Повышение эффективности работы биореактора для культивирования метанокисляющих бактерий за счет снижения концентрации углекислого газа в культуральной жидкости

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.

1. Ошкин 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/S0026365620050171

2. 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.

3. 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.

4. 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/10.32362/2410-6593-2023-18-3-230-242

5. Coyne 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.1933.0041

6. Dixon 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.x

7. Devlieghere 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)00101-9

8. Ho 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/bfb0004427

9. Шмушкин А.А., Лалов В.В., Григорян А.Н. Способ выращивания микроорганизмов: пат. 811846 СССР. Заявка № 2805913; заявл. 27.07.1979; опубл. 07.08.1983.

10. 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.

11. 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/ef040059h

12. Shi 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_83

13. Na 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/BF02698463

14. Wu 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/ie070135e

15. Murray 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/10.1097/00000542-199911000-00026

16. Struys 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.x

17. Kobayashi 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/s00540-004-0253-5