Технологическое и аппаратурное оформление ферментационного узла процесса получения биопротеина из природного газа

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. 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. 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.

1. Prado-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)28054-9

2. Винаров А.Ю. Кормовой белок из природного газа. Ценовик. 2017;(5):32–33.

3. 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):74–82

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Винаров А.Ю., Гордеев Л.С., Кухаренко А.А., Панфилов В.И. Ферментационные аппараты для процессов микробиологического синтеза. М.: ДеЛи принт; 2005. 278 c.

11. Елинов Н.П. Основы биотехнологии. СПб.: Наука; 1995. 600 с.

12. Зимин Б.А. Аппарат для выращивания микроорганизмов: пат. 2352626 РФ. Заявка № 2006110093/13; заявл. 30.06.2006; опубл. 20.04.2009.

13. 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.

14. Винаров А.Ю. Биореактор для выращивания метанутилизирующих микроорганизмов: пат. 2607782 РФ. Заявка № 2016112583; заявл. 04.04.2016; опубл. 10.01.2017.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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/10.1155/2012/984827

25. Petersen 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.26084

26. Jørgensen L. Method and apparatus for performing a fermentation: Pat. EU-0418187. Publ. 20.03.1991.

27. Larsen E.B. U-shape and/or nozzle u-loop fermenter and method of fermentation: Pat. US20110244543A1. Publ. 21.06.2011.

28. 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.

29. 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.

30. 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.