CC BY
38
УДК 661.961.5 + 57.083.133
А. А. Новиков (м.н.с.), М. С. Котелев (асп.), Я. А. Масютин (студ.), В. А. Винокуров (д.х.н., зав. каф.)
Биокатализ реакции водяного газа в барботажных колоннах
Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина, кафедра физической и коллоидной химии 119991, г. Москва, Ленинский просп., д. 65, корп. 1; тел. (499) 2339589, e-mail: guschin.p@mail.ru, setchemist@gmail.com
A. A. Novikov, M. S. Kotelev, Ya. A. Masyutin, V. A. Vinokurov
Water gas shift reaction biocatalysis in bubble columns
Gubkin Russian State University of Oil and Gas 65, Leninskii Pr, 119991, Moscow,, Russia; ph. 499 2339589, e-mail: guschin.p@mail.ru, setchemist@gmail.com
Исследованы зависимости конверсии и производительности биореактора по водороду при культивировании бактерий Carboxydothermus hydrogenoformans Z-2901T и Carboxydothermus islandicus SET IS-9T. Установлено, что производительность по водороду может достигать 2.0 м3 водорода/(м3 реактора • ч) при условном времени контакта менее 5.13 мин для бактерий Carboxydothermus hydrogenoformans Z-2901T и менее 4.80 мин для бактерий Carboxydothermus islandicus SET IS-9T. Показано, что конверсия и производительность по водороду изменяются несущественно при изменении концентрации клеток микроорганизмов в реакторе с 2.6 • 108 до 5.1 • 108 кл/мл, что говорит о лимитировании реакции процессами массопереноса и, следовательно, о возможности дальнейшего увеличения производительности и конверсии за счет совершенствования аппаратурного оформления процесса.
Ключевые слова: биоводород; карбоксидот-рофные бактерии; реакция водяного газа.
Conversion and hydrogen production are studied during the water gas shift reaction catalyzed by carboxydotrophic hydrogenogenic bacteria Carboxydothermus spp. in bioreactor. Water gas shift reaction was investigated in bubble column bioreactor. Maximum hydrogen production 2.0 m3(H2)/m3(reactorh) is achieved. It is shown that reaction is limited by mass transfer in reactor. It is shown that conversion and productivity on hydrogen change insignificantly at change of concentration of microorganisms in the reactor with 2.6 • 108 to 5.1 • 108 kl/ml, that speaks about limitation of reaction by processes of mass transfer and, hence, about possibility of the further increase in productivity and conversion at perfection of equipment of process.
Key words: biohydrogen; carboxydotrophic bacteria; water gas shift reaction.
В настоящее время реакция водяного газа является основным методом промышленного получения водорода из продуктов паровой конверсии или парциального окисления природного газа. Традиционные каталитические методы переработки синтез-газа в водород основываются на реакции водяного газа при температурах до 400 °С и высоких давлениях Реакция водяного газа, однако, может протекать при температурах ниже 100 оС и атмосферном давлении в присутствии биокатализаторов, что удешевляет и упрощает аппаратное оформление процесса.
Реакция водяного газа может осуществляться различными группами микроорганизмов: пурпурными ^-протеобактериями 2, а-протео-
Дата поступления 25.09.11
бактериями , а также термофильными бактериями 4 и археями 5. В данной работе исследовалась реакция водяного газа, катализируемая термофильными бактериями при их культивировании в барботажной колонне.
Материалы и методы исследования
В работе использовались культуры бактерий Carboxydothermus hydrogenoformans Z-2901T и Carboxydothermus islandicus SET IS-9T. Для культивирования бактерий использовалась минеральная среда следующего состава (г/л): NH4Cl (0.66), MgCl2-6H2O (0.16), CaCl2-6H2O (0.10), KCl (0.33), KH2PO4 (0.50), также добавлялись растворы микроэлементов по Кевбрину—Заварзину 6 и
витаминов по Волину 7 из расчета 1.0 мл/л, а также резазурин до розового окрашивания раствора. После кипячения и охлаждения под током азота в среду также добавлялись NaHC03 (0.50 г/л) и Na2S-9H20 (1.0 г/л), среда титровалась до рН=6.5 с помощью 6 М НС1. Культуры бактерий после достижения численности клеток более 107 кл/мл вносились в противотоке аргона в биореактор, представляющий собой термостатируемую барботажную колонну. Рабочий объем биореактора составлял 500 мл, материал — боросиликатное стекло (пи-рекс). Численность клеток микроорганизмов определяли методом прямого подсчета не менее чем в 20 полях зрения с помощью микроскопа Leitz Orthoplan, оснащенного фазово-контрастным конденсором, при увеличении ЮООх. Анализ газовой фазы осуществляли на хроматографе «Chrom-5», оснащенном инжектором и колонкой с сорбентом Цеолит NaX 80-100 mesh (1 м х 2 мм). К выходу колонки подключался детектор по теплопроводности (ДТП). Температура термостата колонок составляла 40 °С. Ввод пробы объемом 0.25 мл осуществляли газоплотным шприцем. Измерения проводились методом внешнего стандарта с помощью калибровки по поверочной газовой смеси. В качестве рабочих газов использовались монооксид углерода (не менее 98% основного компонента) и техническая газовая смесь 25 СО % + Н2. Все газы были приобретены у ООО «НИИ КМ». По результатам хроматографического анализа рассчитывали конверсию монооксида углерода и производительность реактора по водороду, используя следующие формулы.
Формула для расчета конверсии монооксида углерода из измеренной мольной доли водорода на выходе из реактора:
Формула для расчета условного времени контакта:
'=£ (4)
где /" - расход газа, мл/мин;
V — рабочий объем реактора, мл; а — конверсия монооксида углерода; р — производительность реактора по водороду, ч
с — мольная доля компонента в газовой фазе, верхний индекс 0 соответствует состоянию на входе в реактор, верхний индекс 1 соответствует состоянию на выходе из реактора, нижний индекс обозначает компонент.
Методика расчетов
Вывод формулы (1) для вычисления конверсии монооксида углерода в реакторе по результатам определения концентрации водорода на выходе из реактора.
Пусть через реактор было пропущено некоторое количество газовой смеси, содержащей монооксид углерода, водород и диоксид углерода. Обозначим количества компонентов газовой смеси (т.е. число моль) на входе в реактор как п°со , п°Нг и л°0г, а количества компонентов на выходе из реактора как пхсо, и псо . Пусть в реакторе прореагировало х моль монооксида углерода. Тогда запишем:
"со — псо х
Пи = пи +Х
"со. ="'
со,
+ х
(1а) (16) (1в)
-С.
а =
ссо 0 сн,)
(1)
Формула для расчета конверсии монооксида углерода из измеренной мольной доли монооксида углерода на выходе из реактора:
а =
1 + с,
(2)
со
Конверсия монооксида углерода выражается следующим образом:
а =
4о
(1 г)
Выразим непосредственно измеряемую концентрацию водорода (% мольн.) на выходе из реактора через число моль газообразных компонентов:
Формула для расчета производительности реактора по водороду:
Р =
•/•60
(3)
Си =■
псо + П„ + пг,
(1д)
'СО,
Подставим уравнения (1а), (16) и (1в):
Си =
пнг + х
ПСО ~ Х + п" + " + х
(le)
'СО,
Выразим х через прочие члены выражения:
пи +х
С =_-
Нг псо + п°н2 +псог + х "°н2+х = ("со + п°нг + "со2 + х) "°н2+х = сн2х + 42 ("со + < + "со, ) *(! - ) = < ("со + < + "со2 ) - "°н2
Подставим уравнение (4):
•со
Упростим:
а(1
_ 1 ,сн2(4о+"н2 +пс<0 4
)_ „О „о
Чсо
Псо
Подставим выражение для начальной концентрации водорода, аналогичное выражению (1д), а также отметим, что отношение количеств компонентов равно отношению их концентраций:
М\
о о
ссо ссо
Выразим а, получим искомое уравнение:
(1)
а =
снг снг
ЧоО~ся,)
Результаты и их обсуждение
На лабораторной установке для культивирования термофильных карбоксидотрофных микроорганизмов было произведено культивирование наиболее изученных карбоксидотрофных гидрогеногенных микроорганизмов С. hydrogetioformons Z-2901т при температуре 70 °С и начальном рН среды 6.5 с использованием 100% СО в качестве газа на входе. На рис. 1 приведены количественные характеристики процесса.
Как видно из рис. 1, максимальная конверсия монооксида углерода, равная 94%, была достигнута при расходе газа 2.0 мл/мин. Максимальная производительность биореактора по водороду достигается при расходах газа свыше 78 мл/мин, что соответствует условным временам контакта от 250 мин до 5,13 мин. При дальнейшем увеличении расхода газа не происходит увеличения производительности реактора по водороду вследствие увеличения диаметра пузырьков барботируемого газа, что приводит к снижению эффективности массооб-мена в реакторе.
На лабораторной установке было произведено культивирование микроорганизмов Carboxydothertnus islandicus SET IS-9T при температуре 65 °С с использованием 100% СО в качестве газа на входе. На рис. 2 приведены количественные характеристики процесса.
После первых 110 ч культивирования при наполнении реактора на 250 мл (знаки «Конверсия (0.5)» и «Производительность (0.5)» на рисунке) было произведено добавление среды №1 до полного заполнения реактора (знаки «Конверсия (1.0)» и «Производительность (1.0)» на рис.). Как видно из рис. 2, максимальная конверсия монооксида углерода, равная 91.7%, была достигнута при расходе 1.0 мл/мин. Максимальная производительность биореактора по водороду достигается при расходах газа свыше 83 мл/мин, что соответствует условным временам контакта от 500 мин до 4.82 мин.
Количественные характеристики биокатализа реакцииводяного газа приведены в табл. 1.
На лабораторной установке было также произведено культивирование микроорганизмов SET IS-9T при температуре 65 °С с использованием газовой смеси 25% СО + Н2 в качестве газа на входе. На рис. 3 приведены количественные характеристики процесса. Белыми знаками на рисунке показаны значения, полученные для концентрации клеток в реакторе, равной 2.6-108 кл/мл. Черными знаками показаны значения, полученные при концентрации клеток в реакторе, равной 5.1-Ю8 кл/мл.
Как видно из рис. 3, максимальная конверсия монооксида углерода, равная 48.3%, была достигнута при минимальном испытанном расходе, равном 3.1 мл/мин. Максимальная производительность биореактора по водороду достигается при расходах газа свыше 85.1 мл/мин, что соответствует условным временам контакта от 161 мин до 5.88 мин.
Рис. 1. Зависимость конверсии и производительности биореактора по водороду от расхода газа при культивировании бактерий С. ку^одвпо^гшапв 7-2901т на 100% СО
Рис. 2. Зависимость конверсии и производительности биореактора по водороду от расхода газа при культивировании бактерий Carboxydothermus islandicus SET IS-9T на 100% CO
Рис. 3. Зависимость конверсии и производительности биореактора по водороду от расхода газа при культивировании бактерий Carboxydothermus islandicus SET IS-9T на 25% CO + H2
Таблица 1
Количественные характеристики биокатализа реакции водяного газа
Расход газа, Измеренная Конверсия монооксида Производительность
мл/мин концентрация*, % мольн. углерода реактора по водороду, ч-1
Культивирование C. hydrogenoformans на 100% CO
1.0 34.80±0.55 0.53±0.01 0.042±0.001
2.0 48.56±4.44 0.94±0.05 0.117±0.011
5.5 43.32±3.18 0.76±0.03 0.29±0.02
10.6 40.66±4.36 0.69±0.05 0.52±0.06
20.6 34.87±3.37 0.54±0.03 1.08±0.10
32.6 29.50±0.38 0.418±0.004 1.44±0.02
51.5 22.17±0.99 0.28±0.01 1.71±0.08
78.0 17.15±3.95 0.21±0.04 2.01±0.46
106.0 12.51 ±1.20 0.14±0.01 1.99±0.19
Культивирование C. islandicus SET IS-91 на 100% CO (загрузка 250 мл)
1.0 30.77±10.99 0.44±0.12 0.074±0.026
2.5 32.02±11.96 0.47±0.14 0.192±0.072
5.0 29.56±10.01 0.42±0.11 0.355±0.120
10.0 27.60±3.87 0.381±0.040 0.662±0.093
19.5 22.03±0.32 0.283±0.003 1.031±0.015
Культивирование C. islandicus SET IS-91 на 100% CO (полная загрузка)
1.0 47.84±2.48 0.917±0.025 0.057±0.003
2.0 43.23±0.66 0.761±0.007 0.104±0.002
4.5 42.36±1.26 0.735±0.013 0.23±0.01
5.0 42.24±1.18 0.731±0.012 0.25±0.01
12.0 38.04±4.51 0.614±0.047 0.55±0.06
14.2 36.89±5.23 0.584±0.055 0.63±0.09
19.3 34.87±3.37 0.535±0.035 1.01±0.10
28.5 29.50±0.38 0.418±0.004 1.26±0.02
49.2 22.57±0.31 0.292±0.003 1.67±0.02
83.0 17.05±0.30 0.205±0.003 2.12±0.04
98.0 14.16±0.74 0.165±0.007 2.08±0.11
Культивирование C. islandicus SET IS-91 на 25% CO + H2 (численность клеток 2,6-10° кл/мл)
3.1 11.54±0.01 0.483±0.001 0.045±0.001
14.3 15.97±1.69 0.31±0.13 0.134±0.013
31.6 17.19± 1,11 0.27±0.08 0.253±0.019
47.0 18.99±1.52 0.20±0.11 0.285±0.038
62.1 20.10±1.71 0.16±0.12 0.304±0.019
82.0 20.99±0.59 0.13±0.04 0.326±0.025
Культивирование C. islandicus SET IS-91 на 25% CO + H2 (численность клеток 5,2108 кл/мл)
3.1 11.542±0.006 0.483±0.001 0.045±0.005
15.4 14.95±1.29 0.35±0.10 0.162±0.011
31.6 17.64±0.27 0.25±0.02 0.237±0.005
48.3 18.61 ±1.42 0.22±0.10 0.312±0.037
52.1 19.72±1.20 0.18±0.08 0.276±0.033
85.1 21.15±0.61 0.13±0.04 0.325±0.026
117.0 22.33±1.01 0.09±0.07 0.307±0.059
* Для опытов с использованием 100% СО измерялась концентрация водорода; для опытов с 25% СО + Н2 измерялась концентрация СО.
Литература
1. Newsome D. S. // Catalysis Reviews: Science and Engineering.- 1980.- 21, 2.- 275.
2. Uffen R. L. // Proc Natl Acad Sci USA.-1976.- 73.- 3298.
3. Kerby R. L., Ludden P. W., Roberts G. P. // J Bacteriol.- 1995.- 177.- 2241.
4. Svetlichny V. A., Sokolova T. G., Gerhardt M., Ringpfeil M., Kostrikina N. A., Zavarzin G. A. // System Appl Microbiol.- 1991.- 14.- 254.
Исследование проводится в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы».
5. Sokolova T. G., Jeanthon C., Kostrikina N. A., Chernyh N. A., Lebedinsky A. V., Stackebrandt E., Bonch-Osmolovskaya E. A. // Extremophiles. -2004.- 8.- 317.
6. Kevbrin V. V., Zavarzin G. A. // Microbiology (English translation of Mikrobiologiia).- 1992.61.- 563.
7. Wolin E. A., Wolin M. J., Wolfe R. S. // J Biol Chem.- 1963.- 238.- 2882.
