Биореактор: что это, особенности, виды

Навоз

Что это такое?

Биореактор (перейти к продуктам) — лабораторное оборудование, в котором смешиваются питательные среды в процессе микробиологического синтеза. Существует большой спрос в биотехнологических лабораториях, особенно в производстве лекарств и вакцин, пищевых продуктов, производстве разлагающих нефть и полисахаридов и биоконверсии крахмала.

Классификация микробиологических процессов с точки зрения технологического оформления

Любой микробиологический процесс можно классифицировать по следующим признакам:

  • аэробное и анаэробное культивирование;
  • поверхность/король рептилий;
  • периодическое (фазовое) и непрерывное культивирование.

Процесс культивирования микроорганизмов в жидкой питательной среде получил широкое распространение в промышленной сфере. Этот процесс имеет ряд характерных особенностей: он протекает в несколько стадий и сводится к превращению «газ — жидкость — твердый состав (ячейки)”.

В качестве такого твердого вещества может выступать и нерастворимый источник углерода (например, н-парафин).

Культивирование микроорганизмов неизбежно связано с выделением тепла. Это относится и к случаям, когда культивирование проводят в лаборатории. При малых объемах выращивания и при использовании специальной химической посуды тепловой эффект невелик, но в больших установках со значительным количеством материала выделяется обильное тепло.

Чрезвычайно важно в процессе роста поддерживать одну и ту же температурную фазу во всем объеме в течение длительного времени.

Классификация ферментеров в зависимости от объема вещества

В зависимости от общего объема культивируемого вещества биореакторы подразделяются на лабораторные ферментеры и промышленные ферментеры:

1. Основной областью практического применения лабораторной пружины является воспроизведение и культивирование микробиологических образцов в лабораторных масштабах, а также для селекции инновационных культур, грибов, ферментов и микроорганизмов.

Один или несколько резервуаров-реакторов и блок подачи являются основными компонентами лабораторного ферментера.
Основной функцией опорного блока является поддержка жизнедеятельности и размножения микроорганизмов. Этот модуль может включать

  • насосы для откачки воздуха и удаления углекислого газа;
  • датчики контроля температуры, которые поддерживают и регулируют жизненный цикл микробиологических образцов.

Ферментер, в том числе лабораторный, от «БиоРус» имеет ряд преимуществ:

  • эргономика
  • компактность
  • возможность независимого функционирования нескольких судов под одним управлением;
  • точность и простота настройки параметров клеточной культуры, возможность экспорта результатов работы, настройка оповещений, визуализация данных и многое другое благодаря программному обеспечению на базе SCADA, входящему в комплект поставки биореактора, вне зависимости от конфигурации и версии
  • наличие съемных емкостей для той же бродильной емкости
  • возможность оснащения дополнительным оборудованием (например, роторным фильтром для выращивания клеток в перфузионном режиме)
  • интеграция до четырех биореакторов (как разных, так и одинаковых размеров) в единую систему с единым подключением электричества, газа и воды и под управлением одного компьютера с возможностью индивидуальной системы управления (модульная система).

2. Ферментер промышленный применяется в пищевой, фармацевтической и микробиологической промышленности для получения грибов, бактерий и дрожжей, а также для производства белков, биоактивных веществ, антибиотиков и других лекарственных средств, необходимых человеку в различных сферах жизни и медицины.

В качестве блоков управления выступают интегрированные системные модули или лабораторные биореакторы, подключенные к персональному компьютеру и работающие на основе специального программного обеспечения.

Стоимость оборудования этого класса напрямую зависит от объема выращиваемого вещества и многофункциональности системного блока.

Какие условия должна создавать биоустановка?

Важнейшими условиями, обеспечивающими наиболее комфортные условия для жизнедеятельности метаногенов, являются:

  • недостаток снабжения кислородом (плотность);
  • постоянная температура, соответствующая типу процессов, происходящих в реакторе;
  • регулируемый приток свежего материала;
  • регулируемый отвод газа и отходов раздельно для жидких и твердых фракций;
  • регулярное перемешивание содержимого, предотвращает разделение на твердую и жидкую фракции.

Герметичность должна сочетаться с возможностью обслуживания и ремонта внутреннего пространства, так как содержимое биореактора очень агрессивно.

Для создания достаточной температуры, которая в большинстве случаев значительно превышает температуру наружного воздуха, котлы утепляют и оснащают нагревательными элементами.

В связи с тем, что биореактор работает на измельченном шламе, разбавленном водой до влажности выше 97%, подача свежего материала осуществляется по трубам, снабженным гидрозатвором или вентилем. Это исключает попадание воздуха и неконтролируемый выброс выхлопных газов.

Для того, чтобы производство метана было на высоком уровне, необходимо вовремя удалять отходы этого процесса, т.е техническую воду и шлам (сапропель). Это делается с помощью труб и гидрозатворов или других запорных устройств, препятствующих выходу образовавшегося газа.

Перемешивание производят механическим способом, доводя все содержимое котла круговыми и вертикальными движениями, благодаря чему отдельные слои разной плотности смешиваются и образуют единый слой с одинаковой влажностью на любой площади.

Что представляет собой установка для производства биогаза?

Наиболее эффективная форма для этой установки — цилиндр с коническим дном и конической или закругленной вершиной, с небольшой разницей между диаметром и высотой.

В такой конструкции проще всего осуществить перемешивание слоистого материала, а для повышения температуры важна не форма сосуда, а достаточное количество тепловой энергии и минимум теплового излучения в атмосферу.

Корпус и крышка, где расположен первичный газгольдер, могут быть изготовлены из бетона или нержавеющей стали. Самое большое преимущество бетонных построек в том, что их не нужно возить целиком или по частям издалека, а опалубка для заливки собирается на месте из поддонов.

Основным недостатком является сложность создания и поддержания достаточной температуры в биореакторе, т к необходимо нагревать не только содержимое метантенка, но и бетонные стенки агрегата. Установки небольших объемов (1–20 м3) чаще всего изготавливают из полипропилена, полиэтилена и других полимеров.

Для обогрева содержимого внутри стен прокладывают трубы для движения теплоносителя или формируют «водяную рубашку», то есть полость между слоем утеплителя и внутренней стеной.

Первый способ применяется в бетонных конструкциях, а второй – в нержавейке. Внутреннюю поверхность стен из всех материалов часто покрывают химически инертными по отношению к удобрениям материалами, за счет чего многократно увеличивается срок службы котла.

Входное отверстие, через которое исходный материал поступает в емкость, и отверстие для слива технической воды располагаются там, где находится площадь воды перед смешиванием. В большинстве случаев расположение этого отверстия соответствует половине максимального уровня заполнения.

В нижней части днища делается отверстие для слива сапропеля. В нижней части крышки выполнен эластичный мешок, выполняющий роль первичного газгольдера и соединенный с газопроводом через вентиль.

Есть модели без мешка, где свободное пространство между крышкой и стенкой служит местом скопления газа.

Однако у такой компоновки есть недостаток – большая вероятность утечки газа через плохо загерметизированные отверстия.

В большинстве биореакторов система перемешивания состоит из вертикального вала и закрепленных на нем лопастей. При вращении они создают восходящее или нисходящее движение большей части контента из-за смешивания слоев.

Читайте также: Бактерии для переработки навоза: рекомендации по применению

Однако существуют устройства с гидравлическим перемешиванием, где готовый субстрат пропускается через дно под высоким давлением, за счет чего вихревые возмущения перемешивают содержимое.

Но такая система смешения целесообразна только там, где соотношение объемов суточной порции субстрата и всего содержимого метантенка не превышает 1:10.

Дополнительное оборудование

К дополнительному оборудованию, без которого невозможна работа биореактора, относятся:

  • шлифовальное устройство;
  • источник тепловой энергии;
  • система промышленного водоотведения;
  • хранилище сапропеля;
  • очистные канализационные сооружения;
  • основной газгольдер;
  • газожидкостный завод;
  • газгольдер для сжиженного газа;
  • система контроля.

Измельчающее устройство

Измельчитель принимает навоз/жидкую жижу из мест содержания животных/птиц, а также промытую или убранную вручную подстилку и измельчает все крупные фрагменты для облегчения работы бактерий.

Кроме того, измельчающее устройство смешивает измельченную массу с водой для обеспечения необходимого уровня влажности, а в процессе перемешивания происходит повторное измельчение материала.

Такой измельченный и разбавленный водой материал называется субстратом.

После приготовления субстрат по трубам поступает в метантенк и смешивается с находящимся в нем веществом.

Источник тепловой энергии

Чаще всего в роли такого источника выступает газовый котел, приспособленный для работы на метане, который зимой также подает тепло в систему отопления.

Преимуществом метанового котла является возможность подключения к основному газгольдеру, что позволяет сделать это без привлечения дополнительных энергоресурсов.

При этом необходимо постоянно следить за температурой внутри биореактора, чтобы она всегда была в оптимальных пределах, и при необходимости увеличивать или уменьшать подачу газа, для чего внутри резервуара установлены датчики температуры.

Система сброса технической воды

Технологическая вода, сливаемая из биореактора, содержит некоторые органические и неорганические вещества, но не содержит патогенов, яиц или личинок гельминтов, семян сорняков. Поэтому его можно использовать для полива, а также для размножения составами, используемыми для подкормок.

Для реализации всех этих возможностей система, помимо периодически открываемого сливного клапана, должна содержать бак для технической воды и средства доставки к месту использования.

Хранилище сапропеля

Собирающийся на дне котла сапропель через специальный клапан попадает на склад, где постепенно скапливается.

Это хорошее удобрение, сравнимое с перегноем, но менее качественно разрыхляющее почву.

Тем не менее, сапропель эффективно заменяет многие комплексные удобрения, поскольку содержит широкий спектр органических и неорганических веществ.

После заполнения склад открывается и из него извлекается собранный материал, который затем вносится в почву.

Очистное устройство

Биогаз состоит из метана (50-60%) и других газов, поэтому в неочищенном состоянии имеет низкую теплотворную способность.

Очистные сооружения удаляют углекислый газ и сероводород, так что доля метана составляет 94–97%.

Очищенный таким образом биогаз сравним по теплотворной способности с природным газом и сжиженным газом, поэтому его можно использовать в качестве топлива для всех агрегатов, изначально работающих на этом виде топлива.

Основной газгольдер

Данное оборудование необходимо для сглаживания перепадов давления газа при подключении или отключении потребителей. Топливный бак изготовлен из стали, благодаря чему выдерживает давление в десятки и сотни атмосфер.

Вместе с бензобаком работает и насос, который закачивает в него бензин под нужным давлением.

Аппарат сжижения газа и газгольдер для его хранения

Данная установка позволяет хранить газ в те периоды, когда потребление меньше добычи. Дело в том, что сжиженный газ занимает намного меньше места, поэтому при том же объеме хранения его можно хранить гораздо больше.

Устройство сжижает газ путем охлаждения, благодаря чему он переходит из газообразного состояния в жидкое.

Бензобак для сжиженного газа выполнен из высокопрочной стали, а также тщательно утеплен, ведь давление внутри газгольдера зависит не только от количества сжиженного метана, но и от температуры.

Такой газгольдер позволяет создать запас жидкого метана в летние месяцы, который зимой можно использовать для отопления или других нужд, что компенсирует недостаточную выработку биогаза.
Кроме того, сжиженный газ из бензобака хорошо подходит для заправки автомобилей и другой техники, работающей на этом виде топлива.

Управляющая система

Чтобы обеспечить максимальное производство биогаза, а также увеличить в нем долю метана, необходимо не только поддерживать оптимальную температуру, но и вовремя проводить все необходимые действия, то есть:

  • нанести субстрат;
  • слить воду;
  • убрать сапропель;
  • регулировать работу очистных и конденсационных установок.

Все эти действия выполняет система управления, состоящая из центрального сервера и различных периферийных устройств.

Кроме того, к нему подключаются датчики, которые следят за состоянием и работоспособностью всех входящих в него устройств.

Принципы работы

В московских лабораториях наиболее распространены механические реакторы из-за легкости и удобства изменения настроек оборудования. Воздух в реакторах этого типа подается через напорный спринклер. Во время кормления образуются мелкие пузырьки, которые равномерно распределяются по питательной среде. Вспенивается при перемешивании, что обеспечивает лучшие условия аэрации, но создает риск заболачивания фильтров и попадания посторонних предметов.

Пузырьковые реакторы, с другой стороны, экономичны из-за восходящих токов и перемешивают образцы по всему объему с большой однородностью. Мешалка в них не механическая, что позволяет исключить возможность проникновения в оборудование посторонних микроорганизмов. Кроме того, в них практически отсутствуют гидродинамические возмущения.

И, наконец, эрлифтные модели сконструированы таким образом, что поток воздуха подается вниз по вертикальному каналу, а затем поднимается и увлекает за собой жидкость прямо в газожидкостный сепаратор. Таким образом, жидкость постоянно циркулирует по биореактору, что обеспечивает непрерывное перемешивание. На случай, если придется работать с вязкими или плотными суспензиями, эрлифтные модели будут несколько эффективнее барботажных, хотя и несколько дороже по цене.

Биореакторы для культуры клеток

Мы являемся ведущей компанией, предлагающей широкий ассортимент биореакторов, создающих идеальные условия для культивирования клеток.

Клеточный биореактор

Устройство напоминает бак, оснащенный мешалкой и предназначенный для выращивания животных клеток. Для тщательного перемешивания поставляется лопастной смеситель морского типа. Возможно стационарное и непрерывное выращивание. Последнее реализуется тензодатчиками. Встроенное устройство для отбора проб гарантирует стерильный отбор инфекционных клеток.

Биореактор с взвешенной твердой фазой

Так называются устройства, поддерживающие суспензионное состояние носителей с иммобилизованными клетками. В основном они имеют три фазы – газообразную, жидкую и твердую. Непрерывность выращивания гарантируется специальной системой разделения. Биомасса перемешивается продувкой. Такие устройства подходят для инкапсулированных клеток. Также используется для клеток, которые очень чувствительны к раневому стрессу и нуждаются в поддерживающей поверхности. Для защиты чувствительных клеток используется система очистки без пузырьков.

Конструктивные особенности

Как устроен биореактор? В конструкции предусмотрен вертикальный бак, емкость которого зависит от назначения устройства, цены и технологических особенностей: объем малых варьируется от 1 до 10 литров, больших промышленных – до 1000 литров. В дополнение к резервуару ферментеры оснащены мешалками, паровой рубашкой, барботажными перегородками, перегородками и фильтрами. Основной материал, из которого они изготавливаются – высоколегированная сталь, титан.

Прежде чем купить биореактор для своей лаборатории, необходимо учитывать множество факторов. Это и чистота стенок лабораторного оборудования, и способ отвода тепла, и тип смеси, и наличие арматуры/запорной аппаратуры, и способ скимминга, и конечно же цена. Чтобы не ошибиться и купить оптимальный вариант по разумной цене, рекомендуем обратиться к специалистам для предварительной консультации.

Разновидности

Лабораторные биореакторы делятся на:

  • механический;
  • пузырьки с прохождением воздуха при взбалтывании;
  • эрлифт с внешней или внутренней циркуляцией.

Тривия

В голосе Генри звучали торжество и гордость, он радовался этому достижению всей душой, как своему собственному.

«Как приятно осознавать, что мы продолжаем служить обществу даже после смерти. Мы стимулируем рост растений. Ленина тем временем перевела взгляд вниз, туда, где была видна моностанция. — Это мило, — кивнула она. «Но удивительно, что альфа и бета не растут лучше, чем противные гамма, дельта и эпсилоны, которые кишат там. «Все люди физически и химически одинаковы», — морально сказал Генри.

По неофициальным данным, реактор был тайно запущен в Бобруйске 1 июня 2005 года. Однако существует и альтернативная точка зрения, которая гласит, что Бобруйск — это только филиал, который занимается животными.

Является более продвинутой версией печи, так как не только утилизирует отходы цивилизации, но и производит полезное сырье для нужд народного хозяйства. Процессом очистки управляет специальный человек – оператор биореактора. Сам технологический процесс упрощается следующим образом: после механической обработки скот и ГСМ попадают в ядро, состоящее из питательной среды, где специальные микроорганизмы в процессе своей жизнедеятельности (брожения) переваривают сырье до метана, который может закачиваться в топливный элемент и производить электроэнергию для нужд цивилизации.

Метан — это газ, CH4, простейший углеводород. Встречается в природе в планетарном масштабе, но на этой планете доступно только в результате некоторой работы, да еще и с применением комара. Так что пока это временный дефицит. Тем более не для топливных целей, а для переработки в пищу. Функция биореактора — решение этой проблемы, и в то же время избавление планеты от лишнего скота.

Оцените статью
Блог по переработке отходов
Adblock
detector