Спосіб виробництва бактерійної біомаси в реакційному об’ємі

1. Спосіб виробництва бактерійної біомаси в реакційному об'ємі, що включає періодичне культивування і підживлення її збалансованим живильним середовищем, який відрізняється тим, що C2 1 3 Відомий спосіб виробництва бактерійної біомаси в реакційному об'ємі аеробнозростаючих мікроорганізмів (Патент РФ RU 2111246, кл. С 12 N1.29.1992) прийнято за прототип. Згідно з цим способом проводиться одноразове завантаження живильного середовища в біореактор, інокуляція його посівним матеріалом, культивування при кисневій лімітації при збалансованому харчуванні з кінцевою витратою компонентів середовища в реакційному об'ємі в кількості, яка перевищує їх інгібуючі або складаючі компоненти не менше як двократно від звичайної концентрації. Недоліком способу є необхідність витрати дорогого живильного середовища, яке включає глюкозу як джерело вуглецю, до того ж в надмірній кількості в порівнянні з періодичною культивацією без підживлення. Це робить кінцевий продукт біомасу, дорогою. Лімітація киснем веде до зниження швидкості росту біомаси, а відходи метаболізму бактерій, які також пригнічують їх швидкість росту, не виводяться з реактора. Задача, на вирішення якої направлений винахід, полягає у вдосконаленні способу виробництва бактерійної біомаси шляхом використання дешевого субстрату. Це вдосконалення повинно здешевити виробництво бактерійної біомаси. Поставлена задача вирішується в способі виробництва бактерійної біомаси в реакційному об'ємі, що як і спосіб, прийнятий за прототип, включає періодичне культивування бактерій і підживлення їх живильним середовищем. Згідно з винаходом як бактерії виробників біомаси використовують природні штами сірчаних бактерій, культивування яких проводять в збагаченому сірководнем шарі морів і водоймищ. В цей шар занурюють біореактор з інокулятом живих бактерій. Біореактор завантажують субстратом, що складається з води, яка вміщує сірководень з оточуючого біореактор природного шару із сірководнем і використовується як джерело енергії для зростання біомаси, та з вуглекислого газу як джерела вуглецю. Проводять багаторазове перезавантаження біореактора свіжими порціями субстрату замість субстрату, використаного на приріст біомаси. Біомасу видаляють з реактора, коли її приріст досягне технологічного максимуму. Як виробники біомаси можуть використовуватися сірчані хемолітоавтотрофи. Як джерело макроелементів та мікроелементів може використовуватись морська вода або води водоймища (при необхідності з добавкою мінеральних солей), а як окислювач - стиснуте повітря. Використання природних штамів сірчаних бактерій, зокрема сірчаних хемолітоавтотрофів, дозволяє застосовувати для їх культивування дешевий субстрат, що складається із води, яка вміщує сірководень з природного водяного шару із сірководнем і використовується як джерело енергії для зростання біомаси. Застосовується також вуглекислий газ як джерело вуглецю, стиснуте повітря як окислювач і морська вода або води водоймища (при необхідності з добавкою мінеральних солей) як джерело макроелементів та мікроелементів. Це забезпечує отримання дешевої біомаси, яка надалі може перероблятися в паливний продукт або в 95152 4 інші продукти хімічної, фармацевтичної або харчової галузей. Дійсно, оцінюючи матеріальні витрати на виробництво 1 т біомаси за пропонованим способом і прототипом (Патент РФ RU 2111246), прийнявши витрати на обслуговування і амортизацію біореакторів для обох методів співмірними, отримуємо наступні результати: За прототипом (згідно з прикладом 1) на виробництво 30 кг сухої біомаси Pseudomonas 3 . 9 fluorescens в 1 м (що відповідає 120 10 кл/мл культурної рідини) при дробовому внесенні концентрованого синтетичного живильного середовища за 42 години витрачається (кг): глюкози - 60,00; джерела азоту (по азоту) - 8,40; фосфату (по фосфору) - 3,60; сульфату магнію семиводневого (по магнію) - 0,72; кисню - 121,00. Вартість матеріалів (грн./кг): глюкози - 7,00; аміаку (по азоту) - 2,80; фосфату (по фосфору) 3,60; сульфату магнію семиводневого (по магнію) 3,00; кисеню - 1,70. Тоді, матеріальні витрати на виробництво 1 т сухої біомаси складуть: 22,145 грн./т. За способом, що пропонується, на 1 моль усередненої по складу біомаси C60H87N12O23P, яка продукована нитчастими бактеріями сім. Beggiatoaceae, необхідно 5280 г СO2 (при його 50 % утилізації), 8640 г H2S (з урахуванням ккд, прийнятим за 15%) або 720 т морської води сірчановодневого шару Чорного моря, що містить 12 г H2S на кубометр морської води, і 4064 г кисню (або  19500 г стиснутого повітря, яке вміщує 21 % O2). На виробництво 1,0 т сухої біомаси необхідно завантажити в біореактор в режимі періодичного підживлення (т): СО2 - 4,0; O2 - 3,0 (або стиснутого повітря - 14,3); морської води - 540,000. Вартість матеріалів (грн./кг): двоокису вуглецю - 2,70; кисню - 1,70; морської води - безкоштовно. Тоді матеріальні витрати на виробництво 1 т сухої біомаси складуть: 15,900 грн./т. Таким чином за способом, який пропонується, матеріальні витрати на виробництво біомаси виходять дешевшими приблизно на 30 %, ніж для прототипу. Якщо вартість утилізованого вуглекислого газу покриватиметься тарифами на викиди СO2 по кіотському протоколу, матеріальні витрати на виробництво біомаси сірчаними бактеріями знизяться приблизно в три рази і будуть в 4 рази дешевшими, ніж у прототипу. Багаторазове перезавантаження біореактора замість субстрату, використаного на приріст біомаси, свіжими порціями субстрату забезпечує, з одного боку, підживлення бактерій, а з іншого боку - видалення відходів їх метаболізму, які пригнічують зростання біомаси, що зрештою підвищує швидкість нарощування бактерійної біомаси. Додаткове здешевлення готової біомаси досягається відділенням її від баластної води безпосередньо в морі або у водоймищі перед підйомом біореактора на поверхню, після чого частково зневоднена, сконцентрована біомаса витягується на поверхню і транспортується до її споживачів. Крім того, запропонований спосіб забезпечує рішення відразу двох екологічно важливих про 5 блем: при утилізації отруйного сірководню, накопиченого в морських глибинах, також утилізується вуглекислий газ, який в даний час розглядається, як основний "парниковий газ". Переваги використання винаходу полягають в тому, що для здешевлення виробництва бактерійної біомаси і безпеки процесів мікробіологічної утилізації сірководню, накопиченого в морях і водоймищах, як енергетична сировина, ці процеси переносяться в цей природний сірководневий шар шляхом: занурення в цей шар замкнутої ємності - біореактора з інокулятом живих бактерій сірчаних хемолітоавтотрофів; завантаження біореактора субстратом, тобто порцією що оточує його сірководневмісної води, і живленням бактерій - як джерело вуглецю для зростання біомаси використовується вуглекислий газ; як окислювач - кисень стисненого повітря; як джерело макро- і мікроелементів - морська вода або вода водоймищ (при необхідності, з добавкою мінеральних солей). Після багаторазових перезавантажень біореактора в цьому шарі води свіжими порціями субстрату замість використаного на приріст біомаси, коли сумарний об'єм біомаси виросте до технологічного максимуму, біореактор витягується на поверхню разом з біомасою, що є цільовим продуктом технології. Відділення біомаси від відпрацьованого субстрату здійснюється або після витягання біореактора на поверхню (на морську платформу), або безпосередньо в морі перед витяганням на поверхню. Отримана біомаса використовується для виробництва біопалива або як сировина для хімічної, фармацевтичної і харчової галузей. Дешевизна субстрату для живлення бактерій і дешевизна самого способу виробництва (низька енерговитратність) гарантують низьку собівартість біомаси. Процес отримання біомаси показано на схемі. Прикладом конкретної реалізації винаходу може служити виробництво дешевої бактерійної біомаси в енергетично багатих шарах вод Чорного моря його природної «сірководневої зони» на глибині 200 м і глибше з утилізацією прихованої енергії сірководня без його витягання на поверхню. Використовуються природні штами сірчаних бактерій, наприклад, аеробні нитчасті бактерії сім. Beggiatoaceae, родів Thiothrix або Beggiatoe, або одноклітинні аеробні бактерії сірчаних хемолітоавтотрофів з крупними клітинами Thiovulum majus, або рухомі спірили Thiomicrospira pelophila, знайдені в місцях їх звичайного проживання (у мінера 95152 6 льних сірчановодневих джерелах в морі або на суші, або в місцях залягання сульфідних руд). Можуть також використовуватися генетично модифіковані штами сірчаних бактерій з підвищеною швидкістю росту. Приклад 1 Біомасу сірчаних бактерій, наприклад, аеробних нитчастих бактерій сім. Beggiatoaceae, родів Thiothrix або Beggiatoe, вирощують в зануреному біореакторі, який багато разів перезавантажується через комунікації субстратом, до складу якого входить сірководневмісна вода з природного сірководневмісного шару Чорного моря, що оточує біореактор (див. схему). Збалансованим з сірководнем харчуванням для цих бактерій є вуглекислий газ як джерело вуглецю, окислювач (стиснуте повітря), мінеральні солі макро- і мікроелементів (N, Р, Mg, Ca і ін.), що містяться в морській воді. Ці компоненти вживаються замість субстрату, використаного при біосинтезі і метаболізму цих бактерій, що видаляється разом з відходами. Працюючий біореактор спочатку поволі занурюють до бажаної глибини (більше 200 м), а потім реактор, що продовжує працювати, поволі піднімають до поверхні за допомогою пристрою разом з біомасою, що виросла до її максимального технологічного об'єму. Воду з біореактора викачують з відфільтровуванням твердої фази, що є в основному біомасою, і потім біомасу транспортують на берег на переробку споживачам біомаси. Приклад 2 Біомасу рухомих спірил Thiomicrospira pelophila, виділених з морського мулу, вирощують в зануреному біореакторі на аналогічному субстраті і аналогічно прикладу 1. Приклад 3 Біомасу одноклітинних з крупними клітинами аеробних бактерій - сірчаних хемолітоавтотрофів Thiovulum majus вирощують в зануреному біореакторі на аналогічному субстраті і аналогічно прикладу 1 (див. схему). Врожай біомаси піднімають до поверхні моря разом з біореактором і потім фільтрують від води через фільтр періодично противопотоковим могутнім імпульсним уприскуванням води, очищаючи фільтр від відкладень, що екранують його. Далі відкачують цілком зневоднену біомасу з біореактора в транспортний засіб для доставки споживачеві біомаси. Можливе додаткове обезводнення біомаси на морській платформі після її фільтрування одним з відомих способів (центрифугування, віджимання на барабанних фільтрах). 7 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 95152 8 Підписне Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601