорганизмов определяется ограничением скорости переноса кислорода из газовой фазы в среду выращивания. Увеличение скорости переноса кислорода достигается увеличением общего давления в среде выращивания. При этом, если возможности по скорости переноса кислорода превышают потребности в нем культуры при достигнутом значении скорости роста (производительности процесса), то концентрация растворенного кислорода достигает значений, превышающих оптимальные значения и ингибирующих рост выращиваемой культуры (снижающие производительность процесса).

Применение давления в процессе выращивания микроорганизмов выше атмосферного необходимо также для того, чтобы обеспечить транспортировку выходящей из процесса выращивания газовой смеси (с составом выше верхнего предела воспламеняемости забалластированных метанкислородных смесей) на энергетическую утилизацию.

4. Возврат отработанной среды выращивания после стадии концентрирования повышает экономическую эффективность процесса получения биомассы. При этом установлено, что до определенного уровня введение в процесс выращивания потока отработанной среды выращивания может стимулировать процесс выращивания (повышать производительность), а затем может приводить к снижению производительность. При этом оптимальное значение возвращаемого в процесс выращивания микроорганизмов зависит от многих неконтролируемых и неуправляемых факторов.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в процессе получения биомассы устанавливают величину потоков компонентов питания выращиваемых метанокисляющих микроорганизмов (подаваемых как в растворенном виде, так и газообразном) пропорционально потоку, подаваемому для стабилизации рН среды выращивания, а скорость протока жидкой фазы процесса (потока отбираемой из процесса выращивания суспензии, содержащей биомассу микроорганизмов) устанавливают также пропорционально потоку вещества, подаваемого в процесс для стабилизации рН среды выращивания микроорганизмов, при этом поток возвращаемой в процесс отработанной среды выращивания устанавливают пропорциональным скорости протока (потоку отбираемой из процесса суспензии) таким образом, чтобы обеспечить максимальное значение потока, подаваемого для стабилизации рН среды выращивания микроорганизмов, с периодической корректировкой коэффициентов пропорциональности по изменению величины потока, подаваемого для стабилизации рН среды выращивания, а давление процесса при этом поддерживают на минимальном уровне, необходимом для обеспечения оптимальной концентрации растворенного кислорода, но не ниже давления, необходимого для обеспечения эффективной транспортировки и энергетической утилизации отходящих из процесса выращивания газовых потоков.

Эффективность способа получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов по предлагаемому способу складывается из совместного действия признаков, используемых в нем.

Поток, в частности водного раствора аммиака (аммиачной воды), подаваемый для стабилизации рН среды выращивания, значение которого изменяется за счет жизнедеятельности микроорганизмов, пропорционален производительности процесса выращивания, и его величина является оценкой производительности. При этом при любом изменении условий ведения процесса происходит изменение скорости роста микроорганизмов, вызывающее изменение величины потока, идущего на стабилизацию рН среды выращивания, причем изменение величины этого потока дает наиболее быстрый отклик по сравнению с другими технологическими характеристиками процесса, показывающими тенденцию изменения производительности процесса. В связи с этим по величине потока, подаваемого для стабилизации рН среды выращивания, можно достоверно судить о состоянии технологического процесса.

Взаимосвязь между потоком, стабилизирующим рН среды выращивания, и производительностью процесса непрерывного выращивания микроорганизмов при стабильной величине рН среды выращивания можно записать в следующем виде: Fт = (αн/[OH-])FoX, где Fо поток отбираемой из процесса суспензии, содержащей биомассу; αн стехиометрический коэффициент процесса роста культуры микроорганизмов по ионам водорода; Fт поток, подаваемый на стабилизацию рН среды выращивания; [ОН-] мольная концентрация ионов ОН- в потоке, подаваемом на стабилизацию рН среды выращивания; X концентрация биомассы микроорганизмов в среде выращивания.

При этом величина потока отбираемой из процесса суспензии Fо связана с удельной скоростью роста микроорганизмов в условиях стационарного непрерывного процесса соотношением: Fo = μVж = μVф(1-ϕ), где Vж количество (объем) жидкой среды в аппарате; μ удельная скорость роста микроорганизмов;
Vф геометрический объем аппарата;
v газосодержание среды выращивания ( отношение объема, занятого газовой фазой в среде пузырями к объему жидкой фазы рабочему объему среды выращивания).

В процессе получения биомассы микроорганизмов суспензия, отбираемая из процесса выращивания, подвергается концентрированию, в частности посредством центробежной сепарации, эффективная работа которой зависит от концентрации биомассы, подаваемой на эту стадию, и стабильности этой концентрации в течение всего процесса. Наиболее эффективная работа стадии концентрирования в части минимизации потерь биомассы и снижения энергетических затрат достигается при обеспечении концентрации биомассы во входном потоке не ниже определенного значения заданной концентрации биомассы Хзад, и это значение может быть достигнуто при изменении производительности процесса посредством изменения величины потока отбираемой из процесса выращивания Fo. Таким образом, величина потока Fо при заданной концентрации биомассы в процессе выращивания Хзад связана с потоком, подаваемым для стабилизации рН среды выращивания, пропорциональной зависимостью:
Fо kFт,
где k = [OH-]/αн Xзад..

При этом диапазон изменения величины потока отбираемой из процесса суспензии определяется с одной стороны минимальным значением, определяемым стадией концентрирования, а с другой стороны максимальной скоростью потока отбираемой суспензии, определяемой возможностями микроорганизмов по максимальному значению их удельной скорости роста.

Очевидно, что при увеличении производительности процесса выращивания может изменяться концентрация биомассы X > Хзад, что вызывает необходимость корректировки коэффициента пропорциональности между величинами потоков Fо и Fт.

В процессе непрерывного культивирования метанокисляющих микроорганизмов по предлагаемому способу величину потока отбираемой суспензии Fо при поддержании постоянного объема жидкой фазы процесса определяют в основном два потока, подаваемые в процесс выращивания: поток технологической воды Fтв и поток отработанной среды выращивания со стадии концентрирования биомассы (сепарирования) Fвоз.

Известно, что технологическая вода, получаемая в условиях промышленного производства из природных источников, содержит ингибиторы роста микроорганизмов, состав и содержание которых можно отнести к неконтролируемым и нерегулируемым возмущениям. В то же время отработанная среда выращивания практически не содержит этих ингибиторов, однако содержит продукты метаболизма и лизиса микроорганизмов. В процессе выращивания метанокисляющих микроорганизмов участвуют сопутствующие микроорганизмы, растущие на продуктах метаболизма метанокисляющих культур, что снижает ингибирующее действие метаболитов. В результате, зависимость производительности от соотношения потоков технологической воды и возвращаемой отработанной среды выращивания имеет экстремальный характер, причем оптимальное соотношение может меняться в течение длительного процесса в зависимости от качества технологической воды и от эффективности работы стадии концентрирования биомассы.

В связи с этим для получения максимального значения производительности процесса необходимо проводить периодическую корректировку соотношения между потоком возвращаемой в процесс отработанной среды выращивания и потоком отбираемой суспензии Fо. Корректировку осуществляют посредством изменения величины потока Fвоз и, следовательно, потока Fтв и определением изменения величины потока, идущего на стабилизацию рН среды выращивания, Fт. В случае увеличения потока, идущего на стабилизацию рН среды выращивания, производится дальнейшее изменение величины потока Fвоз до достижения максимального значения Fт. В случае уменьшения потока титрующего агента при изменении Fвоз следующие шаги делают в обратном направлении до достижения максимального значения Fт, и в последующем устанавливают новое значение коэффициента пропорциональности между потоками Fвоз и Fо, или, очевидно, между потоками Fвоз и Fт, обеспечивающее более высокую производительность процесса.

Производительность процесса непосредственно связана с давлением в среде выращивания, которое выполняет задачу интенсификации ввода метана и кислорода в жидкую фазу среды выращивания. При этом избыточная концентрация растворенного метана практически не оказывает ингибирующего воздействия на процессы роста микроорганизмов, в то время как избыточная концентрация растворенного кислорода ингибирует рост, и существует оптимальная концентрация растворенного кислорода.

При поддержании оптимальной концентрации растворенного кислорода и при обеспечении условий взрывобезопасности процесса, при которых концентрация метана в потоке отходящего газа выше концентрации кислорода, концентрация растворенного метана выше оптимального значения и не ограничивает роста.

Наличие избыточного давления в процессе выращивания упрощает управление подачей источника кислорода для обеспечения оптимального значения концентрации растворенного кислорода. Однако повышение давления в среде выращивания имеет и отрицательные последствия. Прежде всего, при повышении давления возрастает концентрация растворенного в среде выращивания углекислого газа, который может оказывать непосредственно или косвенно ингибирующее влияние на рост микроорганизмов. При наличии системы очистки газовых потоков от углекислого газа при повышении давления требуется ее более интенсивная работа для снижения содержания углекислого газа в газовых потоках и, следовательно, более высокие затраты. При отсутствии такой системы повышение давления приводит к снижению производительности процесса и снижению его устойчивости.

Кроме того, природный газ, используемый обычно как источник метана, содержит примеси, одни из которых (гомологи метана) дают при окислении продукты метаболизма, ингибирующие рост метанокисляющих микроорганизмов, а другие, в частности серусодержащие соединения, являются непосредственными ингибиторами роста. Повышение давления приводит к увеличению парциальных давлений этих примесей и, следовательно, к увеличению ингибирования процесса и снижению производительности по сравнению с максимально достижимой в этих условиях.

Еще одним последствием повышения давления является повышение газосодержания среды выращивания при повышении давления и, следовательно, снижение рабочего объема среды выращивания и производительности.

В связи с указанными последствиями повышения давления, его целесообразно увеличивать для увеличения скорости процессов массопередачи лишь в тех случаях, когда содержание кислорода в газовой фазе (отходящем газовом потоке) достигает установленного по соображениям взрывобезопасности ограничения, а концентрация растворенного кислорода продолжает оставаться ниже оптимального значения. Во всех остальных случаях давление в среде выращивания следует поддерживать на минимально необходимом уровне. В этом случае снижается ингибирование процесса за счет снижения образования продуктов метаболизма из гомологов метана, что позволяет увеличить долю возвращаемой в процесс отработанной среды выращивания, позволяет увеличить общий проток процесса.

Для обеспечения требуемой производительности процесса непрерывного выращивания микроорганизмов требуется подача всех компонентов питания в количестве, необходимом для выращивания микроорганизмов, при поддержании на оптимальном уровне концентраций в среде выращивания, помимо растворенного кислорода, также концентраций компонентов минерального питания, таких как фосфор, медь и т.п. Это достигается непрерывной подачей в процесс выращивания микроорганизмов сбалансированной по составу и компонентам минерального питания концентрированной минеральной питательной среды, величина потока которой пропорциональна потоку, идущему на стабилизацию рН среды выращивания, с корректировкой коэффициента пропорциональности между этими потоками по уровню концентрации одного из компонентов минерального питания в среде выращивания (обычно по концентрации фосфора).

В целом за счет совместного действия признаков способа достигается следующий технический результат.

Производительность процесса непрерывного выращивания метанокисляющих микроорганизмов повышается на 7-10% а за счет стабилизации процесса концентрирования и снижения потерь производительность по целевому продукту процесса получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов по сравнению с прототипом повышается на 10-15%
Предлагаемый способ реализуется в системе автоматического управления процессом непрерывного культивирования метанокисляющих микроорганизмов.

На чертеже представлена блок-схема системы управления для реализации способа получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов, выполненная с использованием средств автоматики.

Технологическая часть оборудования включает в себя ферментер 1, в который по трубопроводу 2 подают поток, содержащий свободный кислород (воздух, технологический кислород), по трубопроводу 3 метансодержащий газ (в частности, природный газ), по трубопроводу 4 технологическую воду, по трубопрободу 5 концентрированный раствор источников минерального питания, сбалансированный по удельным потребностям в них выращиваемой культуры микроорганизмов, по трубопроводу 6 раствор для стабилизации рН среды выращивания (аммиачная вода), выполняющий в процессе также роль источника азота для культуры микроорганизмов, по трубопроводу 7 отработанную среду выращивания, подаваемую со стадии концентрирования биомассы, по трубопроводу 8 хладагент в теплообменное устройство ферментера для стабилизации температуры среды выращивания. По трубопроводу 9 из аппарата непрерывно выводят на последующую обработку суспензию, содержащую биомассу, а по трубопроводу 10 - поток отработанного газа.

Трубопроводы 2-7 и 9 снабжены расходомерами 11-16, соответственно. На всех трубопроводах установлены регулирующее клапаны. Ферментер оснащен анализаторами содержания в газовой фазе среды выращивания (отходящем потоке газовой фазы) кислорода 17 и метана 18, а также датчиками уровня 19, содержания одного из компонентов минерального питания в среде выращивания 20, величины рН 21, давления 22, концентрации растворенного кислорода 23 и температуры 24. Расходомеры 11-16 связаны с соответствующими регуляторами расходов 25-29.

Датчик температуры 24 связан с регулятором температуры 30, датчик давления 22 с регулятором давления 31, датчик концентрации метана в отходящем газе 18 с регулятором 32, датчик уровня 19 с регулятором уровня 33, датчик содержания одного из компонентов минерального питания в среде выращивания 20 с регулятором 34, датчик рН 21 с регулятором 35. Система управления снабжена устройствами 36-40 умножения входного сигнала на переменный коэффициент, величина которого устанавливается дистанционно подаваемыми управляющими сигналами (входные и выходные сигналы изображены горизонтальными линиями, управляющие сигналы вертикальными). В систему управления входит также устройство 41 ограничения увеличения выходного сигнала при превышении управляющим сигналом заданной величины, программно-логическое устройство 42, программа которого будет описана ниже, и экстремальный регулятор 43 с командным таймером 44.

Система управления работает следующим образом.

Системой регулирования, состоящей из датчика уровня 19 и регулятора 33, поддерживается постоянный объем жидкой фазы в ферментере за счет регулирования подачи технологической воды по трубопроводу 4. Системой регулирования, состоящей из датчика рН 21 и регулятора 35, поддерживается постоянная величина рН в среде выращивания за счет регулирования подачи титранта по трубопроводу 6. Системой регулирования, состоящей из датчика температуры 24 и регулятора 30, поддерживается постоянная температура среды выращивания за счет регулирования подачи хладагента в теплообменник по трубопроводу 8. Подача метансодержащего газа по трубопроводу 3 регулируется системой, состоящей из расходомера 12 и регулятора 26. Задание регулятору 26 устанавливается пропорциональным потоку, идущему на стабилизацию рН, измеряемому расходомером 14. Сигнал этого расходомера перед подачей в качестве задания регулятору 26 умножается устройством 37, величина которого зависит от управляющего сигнала устройства 37. Этот управляющий сигнал вырабатывается регулятором 32 с постоянным заданием, работающим с датчиком концентрации метана 18. При отклонении концентрации метана в газовой фазе от заданного значения сигнал на выходе регулятора 32 изменяется, и соответственно изменяется величина коэффициента блока 37. Так, при концентрации метана в газовой фазе выше заданного значения выходной сигнал регулятора 32 уменьшается и соответственно уменьшается величина коэффициента, на который умножает входной сигнал устройство 37. Выходной сигнал блока 37 уменьшается, уменьшается задание регулятору расхода метансодержащего газа 26, и подача метансодержащего газа уменьшается до приведения в соответствие заданного и фактического содержания метана в газовой фазе ферментера. Такое каскадное построение системы обеспечивает достаточно точную стабилизацию концентрации метана в газовой фазе ферментера: при росте потребления метана микроорганизмами сразу же возрастает расход титранта, и задание регулятору расхода 26 будет пропорционально увеличено, не ожидая отклонения от задания концентрации метана в газовой фазе ферментера. Задание концентрации метана в газовой фазе ферментера определяется системой управления энергетической утилизации отходящих газов и может изменяться в течение процесса.

Аналогичным образом функционирует система управления подачей концентрированного раствора источников минерального питания. Подача этого раствора по трубопроводу 5 регулируется системой, состоящей из расходомера 13 и регулятора 27, задание которому устанавливается пропорционально расходу титранта. Величина коэффициента пропорциональности определяется устройством 38, которое управляется через регулятор 34 от датчика концентрации одного из компонентов минерального питания. Поскольку во входном растворе источников минерального питания, подаваемом по трубопроводу 5, концентрации источников минерального питания сбалансированы по стехиометрическим коэффициентам их потребления культурой, концентрации компонентов минерального питания в среде выращивания также сбалансированы, вследствие чего коррекция подачи этого раствора по одному из компонентов достаточна. Коррекция производится, в частности, при изменении степени концентрированности входного раствора, при изменении скорости протока и т.п.

Подача источника кислорода по трубопроводу 2 регулируется системой, состоящей из расходомера 11 и регулятора 25. Задание регулятору 25 устанавливается пропорционально потоку, идущему на стабилизацию рН среды выращивания в ферментере. Сигнал от расходомера 14 потока, идущего на стабилизацию рН, умножается устройством 36 на коэффициент, величина которого зависит от управляющего сигнала, формируемого в программно-логическом устройстве 42. В задание регулятору 25 сигнал от устройства 36 поступает через ограничивающее устройство 41, связанное с анализатором кислорода в газовой фазе 17. В том случае, когда концентрация кислорода в газовой фазе достигает установленного предельного значения, устройство 41 прекращает увеличение своего выходного сигнала в задание регулятору 25, и поддерживает этот сигнал на том уровне, на котором он при этом оказался, пока концентрация кислорода в газовой фазе не снизится.

Система регулирования давления в ферментере включает в себя измеритель давления 22 и регулятор 31. Задание регулятору 31 формируется в программно-логическом устройстве 42. В устройство 42 поступают сигналы о давлении в ферментере от измерителя 22, о концентрации кислорода в газовой фазе от анализатора 17 и о концентрации растворенного в среде выращивания кислорода от анализатора 23. Устройство 42 функционирует следующим образом:
если давление в ферментере выше установленного минимального и при этом концентрация кислорода в газовой фазе ниже установленного предельного значения, сигнал от устройства 42 на задание регулятору давления 31 медленно уменьшается, пока сохраняется указанная ситуация; давление в ферментере при этом медленно снижается;
если давление в ферментере больше установленного минимума, но меньше установленного предельного значения и при этом концентрация кислорода в газовой фазе достигла предельного установленного значения, а концентрация растворенного кислорода ниже заданного значения, сигнал от устройства 42 на задание регулятору 31 медленно увеличивается, пока сохраняется указанная ситуация; давление в ферментере при этом медленно возрастает;
если концентрация кислорода в газовой фазе меньше установленного предельного значения, а концентрация растворенного кислорода ниже заданного значения, сигнал от устройства 42 на коррекцию коэффициента блока 36 медленно увеличивается, пока сохраняется указанная ситуация; величина коэффициента блока 36 при этом увеличивается, сигнал задания регулятору 25 также увеличивается, и расход кислорода медленно увеличивается;
если концентрация растворенного кислорода больше заданного значения, и при этом давление в ферментере достигло установленного минимума, сигнал от устройства 42 на коррекцию коэффициента блока 36 медленно увеличивается, пока сохраняется указанная ситуация; величина коэффициента блока 36 при этом уменьшается, сигнал задания peгулятору 25 также уменьшается, и расход источника кислорода медленно уменьшается.

В результате такого функционирования систем регулирования расхода источника кислорода и давления в ферментере обеспечивается поддержание постоянного значения концентрации растворенного в среде выращивания кислорода при минимально необходимом для этого давлении в ферментере.

Система регулирования отбора суспензии биомассы по трубопроводу 9 включает в себя расходомер 16 и регулятор 29. Задание регулятору 29 устанавливается пропорциональным величине потока, идущего на стабилизацию рН среды, Сигнал от расходомера 14 потока, идущего на стабилизацию рН, перед подачей в задание регулятору 29 умножается на корректируемый коэффициент в устройстве 40. Сигнал коррекции в устройство 40 поступает от экстремального регулятора 43.

Система регулирования подачи в ферментер отработанной среды выращивания по трубопроводу 7 построена аналогично. Она включает в себя расходомер 15 и регулятор 28, задание которого пропорционально величине потока, идущего на стабилизацию pH. Корректируемым коэффициентом пропорциональности обладает устройство 39, управляемое от экстремального регулятора 43.

Устройство 43 представляет собой двухканальный экстремальный регулятор, работающий с командным таймером 44. Поиск максимального значения потока, идущего на стабилизацию рН среды выращивания, при котором обеспечивается максимальная производительность, осуществляется следующим образом.

Периодически, по командам командного таймера 44 осуществляются поочередные изменения сигналов от устройства 43 на коррекцию коэффициентов пропорциональности устройств 39 и 40. После каждого очередного изменения сигнала коррекции по прошествии установленной выдержки времени определяется направление изменения величины потока, идущего на стабилизацию рН среды выращивания. Если имело место снижение величины потока, идущего на стабилизацию рН, устройство 43 возвращает корректирующий сигнал к прежнему значению. Если наблюдается рост величины потока, идущего на стабилизацию рН, устройство 43 переходит к изменению второго корректирующего сигнала. После достижения области максимального значения потока, идущего на стабилизацию рН среды выращивания, и соответственно максимальной производительности периодические изменения корректирующих сигналов не прекращаются. Система будет "рыскать" в экстремальной области. Этим предотвращается уход из экстремальной области.

В программу поиска максимума в устройстве 43 заложен ряд ограничений. Так, отношение величины потока, идущего на стабилизацию рН среды выращивания, к величине потока отбираемой из ферментера суспензии не должно быть меньше установленного минимума, тем самым устанавливается нижний предел задаваемой концентрации биомассы в отбираемой суспензии. Отношение расхода возвращаемой в ферментер отработанной среды выращивания не должно быть ниже заданной величины, обусловленной, в частности, условиями работы очистных сооружений. Ограничения сверху наложены на величину обоих корректирующих работу устройств 39 и 40 сигналов в зависимости от величины потока, идущего на стабилизацию рН среды выращивания. Эти ограничения не допускают задание расходов отбираемой суспензии и расхода возвращаемой отработанной среды выращивания выше возможностей технологической аппаратуры и средств КИП и А.

Техническим результатом использования описанной системы автоматического управления, обеспечивающей реализацию предлагаемого способа получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов, является практически полное автоматическое управление процессом на стандартных средствах КИП и А с достижением оптимальных показателей.

Для иллюстрации предлагаемого изобретения приводится пример его использования, не ограничивающий его сущности.

Пример.

Выращивание бактериальной культуры Methylococcus capsulatus шт. ВСБ-874 осуществлялось в непрерывном процессе в двухэтажном ферментере с эжекционной системой перемешивания и газораспределения с объемом среды выращивания по монолитной жидкости 350 куб.м. Температура процесса 42-43^oС поддерживалась циркуляцией оборотной воды через теплообменник ферментера. Значение рН среды выращивания 5,6-5,8 стабилизировалось подачей водного раствора аммиака. Минеральная питательная среда приготавливалась в виде концентрированного раствора всех компонентов минерального питания и имела следующий состав (на 1 куб.м раствора):
ортофосфорная кислота 3,5 л
хлористый калий 13 кг
сульфат магния 10 кг
сульфат железа 0,11 кг
сульфат меди 0,10 кг
сульфат марганца 0,05 кг
сульфат цинка 0,02 кг
сульфат кобальта 0,003 кг
борная кислота 0,06 кг
молибдат натрия 70,003 кг
Степень концентрирования раствора 50.

Источником углеродного питания был природный газ с содержанием метана 95% источником кислорода технологический кислород с содержанием кислорода 95%
Значения потоков природного газа, кислорода и раствора минеральной питательной среды устанавливались пропорционально расходу аммиачной воды с корректировкой коэффициента пропорциональности по показаниям газоанализаторов на кислород и метан в отходящем потоке газовой фазы и измерениям концентрации фосфора в среде выращивания.

Процесс выращивания осуществлялся под давлением с непрерывным отбором суспензии, содержащей биомассу из ферментера на центробежные сепараторы. Концентрированная биомасса подвергалась температурной обработке и высушивалась на распылительных сушилках, топливом которых являлся отходящий газ, выходящий из процесса выращивания. Отработанная среда выращивания после сепараторов распределялась на два потока, один из которых возвращался в процесс выращивания, а другой направлялся на систему биологической очистки воды.

В контрольном процессе в течение 5 суток поддерживались на постоянном уровне величина протока (70 куб.м/ч), поток возвращаемой отработанной среды выращивания (21 куб. м/ч) и давление в ферментере (0,3 МПа). Подача источников питания осуществлялась автоматически.

В течение контрольного периода наблюдалось изменение концентрации биомассы в отбираемом из ферментера потоке суспензии в диапазоне от 11 до 16 г/л (в среднем 15 г/л), что приводило к изменению концентрации биомассы в потоке отработанной среды выращивания после сепарации от 0,15 до 0,4 г/л (в среднем 0,25 г/л). Среднесуточное количество биомассы, поступающей на сушку в контрольном процессе составляло 25,0 т и потери составляли 0,25 т (10%).

При включении системы автоматического управления, представленной на чертеже и реализующей предлагаемый способ, в течение контрольного пробега той же длительности величина протока изменялась в диапазоне 65-80 куб.м/ч (в среднем 78 куб.м/ч), возврат отработанной среды выращивания изменялся в диапазоне 11-32 куб.м/ч (в среднем 30 куб.м/ч) и давление в ферментере изменялось в диапазоне 0,24-0,30 МПа (в среднем 0,28 МПа). Концентрация биомассы в отбираемой на сепарацию суспензии поддерживалась на постоянном уровне 15+0,2 г/л. На постоянном уровне выдерживалась и концентрация биомассы в отработанной среде выращивания 0,15+0,03 г/л. Среднесуточное количество биомассы, поступающей на сушку при испытаниях способа, составляло 28,0 т при потерях 0,16 т (6%), что показало повышение средней производительности процесса на 12% при снижении потерь с 10 до 6%

Формула изобретения

1. Способ получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов, включающий их непрерывное выращивание на водно-минеральной питательней среде со стабилизацией температуры и рН среды выращивания с использованием метансодержащего газа и газа, содержащего свободный кислород, концентрирование и сушку биомассы, а также энергетическую утилизацию отходящих газов процесса выращивания, частично или полностью используемых для сушки биомассы, отличающийся тем, что процесс выращивания микроорганизмов осуществляют при давлении в среде выращивания выше атмосферного с частичным использованием в процессе выращивания отработанной среды после концентрирования биомассы, при этом скорость подачи компонентов питания микроорганизмов в процесс и отбора суспензии, содержащей биомассу, из процесса непрерывного выращивания микроорганизмов устанавливают пропорционально потоку, подаваемому для стабилизации рН среды выращивания, а отношение потока возвращаемой в процесс выращивания отработанной среды после концентрирования к потоку отбираемой из процесса суспензии устанавливают так, чтобы обеспечить максимальное значение потока, подаваемого для стабилизации рН среды выращивания, а давление в среде выращивания устанавливают на уровне, минимальном для обеспечения оптимальной концентрации растворенного кислорода в среде выращивания, но не ниже давления, необходимого для транспортировки и энергетической утилизации отходящих из процесса газовых потоков.

2. Способ управления непрерывным процессом получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов, осуществляемом в ферментере при регулируемом объеме, рН и температуре среды выращивания, регулируемой подаче всех компонентов питания микроорганизмов и технологической воды, регулируемом отборе суспензии, содержащей биомассу, из ферментера, отличающийся тем, что дополнительно введено регулирование давления в ферментере и потока подаваемой в ферментер отработанной среды после концентрирования биомассы, при этом величину газовых и жидкостных потоков, содержащих компоненты питания микроорганизмов, устанавливают пропорционально потоку, подаваемому для стабилизации рН среды выращивания, с ограничениями, обусловленными условиями безопасности и эффективной энергетической утилизации отходящих газов, а также поддерживают в устанавливаемых отношениях к потоку, стабилизирующему рН среды в ферментере, потоки отбираемой из ферментера суспензии, содержащей биомассу, и возвращаемой в ферментер отработанной среды после концентрирования, и периодически независимо друг от друга изменяют эти потоки посредством изменения в допустимых пределах величин соотношений, добиваясь роста величины потока, стабилизирующего pH, а давление в ферментере при этом поддерживают на уровне, минимально необходимом для обеспечения оптимальной концентрации растворенного кислорода в среде выращивания микроорганизмов.

РИСУНКИ

Рисунок 1