CC BY
41
УДК 66.023.2
Ал. Н. Николаев, В. В. Харьков
ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО СИНТЕЗА
Ключевые слова: биосинтез, сорбция, биореактор, очистка газов, двуокись углерода, кислород.
Представлены экологически чистые схемы выращивания микроорганизмов в биореакторах пленочного типа по безопасной технологии, заключающейся в полном исключении непрерывного потребления воздуха из атмосферы и выброса отработанного газа в окружающую среду
Keywords: biosynthesis, sorption, bioreactor, gas cleaning, carbon dioxide, oxygen.
Ecologically safe microorganism cultivation schemes in film-type bioreactors are presented. These environmentally appropriate technologies effectively rule out continuous atmosphere air consumption and pollution air exhaust.
Специфика получения большинства продуктов микробиологического синтеза заключается в том, что в процессе своего роста микроорганизмы потребляют кислород, в качестве источника которого, как правило, используется воздух, который, после прохождения через биореактор сбрасывается в атмосферу [1].
Традиционная схема получения продуктов микробиологического синтеза включает биореактор, узел подготовки воздуха и установку очистки газа. Подготовка воздуха включает грубую очистку от механических примесей, сжатие, охлаждение, отделение сконденсированных паров влаги, стерилизацию. В установку очистки газа входят мокрые или сухие фильтры, обеспечивающие улавливание живых микроорганизмов, среднее количество которых в 1 м3 отработанного воздуха составляет от 3,4 до 3,6 г/м3 [2].
Однако мокрые фильтры обладают низкой эффективностью очистки, а сухие матерчатые фильтры при сравнительной высокой эффективности обладают большим гидравлическим сопротивлением и требуют частой регенерации или замены фильтрующих элементов. Вследствие большого объема воздуха, прокачиваемого через биореактор, установки подготовки воздуха и очистки отработанного газа имеют значительные габариты, что определяет высокую стоимость оборудования и высокие эксплуатационные расходы. В этой связи возникает необходимость создание экологически чистых способов получения продуктов микробиологического синтеза, исключающих постоянное потребление воздуха из атмосферы и сброс отработанного газа в окружающую среду.
Основной принцип создания экологически безопасной технологии состоит в организации замкнутого цикла по газу, реализуемого за счет удаления выделяющихся в реакторе продуктов метаболизма, в том числе и углекислого газа, и возврата очищенного газа в реактор (после добавление в него необходимого количество кислорода). Поглощение двуокиси углерода из газа может эффективно проводиться известными методами химической или физической сорбции [3-4]. При химической сорбции полученные продуктов реакции нейтрализуются или перерабатываются. Применение физической сорб-
ции двуокиси углерода предполагает регенерацию поглотителя (например, 20%-ного раствора моно-этаноламина МЭА) и получение двуокиси углерода для пищевой промышленности.
Реализация предлагаемых способов ведения микробиологического синтеза возможна при использовании высокоэффективных биореакторов, способных перерабатывать высококонцентрированные питательные среды при низких расходах потребляемого воздуха (газа) и энергии. Наиболее предпочтительными для указанных целей являются аппараты пленочного типа [5-6].
Одна из возможных схем, реализующих замкнутый цикл по газу в пленочном биореакторе, представлена на рис. 1.
Рис. 1 - Схема установки с применением физической абсорбции двуокиси углерода моноэтанол-амином и получением чистого углекислого газа: 1 - реактор; 2 - абсорбер; 3 - десорбер; Т - теплообменник; С - сепаратор; Е - сборная емкость; К - компрессор; Ф - фильтр
Часть газа с продуктами метаболизма поступает в абсорбер 2, где, контактируя с поглотителем, очищается от СО2, а затем, пройдя через сепаратор, возвращается в биореактор. При этом в зону насыщения культуральной жидкости подается чистый кислород (в пленочном биореакторе исключаются потери О2). Регенерация поглотителя осуществляется в десорбере 3. Внедрение такого способа позволяет достигнуть полного использования кислорода, повысить стерильность процесса, исключить линию подготовки воздуха и его выброс вместе с микроорганизмами в атмосферу.
Схема с замкнутым циклом по газу при получении кислорода из атмосферного воздуха путем его контакта с нейтральной жидкостью представлена на рис. 2. Атмосферный воздух поступает в абсорбер 4, где контактирует с нейтральной жидкостью, обладающей большой поглотительной способностью по кислороду. Насыщенная кислородом жидкость поступает в дегазатор 3, где осуществляется выделение кислорода, который затем поступает в биореактор 1. Газ с продуктами метаболизма из биореактора поступает на очистку в абсорбер 2, контактирует с абсорбентом, который затем отводится на регенерацию, а очищенный газ вновь поступает в биореактор. Схема позволяет исключить контакт атмосферного воздуха с микроорганизмами, что предотвращает его загрязнение. При дополнительном вводе переносчика кислорода в нейтральную жидкость исключаются проблемы его извлечения из культу-ральной жидкости, снижаются затраты на циркуляцию жидкости.
Рис. 2 - Схема выращивания микроорганизмов с использованием нейтральной жидкости: 1 - биореактор; 2, 4 - абсорбер; 3 - десорбер; Т - теплообменник; С - сепаратор; Т - емкость; К - компрессор
Схема установки, реализующей высокую степень использования кислорода из воздуха, представлена на рис. 3. Цель достигается путем удаления углекислого газа, сдерживающего рост микроорганизмов, из культуральной жидкости в дегазаторе 2 с дальнейшей очисткой газа в абсорбере 3. В случае пропускания воздуха через полупроницаемые мембраны в аппарате 4 достигается снижение расхода воздуха по причине увеличения в нем концентрации кислорода.
Схема может быть рекомендована для реконструкции действующих промышленных биореакторов путем организации замкнутого цикла по воздуху. При этом существенно снижается расход удаляемого из аппарата воздуха, на очистку которого требуются меньшие затраты.
Несмотря на перспективность технологии получения продуктов микробиологического синтеза путем организации замкнутого цикла по газу за счет химической или физической сорбции двуокиси уг-
лерода, она требует дополнительных затрат, связанных с созданием установки для получения кислорода, а также с необходимостью регенерации сорбента или утилизации продуктов, образующихся в результате химической сорбции. В связи с этим интерес представляет способ совмещенного культивирования микроорганизмов, потребляющих в процессе своей жизнедеятельности кислород и выделяющих двуокись углерода, с микроорганизмами, потребляющими двуокись углерода и выделяющими кислород, например, совмещенное получение биомассы дрожжей и хлореллы, которая может быть использована в качестве кормовой добавки.
Рис. 3 - Схема выращивания микроорганизмов с высокой степенью извлечения кислорода из воздуха: 1 - биореактор; 2 - дегазатор; 3 - абсорбер; 4 - мембранный газоразделительный аппарат; Т - теплообменник; С - сепаратор; К - компрессор; Е - емкость
Схема установки для совмещенного производства дрожжей и хлореллы представлена на рис. 4.
Рис. 4 - Схема установки совмещенного выращивания микроорганизмов: 1 - биореактор; 2 -аппарат для выращивания хлореллы; С - сепаратор; К - компрессор; Е - сборник готового продукта; Т - теплообменник
Совмещенный способ позволяет организовать экологически чистое безотходное производство продуктов микробиологического синтеза при существенном сокращении необходимого для этой цели оборудования и резком сокращении как капитальных, так и эксплуатационных затрат. Реализация экологически чистых технологий предполагает использование очищенных питательных сред, что позволит увеличить выход биомассы дрожжей и сделать технологию окупаемой.
Литература
1. С. М. Найман, Ю. А. Тунакова, Вестник Казанского технологич. ун-та, 16, 19, 227-234 (2013).
2. В. Н. Соколов, Н. А. Яблонская, Аппаратура микробиологической промышленности. Машиностроение, Л., 1983. 237 с.
3. Schugerl K., Int. Chem. Eng., 22, 591-610 (1982).
4. К. А. Калуняну, Л. И. Голгер, В. Е. Балашов, Оборудование микробиологических производств. Агропроиздат, М., 1983. 398 с.
5. Н. А. Войнов, Н. А. Николаев, Пленочные трубчатые газо—жидкостные реакторы. Отечество, Казань, 2008. 272 с.
6. М. Р. Вахитов, Ю. А. Хакимова, А. И. Дубкова, И. А. Дубков, А. Н. Николаев, Вестник Казанского технологического ун-та, 17, 1, 103-105 (2014).
© Ал. Н. Николаев, к.т.н., доцент кафедры оборудования пищевых производств КНИТУ; В. В. Харьков, ассистент той же кафедры, [email protected].
© Al. N. Nikolaev, Candidate of Engineering, Associate Professor, Department of Food Production Equipment, Kazan National Research Technological University; V. V. Kharkov, Assistant Professor, the same Department, [email protected].
Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 10.08.15. по 20.09.15.
