chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2024-19-6-508-516FPPYBUchemicallytech-2193Research ArticleBIOCHEMISTRY AND BIOTECHNOLOGYБИОХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯIncreasing the efficiency of bioreactor operation for cultivation of methane-oxidizing bacteria under conditions of decreasing carbon dioxide concentration in the cultural liquidПовышение эффективности работы биореактора для культивирования метанокисляющих бактерий за счет снижения концентрации углекислого газа в культуральной жидкостиhttps://orcid.org/0000-0003-1194-9732КочетковВ. М.KochetkovV. M.

Кочетков Владимир Михайлович, начальник технологического отдела

Scopus Author ID 58535713700

123112, Москва, ул. Тестовская, д. 10

Vladimir M. Kochetkov, Head of the Technological Department

Scopus Author ID 58535713700

10, Testovskaya ul., Moscow, 123112

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

Гаганов Иван Сергеевич, ведущий инженер-технолог

Scopus Author ID 57224575918

123112, Москва, ул. Тестовская, д. 10

Ivan S. Gaganov, Leading Engineer-Technologist

Scopus Author ID 57224575918

10, Testovskaya ul., Moscow, 123112

ivan.gaganov@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0002-4415-6683ТолкинД. В.TolkinD. V.

Толкин Дмитрий Владимирович, ведущий инженер

123112, Москва, ул. Тестовская, д. 10

Dmitry V. Tolkin, Leading Engineer

10, Testovskaya ul., Moscow, 123112

tolkin.d@gibios.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1570-5893КочетковВ. В.KochetkovV. V.

Кочетков Владимир Владимирович, техник-технолог

Scopus Author ID 59376710800

123112, Москва, ул. Тестовская, д. 10

Vladimir V. Kochetkov, Technician-Technologist

Scopus Author ID 59376710800

10, Testovskaya ul., Moscow, 123112

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

Нюньков Павел Андреевич, генеральный директор

Scopus Author ID 58536061400

123112, Москва, ул. Тестовская, д. 10

Pavel A. Nynkov, General Manager

Scopus Author ID 58536061400

10, Testovskaya ul., Moscow, 123112

nyunkov.P@gibios.ruООО «ГИПРОБИОСИНТЕЗ»РоссияGiprobiosintezRussian Federation202418012025196508516Copyright © Kochetkov V.M., Gaganov I.S., Tolkin D.V., Kochetkov V.V., Nynkov P.A., 20252025Кочетков В.М., Гаганов И.С., Толкин Д.В., Кочетков В.В., Нюньков П.А.Kochetkov V.M., Gaganov I.S., Tolkin D.V., Kochetkov V.V., Nynkov 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/2193

Objectives. The work set out to develop a bioreactor that incorporates a carbon dioxide removal unit within the apparatus gas phase, which is capable of operating without the need for supplementary compression apparatus. As part of testing the developed equipment in order to ascertain its capacity for enhanced biomass production, the principal fermentation system parameters that facilitate the optimal bioreactor productivity in conditions of carbon dioxide removal from the apparatus gas phase were identified.Methods. A series of tests were conducted on the fermentation unit with the objective of controlling the oxygen and carbon dioxide content in the gas phase of the bioreactor. This was achieved using an in-line gas analyzer fitted with electrochemical sensors. The oxygen and carbon dioxide content in the gas phase was determined by means of gas chromatography. The oxygen and natural gas flow rates were determined using a thermal electronic flow controller equipped with thermoresistive elements. The oxygen content of the cultural liquid was determined by means of an optical oxygen sensor with integrated transducer. The pH level in the bioreactor was monitored and maintained using an electrochemical pH sensor.Results. The efficacy of the newly devised jet-type bioreactor design, which permits the incorporation of a carbon dioxide removal unit into the fermentation system without requiring supplementary compression apparatus, was evaluated through experimentation. The system was tested with the carbon dioxide removal unit included in the design, resulting in a 64% increase in bioreactor productivity and a 18% reduction in oxygen consumption as a component of the gas supply.Conclusions. The operational parameters of a technological bioreactor that facilitate a stable continuous process of bacterial cultivation were identified.

Цели. Разработать конструкцию биореактора, позволяющую включить в свой состав узел удаления углекислого газа из газовой фазы аппарата, функционирующий без использования дополнительного компрессионного оборудования; провести испытания разработанного оборудования с целью увеличения его производительности по биомассе; определить основные параметры работы ферментационной системы, при которых достигается максимальная продуктивность биореактора в условиях извлечения углекислого газа из газовой фазы аппарата.Методы. Проведена серия испытаний ферментационной установки с осуществлением контроля содержания кислорода и углекислого газа в газовой фазе биореактора поточным газонализатором с электрохимическими сенсорами. Контрольное определение содержания в газовой фазе кислорода и углекислоты проводилось методом газовой хроматографии. Расход газовых компонентов (кислорода и природного газа) измерялся с помощью теплового электронного регулятора расхода с терморезистивными элементами. Содержание растворенного в культуральной жидкости кислорода определялось оптическим датчиком кислорода со встроенным преобразователем. Уровень рН в биореакторе контролировался и поддерживался с помощью электрохимического рН-датчика.Результаты. Разработан и испытан биореактор струйного типа. За счет использования внутренних рециркуляционных потоков в ферментационную систему интегрирован узел удаления углекислого газа без применения дополнительного компрессионного оборудования. В процессе испытаний системы с включенным в конструкцию узлом извлечения углекислого газа достигнута увеличенная на 64% продуктивность биореактора и снижен на 18% расход кислорода, как компонента газового питания.Выводы. Определены технологические параметры работы биореактора, при которых проходит стабильный процесс непрерывного культивирования бактерий.

биореакторферментерферментациябиомассабелокуглекислый газэжекторметаноокисляющие бактерииMethylococcus capsulatusbioreactorfermenterfermentationbiomassproteincarbon dioxideejectormethane-oxidizing bacteriaMethylococcus capsulatusReferencesОшкин И.Ю., Белова С.Э., Хохлачев Н.С., Семенова В.А., Червякова О.П., Чернушкин Д.В., Тихонова Е.Н., Марданов А.В., Равин Н.В., Попов В.О., Пименов Н.В., Дедыш С.Н. Молекулярный анализ состава микробного сообщества, формирующегося при непрерывном культивировании Methylococcus sp. concept-8 на природном газе. Микробиология. 2020;89(5):556–565. https://doi.org/10.31857/S0026365620050171Oshkin I.Y., Belova S.E., Khokhlachev N.S., et al. Molecular Analysis of the Microbial Community Developing in Continuous Culture of Methylococcus sp. Concept-8 on Natural Gas. Microbiology. 2020;89(5):551–559. https://doi.org/10.1134/S0026261720050173 [Original Russian Text: Oshkin I.Yu., Belova S.E., Khokhlachev N.S., Semenova V.A., Chervyakova O.P., Chernushkin D.V., Tikhonova E.N., Mardanov A.V., Ravin N.V., Popov V.O., Pimenov N.V., Dedysh S.N. Molecular Analysis of the Microbial Community Developing in Continuous Culture of Methylococcus sp. Concept-8 on Natural Gas. Mikrobiologiya. 2020;89(5):556–565 (in Russ.). https://doi.org/10.31857/S0026365620050171 ]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. RU 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.).Листов Е.Л., Небойша Я. Аппарат для выращивания микроорганизмов в крупнотоннажном производстве: пат. RU 2769504 РФ. Заявка № 2021112069; заявл. 27.04.2021; опубл. 01.04.2022.Listov E.L., Neboisha Ya. Apparatus for Growing Micro organisms in Large-Tonnage Production: RF Pat. RU 2769504. Publ. 01.04.2022 (in Russ.).Кочетков В.М., Гаганов И.С., Кочетков В.В., Нюньков П.А. Технологическое и аппаратурное оформление ферментационного узла процесса получения биопротеина из природного газа. Тонкие химические технологии. 2023;18(3): 230–242. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2023-18-3-230-242Kochetkov V.M., Gaganov I.S., Kochetkov V.V., Nyunkov P.A. Technology and implementation of the fermentative unit for bioprotein production from natural gas. Tonk. Khim. Tekhnol. = Fine Chem. Technol. 2023;18(3):230–242. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2023-18-3-230-242Coyne F.P. The effect of carbon dioxide on bacterial growth. Proc. R. Soc. Lond. Ser. B. 1933;113(782):196–217. https://doi.org/10.1098/rspb.1933.0041Coyne F.P. The effect of carbon dioxide on bacterial growth. Proc. R. Soc. Lond. Ser. B. 1933;113(782):196–217. https://doi.org/10.1098/rspb.1933.0041Dixon N.M., Kell D.B. The inhibition by CO2 of the same inhibition rate of growth and metabolism of microorganisms. J. Appl. Bacteriol. 1989;67(2):109–136. https://doi.org/10.1111/j.1365-2672.1989.tb03387.xDixon N.M., Kell D.B. The inhibition by CO2 of the same inhibition rate of growth and metabolism of microorganisms. J. Appl. Bacteriol. 1989;67(2):109–136. https://doi.org/10.1111/j.1365-2672.1989.tb03387.xDevlieghere F., Debevere J., Van Impe J. Concentration of carbon dioxide in the water phase as a parameter to model the effect of a modified atmosphere on microorganisms. Int. J. Food Microbiol. 1998;43(1–2):105–113. https://doi.org/10.1016/s0168-1605(98)00101-9Devlieghere F., Debevere J., Van Impe J. Concentration of carbon dioxide in the water phase as a parameter to model the effect of a modified atmosphere on microorganisms. Int. J. Food Microbiol. 1998;43(1–2):105–113. https://doi.org/10.1016/s0168-1605(98)00101-9Ho Ch.S., Smith M.D., Shanahan J.F. Carbon Dioxide Transfer in Biochemical Reactors. Adv. Biochem. Eng. Biotechnol. 1987;35:84–124. https://doi.org/10.1007/bfb0004427Ho Ch.S., Smith M.D., Shanahan J.F. Carbon Dioxide Transfer in Biochemical Reactors. Adv. Biochem. Eng. Biotechnol. 1987;35:84–124. https://doi.org/10.1007/bfb0004427Шмушкин А.А., Лалов В.В., Григорян А.Н. Способ выращивания микроорганизмов: пат. 811846 СССР. Заявка № 2805913; заявл. 27.07.1979; опубл. 07.08.1983.Shmushkin A.A., Lalov V.V., Grigoryan A.N. Method for Culturing Microorganisms: USSR Pat. 811846. Publ. 07.08.1983 (in Russ.).Гаганов И.С., Кочетков В.М., Нюньков П.А., Кочетков В.В. Ферментационная установка для культивирования метанокисляющих бактерий: пат. 045062 ЕП. Заявка № 202390480; заявл. 28.02.2023; опубл. 27.10.2023.Gaganov I.S., Kochetkov V.M., Nyunkov P.A., Kochetkov V.V. Fermentation Plant for Cultivation of Methane-Oxidizing Bacteria: EP Pat. 045062. Publ. 27.10.2023.Siriwardane R.V., Shen M.S., Fisher E.P. Adsorption of CO2 on Zeolites at Moderate Temperatures. Energy & Fuels. 2005;19(3):1153–1159. http://doi.org/10.1021/ef040059hSiriwardane R.V., Shen M.S., Fisher E.P. Adsorption of CO2 on Zeolites at Moderate Temperatures. Energy & Fuels. 2005;19(3):1153–1159. http://doi.org/10.1021/ef040059hShi Y., Liu Q., He Y. CO2 Capture Using Solid Sorbents. In: Chen W.Y., Suzuki T., Lackner M. (Eds.). Handbook of Climate Change Mitigation and Adaptation. Springer; 2016. P. 2349–2404. https://doi.org/10.1007/978-3-319-14409-2_83Shi Y., Liu Q., He Y. CO2 Capture Using Solid Sorbents. In: Chen W.Y., Suzuki T., Lackner M. (Eds.). Handbook of Climate Change Mitigation and Adaptation. Springer; 2016. P. 2349–2404. https://doi.org/10.1007/978-3-319-14409-2_83Na B.K., Koo K.K., Eum H.M., Lee H., Song H.K. CO2 Recovery from Flue Gas by PSA Process using Activated Carbon. Korean J. Chem. Eng. 2001;18(2):220–227. http://doi.org/10.1007/BF02698463Na B.K., Koo K.K., Eum H.M., Lee H., Song H.K. CO2 Recovery from Flue Gas by PSA Process using Activated Carbon. Korean J. Chem. Eng. 2001;18(2):220–227. http://doi.org/10.1007/BF02698463Wu S.F., Beum T.H., Yang J.I., Kim J.N. Properties of Ca-Base CO2 Sorbent Using Ca(OH)2 as Precursor. Ind. Eng. Chem. Res. 2007;46(24):7896–7899. http://doi.org/10.1021/ie070135eWu S.F., Beum T.H., Yang J.I., Kim J.N. Properties of Ca-Base CO2 Sorbent Using Ca(OH)2 as Precursor. Ind. Eng. Chem. Res. 2007;46(24):7896–7899. http://doi.org/10.1021/ie070135eMurray J.M., Renfrew C.W., McCrystal C.B., Jones D.S., Fee H. A New Carbon Dioxide Absorbent for Use in anesthetic breathing systems. Anesthesiology. 1999;91(5):1342–1348. https://doi.org/10.1097/00000542-199911000-00026Murray J.M., Renfrew C.W., McCrystal C.B., Jones D.S., Fee H. A New Carbon Dioxide Absorbent for Use in anesthetic breathing systems. Anesthesiology. 1999;91(5):1342–1348. https://doi.org/10.1097/00000542-199911000-00026Struys M.M.R.F., Bouche M.P.L.A., Rolly G., Vandevivere Y.D.I., Dyzers D., Goeteyn W., Versichelen L.F.M., Van Bocxlaer J.F.P., Mortier E.P. Production of compound A and carbon monoxide in circle systems: an in vitro comparison of two carbon dioxide absorbents. Anaesthesia. 2004;59(6):584–589. https://doi.org/10.1111/j.1365-2044.2004.03704.xStruys M.M.R.F., Bouche M.P.L.A., RollyG., VandevivereY.D.I., Dyzers D., Goeteyn W., Versichelen L.F.M., Van BocxlaerJ.F.P., Mortier E.P. Production of compound A and carbon monoxide in circle systems: an in vitro comparison of two carbon dioxide absorbents. Anaesthesia. 2004;59(6):584–589. https://doi.org/10.1111/j.1365-2044.2004.03704.xKobayashi S., Bito H., Morita K., Katoh T., Sato S. Amsorb Plus and Drägersorb Free, two new-generation carbon dioxide absorbents that produce a low compound A concentration while providing sufficient CO2 absorption capacity in simulated sevoflurane anesthesia. J. Anesth. 2004;18(4):277–281. https://doi.org/10.1007/s00540-004-0253-5Kobayashi S., Bito H., Morita K., Katoh T., Sato S. Amsorb Plus and Drägersorb Free, two new-generation carbon dioxide absorbents that produce a low compoundA concentration while providing sufficient CO2 absorption capacity in simulated sevoflurane anesthesia. J. Anesth. 2004;18(4):277–281. https://doi.org/10.1007/s00540-004-0253-5

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