Способ фильтрации гомополисахаридов - RU2656157C2
Код документа: RU2656157C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к усовершенствованному способу фильтрации содержащих глюканы и биомассу водных ферментационных бульонов с использованием симметричных трубчатых мембран.
Нефть природных нефтяных месторождений находится в пустотах пористых пород-коллекторов, изолированных от поверхности земли непроницаемыми верхними слоями. При этом под пустотами подразумеваются чрезвычайно тонкие полости, капилляры, поры и так далее. Диаметр устья тонких пор может составлять, например, всего около 1 мкм. Помимо нефти, содержащей определенные количества природного газа, в нефтяном месторождении присутствует также вода с более или менее высоким содержанием солей.
В общем случае различают первичную, вторичную и третичную нефтедобычу. При первичной нефтедобыче поток нефти перемещается по пробуренной скважине к поверхности под собственным давлением месторождения. В зависимости от типа нефтяного месторождения посредством первичной добычи чаще всего можно добывать всего лишь примерно от 5 до 10% имеющейся в месторождении нефти, после чего собственного давления оказывается недостаточно. При вторичной добыче нефти давление в месторождении поддерживают посредством инжекции воды и/или водяного пара, однако подобная технология также не позволяет полностью извлечь оставшуюся в месторождении нефть. Технология третичной добычи нефти предусматривает использование пригодных химикатов в качестве вспомогательных компонентов. Речь при этом идет о так называемой технологии заводнения нефтяных месторождений с добавлением полимеров в закачиваемую жидкость. В случае использования подобной технологии через нагнетательные скважины в нефтяное месторождение вместо воды закачивают водный раствор загущающего полимера. Благодаря этому удается повысить выход добываемой нефти по сравнению с инжектированием только воды или водяного пара.
Для заводнения нефтяных месторождений с добавлением полимера в закачиваемую жидкость предлагалось использовать множество самых разных водорастворимых полимеров, в том числе синтетических полимеров, например, таких как полиакриламиды или сополимеры, содержащие звенья акриламида и других мономеров, а также водорастворимые полимеры природного происхождения.
Важными представителями полимеров природного происхождения, используемых в соответствии с указанной выше технологией заводнения, являются разветвленные гомополисахариды на основе глюкозы. Полисахариды, состоящие из мономерных звеньев глюкозы, называют также глюканами. Подобные разветвленные гомополисахариды содержат основную цепь, состоящую из соединенных в β-1,3-положении мономерных звеньев глюкозы, среднестатистически примерно каждое третье из которых посредством β-1,6-гликозидной связи соединено с другим мономерным звеном глюкозы. Водные растворы подобных разветвленных гомополисахаридов обладают оптимальными физически-химическими свойствами, в связи с чем они особенно хорошо пригодны для использования в соотвествии с указанной выше технологией заводнения, предусматривающей добавление полимеров.
Гомополисахариды указанной выше структуры секретируются разными грибковыми штаммами, например нитевидными базидиальными грибками Schizophyllum commune, которые в период роста выделяют гомополисахарид указанной структуры, средневесовая молекулярная масса Mw которого в типичных случаях находится в примерном диапазоне от 2 до 25⋅106г/моль (тривиальное название подобного гомополисахарида шизофиллан). Кроме того, следует упомянуть секретируемые грибками Sclerotium rolfsii гомополисахариды указанной выше структуры с тривиальным названием склероглюканы.
Методы получения разветвленных гомополисахаридов, состоящих из соединенных друг с другом в β-1,3-положении мономерных звеньев глюкозы, посредством ферментации грибковых штаммов и последующего фильтрования ферментационного бульона известны. Однако лимитирующим фактором при промышленной ферментации гомополисахаридов до последнего времени остается необходимость фильтрования больших объемов ферментационного бульона. Известно, что глюканы уже в низких концентрациях (8 г/л) образуют высоковязкие гели, что существенно усложняет реализацию соответствующих технологических операций. Таким образом, потребность в больших количествах глюкана не может быть удовлетворена путем повышения концентрации глюкана во время ферментации. Вместо этого приходится повышать количество ферментационного бульона. Следствием этого является необходимость фильтрования больших количеств ферментационного бульона. Однако известные до последнего времени методы фильтрации непригодны для переработки больших количеств ферментационного бульона, поскольку максимально возможный средний поток во время фильтрования составляет не более 10 кг/ч/м2.
В европейских патентах ЕР 271907 А2 и ЕР 504673 А1 опубликованы способы использования грибковых штаммов для получения разветвленных гомополисахаридов, состоящих из β-1,3-соединенных мономерных звеньев глюкозы. Указанные полисахариды получают посредством периодической ферментации штаммов при перемешивании и аэрации. Питательная среда в основном состоит из глюкозы, дрожжевого экстракта, кислого фосфорнокислого калия, сульфата магния и воды. Грибок секретирует полимер в водный ферментационный бульон, и в конце процесса ферментации водный раствор полимера выделяют из содержащего биомассу ферментационного бульона, например, путем центрифугирования или фильтрования.
В докторской диссертации Удо Рау «Biosynthese, Produktion und Eigenschaften von
В книге Удо Pay «Biopolymers» (6-й том, издатель A.
В международной заявке WO 2003/016545 А2 описан непрерывный способ получения склероглюканов, предусматривающий использование грибкового штамма Sclerotium rolfsii. Очистку осуществляют путем фильтрации с поперечным движением потока и скоростью пропускания по меньшей мере 7 м/с, предусматривающей использование фильтров из специальной стали с размером пор 20 мкм.
В международной заявке WO 2011/082973 А2 описано выделение клеток посредством асимметричных мембран, размер пор разделяющего слоя которых составляет от 1 до 10 мкм. Для выделения клеток можно использовать плоские мембраны, асимметричные трубчатые мембраны, а также одноканальные или многоканальные модули.
В соответствии с публикацией Хаарштрика и других (Bioprocess. Engineering 6 (1991) 179-186) для выделения клеток используют керамическую трубчатую мембрану PSK CER фирмы Millipore с размером пор от 0,45 до 1,0 мкм. Подобные трубчатые мембраны непригодны для выделения шизофиллана из ферментационных бульонов, поскольку поры слишком малы, чтобы шизофиллан мог проходить через них.
В Chem.-lng.-Tech. 63 (1991) N. 7, с. А468, для выделение мицеллярных фрагментов из растворов высокомолекулярных полимеров рекомендуется использовать плоские мембраны в виде ткани из специальной стали.
В диссертации Хаарштрика «Mechanische Trennverfahren zur Gewinnung zellfreier, hochviskoser
В Journal of Membrane Science 117 (1996), сс. 237-249, описана ультрафильтрация ксантана из ферментационного бульона.
В GIT Fachzeitung Labor (12/92, сс. 1233-1238) описано непрерывное получение разветвленных глюканов с рециркуляцией клеток. Соответствующую систему в специальной литературе называют также мембранным биореактором с внешней мембранной ступенью. Для выделения разветвленных глюканов из ферментационного контура циркуляции предлагается сначала выполнять фильтрацию с поперечным движением потока посредством мембран из специальной стали с размером пор 200 мкм. В качестве другого метода очистки на второй стадии авторы цитируемой публикации исследуют фильтрацию с поперечным движением потока на керамических мембранах, которая, однако, оказывается безуспешной. В результате выполненных экспериментов авторы приходят к заключению, что микрофильтрация с поперечным движением потока непригодна для выделения клеток из содержащих мицеллы высоковязких питательных суспензий.
Рентабельная промышленная реализация известных из уровня техники методов выделения глюканов из ферментационных бульонов не представляется возможной.
Таким образом, существует потребность в способе выделения глюканов из содержащих биомассу и глюканы ферментационных бульонов, в соответствии с которым ферментационный бульон можно было бы пропускать в виде интенсивного среднего потока через симметричные трубчатые мембраны без ущерба для качества получаемого при этом водного раствора глюкана, например, без повышения содержания продуктов разрушения клеток в указанном растворе.
Определение «интенсивный средний поток» означает, что способ выделения глюканов из содержащих биомассу и глюканы ферментационных бульонов может быть реализован при интенсивности перекачки, позволяющей повысить экономичность способа.
Указанная задача решается благодаря предлагаемому в изобретении способу выделения водного раствора глюканов из содержащего глюканы и биомассу водного ферментационного бульона на фильтрационной установке, причем способ предусматривает использование симметричных трубчатых мембран цилиндрической формы, внутренний диаметр которых находится в интервале от ≥2 до ≤6 мм.
Таким образом, в одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к способу выделения водного раствора глюканов из содержащего глюканы и биомассу водного ферментационного бульона на фильтрационной установке, причем способ включает по меньшей мере следующие стадии:
a) подачу исходного потока, содержащего водный ферментационный бульон, на фильтрационную установку,
b) пропускание исходного потока по меньшей мере через одну пористую трубчатую мембрану цилиндрической формы,
c) отбор потока пермеата, содержащего водный раствор глюканов,
причем внутренний диаметр трубчатой мембраны составляет от ≥2 до ≤6 мм.
В другом варианте осуществления изобретение относится к способу выделения водного раствора глюканов из содержащего глюканы и биомассу водного ферментационного бульона на фильтрационной установке, который включает по меньшей мере следующие стадии:
a) подачу исходного потока, содержащего водный ферментационный бульон, на фильтрационную установку,
b) пропускание исходного потока по меньшей мере через одну пористую симметричную трубчатую мембрану цилиндрической формы,
с) отбор потока пермеата, содержащего водный раствор глюканов,
причем внутренний диаметр симметричной трубчатой мембраны составляет от ≥2 до ≤6 мм.
В другом варианте осуществления изобретение относится к способу выделения водного раствора глюканов из содержащего глюканы и биомассу водного ферментационного бульона на фильтрационной установке, который включает по меньшей мере следующие стадии:
a) подачу исходного потока, содержащего водный ферментационный бульон, на фильтрационную установку,
b) пропускание исходного потока по меньшей мере через одну пористую симметричную трубчатую мембрану цилиндрической формы,
c) отбор потока пермеата, содержащего водный раствор глюканов,
причем внутренний диаметр симметричной трубчатой мембраны составляет от ≥2 до ≤6 мм и причем определяемая согласно стандарту ASTM F 795 эффективность разделения составляет от ≥0,5 до ≤45 мкм.
Использование пористых трубчатых мембран, предпочтительно симметричных пористых трубчатых мембран, внутренний диаметр которых составляет от ≥2 до ≤6 мм, позволяет экономично выделять глюканы из ферментационного бульона, поскольку площадь мембраны, требуемая для выделения одной тонны раствора глюканов в час, составляет лишь от 10 до 15 м2.
Симметричными называют трубчатые мембраны, поры которых в основном равномерно распределены по всему поперечному сечению стенки мембраны. Симметричные трубчатые мембраны известны специалистам и, в частности, описаны в Т. Melin und R. Rautenbach, Membranverfahren (Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung), 3-е издание (2007), издательство Springer, сс. 20 и следующие.
Симметричной трубчатой мембраной цилиндрической формы является трубчатая мембрана, ось которой параллельна продольной оси и которая имеет окруженное стенками полое пространство, поперечное сечение которого может быть как преимущественно многоугольным, так и круглым или овальным.
На прилагаемых к настоящему описанию чертежах показано:
на фиг. 1 - трубчатая мембрана,
на фиг. 2 - схема фильтрационной установки,
на фиг. 3 - мембранный элемент в виде гескагонального формованного изделия,
на фиг. 4 - схема фильтрационной установки.
Глюканы являются представителями класса гомополисахаридов, состоящими исключительно из мономерных звеньев глюкозы. Молекулы глюкозы могут быть соединены друг с другом α-гликозидными или β-гликозидными связями, образуя глюканы, которые могут обладать варьируемой степенью разветвления или линейной структурой. Глюканы предпочтительно выбраны из группы, включающей целлюлозу, амилозу, декстрин, гликоген, лихенин, ламинарии из водорослей, пахиман из паразитарных древесных грибов, дрожжевые глюканы с β-1,3-связью, пигеран, выделяемый из грибов микодекстран (α-1,3-глюкан, α-1,4-глюкан), курдлан (β-1,3-D-глюкан), пуллулан (α-1,4- и α-1,6-соединенный D-глюкан), шизофиллан (β-1,3-основная цепь, β-1,6-боковая цепь) и пустулан (β-1,6-глюкан).
Глюкан предпочтительно содержит основную цепь, состоящую из мономерных звеньев глюкозы, соединенных друг с другом β-1,3-гликозидными связями, а также боковые группы из мономерных звеньев глюкозы, присоединенные к основной цепи β-1,6-гликозными связями. Боковые группы предпочтительно состоят из единственного мономерного звена глюкозы, присоединенного посредством β-1,6-гликозидной связи, причем среднестатистически каждое третье звено основной цепи соединено с другим мономерным звеном глюкозы посредством β-1,6-гликозной связи.
Структуре шизофиллана соответствует формула (I), в которой n означает число от 2500 до 35000:
Грибковые штаммы, которые секретируют указанные выше глюканы, известны специалистам. Согласно настоящему изобретению предпочтительному использованию подлежат грибковые штаммы, выбранные из группы, включающей Schizophyllum commune, Sclerotium rolfsii, Sclerotium glucanicum, Monilinia fructigena, Lentinula edodes и Botrytis cinera. Кроме того, пригодные грибковые штаммы указаны, например, в европейском патенте ЕР 271907 А2, а также в пункте 1 приведенной в европейском патенте ЕР 504673 А1 формулы изобретения. В качестве грибковых штаммов особенно предпочтительно используют Schizophyllum commune или Sclerotium rolfsii, еще более предпочтительно Schizophyllum commune. Грибковый штамм Schizophyllum commune секретирует глюкан с основной цепью, состоящей из соединенных друг с другом β-1,3-гликозидными связями мономерных звеньев глюкозы, причем среднестатистически каждое третье мономерное звено основной цепи посредством β-1,6-гликозной связи соединено с другим мономерным звеном глюкозы, а следовательно, под глюканом предпочтительно подразумевают так называемый шизофиллан.
Типичные шизофилланы обладают средневесовой молекулярной массой Mw в примерном диапазоне от 2 до 25 106 г/моль.
Грибковые штаммы ферментируют в пригодной водной среде, соответственно питательной среде. В процессе ферментации грибки секретируют указанные выше глюканы в водную среду.
Методы ферментации указанных выше грибковых штаммов в принципе известны специалистам, например, из европейских патентов ЕР 271907 А2 и ЕР 504673 А1, немецкого патента DE 4012238 А1, международной заявки WO 03/016545 А2, а также из докторской диссертации Удо Pay «Biosynthese, Produktion und Eigenschaften von
Для получения ферментационного бульона грибки ферментируют в пригодной водной питательной среде. В процессе ферментации грибки секретируют глюканы указанных выше классов в водный ферментационный бульон.
Методы ферментации указанных выше грибковых штаммов в принципе известны специалистам, например, из европейских патентов ЕР 271907 А2 и ЕР 504673 А1, немецкого патента DE 4012238 А1 и международной заявки WO 2003/016545 А2, а также из докторской диссертации Удо Рау «Biosynthese, Produktion und Eigenschaften von
В предпочтительном варианте грибки можно культивировать, например, в водной питательной среде при температуре от 15 до 40°С, предпочтительно от 25 до 30°С, предпочтительно при аэрации и перемещении, например, посредством мешалки.
Ферментацию предпочтительно выполняют таким образом, чтобы концентрация подлежащих получению глюканов в подлежащем фильтрации ферментационном бульоне составляла по меньшей мере 8 г/л. Верхний концентрационный предел в принципе неограничен. Указанный предел выбирают таким образом, чтобы вязкость ферментационного бульона позволяла перерабатывать его посредством используемого для ферментации оборудования.
В заключение, из ферментационного бульона, который содержит растворенные глюканы, а также биомассу (грибковые клетки и в некоторых случаях продукты их разрушения) путем микрофильтрации с поперечным движением потока, выполняемой в соответствии с предлагаемым в изобретении способом, выделяют содержащий глюканы водный раствор, причем остается водный ферментационный бульон, содержащаяся в котором биомасса обладает более высокой концентрацией, чем ранее.
В другом варианте осуществления изобретения ферментацию выполняют в пригодном устройстве, которое включает по меньшей мере один ферментационный резервуар. Из подобного устройства постоянно или время от времени осуществляют боковой отбор ферментационного бульона, из которого посредством микрофильтрации с поперечным движением потока, выполняемой предлагаемым в изобретении способом, выделяют содержащий глюканы водный раствор. По меньшей мере часть остающегося водного ферментационного бульона, биомасса в котором находится в более высокой концентрации, чем ранее, и который называют также ретентатом, можно возвращать в ферментационный резервуар.
В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретение относится к реализуемому на фильтрационной установке способу выделения водного раствора глюканов, содержащих основную цепь из соединенных друг с другом β-1,3-гликозидными связями мономерных звеньев глюкозы и боковые группы из мономерных звеньев глюкозы, присоединенные к основной цепи β-1,6-гликозными связями, из водного ферментационного бульона, который включает глюканы, содержащие основную цепь из соединенных друг с другом β-1,3-гликозидными связями мономерных звеньев глюкозы и боковые группы из мономерных звеньев глюкозы, присоединенные к основной цепи β-1,6-гликозными связями, а также биомассу, причем способ включает по меньшей мере следующие стадии:
a) подачу исходного потока, содержащего водный ферментационный бульон, на фильтрационную установку,
b) пропускание исходного потока по меньшей мере через одну пористую симметричную трубчатую мембрану цилиндрической формы,
c) отбор потока пермеата, включающего водный раствор глюканов, содержащих основную цепь из соединенных друг с другом β-1,3-гликозидными связями мономерных звеньев глюкозы и боковые группы из мономерных звеньев глюкозы, присоединенные к основной цепи β-1,6-гликозными связями,
причем внутренний диаметр симметричной трубчатой мембраны составляет от ≥2 до ≤6 мм.
В еще более предпочтительном варианте изобретение относится к реализуемому на фильтрационной установке способу выделения водного раствора глюканов, содержащих основную цепь из соединенных друг с другом β-1,3-гликозидными связями мономерных звеньев глюкозы и боковые группы из мономерных звеньев глюкозы, присоединенные к основной цепи β-1,6-гликозными связями, из водного ферментационного бульона, который включает глюканы, содержащие основную цепь из соединенных друг с другом β-1,3-гликозидными связями мономерных звеньев глюкозы и боковые группы из мономерных звеньев глюкозы, присоединенные к основной цепи β-1,6-гликозными связями, а также биомассу, причем способ включает по меньшей мере следующие стадии:
a) подачу исходного потока, содержащего водный ферментационный бульон, на фильтрационную установку,
b) пропускание исходного потока по меньшей мере через одну пористую симметричную трубчатую мембрану цилиндрической формы,
c) отбор потока пермеата, включающего водный раствор глюканов, содержащих основную цепь из соединенных друг с другом β-1,3-гликозидными связями мономерных звеньев глюкозы и боковые группы из мономерных звеньев глюкозы, присоединенные к основной цепи β-1,6-гликозными связями,
причем внутренний диаметр симметричной трубчатой мембраны составляет от ≥2 до ≤6 мм и причем определяемая согласно стандарту ASTM F 795 эффективность разделения составляет от ≥0,5 до ≤45 мкм.
Внутренний диаметр трубчатой мембраны, предпочтительно симметричной трубчатой мембраны (параметр А на фиг. 1) предпочтительно находится в интервале от ≥3 до ≤6 мм, особенно предпочтительно от ≥2 до ≤5 мм, еще более предпочтительно от ≥2 до ≤4 мм.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения определяемый согласно стандарту ISO 15901-1 размер пор d90 трубчатой мембраны, предпочтительно симметричной трубчатой мембраны, находится в интервале от ≥4 до ≤45 мкм, особенно предпочтительно от ≥4 до ≤20 мкм, особенно предпочтительно от ≥4 до ≤9 мкм. Под размером пор d90 подразумевают известный специалистам параметр. Его определяют на основании кривой распределения пор материала основы по размерам, причем в качестве «размера пор d90» указывают размер пор, меньшим или равным которого обладают поры, образующие 90% общего объема пор материала. Распределение пор материала по размерам можно определять, например, методом ртутной порометрии и/или газоадсорбционными методами.
Предпочтительной является трубчатая мембрана, предпочтительно симметричная трубчатая мембрана, выполненная из материала, который характеризуется определяемой согласно стандарту ASTM F 795 эффективностью разделения в диапазоне от ≥0,5 до ≤45 мкм, особенно предпочтительно от ≥1,0 до ≤10 мкм, еще более предпочтительно от ≥1,0 до ≤6,0 мкм, в частности от ≥1,0 до ≤5,0 мкм.
Длина трубчатой мембраны, предпочтительно симметричной трубчатой мембраны (параметр С на фиг. 1), предпочтительно находится в интервале от ≥0,2 до ≤1,5 м, особенно предпочтительно от ≥0,2 до ≤1,2 м, еще более предпочтительно от ≥0,3 до ≤1,0 м, наиболее предпочтительно от ≥0,3 до ≤0,7 м.
Толщина стенок трубчатой мембраны, предпочтительно симметричной трубчатой мембраны (параметр В на фиг. 1), предпочтительно находится в интервале от ≥0,3 до ≤3,0 мм, особенно предпочтительно от ≥1,0 до ≤2,0 мм. Предпочтительным является использование трубчатой мембраны, стенки которой обладают как можно меньшей толщиной, поскольку при таком варианте исполнения трубчатой мембраны может быть обеспечен более интенсивный средний поток по сравнению с трубчатой мембраной с аналогичным наружным диаметром, но большей толщиной стенок.
Трубчатая мембрана, предпочтительно симметричная трубчатая мембрана, предпочтительно характеризуется определяемым согласно стандарту DIN ISO 4022 коэффициентом проницаемости α в диапазоне от 0,15⋅10-12 до 1,80⋅10-12 м2. Кроме того, трубчатая мембрана, предпочтительно симметричная трубчатая мембрана, предпочтительно характеризуется определяемым согласно стандарту DIN ISO 4022 коэффициентом проницаемости β в диапазоне от 0,06⋅10-12 до 1,7-1012 м2.
Предпочтительно используемые согласно изобретению трубчатые мембраны выполнены в виде симметричных трубчатых мембран.
Под трубчатыми мембранами, предпочтительно под симметричными трубчатыми мембранами, предпочтительно подразумевают металлические трубчатые мембраны или керамические трубчатые мембраны. Под используемыми трубчатыми мембранами, предпочтительно симметричными трубчатыми мембранами, предпочтительно подразумевают трубчатые мембраны из спеченного металла, предпочтительно симметричные трубчатые мембраны из спеченного металла. Трубчатые мембраны из спеченного металла, предпочтительно симметричные трубчатые мембраны из спеченного металла, предпочтительно выполнены из материала, выбранного из группы, включающей специальную сталь, титан, сплав никеля с медью, сплав никеля с хромом, сплав никеля с железом, сплав никеля, железа и хрома, бронзу и цирконий. Речь при этом идет о трубчатых мембранах, которые могут быть поставлены, например, фирмой GKN Sinter Metals Filters GmbH (Радеформвальд, Германия). Поперечное сечение трубчатой мембраны, предпочтительно симметричной трубчатой мембраны, предпочтительно обладает круглой, овальной или многоугольной, например четырехугольной или шестиугольной конфигурацией. Поперечное сечение трубчатой мембраны, предпочтительно симметричной трубчатой мембраны, особенно предпочтительно обладает круглой конфигурацией.
Предпочтительному использованию подлежат трубчатые мембраны, предпочтительно симметричные трубчатые мембраны, в виде так называемых одноканальных элементов.
По меньшей мере одна трубчатая мембрана, предпочтительно по меньшей мере одна симметричная трубчатая мембрана, предпочтительно образует мембранный модуль с другими трубчатыми мембранами, упорядоченными параллельно по меньшей мере одной трубчатой мембране, предпочтительно по меньшей мере одной симметричной трубчатой мембране, причем количество подобных других трубчатых мембран составляет от 2 до 15000.
Трубчатые мембраны, предпочтительно симметричные трубчатые мембраны, можно использовать также в виде многоканальных элементов. В случае многоканальных элементов материал основы образует формованное изделие, например круглое или шестиугольное формованное изделие (позиция D на фиг. 3), внутри которого выполнены каналы (позиция Е на фиг. 3). Наружный диаметр подобного формованного изделия для мембранного модуля предпочтительно составляет от 5 до 100 мм, особенно предпочтительно от 10 до 50 мм. Преимуществом многоканальных элементов является большая поверхность мембраны при одинаковой занимаемой площади, а также более простой монтаж. Недостатком многоканальных элементов по сравнению с одноканальными элементами является более сложная технология изготовления.
Несколько мембранных модулей могут быть упорядочены параллельно или последовательно. Параллельно или последовательно предпочтительно могут быть упорядочены 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10 мембранных модулей, особенно предпочтительно 3, 4, 5 или 5 мембранных модулей.
При фильтрации с поперечным движением потока поток подлежащей фильтрации жидкости направляют параллельно поверхности фильтрующего материала мембраны, например, посредством пригодного циркуляционного насоса. Таким образом, поток жидкости постоянно омывает поверхность фильтрующей мембраны и тем самым предотвращает или по крайней мере уменьшает образование отложений на указанной поверхности. В качестве насосов в принципе пригодны насосы любого типа. Однако в связи с высокой вязкостью ферментационного бульона особенно пригодными являются насосы объемного действия, еще более предпочтительно эксцентриковые шнековые насосы и ротационно-поршневые насосы. Пригодными являются также лопастные насосы, центробежные канализационные насосы и насосы Пито.
Для осуществления предлагаемого в изобретении способа предлагаемые в изобретении трубчатые мембраны встраивают в пригодные фильтрационные установки. Конструкция пригодных фильтрационных установок в принципе известна специалистам.
Для осуществления предлагаемого в изобретении способа используют трубчатые мембраны, предпочтительно симметричные трубчатые мембраны. Ретентат предпочтительно пропускают через внутренний объем канала(-ов) трубчатой мембраны, при этом пермеат проникает через стенки материала основы и оказывается в пространстве для пермеата. Менее предпочтительным является вариант, в соответствии с которым ретентат находится вне канала(-ов), тогда как пермеат накапливается внутри канала(-ов).
Скорость пропускания исходного потока на стадии b) предпочтительно составляет от ≥0,5 до ≤5 м/с, особенно предпочтительно от ≥2 до ≤4 м/с. Неблагоприятным последствием слишком низкой скорости пропускания исходного потока является быстрое закупоривание мембраны, тогда как слишком высокая скорость пропускания исходного потока в связи с большим расходом подлежащего циркуляции ретентата требует излишних расходов.
Температура, при которой исходный поток пропускают по меньшей мере через одну трубчатую мембрану, предпочтительно по меньшей мере через одну симметричную трубчатую мембрану, не является критическим параметром и предпочтительно находится в интервале от 5 до 150°С, особенно предпочтительно от 10 до 80°С, еще более предпочтительно от 15 до 40°С. В случае если необходимо сохранять жизнедеятельность выделяемых клеток, что имеет место, например, при использовании способа с рециркуляцией биомассы, температура пропускания исходного потока должна находиться в интервале от 15 до 40°С.
На фиг. 2 представлен предпочтительный вариант конструктивного исполнения фильтрационной установки, подлежащей использованию согласно настоящему изобретению. Предпочтительная фильтрационная установка включает циркуляционный насос Р1, фильтровальный аппарат F1 и теплообменник W1. Посредством циркуляционного насоса Р1 обеспечивают указанное выше поперечное течение жидкости вдоль поверхности упорядоченной в фильтровальном аппарате F1 трубчатой мембраны. Теплообменник W1 предназначен для термостатирования пропускаемого через установку потока. Несколько показанных на фиг. 2 фильтрационных установок могут быть упорядочены последовательно или параллельно.
Фильтровальный аппарат F1 состоит из кожуха, в который помещена по меньшей мере одна трубчатая мембрана. Посредством трубчатой мембраны кожух разделен на так называемое пространство для ретентата и пространство для пермеата. Нагнетаемая насосом Р1 жидкость, называемая исходным потоком, содержит ферментационный бульон, биомассу и глюкан. Исходный поток по меньшей мере по одному подводящему трубопроводу подают в пространство для ретентата. Из пространства для ретентата по меньшей мере по одному выпускному трубопроводу выходит поток жидкости, называемой концентратом. Давление внутри пространства для ретентата превышает давление внутри пространства для пермеата. Разность соответствующих давлений называют трансмембранным давлением. Часть исходного потока проходит через мембрану и накапливается в пространстве для пермеата. Указанная часть жидкости, называемая пермеатом, представляет собой отделенный от биомассы раствор глюкана. Подачу исходного потока на стадии а) и отбор потока пермеата на стадии с) предпочтительно выполняют в непрерывном режиме, причем непрерывный отбор пермеата может прерываться для осуществления операций регулярной обратной промывки. Отбор потока пермеата и потока ретентата предпочтительно осуществляют непрерывно, причем количественное отношение потока пермеата к потоку ретентата предпочтительно находится в интервале от 0,5 до 20.
Трансмембранное давление предпочтительно составляет от 0,1 до 10 бар, особенно предпочтительно от 0,5 до 6 бар, еще более предпочтительно от 1 до 4 бар. Трансмембранное давление предпочтительно устанавливают путем его плавного повышения до необходимого значения со скоростью от 0,05 до 2 бар/ч.
Время эксплуатации мембранной фильтрационной установки при необходимости может возрастать вследствие регулярной обратной промывки пермеатом. При этом через регулярные промежутки времени в пространстве для пермеата создают давление, превышающее давление в пространстве для ретентата, и в пространство для ретентата в течение определенного промежутка времени через мембрану передавливают определенное количество пермеата. Подобную обратную промывку можно осуществлять, например, путем подачи азота в пространство для пермеата, посредством насоса для обратной промывки или благодаря использованию поршневой системы, поставляемой, например, фирмой Pall (Бад-Кройцнах) под торговым названием «Backpulse Decolmateur BF 100». Обратную промывку следует выполнять через промежутки времени, составляющие от 5 до 30 минут, однако она не ограничена указанными временными пределами. Расход используемого для обратной промывки пермеата предпочтительно составляет от 0,1 до 5 л/м2 поверхности мембраны, особенно предпочтительно от 0,1 до 2 л/м2 поверхности мембраны. Давление обратной промывки предпочтительно находится в диапазоне от 1 до 10 бар.
В зависимости от качества продукта ферментации в определенные моменты времени может потребоваться очистка используемых трубчатых мембран. Очистку трубчатых мембран можно выполнять путем их обработки пригодным для очистки раствором при температуре, предпочтительно составляющей от 20 до 100°С, особенно предпочтительно от 40 до 80°С. В качестве раствора для очистки можно использовать кислоты (минеральные кислоты, например фосфорную кислоту и азотную кислоту, или органические кислоты, например муравьиную кислоту). Концентрация кислоты предпочтительно составляет от 1 до 10% масс. Более высокой эффективности очистки трубчатых мембран, как правило, достигают благодаря использованию щелочей (например, раствора едкого натра или раствора едкого калия). Концентрация используемых для очистки щелочей предпочтительно составляет от 0,1 до 20% масс. Эффективность очистки может быть значительно повышена благодаря добавлению веществ с окисляющим действием, например, пероксида водорода, гипохлоритов, в частности, гипохлорита натрия, или надуксусной кислоты. Концентрация веществ с окисляющим действием должна составлять от 0,5 до 10% масс., в частности от 1 до 5% масс. В особенно предпочтительном варианте очистку трубчатых мембран можно выполнять смесью пероксида водорода со щелочью или смесью пероксида водорода с гипохлоритом. Очистку трубчатых мембран выполняют после выключения мембранной фильтрационной установки предпочтительно без демонтажа подлежащих очистке мембран (то есть с помощью системы мойки без разборки). Предлагаемый в изобретении способ отличается тем, что очистку трубчатых мембран необходимо выполнять лишь после того, как количество пермеата составит более 2000 кг/м2 поверхности мембраны. Таким образом, предлагаемый в изобретении способ позволяет пролонгировать продолжительность эксплуатации фильтрационной установки, поскольку очистку трубчатых мембран можно осуществлять через большие промежутки времени.
Предлагаемый в изобретении способ допускает возможность простого получения пригодного для третичной нефтедобычи раствора глюканов с основной цепью из мономерных звеньев, соединенных друг с другом β-1,3-гликозидными связями, и боковыми группами, присоединенными к основной цепи β-1,6-гликозидными связями, причем концентрация глюканов в указанном растворе составляет от ≥3 до ≤30 г/л, особенно предпочтительно от ≥3 до ≤20 г/л, еще более предпочтительно от ≥5 до ≤15 г/л.
Выход шизофиллана, то есть количество шизофиллана, которое может быть выделено посредством фильтрации в пересчете на количество шизофиллана в подлежащем фильтрации ферментационном бульоне, предпочтительно составляет от 60 до 80%, особенно предпочтительно от 65 до 75%.
Выход шизофиллана дополнительно может быть повышен благодаря так называемой диафильтрации, дополнительно выполняемой во время фильтрации или в ее конце.
Примеры
Пример 1
Используемая фильтрационная установка с поперечным движением потока показана на фиг. 2. Установка состоит из снабженного мешалкой сборника В1 объемом 4 литра, ротационно-поршневого насоса Р1, трубчатого теплообменника W1, редукционного клапана V1 и фильтрационного модуля F1. Посредством теплообменника W1 содержимое фильтрационной установки с поперечным движением потока термостатируют при 30°С. В фильтрационном модуле используют симметричную трубчатую мембрану типа SIKA R3 фирмы GKN Sinter Metals Filters GmbH (Радеформвальд, Германия). Длина трубчатой мембраны составляет 430 мм, внутренний диаметр 3 мм и 6 мм. Полезная площадь фильтрации симметричной трубчатой мембраны составляет 0,00368 м2. Толщина стенок симметричной трубчатой мембраны составляет 1,5 мм, эффективность разделения, определяемая согласно стандарту ASTM F 795, составляет 3 мкм. Через каждые 700 секунд выполняют обратную промывку фильтрационного модуля F1, используя соответственно 6 мл пермеата, причем промывку реализуют посредством вентилей V3 и V2 и причем давление сжатого воздуха составляет 8 бар.
В опытах используют грибковый штамм Schizophyllum commune, а именно шизофиллан, полученный в режиме периодической ферментации согласно Udo Rau, Biopolymers, A.
1510 г указанного ферментационного бульона (исходного материала) загружают в резервуар В1 и посредством насоса Р1 осуществляют его циркуляцию с расходом 75 л/ч. Скорость пропускания ферментационного бульона через контур циркуляции составляет 2,9 м/с. Трансмембранное давление, которое при открытом вентиле для слива пермеата составляет 0,5 бар, в течение пяти часов повышают до 3 бар и сохраняют на этом уровне вплоть до завершения опыта. Пермеат накапливают и взвешивают. В процессе фильтрации количество находящегося в резервуаре В1 ферментационного бульона благодаря использованию системы регулирования уровня остается неизменным и составляет 1500 г. Длительность фильтрации составляет 34 часа, причем в течение этого периода накапливают 10500 г пермеата. Средний поток в процессе фильтрации составляет 83,7 кг/ч/м2. Удельная нагрузка на фильтр составляет более 2800 кг/м2. Накопленный пермеат подвергают анализу, согласно которому содержание глюкана в нем составляет 6,5 г/л, что соответствует фильтрационному выходу 70%. Пермеат совершенно прозрачен и не содержит продуктов разрушения клеток.
Пример 2
В данном примере используют установку для фильтрации с поперечным движением потока и ферментационный бульон, аналогичные примеру 1.
1500 г ферментационного бульона загружают в резервуар В1 и посредством насоса Р1 осуществляют его циркуляцию с расходом 75 л/ч. Скорость пропускания ферментационного бульона через контур циркуляции составляет 2,9 м/с. Трансмембранное давление, которое при открытом вентиле для слива пермеата составляет 0,8 бар, в течение двух часов повышают до 3 бар и сохраняют на этом уровне вплоть до завершения опыта. Пермеат накапливают и взвешивают. В процессе фильтрации количество находящегося в резервуаре В1 ферментационного бульона благодаря использованию системы регулирования уровня остается неизменным и составляет 1500 г. Длительность фильтрации составляет 63 часа, причем в течение этого периода накапливают 10500 г пермеата. Средний поток вплоть до завершения фильтрации составляет 43,4 кг/ч/м2. Накопленный пермеат подвергают анализу, согласно которому содержание глюкана в нем составляет 6,7 г/л, что соответствует фильтрационному выходу 74%.
Затем выполняют фильтрацию выгруженного с фильтрационной установки ретентата при отношении полученного, как указано выше, пермеата к выгруженному ретентату 7:1. При этом фильтрационную установку эксплуатируют еще в течение 30 часов. В течение общего времени фильтрации получают 14204 г пермеата и 2032 г ретентата. Средний поток в течение общего времени фильтрации составляет 41,5 кг/ч/м2. Удельная нагрузка на фильтр составляет более 3800 кг/м2. Пермеат совершенно прозрачен и не содержит продуктов разрушения клеток.
Пример 3
В данном примере используют установку для фильтрации с поперечным движением потока и ферментационный бульон, аналогичные примеру 1.
1500 г ферментационного бульона загружают в резервуар В1 и посредством насоса Р1 осуществляют его циркуляцию с расходом 75 л/ч. Скорость пропускания ферментационного бульона через контур циркуляции составляет 2,9 м/с. Трансмембранное давление, которое при открытом вентиле для слива пермеата составляет 0,8 бар, в течение четырех часов повышают до 3 бар и сохраняют на этом уровне вплоть до завершения опыта. Пермеат накапливают и взвешивают. В процессе фильтрации количество находящегося в резервуаре В1 ферментационного бульона благодаря использованию системы регулирования уровня остается неизменным и составляет 1500 г. Длительность фильтрации составляет 30 часа, причем в течение этого периода накапливают 10500 г пермеата. Средний поток вплоть до завершения фильтрации составляет 94,7 кг/ч/м2. Накопленный пермеат подвергают анализу, согласно которому содержание глюкана в нем составляет 6,2 г/л, что соответствует фильтрационному выходу 68%. Затем выполняют фильтрацию выгруженного с фильтрационной установки ретентата при отношении полученного, как указано выше, пермеата к выгруженному ретентату 7:1. При этом фильтрационную установку эксплуатируют еще в течение 25 часов. В течение общего времени фильтрации получают 18284 г пермеата и 2613 г ретентата. Средний поток в течение общего времени фильтрации составляет 90,2 кг/ч/м2. Удельная нагрузка на фильтр составляет более 2600 кг/м2. Пермеат совершенно прозрачен и не содержит продуктов разрушения клеток.
Пример 4
В данном примере используют установку для фильтрации с поперечным движением потока и ферментационный бульон, аналогичные примеру 1.
1500 г ферментационного бульона загружают в резервуар В1 и посредством насоса Р1 осуществляют его циркуляцию с расходом 75 л/ч. Скорость пропускания ферментационного бульона через контур циркуляции составляет 2,9 м/с. Трансмембранное давление, которое при открытом вентиле для слива пермеата составляет 0,8 бар, в течение восьми часов повышают до 3 бар и сохраняют на этом уровне вплоть до завершения опыта. Пермеат накапливают и взвешивают. В процессе фильтрации количество находящегося в резервуаре В1 ферментационного бульона благодаря использованию системы регулирования уровня остается неизменным и составляет 1500 г. Длительность фильтрации составляет 37 часа, причем в течение этого периода накапливают 10500 г пермеата. Средний поток вплоть до завершения фильтрации составляет 77,4 кг/ч/м2. Накопленный пермеат подвергают анализу, согласно которому содержание глюкана в нем составляет 6,3 г/л, что соответствует фильтрационному выходу 68%. Затем выполняют фильтрацию выгруженного с фильтрационной установки ретентата при отношении полученного, как указано выше, пермеата к выгруженному ретентату 7:1. При этом фильтрационную установку эксплуатируют еще в течение 25 часов. В течение общего времени фильтрации получают 16723 г пермеата и 2692 г ретентата. Средний поток в течение общего времени фильтрации составляет 73,0 кг/ч/м2. Удельная нагрузка на фильтр составляет более 4500 кг/м2. Пермеат совершенно прозрачен и не содержит продуктов разрушения клеток.
Пример 5
В данном примере используют установку для фильтрации с поперечным движением потока и ферментационный бульон, аналогичные примеру 1.
1500 г ферментационного бульона загружают в резервуар В1 и посредством насоса Р1 осуществляют его циркуляцию с расходом 75 л/ч. Скорость пропускания ферментационного бульона через контур циркуляции составляет 2,9 м/с. Трансмембранное давление, которое при открытом вентиле для слива пермеата составляет 0,8 бар, в течение 16 часов повышают до 3 бар и сохраняют на этом уровне вплоть до завершения опыта. Пермеат накапливают и взвешивают. В процессе фильтрации количество находящегося в резервуаре В1 ферментационного бульона благодаря использованию системы регулирования уровня остается неизменным и составляет 1500 г. Длительность фильтрации составляет 39 часа, причем в течение этого периода накапливают 10800 г пермеата. Средний поток вплоть до завершения фильтрации составляет 75,7 кг/ч/м2. Накопленный пермеат подвергают анализу, согласно которому содержание глюкана в нем составляет 6,5 г/л, что соответствует фильтрационному выходу 71%. Затем выполняют фильтрацию выгруженного с фильтрационной установки ретентата при отношении полученного, как указано выше, пермеата к выгруженному ретентату 7:1. При этом фильтрационную установку эксплуатируют еще в течение 31 часа. В течение общего времени фильтрации получают 16689 г пермеата и 2388 г ретентата. Средний поток в течение общего времени фильтрации составляет 64,6 кг/ч/м2. Удельная нагрузка на фильтр составляет более 4500 кг/м2. Пермеат совершенно прозрачен и не содержит продуктов разрушения клеток.
Пример 6
Установка, используемая для фильтрации с поперечным движением потока, показана на фиг. 4. Данная фильтрационная установка состоит из снабженного мешалкой сборника В1 объемом 120 литров с двойной рубашкой, эксцентрикового шнекового насоса Р1, трубчатого теплообменника W1, редукционного клапана V1 и фильтрационного модуля F1. Фильтрационный модуль F1 через каждые 900 секунд подвергают обратной промывке посредством устройства BF100 для обратной промывки фирмы Pall (позиция В3), используя соответственно 100 мл пермеата, находящегося под давлением 10 бар. Содержимое фильтрационной установки с поперечным движением потока охлаждают до температуры 25°С посредством двойной рубашки сборника В1 и теплообменника W1.
В фильтрационном модуле F1 используют семь симметричных трубчатых мембран типа SIKA R3 фирмы GKN Sinter Metals Filters GmbH (Радеформвальд, Германия). Длина трубчатых мембран составляет 1000 мм, внутренний диаметр 6 мм, наружный диаметр 10 мм. Полезная площадь фильтрации симметричных трубчатых мембран составляет 0,132 м2. Толщина стенок симметричной трубчатой мембраны составляет 2 мм, эффективность разделения, определяемая согласно стандарту ASTM F 795, составляет 3 мкм.
В опытах используют грибковый штамм Schizophyllum commune, а именно шизофиллан, полученный в режиме периодической ферментации согласно Udo Rau, Biopolymers, A.
Затем приступают к циркуляции ферментационного бульона посредством насоса Р1 с расходом 2,6 м3/ч при трансмембранном давлении 0,7 бар. Скорость пропускания ферментационного бульона составляет 3,6 м/с. Медленно повышаемое трансмембранное давление через 18 часов составляет 1,5 бар. Трансмембранное давление остается на этом уровне вплоть до завершения опыта.
Пермеат накапливают и взвешивают. В процессе фильтрации количество находящегося в резервуаре В1 ферментационного бульона благодаря использованию системы регулирования уровня остается неизменным и составляет 50 кг. Фильтрацию осуществляют в течение 71 часов, накапливая в течение этого времени 230,8 кг пермеата. Средний поток в процессе фильтрации составляет 24,7 кг/ч/м2.
Удельная нагрузка на фильтр составляет 1748 кг/м2. Накопленный пермеат подвергают анализу, согласно которому содержание глюкана в нем составляет 5,3 г/л, что соответствует фильтрационному выходу 57%. Пермеат совершенно прозрачен и не содержит продуктов разрушения клеток.
Реферат
Изобретение относится к области биохимии. Предложен способ выделения водного раствора глюканов из содержащего глюканы и биомассу водного ферментационного бульона на фильтрационной установке. Способ включает подачу содержащего водный ферментационный бульон исходного потока на фильтрационную установку, пропускание исходного потока через пористую симметричную металлическую трубчатую мембрану цилиндрической формы и отбор содержащего водный раствор глюканов потока пермеата. Причём внутренний диаметр симметричной металлической трубчатой мембраны составляет от ≥2 до ≤6 мм, симметричная металлическая трубчатая мембрана выполнена из материала с эффективностью разделения в интервале от ≥0,5 до ≤45 мкм. Изобретение обеспечивает выделение глюканов из ферментационного бульона в промышленных масштабах без повышения содержания продуктов разрушения клеток в растворе глюканов. 12 з.п. ф-лы, 4 ил., 6 пр.
