УДК 579.22, 576.8, 536+621.36](06)(082)

 

 

Трошенькин Борис Александрович, вед. научн. сотр., д.т.н., проф., ORCID 0000-0003-1505-4717;
Кравченко О.В., зав. отд. комплексных энерготехнологий, чл.-кор. НАН Украины,
e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID 0000-0003-0048-6744;
Трошенькин В.Б., ст. н. с., к.т.н., тел. 067-7955267, e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID 0000-0001-9661-9489

 

Институт энергетических машин и систем им. А. М. Подгорного НАН Украины

ул. Коммунальщиков, 2/10, г. Харьков, 61046

 

Аннотация

Рассмотрено современное состояние работ по получению белка на основе водородокисляющих бактерий. Для выявления недостатков аппаратурного оформления процесса выращивания биомассы создана экспериментальная установка и проведен ряд исследований. Результаты сопоставлены с известными данными.

Рекомендуется вместо ферментеров с мешалками применять пленочные аппараты.

Составлена последовательность расчета тепломассообмена в пленочном аппарате.

Приведены экономические и экологические преимущества промышленного производства белка по сравнению с сельскохозяйственным.

 

Ключевые слова: водород, водородокисляющие бактерии, белок, тепломассообмен, экономические и экологические преимущества, биореактор.

 

Annotation

The current state of works on protein production based on hydrogen-oxidizing bacteria are considered. To identify the shortcomings of the hardware design of the biomass cultivation process an experimental installation was created and a number of studies were conducted. The results were compared with known data.

It is recommended to use film apparatus instead of fermenters with mixers.

A sequences of calculations of heat and mass transfer in a film apparatus is developed.

The economic and environmental advantages of industrial protein production compared to agricultural production are presented.

 

Key words: hydrogen, hydrogen-oxidizing bacteria, protein, heat and mass transfer, economic and ecology benefits, bioreactor.

 

Введение. Водородные бактерии представляют собой микроорганизмы, использующие энергию окисления водорода для утилизации углекислого газа с образованием высокопитательной биомассы.

Практический интерес к этим бактериям возник в связи с возможностью их использования для питания космонавтов при длительных полетах.

В последнее время рост спроса в мировой экономике на продовольствие привел к увеличению нагрузки на земельные и водные ресурсы. Также возросла нагрузка на традиционные виды ископаемых топлив, используемых в частности, непосредственно или через выработку электроэнергии для выращивания, транспортировки и переработки сельскохозяйственных культур.

Развертывание производства белка на основе водородных бактерий позволяет смягчить данные нагрузки и сократить выброс парниковых газов в окружающую среду.

Перечисленные обстоятельства привели к активизации работ по совершенствованию технологии получения белка [1-5].

Положительным фактором явилось также создание процессов получения водорода с низкой стоимостью. Например, нетрадиционная технология электролиза угольной пульпы дает возможность снизить стоимость водорода на 50% по сравнению со стоимостью водорода, получаемого электролизом воды [6].

Цель и задачи исследования. Решение проблемы получения белка в данный момент находится на стадии завершения лабораторных исследований и предварительной эскизной проработки конструкции опытно-промышленного биореактора.

В ходе настоящего исследования ставили задачу проверить надежность отдельных узлов и всей системы в целом. Цель - выявить недостатки аппаратурного оформления процесса и дать рекомендации по их устранению в опытно-промышленной установке.

Вторая задача состояла в определении возможности использования в опытах водорода, получаемого при взаимодействии сплавов алюминия и кремния с водой. Это наиболее простой способ производства водорода в автономных условиях, в т. ч. в космосе.

Экспериментальная часть. В изучении биосинтеза на основе водородокисляющих бактерий принимают участие многие научные коллективы. По их данным питание бактерий в ферментере обеспечивается по принципу сбалансированных сред, согласно которому соотношение подаваемых в биореактор сред копирует соотношение компонентов в биомассе. В частности, в структуре газового питания соблюдается соотношение (% об'ємн.): Н₂ - 68,2±2 : О₂ - 21±1 : СО₂ - 11±1. Остальные вещества подавали в реактор в виде водного раствора соединений азота, фосфора, серы, хлора, калия, натрия, магния, кальция, железа (раствор Шлегеля).

Микроэлементы, добавляемые в раствор, содержали никель, кобальт, медь, цинк, марганец, молибден, бор (состав Хогланда). Потребность в элементах питательной среды (граммы,на один грамм биомассы): азот - 120±5, фосфор - 17,8±1, сера - 5,2±0,3, калий - 4,1±0,2, магний - 4,3±0,4.

В широких пределах концентраций азота, фосфора, серы, калия и магния в околоклеточной среде скорость роста бактерий не изменяется.

На основе консультаций с ведущими микробиологическими организациями был создан стенд, управление процессом в котором осуществлялось в автоматическом режиме (рис. 1).

 

В центре снимка расположен ферментер. Объем ферментера 15 л (рабочий объем культуральной жидкости 10 л). Ферментер состоит из металлического корпуса с рубашкой для охлаждения, верхней прозрачной крышкой из оргстекла, узла диспергирования газов и распределения газожидкостной смеси по всему объему ферментера, электродвигателя для привода насоса, элементов для подсоединения газового и минерального питания, охлаждения, рециркуляции (продувки), слива суспензии, подтитровки, контроля и управления. Узел диспергирования газов представляет собой комбинацию центробежного насоса и сопловых насадок. Культуральная жидкость выбрасывается из сопловых насадок в расширительные трубки, при этом используется эффект эжекционного подсоса газовой фазы, что приводит к интенсивному насыщению жидкости газами.

Рис. 1 - Микробиологический стенд с пультом управления

Перед началом работы в ферментер заливают воду, часть питательного раствора солей и необходимое количество культуры микроорганизмов. Затем включают насос ферменера для перемешивания среды и подают смесь газов. Смесь готовят следующим образом. Газы из баллонов через систему редукторов, клапанов и счетчиков подают для смешения в компактную емкость из упругого материала. Управление открытием и закрытием входных клапанов в емкость осуществляют счетчиками. Для чего на каждом счетчике установлены выключатели таким образом, чтобы время открытия клапанов соответствовало заданному соотношению проходимых через них газов за один оборот стрелки.

В результате в емкость поступают водород, кислород и углекислый газ в требуемой пропорции. При наполнении газами эластичная емкость увеличивается в размерах, что приводит к срабатыванию выключателей и прекращению поступления газов в емкость. Затем из эластичной емкости смесь газов через дополнительный счетчик направляют в ферментер.

В зависимости от количества поступивших в ферментер газов от дополнительного газового счетчика идет сигнал на пульт управления, который открывает соответствующие клапаны для подачи в ферментер пропорционального количества раствора минеральных солей.

После подъема температуры среды до 30±1ºС в рубашку ферментера направляют холодную воду. Температура поддерживается постоянной в заданном режиме с помощью терморегулятора.

По мере роста биомассы эластичная емкость опорожняется, объем ее сокращается и снова включаются газовые счетчики. Цикл заполнения повторяется в той же последовательности.

При работе установки в ферментере может происходить неравномерное потребление водорода, кислорода или углекислого газа микроорганизмами. При этом нарушается оптимальное соотношение газов. Для поддержания в ферментере заданного состава газовой фазы предусмотрена система титрования.

Система позволяет по показаниям датчиков, установленных в ферментере, определять соотношение поступивших газов. При недостатке восстановительной среды сигнал от датчика поступает в систему автоматической подпитки требуемым количеством водорода. Другой датчик таким же способом фиксирует недостаток окислительной среды, что также в автоматическом режиме позволяет подать в ферментер кислород.

Кислотность измеряют отдельно рН-метром, который через блок автоматического титрования (БАТ-15) фиксирует заданную рН среды и подает сигнал на открытие клапана для дозировки аммиака.

Для обеспечения частичной или полной смены газовой фазы предусмотрена система продувки газовой полости ферментера.

В процессе роста биомассы повышается ее концентрация в суспензии. Измерение концентрации культуральной жидкости в ферментере осуществляют методом пропорциональных отклонений, заключающемся в измерении отношения двух световых потоков, полного и пропущенного, через измеряемую среду. Коэффициент пропускания измеряемой среды, представляющий собой отношение интенсивности этих потоков, определяют в виде отношения соответствующих фототоков непосредственно по шкале микроамперметра. Таким образом, показания микроамперметра позволяют найти коэффициент и по нему концентрацию суспензии, используя соответствующие тарировочные таблицы.

В зависимости от концентрации биомассы в суспензии производится дозированный слив и долив эквивалентного количества раствора минеральных солей.

Для этого применяют мембранные дозаторы. Затем вручную суспензию заливают в электросепаратор «Сатурн-2», сепарируют, после чего влажную биомассу переводят в сушильный шкаф «Снол», высушивают и отправляют в холодильник.

Результаты исследования. Достоверность получаемых результатов определяли путем сравнения с ранее опубликованными данными рис. 2 [7].

Рис. 2 - Зависимость экономического коэффициента J по водороду и скорости роста μ водородокисляющих бактерий от температуры и рН околоклеточной среды

Как видим, в оптимальных условиях скорость биосинтеза равна μ = 0,39 ч–1. При этом температура среды поддерживали на уровне 30ºС и слив суспензии производили с концентрацией абсолютно сухих веществ х = 3,7 г/л. В основной части настоящей работы в ферментер подавали водород, полученный электролизом воды. В этом случае при повышеннии концентрации суспензии с 0,8 г/л до 6,0 г/л скорость процесса составляла 0,35 ч–1. При переходе на водород, получаемый путем взаимодействия с водой алюминия, активированного индием, галлием, оловом (по 5% каждого элемента) скорость процесса составила 0,3 ч–1 и концентрация - 6,0 г/л. При повышении концентрации до 10 г/л наблюдали снижение скорости до 0,25 ч–1.

В период питания бактерий водородом от реакции  сплава  ферросилиция  с водным раствором щелочи скорость процесса не превышала 0,15 ч^–1 (при х = 10 г/л). Следует отметить, что в случае малых концентраций биомасса удваивается каждые 1,5-2 часа, в то время как при х = 6-10 г/л  -  через 3-4 ч.

Необходимо учитывать, что каждые 0,6 г водорода дают возможность получить 1 г биомассы. Удельная калорийность биомассы составляет в среднем 22175 кДж/кг.

Данные подтверждены также результатами предварительных совместных исследований, проведенных в одной из микробиологических лабораторий.

В процессе синтеза бактерии усваивают 24,5% энергии окисления водорода. Остальная часть энергии окисления отводится в окружающую среду в виде тепла. Окончательную оценку эффективности работы опытной установки можно получить лишь после изучения качества биомассы.

Соблюдая данное требование к работе был привлечен Харьковский научно-исследовательский институт микробилогии и иммунологии им. И. И. Мечникова. Установлено, что в процессе непрерывного культивирования синтез белка бактерией Alkaligenes eutropha Z1 стабилен и составляет 72-74%, что соответствует литературным данным. Содержание липидных, углеводных компонентов и нуклеиновых кислот в биомассе в пределах нормы. Наличие в биомассе других видов не превышает допустимый уровень.

Таким образом, можно считать доказанным, что отдельные узлы и вся система в целом работают вполне надежно.

Тем не менее, обнаружено, что аппаратурное оформление установки обладает рядом недостатков.

Известно, что водородные бактерии выделены из множества различных субстратов - почвы, озерной и речной воды, песка, илов, горных пород. Однако, следует отметить, что ни в одном из таких субстратов нет высоких гидродинамических нагрузок как в испытуемом аппарате с числом оборотов насоса для перемешивания равным 2960 об/мин. Столь высокая скорость перемешивания вызвана слабой растворимостью водорода в водной среде и ограниченностью теплообмена через малую поверхность кожуха аппарата.

Целесообразно также растворять водород отдельно от других газов. Преимущество такой раздельной подачи кислорода и водорода в биореактор заключается в обеспечении взрывобезопасности процесса [8]. По перечисленным причинам аппаратурное оформление установки требует некоторых изменений.

Специалисты микробиологи (Семенов Я. Б. и др.) отмечают, что в аналогичном производстве белка дрожжевым способом емкостные ферментеры с интенсивным перемешиванием испытывают значительные вибрации, приводящие к их преждевременному износу.

Учитывая ресурс и металлоемкость оборудованич в качестве биореакторов предложено принимать стандартные аппараты со стекающей пленкой (рис. 3).

Рис. 3 - Пленочный аппарат	Вид А
	1 - распределительная камера, 2 - корпус аппарата, 3 - сепаратор, 4 - трубопровод для циркуляции газов, 5 - трубопровод для циркуляции суспензии, 6 - мешалка для растворения Н2, 7 - вход культуральной жидкости, 8 - вход Н2, 9 - культуральная жидкость, 10 - вход газов О2 и СО2, 11 - газодувка, 12 - центробежный насос, 13 - слив биомассы, 14, 15 - вход и выход охлаждающей воды

 

Аппарат состоит из распределительного устройства, пучка вертикальных труб и сепаратора. При работе аппарата раствор солей попадает в распределительное устройство. Циллиндрические вставки в каждой трубке позволяют распределить раствор в виде пленки по внутренней поверхности труб. В зависимости от заданных условий пленка может стекать в ламинарном или в турбулентном режиме. Выделяющееся во время реакции тепло отводится от внешней поверхности труб холодной водой, подаваемой в межтрубное пространство. Раствор стекает в сепаратор, где отделяется от газов.

Апарат снабжен двумя циркуляционными контурами. Один - для газов, второй - для раствора. Кроме того, при ферментере расположен аппарат для интенсивного растворения водорода в растворе.

Особенности тепло- и массообмена в ферментерах. По существу микробиологический процесс можно рассматривать как макрореакцию, на скорость которой влияют факторы внешней среды: температура, рН, концентрации субстратов: биомассы, продуктов метаболизма, включая растворенные в жидкости газы.

При этом допущении уравнения кинетики макрореакции должны включать, в том числе уравнения массообмена, теплообмена и тепловой баланс.

При автоматическом регулировании процесса на заданном уровне отпадает необходимость в этих уравнениях, но в этом случае температура является входным параметром для кинетических уравнений.

Соблюдение данного принципа справедливо лишь в ходе проведения экспериментальных работ. Но без предварительного расчета тепло- массообмена невозможно выбрать тип аппарата и оценить его производительность. Поддержание процесса ферментации на заданном уровне режимных параметров определяется главным образом условиями тепло- и массообмена между фазами. В свою очередь, скорость этого процесса зависит от величины поверхности контакта фаз.

Однако при перемешивании двухфазной и трехфазной смеси любым способом, например, мешалками или применяя барботаж, величина межфазной поверхности остается неизвестной.

Расчет массообмена в аппаратах с мешалками основан на предположении, что жидкость представляет собой некое скопление «жидких частиц». Размер этих частиц соизмерим с наименьшим масштабом турбулентных пульсаций λ₀ , что выражается уравнением:

λ₀ = ν³/ρ³ε ,

где ν - кинематическая вязкость жидкости, ρ - плотность жидкости, ε - диссипация энергии на единицу массы суспензии (определяется по затратам энергии мешалкой).

«Жидкие частицы» являются по существу агломератом, размер которого зависит от условий перемешивания (через диссипацию энергии ε и связанный с ней внутренний масштаб турбулентности λ₀ ). После учета неравномерности турбулентности по рабочему объему аппарата получают ряд эмпирических и полуэмпирических формул для определения интенсивности массообмена. К сожалению, этот расчет дает крайне приближенные результаты [9].

Повысить точность расчетов удается лишь при замене аппарата с мешалкой на пленочный аппарат. В стандартных пленочных аппаратах изначально известны геометрические размеры труб тепломассообмена, а также характер их расположения в трубной решетке [10].

Данное обстоятельство даёт возможность определить интенсивность теплообмена по зависимостям безразмерных чисел Нуссельта от чисел Рейнольдса и Прандтля [11]. При этом в процессе теплоотдачи от пленки, разогреваемой за счет биореакции, к стенке охлаждающих труб необходимо применять модернизированное число Нуссельта в зависимости от числа Рейнольдса, в котором в качестве определяющего размера принята толщина стекающей пленки.

Следует также учитывать, что при содержании биомассы в минеральном растворе в пределах 1-3 г/л теплофизические свойства культуральной жидкости мало отличаются от свойств воды. Но с повышением концентрации необходимо учитывать рост вязкости.

На этой стадии расчетов возникли определенные трудности. Отсутствие в литературе сведений о теплофизических характеристиках исследуемой культуральной жидкости свидетельствует о том, что микробиологи недооценивают значение инженерных проблем. В сложившейся ситуации пришлось поступить следующим образом. По измеряемой плотности культуральной жидкости подбирали молочные сливки с аналогичной плотностью, что позволило воспользоваться справочными данными [12].

Теплоотдача в межтрубном пространстве также подчиняется аналогии Рейнольдса. Поток воды  омывает трубный пучок в поперечном направлении, что обеспечивается соответствующим расположением перегородок в межтрубном пространстве. Характер расположения труб в трубных решетках учитывают введением в уравнение коэффициента, представляющего собой отношения расстояний между трубами по сечению аппарата в поперечном направлении к продольному [13].

Коэффициенты теплоотдачи от пленки к стенке труб в 2-3 раза выше, чем от стенки к холодной воде. Данное обстоятельство приводит при одном и том же удельном тепловом потоке к значениям температурных напоров с внешней стороны в 2-3 раза превышающим значения с внутренней стороны труб.

Предполагалось, что первая опытно-промышленная установка будет иметь производительность по биомассе 10000 т/год. Учитывая, что на 1 кг биомассы требуется 0,6 кг водорода, то в год требуется растворить 6000 т водорода. Следовательно, за один час требуется растворять 685 кг водорода. Но 24,5% теплоты окисления водорода используют микробы. Отсюда 75,5% энергии окисления необходимо отвести в окружающую среду. Это в среднем составляет энергию теплоты 0,755·685 = 517 кг водорода. Теплота окисления водорода находится в пределах 142 МДж/кг. Простой расчет показывает, что в час необходимо отвести Q = 73,438·10⁹ Дж (или 204,16·10⁵ Вт·ч). При удельной тепловой нагрузке q = 30000 Вт/м², поверхность аппарата составит

F = Q/q = 680 м²,

(современные промышленные пленочные аппараты имеют площадь поверхности теплообмена порядка 620 м²).

Далее необходимо проверить достаточно ли этой поверхности для обеспечения массообмена между сопутствующим потоком газа и пленкой.

Для расчета массообмена применима зависимость между диффузионным числом Нуссельта и числами Рейнольдса и Прандтля, что подтверждено, в частности, при исследовании массообмена между поднимающейся пленкой суспензии латекса и сопутствующим потоком воздуха [11].

Экономические и экологические преимущества промышленного производства белка перед сельскохозяйственным методом. Стоимость промышленного производства белка в основном зависит от используемых газов, среди которых доминирует стоимость водорода.

В последнее время создан процесс производства водорода электролизом угольной пульпы. Так, в США стоимость одной тонны водорода, получаемого электролизом угольной пульпы, при расходе электроэнергии 5,3 кВт·ч на 1 кг водорода, ее цене 0,04 долл/кВт·ч и цене угля 32 долл/т, составляет 1700 долл, что на 50% нижет·стоимости получаемого электролизом воды [6].

Проведенные нами эксперименты показали, что при температуре 210-220ºС и давлении 9-11 МПа затраты энергии при электролизе угольной пульпы составляют 2,66-2,82 кВт·ч на кг водорода. Это позволяет снизить стоимость водорода на 20-30% по сравнению с данными американских авторов. На данный момент идет подборка материала анода, поскольку именно анод подвержен интенсивной коррозии.

Но упомянутая трудность легко преодолевается при электролизе угольных пластов в подземных условиях. В этом случае сам пласт является анодом и его разрушение как раз и должно происходить при газификации [14].

По расчетам молдавских микробиологов один биореактор емкостью 100 м³ может дать за 2 суток столько белка, сколько в год дает один гектар пшеницы. Отсюда следует, что такой реактор способен произвести в год количество белка, получаемому пшеницей с многих гектар посевных площадей. Естественно, что в этом случае исключается весь парк механизмов и с/х машин, обеспечивающих выращивание, подкормку, уборку, транспортировку и переработку урожая пшеницы.

Дело не только в том, что при переходе на новый способ производства белка происходит экономия ресурсов, но и осуществляется значительное положительное влияние на окружающую среду.

Известно, что доля вредных выбросов с отработанными газами автомобильных двигателей составляет 39-63% общего загрязнения окружающей среды. Вредные выбросы включают окись углерода, углеводороды и окислы азота [15]. Особенно загрязняет атмосферу закись азота - «веселящий газ», поскольку он обладает в 300 раз большей способностью задерживать тепловое излучение нежели молекула углекислого газа. Это чрезвычайно мощный парниковый газ [16].

Кроме того, при существующем способе производства и транспортировки продукты питания насыщаются сильным канцерогенным веществом - бенз(а)пиреном [17].

Выводы.

В результате исследования процесса выращивания биомассы установлено:

1. Отдельные узлы экспериментальной установки и системы в целом действуют удовлетворительно, однако в аппаратурном оформлении требуются изменения.
2. Свойства водорода, получаемого при взаимодействии алюминия с водой, в процессе выращивания биомассы аналогичны электролизному водороду. Требуются дополнительные исследования причин низкой эффективности водорода, получаемого при взаимодействии сплава ферросилиция со щелочью.
3. Синтез белка бактериями в процессе непрерывного культивирования стабилен и составляет 72-74%, что согласуется с литературными данными.
4. Для повышения взрывобезопасности процесса водород следует растворять в аппарате интенсивного перемешивания отдельно от кислорода и углекислого газа.
5. Учитывая ресурс и металлоемкость оборудования, в качестве биореактора необходимо применять пленочный аппарат вместо емкостного аппарата с мешалкой. Поверхность тепломассообмена пленочных аппаратов определяют по зависимостям безразмерных чисел Нуссельта от чисел Рейнольдса и Прандтля как с внутренней, так и с внешней стороны пучка охлаждаемых труб.
6. Представлены экономические и экологические преимущества перевода производства белка с сельскохозяйственных способов на промышленный, основанный на использовании водородокисляющих бактерий.

 

Список литературы

1. Pat. US 12320014 B2. Microorganisms and artificial ecosystems for the production of protein, food, and useful co-products from C1 substrates. Int. Cl. C12N1/20, C12P1/04, C25B1/04. Inventors: John S. Reed, Jil Geller, Sonali Hande. Pleasanton, CA (US). Assignee: Kiverdi, Inc., Pleasanton, CA (US). Appl. No.: 18/210,901. Filed: Jun. 16, 2023. Publ. Date: Jun. 3, 2025.
2. Pat. WO 2024/253609 A1. Sustainable waste management system of bio-circular technology involving a microbial consortium. Int. Cl.: B09B3/00, C12P1/04. Inventor; and Applicant: Basal, Ahmet (TR). Agent: Kordinat inovasyon ve fikri mulkiyet yonetimi Ltd. Stl; 34340 Besiktas/Istanbul (TR). Appl.: PCT/TR2023/050690. Filed: 18.07.2023. Publ. Date: 12.12.2024.
3. Pat. US 10,696,941 B2. Method and apparatus for growing microbial cultures that require gaseous electron donors, electron acceptors, carbon sources, or other nutrients. Int. Cl.: C12M3/00, C12M1/20. U.S. Cl.: C12N1/20, C12M41/46, C12M41/48. Inventors: Peter Dalla-Betta, Hayward, CA (US); John S. Reed, Berkeley, CA (US). Assignee: Kiverdi, Inc., Berkeley, CA (US). Appl. No.: 14/839,074. Filed: Aug. 28, 2015. Publ. Date: Jun. 30, 2020.
4. GB 2594454 A. Method for producing biomass using hydrogen-oxidizing bacteria. Int. Cl.: C12N1/20, A23K10/10, B01D53/84, C12P1/04, C12Q3/00, B01D2251/95. Inventors: Patrick William Mansfield Robert, Pander Bart, Krabben Preben, Nicholas Rowe Peter. Assignee: Deep Branch Biotechnology Ltd.; Crown Way, Cardiff CF14 3UZ, (UK). Appl. No.: 2006071.1. Filed: 24.04.2020. Publ. Date: 03.11.2021.
5. Pat. EP 4473125 A1. Process for biotechnological production of a bioproduct. Int. Cl.: C12P7/6436, C12M23/58, C12M43/00. Inventors: Philipp Arbter, Tyll Utesch, An-Ping Zeng. Current Assignee: Colipi GmbH; Hamburg (DE). Appl.: EP 22709595.7A, Filed: 01.02.2022. Publ. Date: 11.12.2024.
6. 6. МессерлеВ.Е., Устименко А.Б. Тридцать первая Международная техническая конференция по использованию угля и топливным системам // Теплоэнергетика. 2007. № 3. - С.71-76.
7.  Волова Т.Г., Терсков И.А., Сидько Ф.Я. Микробиологический синтез на водороде. - Наука, 1985. - 116 с.
8. 8.Pat. AU 2021277653 B2. Microorganisms and artificial ecosystems for the production of protein, food, and useful co-products from C1 substrates. Int. C12P1/04, C12P5/00, C12M1/04, C12P7/64, C25B1/04. Inventors: Reed, John S.; Geller, Jil; Hande, Sonali. Kiverdi, Inc.; Agent/Attorney: Arcadia Intellectual Property, Level 40 140, William Str., Melbourne, VIC, 3000 (AU). Appl. No: 2021277653. Filed: 30.11.2021. Publ. Date: 21.12.23.
9. Бирюков В.В., Кантере В.М. Оптимизация периодических процессов микробиологического синтеза. - Наука, 1985. - 296 с.
10. РТМ 26-01-71-75 (Руководящий технический материал). Испарители со стекающей пленкой. Методика теплового и гидромеханического расчета / Сост. Б.А. Трошенькин. - Мин. хим. и нефт.маш., 1975, - 43 с. Режим доступа: https://www.twirpx.com/file/3494809/

11. Трошенькин Б.А. Циркуляционные и пленочные испарители и водородные реакторы. - Киев: Наук. думка, 1985. - 176 с. Режим доступа: https://www.twirpx.com/file/3495851/

12. Чубин И.А., Маслов А.М. Справочник по теплофизическим характеристикам пищевых продуктов и полуфабрикатов // Пищевая промышленность. 1970. - 184 с.
13. Мигай В.Е., Фирсова Э.В. Теплообмен и гидравлическое сопротивление пучков труб. - Наука. 1986. - 195 с.
14. Патент112569Україна, МПК(2016.01). E21B 43/295(2006.01), C10G 1/00. Спосіб підземної газифікації вугілля та склад для його здійснення / Трошенькін Б.О., Янко С.В., Трошенькін В.Б., Хом'як К.М. // Власник: Iнститут проблем машинобудування iм. А. Н. Пiдгорного НАН України. - № а 2014 09035; Заявл. 11.08.2014; Опубл. 29.06.2016, Бюл. № 18. - 10 с.
15. МищенкоА.И. Применение водорода для автомобильных двигателей. - Киев: Наука, 1984. - 143 с.
16. Falkovski, P.G. Life’s Engines: How Microbes Made Earth Habitable (Pop Science). Princeton and Oxford: Princeton University Press. 2015. ISBN 978-0691155371.
17. Левчук И.В. Науково-методологічні основи удосконалення технохімічного контролю сировини і готової продукції олійножирових виробництв. Автореф. …дис. … докт. техн. наук. 05.18.06. - Харків: НТУ ХПИ. 2018. - 42 с.

 

UDC 579.22, 576.8, 536+621.36](06)(082)

 

HEAT AND MASS EXCHANGE IN PROTEIN PRODUCTION DEVICES
BASED ON HYDROGEN OXIDIZING BACTERIA

 

Troshen'kin B.A., Doctor of Technical Sciences, Prof., ORCID 0000-0003-1505-4717;
Kravchenko O.V., Corresponding member of NAS of Ukraine, Head of Complex Energy Technologies Department, e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID 0000-0003-0048-6744;
Troshen'kin V.B., Ph.D., tel. +38 (067) 79-55-267, e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID 0000-0001-9661-9489

 

1. Pidhоrny Institute of Energy Machines and Systems of National Academy of Sciences of Ukraine,

61046, Kharkiv, Komynalnikiv str., 2/10

Abstract

Тенденции в развитии мировой экономики настоятельно требуют перевода сельскохозяйственного производства продуктов питания на промышленное производство.

Многочисленные патенты, полученные в последнее время, подтверждают, что процессом получения белка, в частности, на основе водородокисляющих бактерий заинтересованы многие страны.

Исследования данного процесса находятся на стадии лабораторных экспериментов и предвартельного проектирования опытно-промышленных установок.

В настоящей работе рассмотрено современное состояние разработок по получению белка на основе водородокисляющих бактерий. Для выявления недостатков аппаратурного оформления процесса выращивания биомассы создана экспериментальная установка и проведен ряд исследований. Результаты сопосталены с известными данными.

По результатам экспериментальной работы уточнены основные закономерности процесса получения биомассы и проверена надежность работы отдельных узлов лабораторного стенда.

Всесторонний анализ полученной биомассы, проведенный в Харьковским НИИ микробиологии, вакцин и сывороток им. И.И. Мечникова установил, что в процессе непрерывного культивирования синтез белка бактерией Alkaligenes eutropha Z1 стабилен и в полученной биомассе составляет 72-74%, что соответствует литературным данным. Содержание липидных, углеводных компонентов и нуклеиновых кислот в пределах нормы. Наличие в биомассе других видов не превышает допустимый уровень.

Таким образом, доказано, что отдельные узлы и вся система в целом работают вполне надежно.

На основании результатов экспериментальных иследований процесса рекомендовано изменить аппаратурное оформление стенда - растворять водород в растворе питательных солей до подачи в ферментера, а в качестве ферментеров с мешалками применять пленочные аппараты.

Составлена последовательность расчета тепло- и массообмена в пленочном аппарате.

Показано, что перевод производства белка сельскохозяйственным методом на промышленный даст значительный экономический эффект и оздоровит окружающюю среду от выбросов в атмосферу вредных веществ.

___________________________________________________________

Global economic development trends urgently require the transition of agricultural food production to industrial scale.

Numerous patents recently obtained confirm that many countries are interested in protein production processes, particularly those based on hydrogen-oxidizing bacteria.

Research into this process is currently in the laboratory experimentation and preliminary design stages for pilot plants.

This paper examines the current state of development in protein production using hydrogen-oxidizing bacteria. To identify deficiencies in the biomass cultivation process, a pilot plant was created and a series of studies were conducted. The results were compared with existing data.

Based on the experimental results, the key principles of the biomass production process were clarified, and the reliability of individual components of the laboratory setup was verified.

A comprehensive analysis of the resulting biomass, conducted in I. Mechnikov Research Institute of Microbiology and Immunology (Kharkiv, Ukraine) established that, during continuous cultivation, protein synthesis by the Alkaligenes eutropha Z1 bacterium is stable, accounting for 72-74% of the resulting biomass, consistent with published data. The content of lipid, carbohydrate components, and nucleic acids is within normal limits. The presence of other species in the biomass does not exceed permissible levels.

Thus, it has been proven that the individual components and the entire system operate reliably. Based on the results of experimental process studies, it was recommended to modify the setup to dissolve hydrogen in a nutrient solution before feeding it to the fermenter, and to use film fermenters as stirred-film fermenters.

A calculation sequence for heat and mass transfer in a film fermenter was developed.

It has been shown that the conversion of protein production from agricultural methods to industrial ones will yield significant economic benefits and improve the environment by reducing harmful emissions into the atmosphere.

 

Key words: hydrogen, hydrogen-oxidizing bacteria, protein, heat and mass transfer, economic and ecology benefits, bioreactor.

References 17, figures 3;

 

References

 

1. Pat. US 12320014 B2. Microorganisms and artificial ecosystems for the production of protein, food, and useful co-products from C1 substrates. Int. Cl. C12N1/20, C12P1/04, C25B1/04. Inventors: John S. Reed, Jil Geller, Sonali Hande. Pleasanton, CA (US). Assignee: Kiverdi, Inc., Pleasanton, CA (US). Appl. No.: 18/210,901. Filed: Jun. 16, 2023. Publ. Date: Jun. 3, 2025.
2. Pat. WO 2024/253609 A1. Sustainable waste management system of bio-circular technology involving a microbial consortium. Int. Cl.: B09B3/00, C12P1/04. Inventor; and Applicant: Basal, Ahmet (TR). Agent: Kordinat inovasyon ve fikri mulkiyet yonetimi Ltd. Stl; 34340 Besiktas/Istanbul (TR). Appl.: PCT/TR2023/050690. Filed: 18.07.2023. Publ. Date: 12.12.2024.
3. Pat. US 10,696,941 B2. Method and apparatus for growing microbial cultures that require gaseous electron donors, electron acceptors, carbon sources, or other nutrients. Int. Cl.: C12M3/00, C12M1/20. U.S. Cl.: C12N1/20, C12M41/46, C12M41/48. Inventors: Peter Dalla-Betta, Hayward, CA (US); John S. Reed, Berkeley, CA (US). Assignee: Kiverdi, Inc., Berkeley, CA (US). Appl. No.: 14/839,074. Filed: Aug. 28, 2015. Publ. Date: Jun. 30, 2020.
4. GB 2594454 A. Method for producing biomass using hydrogen-oxidizing bacteria. Int. Cl.: C12N1/20, A23K10/10, B01D53/84, C12P1/04, C12Q3/00, B01D2251/95. Inventors: Patrick William Mansfield Robert, Pander Bart, Krabben Preben, Nicholas Rowe Peter. Assignee: Deep Branch Biotechnology Ltd.; Crown Way, Cardiff CF14 3UZ, (UK). Appl.: No.: 2006071.1. Filed: 24.04.2020. Publ. Date: 03.11.2021
5. Pat. EP 4473125 A1. Process for biotechnological production of a bioproduct. Int. Cl.: C12P7/6436, C12M23/58, C12M43/00. Inventors: Philipp Arbter, Tyll Utesch, An-Ping Zeng. Current Assignee: Colipi GmbH; Hamburg (DE). Appl.: EP22709595.7A. Filed: 01.02.2022. Publ. Date: 11.12.2024.
6. 6. Messerle V.E., Ustimenko A.B. [Thirty-first International Technical Conference on Coal Utilization and Fuel Systems] / Teploenergetika [Thermal power engineering]. No. 3. - P. 71-76. (in rus.).
7. 7. Volova T.G., Terskov I.A., Sidko F.Ya. [Microbiological synthesis on hydrogen]. - Nauka, 1985. - 116 pp. (in rus.).
8. Pat. AU 2021277653 B2. Microorganisms and artificial ecosystems for the production of protein, food, and useful co-products from C1 substrates. Int. Cl. C12P1/04, C12P5/00, C12M1/04, C12P7/64, C25B1/04. Inventors: Reed, John S.; Geller, Jil; Hande, Sonali. Kiverdi, Inc.; Agent/Attorney: Arcadia Intellectual Property, Level 40 140 William Str., Melbourne, VIC, 3000 (AU). Appl. No: 2021277653. Filed: 30.11.2021. Publ. Date: 21.12.23.
9. BirykovV.V., Каnterе V.М. [Optimization of batch processes of microbiological synthesis]. - Nauka, 1985. - 296 с. (in rus.).
10. GTM 26-01-71-75 [(Guiding technical material). Evaporators with flowing film. Methods of thermal and hydromechanical calculations]. - M.: [Ministry of Chemistry. and petroleum engineering], 1975, - 43 pp. Access mode: https://www.twirpx.com/file/3494809/ (in rus.).

11. Troshen'kin B.A. [Circulating and film evaporators and hydrogen reactors]. - Kyiv: Naukova Dumka, 1985. - 176 pp. Access mode: https://www.twirpx.com/file/3495851/ (in rus.).

12. ChybinI.А., Маslov А.М. [Handbook of thermophysical characteristics of food products and semi-finished products] // Pishchevaya promishlennost [Food industry]. 1970. - 184 pp. (in rus.).
13. Мigai V.Е., Firsova E.V. [Heat transfer and hydraulic resistance of tube bundles]. - Nauka. 1986. - 195 pp. (in rus.).
14. Pat. UA112569. Method of underground gasification of coal and composition for its implementation. Int. Cl. E21B 43/295, C10G 1/00. Inventors: Troshenkin B.O., Yanko S.V., Troshenkin V.B., Khomyak K.M.; Owner: A. Pidgorny Inst. of Mechanical Eng. Problems of NAS of Ukraine. - No. a 2014 09035; Appl.: 11.08.2014; Publ. 29.06.2016, Bull. No. 18. - 10 p.
15. Мishchenko А.I. [Use of hydrogen for automobile engines]. - Kyiv: Nauka, 1984. - 143 pp. (in rus.)
16. Falkovski, P.G. Life’s Engines: How Microbes Made Earth Habitable. (Pop Science). Princeton and Oxford: Princeton University Press. 2015. ISBN 978-0691155371.
17. Levchyk I.V. [Scientific and methodological foundations of improving the technochemical control of raw materials and finished products of oil and fat production]. Author's abstract …diss. … doct. of techn. sciences. - Kharkiv: NTU kHPI. 2018. - 42 pp. (in ukr).

Доклад с презентацией представлен на XIV Международной онлайн конференции «Проблемы теплофизики и теплоэнергетики», 11-12 ноября 2025 года в Киеве в Институте технической теплофизики НАН Украины.