Установка для получения биосорбента

Полезная модель относится к области экологии и может быть использована для производства биосорбентов, предназначенных для очистки водной поверхности от нефти и нефтепродуктов, например, при ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов при разрушении подводных нефтепроводов или разливах нефти при авариях судов.

Заявляется установка для получения биосорбента, включающая последовательно соединенные ферментер, центрифугу и смеситель, а также узел подачи наполнителя.

Новым является то, что смеситель соединен с емкостью для подачи водного раствора минеральных веществ, а его выход соединен с кюветой, оборудованной компьютерным интерфейсом и распылительной головкой, помещенной в иммобилизационную камеру, которая в свою очередь соединена с узлом подачи наполнителя.

Полезная модель включает 5 зависимых пунктов формулы, 2 рисунка.

Полезная модель относится к области экологии и может быть использована для производства биосорбентов, предназначенных для очистки водной поверхности от нефти и нефтепродуктов, например, при ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов при разрушении подводных нефтепроводов или разливах нефти при авариях судов;

В связи с увеличивающимся объемом добычи, транспортировки и переработки нефти и нефтепродуктов, обособленной экологической проблемой становится углеводородное загрязнение окружающей среды. Свойства нефти обуславливают ее опасность как поллютанта, что в связи с увеличением плотности населения планеты требует ужесточения ряда соответствующих экологических норм. Нефть оказывает токсическое, мутагенное, тератогенное, онкогенное, а также иммунодепрессирующее воздействие на живые организмы. Вовлечение большинства отдельных углеводородов, а также продуктов их термического и фотохимического разложения в биологический круговорот чревато угнетением всей зараженной экосистемы в целом, но, прежде всего, организмов, замыкающих пищевые цепи.

Существует большое количество методов, направленных на детоксикацию зараженной среды углеводородами и ликвидацию аварийных разливов нефти и нефтепродуктов. Одним из традиционных методов повышения эффективности ликвидации аварийных разливов нефти является использование коммерческих сорбентов (синтетических, произведенных из полипропилена или полиуретана). Они обладают хорошими олеофильными свойствами, но их главным недостатком является устойчивость к биоразрушению. Также существуют природные сорбенты, которые включают хлопок, шерсть, кору, растительный пух, лубяное волокно, рисовую шелуху, и даже высушенную биомассу водной растительности. Большинство из них имеют высокие сорбционные свойства, но часто они сорбируют и воду, что является неблагоприятным фактором при использовании в морских природных средах. Их гидрофобность повышают путем специальной обработки, но это увеличивает стоимость. Однако, практика показывает, что большинство сорбентов создают больше проблем, чем дают положительных результатов. Сорбенты формируют конгломераты с нефтью, которые не могут быть собраны механически.

В цепочке ликвидации нефтеразливов, биоочистка находится на заключительном этапе и является необходимым звеном, обеспечивающим целостность процесса и его результативность. Широчайшее применение нашли биологические подходы, основанные на метаболическом потенциале нефтеокисляющих микроорганизмов. Иммобилизация микроорганизмов является распространенным методом модификации их активности. В частности, адсорбционная иммобилизация оказывает протективное действие на микроорганизмы. Бактериальная клетка, закрепленная в поверхностной микропоре носителя, менее подвержена неблагоприятным условиям внешней среды. Расположение на границе раздела твердой и жидкой фаз способствует интенсифицированному снабжению микроорганизма дефицитными биогенными элементами за счет адсорбции последних из раствора. Носитель, подобранный адекватно задачам, опосредует взаимодействие биологического агента с субстратом. Также иммобилизация облегчает механические операции с клетками. Методы биологической очистки, связанные с интродукцией (биоаугментация, а также биостимуляция in vitro) иммобилизованных на носителях клеток нефтеокисляющих микроорганизмов в настоящее время являются перспективной альтернативой традиционным методам, основанным на внесении свободных клеток. Важным условием, позволяющим реализовать преимущества иммобилизованной системы, является знание специфических условий ее создания и функционирования, определяемых как общими закономерностями, так и особенностями конкретных компонентов биотехнологического производства.

В 1993-1996 годах, основываясь на позитивном и негативном мировом опыте очистки от нефтяных загрязнений Румянцев В.А. и Левченко А.Б. взяли за основу создаваемой ими новой комплексной технологии использование новой группы препаратов - биосорбентов, имеющих как абсорбционную и физико-химическую активность в отношении нефтепродуктов, так и биологическую. Понятие «биосорбенты» было введено в употребление авторами в конце 80-х годов и с тех пор стало общепринятым термином. Предложенные ими биосорбенты, содержат в своей основе природные алюмосиликаты (перлит, вермикулит, цеолит) с иммобилизованными природными бактериями. Биосорбент может применяться как автономно, так и в сочетании с традиционными средствами механического сбора.

В связи с этим, установка должна совмещать функции наработки биомассы углеводородокисляющих микроорганизмов и иммобилизации полученных бактерий на поверхность носителя-сорбента, при этом сорбционная емкость сорбентов не должна сильно уменьшаться.

Техническим результатом заявляемого технического решения является разработка установки для получения иммобилизованной на сорбенте биомассы углеводородокисляющих микроорганизмов.

Известны различные аппараты и установки для получения биомассы микроорганизмов. Например, установка для выращивания микроорганизмов (см. патент РФ на полезную модель 5183, кл. C12M 1/00, 1997 г.) включает емкость с крышкой, снабженную мешалкой, средства для введения инокулята и отвода готового продукта, а также средства для поддержания заданной температуры в емкости. Установка снабжена устройством для подачи газа в емкость и устройством стерильного розлива готового продукта. Причем средство поддержания заданной температуры в емкости содержит расположенную на последней пароводяную рубашку с электронагревателями и гидросистему для подвода и отвода воды в рубашку, а также средство ввода инокулята, состоящее из герметично установленного на крышке емкости патрубка, снабженного в верхней его части съемной крышкой с уплотнением.

Основным недостатком известной установки является то, что заложенный в ней технологический процесс позволяет выращивать дрожжевые грибы и не позволяет выращивать штаммы нефтеокисляющих микроорганизмов. Кроме того, у известной установки отсутствуют средства для получения концентрированной суспензии клеток и устройства для их иммобилизации на поверхность сорбента. Описанная установка не оснащена приборами контроля процесса культивирования и иммобилизации.

Известна установка для получения биомассы углеводородокисляющих микроорганизмов (патент РФ на полезную модель 94225, C12M 1/00, 2010 г.), включающая термостатированную емкость для культивирования микроорганизмов с блоком поддержания температуры, устройства для введения питательной среды и инокулята в емкость и отвода из нее готового продукта, а также блок электронного управления, соединенный с блоком поддержания температуры.

Основным недостатком известной установки является то, что в ней отсутствуют средства для получения концентрированной суспензии клеток и устройства для их иммобилизации на поверхность сорбента.

Наиболее близкой по технической сути к заявляемому техническому решению (прототипом) является микробиологическая установка, взятая в качестве прототипа, (см. патент РФ 2115719, кл. C12M 1/00, 1998 г.), включающая последовательно соединенные ферментер, центрифугу и смеситель, а также узел подачи наполнителя.

Основным недостатком известной установки, является то, что устройство не способно проводить иммобилизацию клеток, что не позволяет использовать установку для получения биосорбента на базе нефтеокисляющих микроорганизмов.

Задачей заявляемого технического решения является устранение указанного недостатка, а именно доработка установки, после которой она будет пригодна для получения биосорбента на базе нефтеокисляющих микроорганизмов, причем биомасса этих углеводородокисляющих микроорганизмов будет находиться в требуемой фазе роста в виде концентрированной суспензии клеток.

Поставленная задача в установке для получения биосорбента, включающей последовательно соединенные ферментер, центрифугу и смеситель, а также узел подачи наполнителя решена тем, что смеситель соединен с емкостью для подачи водного раствора минеральных веществ, а его выход соединен с кюветой, оборудованной компьютерным интерфейсом и распылительной головкой, помещенной в иммобилизационную камеру, которая в свою очередь соединена с узлом подачи наполнителя.

Подача в смеситель водного раствора минеральных веществ позволяет в смесителе обеспечить микроорганизмы необходимой для их дальнейшего роста питательной средой, а наличие на выходе смесителя кюветы, оборудованной компьютерным интерфейсом позволяет с высокой точностью дозировать в нужном объеме поступающую в иммобилизационную камеру на наполнитель концентрированную суспензию клеток, причем в строго требуемой фазе роста. Наличие распылительной головки, помещенной в камеру иммобилизации позволяет наносить на наполнитель, обладающий флотационными свойствами (плавучестью) иммобилизированные микроорганизмы.

В качестве наполнителя, обладающего флотационными свойствами, может быть использован нетканный синтетический мат, например, из гидрофобизированного полиэфирного волокна, способного бесконечное время плавать на поверхности воды, или натуральный мат, например, из соломы или льна (могут быть использованы отходы льняного производства), хорошо зарекомендовавший себя при сборе нефтепродуктов на твердой поверхности, который после дополнительной гидрофобизированной обработки также может применяться и на воде.

В качестве наполнителя, обладающего флотационными свойствами, может быть использован искусственный сорбент на основе натурального материала, например, вспученный перлит или искусственный сорбент на основе синтетического вспененного материала, например, полистирола (пенопласта). Указанные сорбенты могут использоваться в дальнейшем при наполнении ими заградительных бонов, для перегораживания рек или мест разлива нефтепродуктов.

В качестве натуральных сорбентов могут использоваться хлопок, шерсть, кора деревьев, растительный пух, лубяное волокно, рисовую шелуху, торф, мох, опилки, древесные стружки и т.п., которые после дополнительной гидрофобизированной обработки могут быть нанесены на места разливов нефтепродуктов. Находящиеся на поверхности натуральных сорбентов микроорганизмы-нефтедеструкторы позволяют разлагать нефтепродукты до безопасных природных компонентов и не нуждаются в их последующем сборе и утилизации.

Для повышения достоверности получаемых результатов нанесения иммобилизированных микроорганизмов на сорбент, кювета соединена с компьютером шиной управления через свой блок измерения и управления, при этом сама кювета может быть оборудована входным электромеханическим управляемым клапаном и выходным управляемым насосом, соединенным с распылительной головкой, а также нагревателем и датчиками измерения температуры и объема жидкости.

Для повышения точности дозирования количества подаваемого в смеситель водного раствора минеральных веществ, смеситель соединен с емкостью для подачи водного раствора минеральных веществ через выходной электромеханический управляемый клапан.

Для повышения качества получаемого биосорбента, основание иммобилизационной камеры выполнено пористым и установлено с возможностью совершения им вибрационных колебаний.

На фиг.1 приведена блок-схема варианта реализации заявляемого технического решения, позволяющего иммобилизировать микроорганизмы-нефтедеструкторы на материал-носитель в виде мата, где: 1 - ферментер; 2 - центрифуга; 3 - смеситель с механической мешалкой; 4 - емкость с водным раствором минеральных веществ; 5 - электромеханический управляемый клапан; 6 - кювета с входным электромеханическим управляемым клапаном 7 и выходным управляемым насосом 8, соединенным с распылительной головкой 9, нагревательным элементом 10 и блоком измерения и управления 11; 12 - компьютер; 13 - камера иммобилизации с воздухопроницаемым дном 14, на котором расположен мат 15 из нетканого синтетического или натурального материала; 16 - капли раствора с биомассой микроорганизмов и минеральными веществами.

На фиг.2 приведена блок-схема варианта реализации заявляемого технического решения, позволяющего иммобилизировать микроорганизмы-нефтедеструкторы на материал-носитель в виде сыпучего сорбента, где дополнительно введены: 17 - подложка; 18 - сыпучий сорбирующий материал, 19 - вибрирующее пористое основание.

Рассмотрим работу установки, представленной на фиг.1. В ферментер 1 загружают инокулят штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов и культивируют до концентрации 10¹¹-10¹² КОЕ/мл. Полученную суспензию посредством насоса (на фиг.1 и 2 он условно не показан) перекачивают в центрифугу 2 и центрифугируют при температуре от 0°C до 4°C. После этого, центрифуга 2 наклоняется и верхняя часть супернатанта сливается, а полученный концентрат перекачивается посредством насоса (на фиг.1 и 2 он тоже условно не показан) в смеситель 3 с мешалкой, куда из емкости 4 через электромеханический управляемый клапан 5 поступает в нужном количестве водный раствор минеральных веществ - «Нитроаммофоски». Далее происходит гомогенизация смеси биомассы и водного раствора минеральных веществ в смесителе 3. Полученная суспензия через входной электромеханический управляемый клапан 7 поступает в кювету 6. Контроль за состоянием суспензии в кювете 6 проводится посредством блока измерения и управления 11, связанного шиной управления с компьютером 12. С помощью резистивного нагревателя 10, термометра и датчика объема жидкости (они условно не показаны), в кювете 6 поддерживается оптимальная для микроорганизмов температура 30-35°C. После того, как микроорганизмы достигнут требуемой фазы развития, по сигналу с компьютера 12 срабатывает насос 8 и через сопло 9 капли 16 раствора с биомассой микроорганизмов и минеральными веществами распыляется на поверхность мата 15 из нетканого синтетического или натурального материала. Таким образом, происходит процесс иммобилизации на сорбенте биомассы углеводородокисляющих микроорганизмов-нефтедеструкторов. Далее посредством нагнетания теплого воздуха происходит высушивание готового биосорбента.

Аналогичным образом работает установка, представленная на фиг.2. Отличием является то, что в камеру иммобилизации 13 поступает насыпанный на подложку 17 сыпучий сорбирующий материал 18. В качестве подложки 17 может быть использован фильтровальный материал (например, хлопчатобумажная ткань), через поры которого проходит нагретый воздух. Кроме того, фильтровальный материал впитывает лишнюю влагу, что позволяет не терять сорбционную емкость сыпучего сорбента. Для того чтобы не происходило слипания частиц биосорбента после иммобилизации микроорганизмов, целесообразно пористое основание 19 подвергнуть микровибрации, например, закрепив на нем малогабаритный электродвигатель постоянного тока (типа ДПМ-20-Н1) с неуравновешенным ротором (с закрепленным на роторе дисбалансе). Меняя напряжение на электродвигателе, можно легко менять режим вибрации (амплитуду и частоту) основания 19.

1. Установка для получения биосорбента, включающая последовательно соединенные ферментер, центрифугу и смеситель, а также узел подачи наполнителя, отличающаяся тем, что смеситель соединен с емкостью для подачи водного раствора минеральных веществ, а его выход соединен с кюветой, оборудованной компьютерным интерфейсом и распылительной головкой, помещенной в иммобилизационную камеру, которая, в свою очередь, соединена с узлом подачи наполнителя.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что кювета соединена с компьютером шиной управления через свой блок измерения и управления, при этом сама кювета может быть оборудована входным электромеханическим управляемым клапаном и выходным управляемым насосом, соединенным с распылительной головкой, а также нагревателем и датчиками измерения температуры и объема жидкости.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя использован нетканный синтетический или натуральный мат.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя использован синтетический или натуральный гранулированный материал.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что смеситель соединен с емкостью для подачи водного раствора минеральных веществ через выходной электромеханический управляемый клапан.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что основание иммобилизационной камеры выполнено пористым и установлено с возможностью совершения им вибрационных колебаний.