chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2023-18-3-230-242chemicallytech-1972Research ArticleBIOCHEMISTRY AND BIOTECHNOLOGYБИОХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯTechnology and implementation of fermentative units for bioprotein production from natural gasТехнологическое и аппаратурное оформление ферментационного узла процесса получения биопротеина из природного газаhttps://orcid.org/0000-0003-1194-9732КочетковВ. М.KochetkovV. M.

Кочетков Владимир Михайлович, начальник технологического отдела

123112, Москва, ул. Тестовская, д. 10

Vladimir M. Kochetkov, Head of the Technological Department

10, Testovskaya ul., Moscow, 123112 

kwm@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4837-2332ГагановИ. С.GaganovI. S.

Гаганов Иван Сергеевич, ведущий инженер-технолог

123112, Москва, ул. Тестовская, д. 10

Scopus Author ID 57224575918

Ivan S. Gaganov, Leading Engineer-Technologist

10, Testovskaya ul., Moscow, 123112

Scopus Author ID 57224575918 

ivan.gaganov@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1570-5893КочетковВ. В.KochetkovV. V.

Кочетков Владимир Владимирович, техник-технолог

123112, Москва, ул. Тестовская, д. 10

Vladimir V. Kochetkov, Technician-Technologist

10, Testovskaya ul., Moscow, 123112 

vvkochetkov@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1232-7460НюньковП. А.NyunkovP. A.

Нюньков Павел Андреевич, генеральный директор

123112, Москва, ул. Тестовская, д. 10

Pavel A. Nyunkov, General Manager

10, Testovskaya ul., Moscow, 123112 

nyunkov.p@gibios.ruГИПРОБИОСИНТЕЗРоссияGIPROBIOSINTEZRussian Federation202302082023183230242Copyright © Kochetkov V.M., Gaganov I.S., Kochetkov V.V., Nyunkov P.A., 20232023Кочетков В.М., Гаганов И.С., Кочетков В.В., Нюньков П.А.Kochetkov V.M., Gaganov I.S., Kochetkov V.V., Nyunkov P.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/1972Objectives

Objectives. To conduct a comparative analysis of the features of a fermentation unit design for obtaining bioprotein from natural gas and determine the main technical and structural solutions used in the development of fermentation apparatus, which vary according to the method of organizing hydraulic and mass transfer processes.

Results

Results. An analysis of publications devoted to the problem of developing technological equipment for conducting the process of obtaining a bioprotein from natural gas is presented. Using the comparative analysis, the key features of bioreactors and their internal elements are indicated according to the method of organizing the hydrodynamic regime. The main approaches to the technological development of fermentation units for obtaining bioprotein from natural gas are described and technical solutions used in the implementation of these structures are identified.

Conclusions

Conclusions. Fermenter designs for the cultivation of methane-oxidizing microorganisms vary according to the main approaches for implementing the hydraulic regime inside the apparatus. While one class of fermentation systems is based on the principle of volumetric mixing in the working space of the apparatus, with the possibility of including external circulation circuits, additional tanks, and auxiliary bioreactors in the system, the other main class relies on the principle of flow (displacement) in the tube space with subsequent release of the gas phase from the circulating culture liquid.

Цели

Цели. Провести сравнительный анализ особенностей аппаратурного оформления ферментационного узла процесса получения биопротеина из природного газа. Определить основные технические и конструкционные решения, применяемые при разработке ферментационных аппаратов, различающиеся по способу организации гидравлических и массообменных процессов.

Результаты

Результаты. Проведен анализ литературы, посвященной проблеме разработки технологической аппаратуры для получения биопротеина из природного газа. С использованием метода сравнительного анализа были выявлены ключевые особенности конструкций биореакторов и их внутренних элементов, отличающихся способом организации гидродинамического режима в аппаратах. Описаны различные подходы к разработке оборудования для ферментационного узла процесса получения биопротеина, а также определены основные технические решения, используемые при создании данных конструкций.

Выводы

Выводы. Установлено, что большинство конструкций ферментационных аппаратов, предназначенных для культивирования метанокисляющих микроорганизмов, базируется на реализации гидравлического режима внутри аппарата. Часть ферментационных систем построена на принципе объемного перемешивания в рабочем пространстве аппарата с возможным включением в систему внешних циркуляционных контуров, дополнительных емкостей и вспомогательных биореакторов, другая часть использует принцип движения потока (вытеснения) в трубном пространстве, с последующим выделением газовой фазы из рециркулирующей культуральной жидкости.

биореакторферментерферментациябиомассабелоктехнологическая схемаметанокисляющие бактерииMethylococcus capsulatusbioreactorfermenterfermentationbiomassproteinflowsheetmethanotrophsMethylococcus capsulatusReferencesPrado-Rubio O.A., Jørgensen J.B., Jørgensen S.B. Systematic Model Analysis for Single Cell Protein (SCP) Production in a U-Loop Reactor. Comput. Aided Chem. Eng. 2010;28:319–324. https://doi.org/10.1016/S1570-7946(10)28054-9Prado-Rubio O.A., Jørgensen J.B., Jørgensen S.B. Systematic Model Analysis for Single Cell Protein (SCP) Production in a U-Loop Reactor. Comput. Aided Chem. Eng. 2010;28:319–324. https://doi.org/10.1016/S1570-7946(10)28054-9Винаров А.Ю. Кормовой белок из природного газа. Ценовик. 2017;(5):32–33.Vinarov A.Y. Feed protein from natural gas. Tsenovik. 2017;(5):32–33 (in Russ.).Воробьев В.И., Нижникова Е.В., Лемперт О.Т., Нефедова Н.П. Альтернативные источники получения аналогов рыбной муки. Известия Калининградского государственного технического университета (Известия КГТУ). 2015;(38):74–82Vorob’ev V.I., Nizhnikova E.V., Lempert O.T., Nefedova N.P. Alternative Sources of Obtaining Fish Meal Analogues. Izvestiya Kaliningradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta (Izvestiya KGTU) = KSTU News. 2015;(38):74–82 (in Russ.).Николаев С.И., Карапетян А.К., Самофалова О.В., Даниленко И.Ю. Использование гаприна в птицеводстве. Поиск, проблемы, решения. В сб.: Перспективные тенденции развития научных исследований по приоритетным направлениям модернизации АПК и сельских территорий в современных социально-экономических условиях: Материалы Национальной научно-практической конференции. 15 декабря 2021 г. Волгоград: Волгоградский ГАУ; 2021. С. 258–264.Nikolaev S.I., Karapetyan A.K., Samofalova O.V., Danilenko I.Y. Gaprine utilization in poultry farming. Research, issues, solutions. In: Prospective trends in the development of scientific research in priority areas of modernization of the agro-industrial complex and rural areas in modern socioeconomic conditions: Proceedings of National Research/Practice Conference. December 15, 2021. Volgograd: VolGAU; 2021. P. 258–264 (in Russ.).Остроумова И.Н., Костюничев В.В., Лютиков А.А., Шумилина А.К., Филатова Т.А. Влияние замены рыбной муки на высокобелковые соевые продукты и гаприн в кормах для сеголеток сиговых рыб. В сб.: Современное состояние водных биоресурсов: Материалы 5-ой международной конференции. 27–29 ноября 2019 г. Новосибирск: НГАУ; 2019. C. 322–325.Ostroumova I.N., Kostyunichev V.V., Lyutikov A.A., Shumilina A.K., Filatova Т.А. The Effect of the Replacement of Fish Meal on High-Protein Soy Products and Gaprin in Feed for Whitefish Underyearlings. In: Current state of aquatic bioresources: Proceedings of 5th International Conference. November 27–29, 2019. Novosibirsk: NGAU; 2019. P. 322–325 (in Russ.).Larsen E.B. U-shape and/or nozzle u-loop fermentor and method of carrying out a fermentation process: Pat. US6492135B1. Publ. 10.12.2002.Larsen E.B. U-shape and/or nozzle u-loop fermentor and method of carrying out a fermentation process: Pat. US6492135B1. Publ. 10.12.2002.Olsen D.F., Jørgensen J. B., Villadsen J., Jørgensen S.B. Modeling and Simulation of Single Cell Protein Production. In: Proceedings of 11th International Symposium on Computer Applications in Biotechnology. July 7–9, 2010. Leuven, Belgium; 2010. P. 502–507.Olsen D.F., Jørgensen J. B., Villadsen J., Jørgensen S.B. Modeling and Simulation of Single Cell Protein Production. In: Proceedings of 11th International Symposium on Computer Applications in Biotechnology. July 7–9, 2010. Leuven, Belgium; 2010. P. 502–507.Куликова Н.Л., Лалова М.В., Левитин Л.Е., Нюньков П.А., Цымбал В.В. Способ получения микробного белка на основе углеводородного сырья: пат. 2720121 РФ. Заявка № 2019134486; заявл. 29.10.2019; опубл. 24.04.2020.Kulikova N.L., Lalova M.V., Levitin L.E., Nyunkov P.A., Tsymbal V.V. Method of Producing Microbial Protein Based on Hydrocarbon Material: RF Pat. RU 2720121. Publ. 24.04.2020 (in Russ.).Миркин М.Г., Найдин А.В., Симонян С.Ю., Щербаков В.И. Способ получения биомассы метанокисляющих микроорганизмов и линия для ее производства: пат. 2755539 РФ. Заявка № 2020126892; заявл. 11.08.2020; опубл. 17.09.2021.Mirkin M.G., Naidin A.V., Simonyan S.Yu., Shcherbakov V.I. Method for Producing a Biomass of Methane-Oxidizing Microorganisms and a Line for its Production: RF Pat. RU 2755539. Publ. 17.09.2021 (in Russ.).Винаров А.Ю., Гордеев Л.С., Кухаренко А.А., Панфилов В.И. Ферментационные аппараты для процессов микробиологического синтеза. М.: ДеЛи принт; 2005. 278 c.Vinarov A.Yu., Gordeev L.S., Kukharenko A.A., Panfilov V.I. Fermentatsionnye apparaty dlya protsessov mikrobiologicheskogo sinteza (Fermentation Apparatus for Microbiological Processes). Мoscow: DeLi Print; 2005. 278 p. (in Russ.).Елинов Н.П. Основы биотехнологии. СПб.: Наука; 1995. 600 с.Elinov N.P. Osnovy biotekhnologii (Fundamentals of Biotechnology). St. Petersburg: Nauka; 1995. 600 p. (in Russ.).Зимин Б.А. Аппарат для выращивания микроорганизмов: пат. 2352626 РФ. Заявка № 2006110093/13; заявл. 30.06.2006; опубл. 20.04.2009.Zimin B.А. Apparatus to Grow Microorganisms: RF Pat. RU 2352626. Publ. 20.04.2009 (in Russ.).Лалова М.В., Миркин М.Г., Найдин А.В., Сафонов А.И., Бабурченкова О.А. Ферментационная установка для метанассимилирующих микроорганизмов: пат. 2580646 РФ. Заявка № 2015132080/10; заявл. 03.08.2015; опубл. 10.04.2016.Lalova M.V., Mirkin M.G., Naidin A.V., Safonov A.I., Baburchenkova O.A. Fermentation Apparatus for Methane-Assimilating Microorganisms: RF Pat. RU 2580646. Publ. 10.04.2016 (in Russ.).Винаров А.Ю. Биореактор для выращивания метанутилизирующих микроорганизмов: пат. 2607782 РФ. Заявка № 2016112583; заявл. 04.04.2016; опубл. 10.01.2017.Vinarov A.Yu. Bioreactor for Growing Metautilizing Microorganisms: RF Pat. RU 2607782. Publ. 10.01.2017 (in Russ.).Абатуров К.В., Небойша Я. Реактор для аэробного биосинтеза и способ получения микробной биомассы метанокисляющих микроорганизмов в этом реакторе: пат. 2766708 РФ. Заявка № 2021107047; заявл. 17.03.2021; опубл. 15.03.2022.Abaturov K.V., Neboisha Ya. Reactor for Aerobic Biosynthesis and a Method for Obtaining Microbial Biomass of Methane-Oxidizing Microorganisms in This Reactor: RF Pat. RU 2766708. Publ. 15.03.2022 (in Russ.).Листов Е.Я., Небойша Я. Аппарат для выращивания микроорганизмов в крупнотоннажном производстве: пат. 2769504 РФ. Заявка № 2021112069; заявл. 27.04.2021; опубл. 01.04.2022.Listov N.Ya., Neboisha Ya. Apparatus for Growing Microorganisms in Large-Capacity Production: RF Pat. RU 2769504. Publ. 01.04.2022 (in Russ.).Potapov S.S., Petrov V.P., Lalov V.V., Lalova M.V., Kustov A.V., Kochetkov V.M. Fermenter and the method of fermentation: Pat. UK-2507109. Publ. 23.04.2014.Potapov S.S., Petrov V.P., Lalov V.V., Lalova M.V., Kustov A.V., Kochetkov V.M. Fermenter and the method of fermentation: Pat. UK-2507109. Publ. 23.04.2014.Кочетков В.М., Лалова М.В., Молчан В.М., Нюньков П.А. Ферментационная установка для культивирования метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus: пат. 2743581 РФ. Заявка № 2020117876; заявл. 19.05.2020; опубл. 20.02.2021.Kochetkov V.M., Lalova M.V., Molchan V.M., Nyunkov P.A. Fermentation Plant for Cultivation of MethaneOxidizing Bacteria Methylococcus Capsulatus: RF Pat. RU 2743581. Publ. 20.02.2021 (in Russ.).Кочетков В.М., Лалова М.В., Левитин Л.Е., Молчан В.М., Нюньков П.А., Цымбал В.В. Ферментационная установка для культивирования метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus: пат. 2769129 РФ. Заявка № 2021118505; заявл. 24.06.2021; опубл. 28.03.2022.Kochetkov V.M., Lalova М.V., Levitin L.E., Molchan V.M., Nyunkov P.A., Tsymbal V.V. Fermentation Plant for Cultivation of Methylococcus Capsulatus Methane-Oxidizing Bacteria: RF Pat. RU 2769129. Publ. 28.03.2022 (in Russ.).Найдин А.В., Миркин М.Г., Симонян С.Ю., Щербаков В.И. Устройство для выращивания микроорганизмов: пат. 2741346 РФ. Заявка № 2020116720; заявл. 21.05.2020; опубл. 21.01.2021.Naidin A.V., Mirkin M.G., Simonyan S.Yu., Shcherbakov V.I. Device for Cultivation of Microorganisms: RF Pat. RU 2741346. Publ. 21.01.2021 (in Russ.).Кочетков В.М., Кустов А.В., Лалова М.В., Миркин М.Г., Найдин А.В., Потапов С.С. Аппарат для культивирования метанокисляющих микроорганизмов: пат. 2580646 РФ. Заявка № 2015114456/05; заявл. 20.04.2015; опубл. 10.06.2016.Kochetkov V.M., Kustov A.V., Lalova M.V., Mirkin M.G., Naidin A.V., Potapov S.S. Apparatus for Cultivation of Methane-Oxidizing Microorganisms: RF Pat. RU 2580646. Publ. 10.06.2016 (in Russ.).Кочетков В.М., Гаганов И.С., Глазунов В.Н., Шевченко О.В., Нюньков П.А. Ферментер для культивирования метанокисляющих микроорганизмов Methylococcus capsulatus: пат. 2773950 РФ. Заявка № 2021123911; заявл. 11.08.2021; опубл. 16.04.2022.Kochetkov V.M., Gaganov I.S., Glazunov V.N., Shevchenko O.V., Nyunkov P.A. Fermenter for Cultivation of Methylococcus Capsulatis Methane-Oxidizing Microorganisms: RF Pat. RU 2773950. Publ. 16.04.2022 (in Russ.)Немировский М.С., Нюньков П.А. Ферментер для культивирования биомассы метанокисляющих микроорганизмов Methylococcus capsulatus: пат. 2739528 РФ. Заявка № 2020125862; заявл. 04.08.2020; опубл. 25.01.2020.Nemirovskii M.S., Nyunkov P.A. Fermenter for Cultivation of Biomass of Methane-Oxidizing Microorganisms Methylococcus Capsulatus: RF Pat. RU 2739528. Publ. 25.01.2020 (in Russ.).Al Taweel A.M., Shah Q., Aufderheide B. Effect of Mixing on Microorganism Growth in Loop Bioreactors. Int. J. Chem. Eng. 2012;(6):984827. https://doi.org/10.1155/2012/984827Al Taweel A.M., Shah Q., Aufderheide B. Effect of Mixing on Microorganism Growth in Loop Bioreactors. Int. J. Chem. Eng. 2012;(6):984827. https://doi.org/10.1155/2012/984827Petersen L.A.H., Villadsen J., Jørgensen S.B., Gernaey K.V. Mixing and Mass Transfer in a Pilot Scale U-Loop Bioreactor. Biotechnol. Bioeng. 2017;114(2):344–354. https://doi.org/10.1002/bit.26084Petersen L.A.H., Villadsen J., Jørgensen S.B., Gernaey K.V. Mixing and Mass Transfer in a Pilot Scale U-Loop Bioreactor. Biotechnol. Bioeng. 2017;114(2):344–354. https://doi.org/10.1002/bit.26084Jørgensen L. Method and apparatus for performing a fermentation: Pat. EU-0418187. Publ. 20.03.1991.Jørgensen L. Method and apparatus for performing a fermentation: Pat. EU-0418187. Publ. 20.03.1991.Larsen E.B. U-shape and/or nozzle u-loop fermenter and method of fermentation: Pat. US20110244543A1. Publ. 21.06.2011.Larsen E.B. U-shape and/or nozzle u-loop fermenter and method of fermentation: Pat. US20110244543A1. Publ. 21.06.2011.Nguyen L.T., Silverman J.A., Aylen G.I. Gas–fed fermentation reactors, systems and processes utilizing gas/liquid separation vessels: Pat. US-10689610-B2. Publ. 14.08.2019.Nguyen L.T., Silverman J.A., Aylen G.I. Gas–fed fermentation reactors, systems and processes utilizing gas/liquid separation vessels: Pat. US-10689610-B2. Publ. 14.08.2019.Nguyen L.T., Johannessen A., Aylen G.I, Silverman J.A. Gas-fed fermentation reactors, systems and processes: Pat. US-10538730-B2. Publ. 21.01.2020.Nguyen L.T., Johannessen A., Aylen G.I, Silverman J.A. Gas-fed fermentation reactors, systems and processes: Pat. US-10538730-B2. Publ. 21.01.2020.Червинская А.С., Воропаев В.С., Шмаков Е.А., Мартынов Д.В., Бондаренко П.Ю., Бочков М.А., Портнов С.А., Новиков С.Н. Ферментер и ферментационная установка для непрерывного культивирования микроорганизмов: пат. 2728193 РФ. Заявка № 2019118203; заявл. 11.06.2019; опубл. 28.07.2020.Chervinskaya A.S, Voropaev V.S., Shmakov Е.A., Martynov D.V., Bondarenko P.Y., Bochkov M.A., Portnov S.A., Novikov S.N. Fermenter and Fermentation Unit for Continuous Cultivation of Microorganisms: RF Pat. RU 2728193. Publ. 28.07.2020 (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.