Биотехнологические процессы и их аппаратурное оформление

Биотехнологические
процессы и их
аппаратурное оформление
для решения
экологических задач
Авторы
А.Ю.Винаров, Д.П.Соколов, В.Н.Смирнов, Е.Н.Дирина
Лаборатория «Технологии промышленного биосинтеза»
ОАО ГосНИИсинтезбелок,
Москва 2009
ОАО «Государственный научноисследовательский институт
биосинтеза белковых веществ»
г. Москва А.Солжиницина, 27.
тел. 8-499- 9113923
Проводит широкий спектр научных и
экспериментальных работ в области
промышленной биотехнологии
применительно к задачам:
- пищевой биотехнологии, агро- и кормовой
технологии,
- защиты окружающей среды- утилизации и
переработки отходов
- разработки новых технологий, биореакторов
и промышленных схем
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС
ОАО «ГОСНИИСИНТЕЗБЕЛОК»
заключает договора на разработку биотехнологий, обеспечение НИР, получение и
выпуск различных новых биопрепаратов и средств защиты окружающей среды
на основе микробиологического синтеза с использованием новой
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЛИНИИ
Лаборатория
«Технологии
промышленного
биосинтеза»
1. Развитие методов системного анализа,математического
моделирования и оптимизации биотехнологических
процессов и биореакторных систем.
2. Разработка и совершенствование технологических и аппаратурных
решений процессов микробиологического синтеза и получения
биологически активных препаратов.
3. Развитие методов биотехнологии и биоинженерии для
решения экологических вопросов охраны окружающей
среды.
4.Разработка эффективных технологий и оборудования для
переработки растительного сырья и производственных отходов в
различные биопродукты
5. Создание и оптимальное проектирование модульных
автоматизированных биотехнологических установок.
Заведующий лабораторией : д.т.н.,профессор (биотехнология)
Академик МАСИ, МИА Винаров Александр Юрьевич
Тел. 095-9126732
[email protected]
http://rc.ru/~ltpp
Способ получения белковой
кормовой добавки из
послеспиртовой барды
Предлагаемая к реализации биотехнология
позволяет:
- перерабатывать круглогодично на промышленной установке до 100тыс
тонн в год и более спиртовой барды с использованием разработанных
промышленных ферментеров.
-получать в виде товарного продукта: белковую кормовую добавку
(порошок или гранулы) , содержащую полный набор необходимых
аминокислот, витамины, микроэлементы. (не менее 45% протеина).
-использовать в технологии дешевое крахмалсодержащее сырье
(топиока, маниока, зерно и др.).
- обеспечивать экологическую безопасность производства на
установке, включающей следующие стадии:
- подготовка сырья и минеральной среды,
- культивирование исходной (засевной) культуры
микроорганизмов, при проведении основной ферментации в
разработанных энергоэкономных биореакторах в аэробных ,
асептических условиях,
- концентрирование биосуспензии,
- сушка
- упаковка белкового продукта.
Промышленный аэробный биореактор с низкими удельными
энергозатратами
Основные показатели новых биореакторов
Основные параметры
Размерность
Разрабатываемые
Биореакторы
Геометрический объем
м3
30 - 100 - 300
Вкладываемая мощность
квт
60 – 200 - 550
Удельная скорость массопереноса
кислорода
кгО2 /м3 час
3,0 - 5,0
Удельные энергозатраты
- на 1 м3
-на 1 кгО2,
квт/м3
квтч/кгО2
2,0 - 2,2
0,35 – 0,4
Стоимость биореактора -100м3
млн. руб
~ 2,0 - 4,5 – 7,5
Аппаратурная схема технологического процесса получения кормового белкового продукта
на основе спиртовой барды и зерносырья
воздух
отр. воздух
отр. воздух
воздух
18
6а
продукт 1
7а
10
7
сухие соли
9
зерно
11
разваренное
зерно
раствор питательных солей
6
12
13
15
16
продукт 2
1
3
2
4
1 - весы
2 - аппарат для приготовления раствора солей
3 - насос подачи раствора питательных солей
4 - емкость для разваренного зерна
5 - насос подачи суспензии разваренного зерна
6,6а - промышленные ферментеры
7,7а - насосы подачи суспензии биомассы
5
8
8 - сборник суспензии биомассы
9 - насос подачи суспензии биомассы на
вакуумную выпарную установку
10 - сборник для термической
инактивации продукта 1
11 - вакуумная выпарная установка
12 - промышленные ферментеры
13
17
13 - сборник сгущенной суспензии биомассы
14 - насос подачи сгущенной суспензии биомассы
на сушку
15 - сушилка
16 - бункер
17 - упаковочная машина
18 - скруббер Вентури
Назначение готового продукта
Кормовая белковая добавка является балансирующим протеин и
аминокислоты компонентом кормов в рационах с/х животных и птиц.
Кормовой белковый продукт:
имеет высокую питательную
ценность ( 0,36 ед. при
величине 0,08 ед
для спиртовой барды),
обеспечивает за счет высокого
содержания протеина (до 4652%), что в 2 раза выше, чем
в спиртовой барде) и
полноценного аминокислотного
состава привесы при откорме
КРС, свиней, с/х птиц до 3540%.
Применение кормовой
белковой добавки в кормах и
кормовых смесях позволяет
отказаться от других
источников животного белка,
рыбной муки и др.
дорогостоящих белковых
добавок.
Сравнительный аминокислотный состав
получаемого белкового продукта, при выращивании
микроорганизмов на послеспиртовой барде и
крахмалсодержащем сырье
Аминокислота,%
АСВ
Зерносырье
Белковый
продукт
Аспарагиновая
кислота
0,83
3,84
Глютаминовая
кислота
2,55
7,13
Лизин
0,33
3,10
Метионин
0,19
0,84
Триптофан
0,09
0,92
Аргинин
0,64
3,02
Фенилаланин
0,42
2,56
Треонин
0,20
1,87
Биофильтрационная установка для
очистки и дезодорации промышленных
газовоздушных выбросов от
органических загрязнений
Биофильтрационная установка обеспечивает
эффективную непрерывную очистку
отработанных газовоздушных выбросов
от различных органических загрязнений:
фенол, ксилол, толуол,
формальдегид, циклогексан,
уайт-спирит, этилацетат, бензин,
бутанол и др.
Установка включает в себя:
биоабсорбер (биофильтр),
обеспечивающий протекание
микробиологического процесса
в оптимальных
гидродинамических и
массообменных условиях.
В рабочем состоянии (с
жидкостью):
• весит ок. 6,0 т
• имеет габариты 4*3,5*3 м
• установочную мощность 4 кВт.
СХЕМА ПРОМЫШЛЕННОГО БИОФИЛЬТРА
А – газовоздушный поток на очистку
В - очищенный поток из биофильтра
С - циркуляционный поток на орошение
D - гор. / хол.вода в теплообменник
Технологическая (принципиальная) схема установки
Технологическая схема биоабсорбционной установки по очистке
вентиляционных выбросов ЦРМЗ филиала АО "МОСЭНЕРГО"
Биофильтрационная установка включает
кроме биофильтра вспомогательное
оборудование: циркуляционный насос,
dy400 1г
dy 400
1о
5к
dy400 1г
dy400 1г
2
FE
3d
клапан, емкость для солевого раствора,
TE
2a
КИП, теплообменник, хвостовой
PE
3b
5
dy 600
1o
QI
4a
dy 60
вентилятор.
1
Биофильтрационная установка
3
рекомендуется для предприятий
химической, нефтеперерабатывающей,
биотехнологической отраслей
4c
T EL
1a
составляет 10; 15; 20 тыс kub m /час по
очищаемому газо-жидкостному потоку.
EL
1d
L RH
1b
4c
4
2г
FI
1е
2г
промышленности.
Производительность установки
dy 60
2т
деревоперерабатывающей, пищевой,
сельскохозяйственной и
5к
2т
3c
5к
5к
2
Обозн.
1г
1о
2г
2т
3с
4с
5к
Технологич. потоки
Загрязненный воздух
Очищенный воздух
Вода горячая оборотная
Вода технологическая
Сухие соли
Раствор солей
Культуральная жидкость
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
№
1e Прибор контроля рН
4a Хроматограф
3d Прибор контроля расхода
2a Прибор контроля температуры
3b Прибор контроля давления
1d Таймер
1b Прибор регулир-я уровня
1a Прибор регулир-я температуры
5 Вентилятор
4 Насос
3 Сборник раствора солей
2 Сборник
1 Биоабсорбер
поз. Наименование
1
1
2
2
2
1
1
1
1
1
1
1
1
Кол.
0-104 м3/ч
0-100 0С
0-500 мм Hg
0-500С
10000 м3/ч
8 м3/ч
0,1 м3
2 м3
Примеч.
Основные технические показатели работы биоабсорбера
Биофильтрационная установка за счет
оригинальной конструкции фильтрующих
Характеристика
элементов и системы орошения обеспечивает
Производительность
очищаемому потоку
значительное межфазное взаимодействие
по
ед.изм
Показатели
м3/ч
10000-20000
КВТ.ч
1,5 - 2,5
потока воздуха с загрязнениями с микробными
Энергозатраты
клетками и биопленкой , при этом достигается
Аэродинамическое
сопротивление
Па
100-200
Степень утилизации
%
93-96
Габариты БИОАБСОРБЕРА
(ширина*глубина*высота)
м
3,5*4,5*3
Объем жидкости в
аппарате
м3
3- 4
0C
25 - 30
ед.pH
6,0 - 7,0
высокая 93-96% и более степень
утилизации органических веществ и
минимальные энергетические затраты на
эксплуатацию (0,3-0,5) втч/мз потока .
Температура
аппарате
среды
в
РH среды в аппарате
Температура :
Входящий поток газа
Выходящий поток газа
0C
Температура воды
в
теплообменник
ХОЛ.
ГОРЯЧЕЙ воды.
0C
20 – 80
25 - 30
:
10 –15
70 - 80
Технико-экономическая эффективность биоабсорбера
Технико-экономическая эффективность разработанной биофильтрационной установки
обеспечивает ее преимущества по сравнению с другими способами, в частности,
сжиганием органических выбросов в газовоздушном потоке.
Параметры процесса
Высокотемпературное
обезвреживание
Биотехнологическая
очистка газов
Рабочая т-ра, оС
800
30
Затраты тепловой энергии,
квт час
1760 ( на нагрев
воздушного потока)
45(на испарение воды в
абсорбере)
Эквивалентные затраты
топлива,кг/час
Дополнительные
энергозатраты, квт ч
150
3
(газ, мазут)
3,5
(топливные насосы)
3 (насос, воздуходувка)
Оценка затрат по рассмотренным вариантам при годовой эксплуатации и очистки
газовоздушных выбросов дает следующие величины:
875 тыс руб
!
25 тыс руб
В настоящее время создано и находится в постоянной
эксплуатации
6 промышленных биофильтрационных установок
производительностью 10-20 тыс м3/ час,
Технология и установка для
ускоренной аэробной переработки
навоза/помета
в биоорганическое удобрение
Разработанный экспресс- метод аэробной жидкофазной биоферментации и
ферментационное оборудование для его реализации позволяют за 3 суток
получать высокоэффективное биоорганическое удобрение. Реализация метода
осуществляется микробиологическим способом с применением активных
непатогенных микроорганизмов, в т. ч. специального скоростного штаммадеструктура органического и целлюлозо-содержащего сырья, обеспечивающего за
счет собственных ферментов и активаторов процесса эффективную биодеструкцию
исходного сырья, при температуре 30-40°С в периодическом или непрерывном
режимах.
В процессе биоконверсии навозной или пометной нативной массы (с содержанием
сухих веществ до 10-12% ) образуются низкомолекулярные органические и
неорганические вещества, легко усваиваемые растениями и почвенными
микроорганизмами. Для реализации технологии разработаны установки по
переработке жидкого помета/навоза.
Биоорганическое удобрение
Основные физико-химические показатели получаемого удобрения
№
п/п
1
Наименование показателя
Значение показателя
Внешний вид
Рассыпчатая масса,
2
3
Массовая доля влаги, % не более
Массовая доля органических веществ, % не менее
60
55
4
5
6
Массовая доля азота общего, % к с.в., не менее
Массовая доля фосфатов (P2O5),% к с.в., не менее
Массовая доля калия (К2О), % к с.в., не менее
1,5
1,5
1,4
Эффективность применения проферментированного в аппарате жидкого
навоза КРС в качестве удобрения.
Результаты оценки биомассы салата при выращивании его с применением образцов
удобрений разной степени ферментации.
№ варианта
Время ферментации
удобрения (τ), ч
Вес зеленой части
растений, г
% к контролю
%/Δτ
1
10
1,58+0,05
90
-1,00
2
30
1,83+0,05
104
2,00
3
50
2,08+0,05
118
1,40
4
70
2,24+0,05
127
0,45
5
80
2,31+0,05
130
0,3
Контроль
1,76+0,05
100
Массообменные и гидродинамические
испытания модели ферментера
К*10-2 (квт*час /кг О2)
120
М*10-1 (кг О2/ м3 час ,
Схема ферментера.
1-аэробный ферментер; 2-штуцер; 3каллорифер; 4-циркуляционный насос; 5вентилятор.
Зависимость удельных затрат
энергии на абсорбцию кислорода (К),
скорости абсорбции кислорода (М) от
расхода среды на циркуляцию (Qж).
100
80
60
40
20
0
0
0,2
0,3 0,38 0,51 0,6
Qж m3/cек *10-3
(испытания пилотной модели
ферментера)
0,7
0,8
Опытно-промышленный ферментер
Ферментер оригинальной
конструкции для аэробной
жидкофазной переработки
навозных стоков обеспечивает
необходимый режим
перемешивания и аэрации
гетерофазной среды при
минимальных энергозатратах
35-40 квт час на 1 тонну (1м3)
переработанного навозного
стока .
Биодобавки для роста растений
и рекультивации почв
Разработка связана с наиболее перспективным
направлением повышения плодородия почв и
урожайности за счет использования биологоактивных микродобавок - препаратов, получаемых
методами биотехнологии. Добавление биодобавок в
органоминеральные удобрения или внесение
непосредственно в почву для ускоренного роста и
развития растений дает существенный эффект по
повышению урожайности при этом обеспечивается
экологическая чистота продукта.
Ряд добавок за счет содержания в них биогенных компонентов оказывает выраженное
стимулирующий и антистрессовый эффект на растения путем ускорения обменных
процессов на уровне клеточного метаболизма.
В других биодобавках действующим началом является активная биомасса почвенных
бактерий, способствующая более полному усвоения растениями азото-фосфоркалийных компонентов за счет перевода их в легкоусвояемые формы.
Ряд биодобавок эффективны для рекультивации и загрязненных продуктами
нефтепереработки почв и выращивании на них зеленой массы.
Технология
макрокапсулирвания семян
Более ранний
высев семян
в открытый
грунт
Повышение всхожести
семян при стрессовых
воздействиях окружающей
среды, в т.ч. изменение
температуры, влажности почвы
Повышение
урожайности
и качества
с/х продукции
Снижение общего
расхода органоминеральных
удобрений
Композиционный состав макрокапсул
Физические свойства:
Агрохимические свойства:
• 2-3 слоя
• плотность 1,5 г/см3
• диаметр от 20 до 40 см
• обладает значительной
прочностью,
сорбционной емкостью и
низкой степенью
деформации
- сбалансированный
комплекс
органических веществ
(биокомпост)
- водосорбенты
- микро- и макроэлементы
- биологически активные
компоненты
Биодобавки в составе макрокапсул семян
(внутренний слой)
обеспечивают ускоренный внутриклеточный
метаболизм и стрессоустойчивость семян в
вегетационный период
Изобретение защищено
патентами РФ:
№ 2246194, 2264698,
2286668
Автоматический роторный прессовальный аппарат
1. Предназначен для
производства 2-х слойных
макрокапсул семян
2. Габариты
-
1,5х1,5х2 м
3. Режим работы - автоматический
4. Производительность 900-1500
шт/час
5. Привод-пневматический 3-5атм
6. Энергопотребление –
Рекомендуется
для наработок
опытных партий
макрокапсул семян
различных растений
0,4 квт
Перспективные пути утилизации глицерина как
отхода предприятий пищевой промышленности
Ежегодно на предприятиях
перерабатывающих отраслей
промышленности образуется
более 60 000 тонн неочищенного
глицерина
В связи с чем вопросы
экономически
эффективной его
утилизации являются
весьма актуальными
Микробная биотрансформация Глицерина
Данные биополимеры имеют
сходные свойства с
термопластиками, получаемыми
путем переработки нефти и могут
быть с успехом применены в
Медицине,
Пищевой промышленности,
Сельском хозяйстве .
ПРЕДСТАВЛЕННЫЕ РАЗРАБОТКИ
Вы можете реализовать заказав в
Лаборатории «Технологии промышленного биосинтеза»
ОАО ГосНИИсинтезбелок, г. Москва
Тел +7-495-9126732 - профессор Винаров А.Ю.
[email protected]
Более подробно познакомиться с научнопрактическими разработками можно
в следующих изданиях