Перевод газовой колонки на сжиженный газ: Страница не найдена – Автономное тепло

Комплекты для колонок BOSCH

Показать: 15255075100

Сортировка: По умолчаниюНазвание (А – Я)Название (Я – А)Цена (низкая > высокая)Цена (высокая > низкая)Рейтинг (начиная с высокого)Рейтинг (начиная с низкого)Модель (А- Я)Модель (Я – А)

Комплект инжекторов (форсунок) с горелкой в сборе предназначен для перевода газовых колонок BOSCH W 10 KB, на сжиженный баллонный газ (пропан-бутан) ..

7250.00 р.

Комплект инжекторов (форсунок) с горелкой в сборе предназначен для перевода газовых колонок BOSCH W 10 KB, на сжиженный баллонный газ (пропан-бутан) ..

7250.00 р.

Комплект инжекторов (форсунок) предназначен для перевода газовых колонок BOSCH 23–>31 WR10-2P, на сжиженный баллонный газ (пропан-бутан) ..

2920.00 р.

Комплект инжекторов (форсунок) предназначен для перевода газовых колонок BOSCH 23–>31 WR10-2P, на сжиженный баллонный газ (пропан-бутан) ..

2920.00 р.

Комплект инжекторов (форсунок) предназначен для перевода газовых колонок BOSCH 23–>31 GWH 13-2 CO B/H, на сжиженный баллонный газ (пропан-бутан).

.

2490.00 р.

Комплект инжекторов (форсунок) предназначен для перевода газовых колонок BOSCH 23–>31 WR13-2P, на сжиженный баллонный газ (пропан-бутан) ..

3970.00 р.

Комплект инжекторов (форсунок) предназначен для перевода газовых колонок BOSCH 23–>31 WR13-2P, на сжиженный баллонный газ (пропан-бутан) ..

2630.00 р.

Комплект инжекторов (форсунок) предназначен для перевода газовых колонок BOSCH 23–>31 WR15-2P, на сжиженный баллонный газ (пропан-бутан) ..

4070.00 р.

Комплект инжекторов (форсунок) предназначен для перевода газовых колонок BOSCH 23–>31 WR15-2P, на сжиженный баллонный газ (пропан-бутан) ..

4070.00 р.

Комплект инжекторов (форсунок) предназначен для перевода газовых колонок BOSCH 23–>31 GWH 10-2 CO B/H, на сжиженный баллонный газ (пропан-бутан)..

3830.00 р.

Комплект инжекторов (форсунок) предназначен для перевода газовых колонок BOSCH 23–>31 GWH 15-2 CO B/H, на сжиженный баллонный газ (пропан-бутан). .

4270.00 р.

Комплект инжекторов (форсунок) предназначен для перевода газовых колонок BOSCH WT 13 AM1E, на сжиженный баллонный газ (пропан-бутан)..

2430.00 р.

Комплект инжекторов (форсунок) предназначен для перевода газовых колонок BOSCH WTD 12 AME, на сжиженный баллонный газ (пропан-бутан) ..

6220.00 р.

Комплект инжекторов (форсунок) предназначен для перевода газовых колонок BOSCH WTD 15 AME, на сжиженный баллонный газ (пропан-бутан) ..

6920.00 р.

Комплект инжекторов (форсунок) предназначен для перевода газовых колонок BOSCH WTD 18 AME, на сжиженный баллонный газ (пропан-бутан) ..

8540.00 р.

Перевод котла на сжиженный газ – Ремонт газовых колонок в СПБ

Вы построили дом, но в вашем районе не предусмотрено магистральное газоснабжение? Газовщики обещали, что к Вашему участку подведут газ до зимы, но так этого и не сделали?Что делать? Мы предлагаем перевод котла на сжиженный газ как лучшую альтернативу

Нередко случается так, что, вышеописанные ситуации осложняются тем что Вы уже смонтировали систему отопления, работающую на магистральном газе, сделали отделку помещений, подключили систему водоснабжения и уже планировали вселяться в свой новый дом, но газа нет, а холода уже вот-вот наступят.

Что же делать в данной ситуации?

Мы рекомендуем использовать природный газ как временный или постоянный энергоноситель.

В случае если газ в скором времени должны подключить можно использовать газовые баллоны. При этом их не обязательно покупать. На сегодняшний день существует множество компаний, сдающих оборудование 

в аренду, оказывая сопутствующие услуги по замене пустых баллонов на заправленные. Выглядит такое решение следующим образом:

Когда подключат магистральный газ, Вам останется сдать газобаллонное оборудование, не переживая о том, что же теперь с ним делать, как это было бы в случае его покупки.

Если магистрального газа не предвидится, оптимальным вариантом будет установка газгольдера.

Множество газовых котлов могут работать как на сжиженном, так и на магистральном газе. Именно такие котлы стоит в первую очередь рассматривать в случае если газ в скором времени будет, но когда, точно не известно.

Для того чтобы котел мог работать на сжиженном газе, необходимо произвести работы по переводу котла с одного типа топлива на другой, его настройке и вводу в эксплуатацию.

Перевод котла на сжиженный газ

Процесс перевода котла отопления с одного типа топлива на другой начинается с замены форсунок. Как правило, изначально, в котлы устанавливаются форсунки для работы их на магистральном газе.

Помните, комплект форсунок для перевода на сжиженный газ является дополнительным оборудованием и приобретается отдельно!

Операцию по переводу котла на другой тип топлива лучше всего доверить специалистам, имеющим опыт в монтаже котельного оборудования. Ошибки при монтаже, влекут за собой некорректную работу оборудования, которая в свою очередь может повлечь за собой выход его из строя.

После того, как вы приобрели комплект перевода котла на сжиженный газ, необходимо осуществить его монтаж. Для этого нужно демонтировать установленные в котел форсунки для магистрального газа и на их место установить компоненты, входящие в комплект перевода на сжиженный газ.

Следующим шагом производится настройка подачи газовоздушной смеси в котел, после чего осуществляется настройка автоматики и других рабочих параметров котельного оборудования.

Все вышеописанные операции являются обязательными и нужны для того чтобы котел работал в оптимальном режиме.

Неправильно настроенный котел не выдает максимального КПД и может расходовать на порядок больше топлива!

Стоимость работ по переводу котла на сжиженный газ

Для настройки котла наши специалисты используют специализированный инструмент, рекомендованный ведущими производителями котельного оборудования.

№	Наименование услуги	ед.	Цена
1	Перевод на сжиженный газ котла мощностью до 30кВт	шт.	5 000
2	Перевод на сжиженный газ котла мощностью до 60кВт	шт.	6 500
3	Перевод на сжиженный газ котла мощностью свыше 60кВт	шт.	индивидуально

Полный прайс лист с ценами на перевод

Если вам нужна консультация по подбору необходимого котельного оборудования или вы хотите перевести котел на сжиженный газ, но не знайте с чего начать, Вы всегда можете обратиться к нашим техническим специалистам за квалифицированной помощью!

Газовая колонка Demrad C 275 F / Газовые колонки : Теплосклад

Код: 40736455

10281 грн

Отзывов пока нет.

Нет в наличии

		Доставка в любой город Украины
		Обмен товара в течении 14 дней
		Гарантия от производителя

 

Уточняйте стоимость и наличие товара у менеджера

Краткое описание:

Страна производитель: Турция

Тяга: Турбированная

Тип розжига: Электрический

Мощность: 22.3 кВт

Тип камеры сгорания: закрытый

Управление: дисплей

Размеры (ШхВхГ): 348x628x238 мм

Вес: 18.8 кг

Описание и характеристика:

Demrad С 275 F – колонка бездымоходная газовая, предназначенная для установки и водонагрева в квартирах, частных домах и дачах. Водонагреватель эффективен для обеспечения горячей водой двух или трех точек водоразбора. Водонагреватель включается и выключается автоматически, при открытии или закрытии крана горячей воды, имеет цифровой дисплей и что самое главное не имеет пилотного пламени, что очень удобно в повседневном использовании. 
Колонка Demrad С 275 F может работать на магистральном и сжиженном газе (комплект перевода газового проточного водонагревателя с магистрального на сжиженный газ приобретается отдельно). Отвод продуктов сгорания осуществляется через коаксиальную трубу (идущую в комплекте) при помощи турбины.

Теплообменник водонагревателя изготовлен из высококачественной меди. Система безопасности водонагревателя включает: термоэлектрический предохранительный датчик погасания пламени; датчик расхода воды; предохранитель высокого давления водяного контура; датчик контролер запальной горелки; предохранитель перегрева водяного контура; датчик-предохранитель подачи газа.

Характеристика:

• Производительность: 11 л/мин
• КПД: 90 %
• Максимальный расход газа: 2.3 м.куб
• Диаметр коаксиального дымохода: 60/90 мм
• Диаметр подключения ГВС: 1/2
• Диаметр подключения газа: 3/4
• Тип водонагревателя: проточный
• Способ нагрева: газовый
• Функции: автоподжиг, индикатор включения
• Защита: газ-контроль, защита от перегрева
• Установка: вертикальная, нижняя подводка, способ крепления: настенный
• Давление на входе: 0.50 – 10 атм.
• Дополнительная информация: турбированный, возможность настройки прибора для работы на сжиженном газе

Мы рекомендуем:

Биоконверсия природного газа в жидкое топливо: возможности и проблемы

Реферат

Природный газ представляет собой смесь низкомолекулярных углеводородных газов, которые могут быть получены из ископаемых или антропогенных ресурсов. Хотя природный газ используется в качестве транспортного топлива, ограничения в хранении, относительно низкое энергосодержание (МДж / л) и доставка имеют ограниченное широкое распространение. Было изучено расширенное использование природного газа для производства биотоплива микроорганизмами.В последние годы аэробная биоконверсия природного газа (или, в первую очередь, метана, содержащегося в природном газе) в жидкое топливо (Bio-GTL) с помощью биокатализаторов (метанотрофов) привлекает все большее внимание как многообещающая альтернатива для производства биотоплива без дополнительных затрат. Метанотрофные бактерии способны превращать метан в липиды микробов, которые, в свою очередь, могут быть преобразованы в возобновляемое дизельное топливо с помощью процесса гидроочистки. В этой статье обобщены биоразнообразие, каталитические свойства, ключевые ферменты и пути распространения этих микробов.Технологии биопроцессов обсуждаются на основе существующей литературы, включая условия культивирования, режимы ферментации, конструкцию биореактора, а также экстракцию и обновление липидов. В этом обзоре также описывается потенциал Bio-GTL с использованием метана в качестве альтернативного источника углерода, а также основные проблемы и будущие потребности в исследованиях накопления микробных липидов, полученных из метана, ключевого показателя эффективности и технико-экономического анализа. Анализ затрат на сырье показывает, что дизельное топливо, полученное из метана, потенциально может быть конкурентоспособным с дизельным топливом, полученным из нефти.

Ключевые слова

Биоконверсия природного газа в жидкое топливо (Bio-GTL)

Парниковый газ

Возобновляемое дизельное топливо

Метанотрофные бактерии

Микробные липиды

Оптимизация биопроцессов

Экстракция липидов

000 экономический анализ

Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

Просмотр аннотации

Copyright © 2014 Авторы. Опубликовано Elsevier Inc.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Интегрированный биопроцесс для преобразования газообразных субстратов в жидкости

Значение

В поисках недорогого сырья (рентабельное производство топлива) здесь мы показываем двухэтапный интегрированный биопроцесс для преобразования синтез-газа в липиды.Мы используем врожденные способности ацетогенов и исследуем концепции массопереноса из газа в жидкость для создания интегрированной двухступенчатой ​​биореакторной системы, которая может преобразовывать газы в жидкое топливо в больших масштабах. Кроме того, поскольку скорость фиксации CO ₂ значительно превышает скорость образования CO ₂ в двух единицах процесса, существует значительный потенциал для рециркуляции CO ₂ в нашей интегрированной системе. В более широком смысле реализация этих концепций производства топлива может распространяться на ряд коммерчески важных биологических платформ, в зависимости от потенциальных источников синтез-газа или продуктов его конверсии, а именно ацетата.

Реферат

В поисках недорогого сырья для рентабельного производства жидкого топлива мы исследовали газообразные субстраты, которые могут быть доступны по низкой цене и в достаточно больших масштабах для промышленного производства топлива. Здесь мы представляем новую схему биоконверсии, которая эффективно преобразует синтез-газ, полученный в результате газификации угля, природного газа или биомассы, в липиды, которые можно использовать для производства биодизеля. Мы представляем интегрированный метод преобразования, состоящий из двухступенчатой ​​системы.На первом этапе анаэробный биореактор преобразует смеси газов CO ₂ и CO или H ₂ в уксусную кислоту, используя анаэробный ацетоген Moorella thermoacetica . Продукт уксусной кислоты подают в качестве субстрата во второй биореактор, где он аэробно превращается в липиды с помощью модифицированных маслянистых дрожжей, Yarrowia lipolytica . Сначала мы описываем процесс, осуществляемый в каждом реакторе, а затем представляем интегрированную систему, которая производит микробное масло с использованием синтез-газа в качестве входного материала.Интегрированная лабораторная реакторная система непрерывного действия произвела 18 г / л триацилглицеридов C16-C18 непосредственно из синтез-газа с общей производительностью 0,19 г⋅л ^-1 мкч ^-1 и содержанием липидов 36%. Несмотря на субоптимальность по сравнению с характеристиками отдельных компонентов реактора, представленная интегрированная система демонстрирует возможность существенной чистой фиксации диоксида углерода и преобразования газообразного сырья в липиды для производства биодизельного топлива. Система может быть дополнительно оптимизирована, чтобы приблизиться к производительности ее отдельных агрегатов, чтобы ее можно было использовать для экономичного преобразования отходящих газов сталелитейных заводов в ценное жидкое топливо для транспортировки.

Обеспокоенность сокращением запасов нефти и изменяющими климат выбросами парниковых газов привела к призывам к использованию чистых и возобновляемых жидких видов топлива (1). Одним из перспективных направлений является производство микробного масла из углеводного сырья. Это масло можно легко преобразовать в биодизельное топливо, и в последнее время был достигнут значительный прогресс в разработке маслянистых микробов для производства липидов из сахаров (2–5). Основной проблемой этого подхода была относительно высокая стоимость сахарного сырья.В качестве альтернативы были исследованы менее дорогие промышленные газы, содержащие CO ₂ с восстановителями, такими как CO или H ₂ . В одном применении анаэробный Clostridia использовался для преобразования синтез-газа в этанол (6), хотя и при низкой концентрации, требующей высокой стоимости разделения. Здесь мы представляем альтернативный подход «газ-липиды», который преодолевает недостатки предыдущих схем.

Ранее мы показали, что ацетат с концентрацией более 30 г / л может быть получен из смесей CO ₂ и CO / H ₂ , используя эволюционировавший штамм ацетогена Moorella thermoacetica со значительной производительностью 0.55 г⋅л ⁻¹ ⋅h ⁻¹ и выход 92% (7). Мы также продемонстрировали, что создание маслянистых дрожжей Yarrowia lipolytica может давать биокатализаторы, которые могут производить липиды из глюкозы с высокими выходами и высокой продуктивностью (2, 5). В то же время, в рамках поиска недорогого сырья, мы исследовали производство липидов из других субстратов, таких как ацетат и другие летучие жирные кислоты (ЛЖК), которые потенциально могут быть получены с меньшими затратами как продукты анаэробного сбраживания или из выхлопных газов. в производстве стали.В этом исследовании мы показываем, что две вышеупомянутые системы могут быть объединены в двухстадийный процесс, в котором CO ₂ и CO / H ₂ превращаются в уксусную кислоту в анаэробной барботажной колонке биореактора первой ступени, а продукт – уксусная кислота. кислота затем превращается в липиды с помощью Y. lipolytica в аэробном биореакторе второй ступени. Чтобы оценить достоинства этого подхода, мы индивидуально оптимизировали ферментацию M. thermoacetica и Y. lipolytica с целью максимизировать выход и продуктивность ацетата и липидов, соответственно.В анаэробном биореакторе был установлен фильтр с половолоконной мембраной, чтобы обеспечить непрерывное удаление продукта уксусной кислоты и рециркуляцию клеток M. thermoacetica в пузырьковую анаэробную колонку. Аналогичным образом, рециркуляция клеток также использовалась во втором биореакторе, чтобы отделить время пребывания, необходимое для роста и липогенеза в клетках Y. lipolytica , от потребления уксусной кислоты и, таким образом, обеспечить развитие плотной микробной культуры и высокой концентрации липидов в клетках. второй биореактор.Мы также впервые продемонстрировали, насколько нам известно, отделение фазы роста M. thermoacetica от фазы производства уксусной кислоты: сначала устойчивая культура M. thermoacetica устанавливается в CO-зависимой фазе роста с помощью с использованием газовой смеси CO ₂ / CO, а затем состав газа переключается на смесь H ₂ / CO ₂ , которая дает ацетат со значительно более высокой удельной производительностью. Этот прогресс позволил нам обеспечить как высокую удельную производительность, так и высокую плотность ячеек М.thermoacetica для общей очень высокой объемной производительности 0,9 г ацетата L ⁻¹ ⋅h ⁻¹ . Затем эти два процесса объединяются в единую схему переработки газа в нефть с непрерывным потоком (рис. 1), при этом проектные решения основываются на рабочих характеристиках отдельных реакторов.

Рис. 1.

Интегрированный биопроцесс: Схема двухэтапного процесса производства липидов с использованием микробной конверсии. На стадии 1 CO ₂ ферментируется до летучей жирной кислоты; на стадии 2 эта кислота превращается в липиды с помощью искусственного штамма.

Результаты

Рост клеток и производство ацетата из синтез-газа.

Производство уксусной кислоты из синтез-газа с помощью M. thermoacetica показано на рис. 2, на котором представлены зависимости от времени роста и титра уксусной кислоты в анаэробной барботажной колонке, работающей независимо. Наша предыдущая работа послужила основой для скоростей потока, относящихся к этому исследованию (7). Ферментация проводилась при скорости потока 1000 стандартных кубических сантиметров в минуту (sccm) с использованием CO или H ₂ в качестве восстановительного газа в составе 7/3 CO / CO ₂ или 7/3 H ₂ / CO ₂ .Значительные количества уксусной кислоты (более 30 г / л) были произведены в обоих условиях в течение аналогичных периодов времени. Примечательно, что максимальная плотность клеток при H ₂ (макс. OD ~ 2,5) была менее одной четверти от плотности, достигнутой с CO (макс. OD ~ 11) в качестве донора электронов. Поскольку объемные производительности уксусной кислоты в этих двух экспериментах были одинаковыми, удельная производительность по уксусной кислоте при H ₂ / CO ₂ была в четыре раза выше, чем при CO / CO ₂ .Эта разница в удельной продуктивности клеток, вероятно, связана с энергетической разницей между H ₂ и метаболизмом CO в этом организме. M. thermoacetica генерирует АТФ в автотрофных условиях посредством хемиосмоса. В этом механизме окисление восстановленного ферредоксина энергосберегающим гидрогеназным комплексом (Ech) приводит к перемещению протонов через мембрану. Генерируемый протонный градиент используется связанной с мембраной АТФ-синтазой для генерации АТФ (8). Производство ацетил-КоА из H ₂ / CO ₂ включает окисление 2 моль ферредоксина на каждый моль синтезированного ацетил-КоА, тогда как для получения ацетил-КоА из СО требуется окисление 6 моль ферредоксина.Таким образом, рост на CO поддерживает большее производство АТФ, что, в свою очередь, приводит к более высоким концентрациям биомассы. Очевидное ограничение АТФ во время роста на H ₂ / CO ₂ заставляет увеличивать отвлечение ацетил-КоА от синтеза биомассы на производство ацетата для увеличения синтеза АТФ через фосфорилирование на уровне субстрата, что приводит к более высоким общим потокам ацетата на единицу биомассы.

Рис. 2.

Рост клеток и производство уксусной кислоты с использованием CO или H ₂ в качестве восстановительного газа в составе 7/3 CO / CO ₂ или 7/3 H ₂ / CO ₂ и расход 1000 кубических сантиметров.Максимальная плотность клеток при H ₂ (макс. OD ~ 2,5) составляет менее одной четверти от плотности, достигнутой с CO (макс. OD ~ 11) в качестве донора электронов. Значительные количества уксусной кислоты (~ 30 г / л) производятся в обоих условиях. Представлены SD из трех прогонов.

Производительность ацетата с переключателем состава газа и заменой среды.

Как показано в предыдущем разделе, удельная производительность ацетата на H ₂ по M. thermoacetica примерно в четыре раза выше, чем на CO.С другой стороны, гораздо более высокие плотности клеток могут поддерживаться смесью CO / CO ₂ . Это предполагает, что сначала следует вырастить культуру M. thermoacetica на смеси CO / CO ₂ и переключиться на композицию H ₂ / CO ₂ после того, как культура будет создана, чтобы воспользоваться преимуществами более высокой специфичности к ацетату. производительность по водороду. Таким образом, был разработан эксперимент, чтобы оценить, можно ли использовать высокую плотность клеток, достигаемую при выращивании на CO / CO ₂ , для повышения общей производительности путем переключения газового состава на H ₂ / CO ₂ после начальной фазы роста.Однако простое переключение состава газа привело к значительному снижению культуры M. thermoacetica и отсутствию изменений в продукции уксусной кислоты (рис. 3). Мы предположили, что это может быть связано с низкой активностью гидрогеназы во время переключения, которая, как известно, ингибируется монооксидом углерода (рис. 3 B ). Несмотря на то, что гидрогеназная активность экспрессируется конститутивно, активность гидрогеназы в клетках, культивируемых H ₂ , в 18 раз выше, чем в клетках, выращенных на CO (9), и она необходима для роста на H ₂ в качестве единственного донора электронов. Успешный переход от CO к водороду без снижения клеточной массы, а также поддержание биосинтетической способности клеток был достигнут, когда половина среды была заменена свежей средой одновременно с переключением газа. В этом эксперименте после начального снижения, вызванного разбавлением из свежей среды, плотность клеток стабилизировалась (рис. 3 C ) на новом значении после переключения газа и, что более важно, сохранялась продуктивность уксусной кислоты. Средняя общая производительность по уксусной кислоте 0.После переключения газа было получено 9 г58л ^-1 ⋅h ^-1 , что на 50% больше, чем 0,6 г⋅л ^-1 ⋅h ^-1 , наблюдавшееся до переключения газа. Эти результаты согласуются с динамикой активности гидрогеназы, которая выросла примерно в 20 раз за 1 день после замены CO на H ₂ . Этот эксперимент продемонстрировал, что объемная производительность уксусной кислоты может быть значительно улучшена путем изменения состава газа и замены среды в середине цикла по сравнению с тем, что было возможно до использования только CO ₂ / H ₂ или CO ₂ / CO газа. .

Рис. 3.

( A – C ) Временные зависимости ( A ) концентрации уксусной кислоты, ( B ) удельной активности гидрогеназы и ( C ) оптической плотности для двух различных методов переключения газа состав в анаэробной пузырьковой колонке. Сплошные символы соответствуют случаю, когда было выполнено переключение газа с CO / CO ₂ (4/1) и расхода с 1000 sccm на H ₂ / CO ₂ (2/1) и то же самое. Расход сопровождался заменой половины реакционной среды свежей средой.В ходе, обозначенном открытыми символами, было выполнено аналогичное переключение газа, но без замены среды. Представлены SD из трех прогонов.

Производство липидов из высокопрочной уксусной кислоты с помощью

Y. lipolytica .

Производство липидов из уксусной кислоты (30% об. / Об.) С помощью Y. lipolytica в периодическом режиме с подпиткой показано на рис. 4. Y. lipolytica продуцировал липиды с титром 51 г / л с продуктивность 0,26 г⋅л ^-1 ч ^-1 и содержание липидов 61%, что является самым высоким показателем для ацетата на сегодняшний день.Fontannile et al. (10) выращивали Y. lipolytica сначала на глюкозе, а затем переносили на ЛЖК, получая более низкую продуктивность (0,16 г⋅л ^-1 ч ^-1 ) по сравнению с нашим исследованием, хотя и при более низких титрах липидов (12 г / Л), выход конверсии (0,13 г / г) и содержание липидов 40%.

Рис. 4.

Характеристики ферментации Y. lipolytica в полунепрерывном режиме при потреблении уксусной кислоты (высокой крепости). Y. lipolytica продуцировал липиды с титром 51 г / л с продуктивностью 0.26 г⋅л ⁻¹ ⋅h ⁻¹ и содержание липидов 61%. Представлены SD из трех прогонов.

Производство липидов из уксусной кислоты с низкой активностью с помощью

Y. lipolytica .

При разбавлении субстрата получается разбавленный продукт. Исключение возможно в случае внутриклеточных продуктов (например, липидов), а также когда клетки рециркулируют, чтобы увеличить время их пребывания в биореакторе, чтобы дать им больше времени для достижения более высокого содержания липидов. Этого можно достичь с помощью мембраны из полых волокон, при которой отработанная среда с низкой концентрацией остаточного ацетата удаляется, а клетки возвращаются обратно в биореактор.Эта схема была реализована, и на рис. 5 показаны временные зависимости производства липидов из разбавленной уксусной кислоты (3% об. / Об.). Титр липидов 46 г / л был получен с общей продуктивностью 0,27 г 900л ^-1 ч ^-1 и содержанием липидов 59%. Средний профиль липидного состава, полученный в этом опыте, показан на рис. 6. Этот профиль аналогичен профилю Knothe (11), с более высокими фракциями ненасыщенных жиров, которые желательны, поскольку они увеличивают цетановое число и снижают точку помутнения полученный биодизель.

Рис. 5.

Расход уксусной кислоты (3% об. / Об.) (Низкая концентрация) и производство липидов при использовании Y. lipolytica в полунепрерывном режиме. Модуль из полых волокон использовался для рециркуляции ячеек и поддержания постоянного объема. Динамика показывает титр липидов 46 г / л с общей продуктивностью 0,27 г⋅л ^-1 ⋅ч ^-1 и содержанием липидов 59%. Представлены SD из трех прогонов.

Рис. 6.

Распределение жирных кислот во время ферментации в биореакторе с использованием Y.lipolytica . Показаны пальмитат C16, пальмитолеат C16.1, стеарат C18, олеат C18.1 и линолеат C18.2. Образцы были взяты в трех экземплярах.

Потоки углерода были рассчитаны для этого прогона. Y. lipolytica потребляет уксусную кислоту и преобразует углерод в CO ₂ , липиды и нелипидную биомассу с небольшими количествами цитрата, образующимися в качестве побочного продукта. Кумулятивный баланс массы углерода близок к 5%, при этом CO ₂ составляет 54% от общего количества углеродных продуктов (рис.7). Была построена стехиометрическая модель для оценки эффективности использования ацетата в процессе ферментации с учетом обычных метаболических процессов и связанных с ними затрат АТФ и НАДФН для производства (роста) нелипидной биомассы, а также производства липидов. Подробная информация о модели представлена ​​в Примечаниях SI к модели . Модель по существу предсказывает для данного количества образовавшихся липидов и биомассы необходимое количество ацетата и образовавшегося CO ₂ , основываясь на разумных предположениях о путях, ответственных за основные метаболические процессы, лежащие в основе роста и синтеза липидов.Подставляя экспериментально измеренные данные о производстве липидов и нелипидов, мы определили теоретически предсказанное количество потребления ацетата и производства диоксида углерода. При сравнении с соответствующими экспериментально наблюдаемыми уровнями потребления ацетата и продукции CO ₂ можно увидеть, что экспериментальная продукция липидов и продукция нелипидов находятся в пределах 10% от теоретических значений, как показано на рис. 8. Это говорит о том, что сконструированный штамм хорошо оптимизирован для синтеза липидов, тратя очень мало субстрата на другие процессы.

Рис. 7.

Углеродный баланс потребления ацетата и производства липидов. Показаны входящий углерод в виде ацетата и выходной углерод (липидный, нелипидный, побочные продукты и CO ₂ ). Кумулятивный баланс массы углерода близок к 5%, при этом CO ₂ составляет 54% от общего количества углеродных продуктов.

Рис. 8.

Теоретические прогнозы и экспериментальные значения израсходованного ацетата и произведенного CO ₂ . Для оценки эффективности использования ацетата в процессе ферментации была построена стехиометрическая модель с учетом потребления ацетата и продуцирования CO ₂ как для производства нелипидной биомассы (роста), так и для производства липидов, включая связанные с этим затраты на АТФ и НАДФН. .Экспериментальное производство CO ₂ и расход ацетата находятся в пределах 10% от ожидаемых теоретических значений. Подробная информация о модели приведена в Примечаниях к системе SI к модели .

Интегрированная система биоконверсии синтез-газа в липиды.

На основе результатов, полученных с двумя биореакторами, интегрированная система, показанная на рис. 1, была собрана и работала, как показано в таблице 1. На рис. 9 показаны временные зависимости роста клеток и производства уксусной кислоты с помощью M. thermoacetica в анаэробной пузырьковой колонке с рис.10 резюмируя то же самое для Y. lipolytica в аэробном биореакторе с мешалкой. До 93 часов (первая фаза) в анаэробный биореактор подавали газовую смесь CO / CO ₂ при 1000 см3 / мин и составом (4/1). В течение этого периода, M. thermoacetica выросла до OD 10,3, а уксусная кислота накапливалась до 12 г / л с производительностью 0,4 г⋅л ^-1 ⋅h ^-1 , исключая лаг-фазу. Затем подача газа была изменена на H ₂ / CO ₂ с расходом 1200 куб. См и составом (2/1).Вторая фаза длилась от 93 часов до 218 часов и характеризовалась постоянным увеличением содержания уксусной кислоты до достижения максимума 25 г / л. После переключения газа OD ячейки упал с максимального значения 10,3 до примерно 8 и медленно восстанавливался до конца второй фазы (см. Рис. S1 для различных соотношений сред). В то же время (186–218 ч) из анаэробного биореактора через половолоконную мембрану удаляли около 1000 мл жидкой среды и подавали в аэробный биореактор. На третьей фазе (через 218 ч) была инициирована работа в непрерывном потоке, при которой уровень уксусной кислоты в анаэробном реакторе поддерживался на максимальной концентрации ~ 25 г / л.Это было достигнуто путем непрерывного удаления уксусной кислоты при рециркуляции клеток M. thermoacetica через половолоконную мембрану. Рост клеток во время этой фазы был минимальным, и реактор, таким образом, работал как перфузионный биореактор. Максимальная концентрация уксусной кислоты 25 г / л была выбрана для предотвращения ингибирования дальнейшего образования ацетата (7). Рабочие объемы обоих биореакторов поддерживались постоянными путем добавления свежей среды в первый биореактор и удаления отработанной среды из аэробного биореактора, как показано на рис.1. Концентрация уксусной кислоты в резервуаре для среды измерялась периодически между 118 часами и 312 часами, всего за 194 часа было произведено 212 г уксусной кислоты. Средняя производительность по уксусной кислоте составила 1,1 г⋅л ^-1 ⋅ч ^-1 после переключения газа, что в три раза выше, чем на первой стадии, когда в качестве газового сырья использовался CO / CO ₂ .

Таблица 1.

Условия эксперимента во время интегрированного биопроцесса

Рис. 9.

Рост клеток M. thermoacetica и производство уксусной кислоты в интегрированном эксперименте по ферментации.Во всех трех фазах газообразный субстрат предоставляется в непрерывном режиме, тогда как жидкий в периодическом режиме предоставляется в первых двух фазах. В третьей фазе и газ, и жидкость находятся в непрерывном режиме. Успешное переключение на газообразный субстрат позволило получить уксусную кислоту (максимальная концентрация ~ 25 г / л) в анаэробном реакторе. Это достигается путем непрерывного удаления уксусной кислоты при рециркуляции клеток M. thermoacetica через мембрану из полых волокон. Представлены SD из трех прогонов.

Рис. 10.

Титр липидов и производство биомассы в интегрированном процессе (фаза III). Показано время роста клеток и продукции липидов (титр 18 г / л и содержание липидов 36%) в аэробном биореакторе. Представлены SD из трех прогонов.

Рис. S1.

Временные зависимости концентрации и оптической плотности уксусной кислоты для различных соотношений замещения среды при изменении состава газа в анаэробной барботажной колонке. Оценивали три различных коэффициента замены среды (50%, 75% и 90%).Все прогоны показали сходные закономерности: производство возобновлялось после задержки примерно на 1 или 2 дня, и производство прекращалось при концентрации уксусной кислоты около 25–30 г / л.

Динамика роста клеток и продукции липидов в аэробном биореакторе представлена ​​на рис. 10. Титр липидов составлял 18 г / л, а содержание липидов – 36%. Хотя эти цифры ниже, чем полученные в отдельных единицах и в предыдущих исследованиях (2), результаты, тем не менее, обнадеживают, поскольку они демонстрируют осуществимость интегрированного процесса превращения газа в липиды, что и было целью данного исследования.Сравнение результатов, полученных для одноступенчатых биореакторов и результатов комбинированного процесса, представлено в таблице 2. Основным различием между независимым циклом получения липидов и интегрированным процессом является выход липидов из уксусной кислоты. В одном исследовании больше уксусной кислоты было преобразовано в липиды, тогда как в комбинированном процессе больше уксусной кислоты было преобразовано в нелипидную биомассу. Известно, что у Y. lipolytica соотношение C / N сильно влияет на продукцию липидов и титры. В комбинированном процессе соотношение C / N строго не контролировалось, и это, вероятно, отрицательно повлияло на урожайность. Следовательно, будущие эксперименты должны быть нацелены на минимизацию содержания азота в среде M. thermoacetica , что ограничит содержание азота в исходной уксусной кислоте, подаваемой в реактор Y. lipolytica после начала фазы производства липидов.

Таблица 2.

Сравнение результатов одностадийных и интегрированных процессов

SI Примечания к модели

Обзор.

Теоретический максимум накопления углерода в липидах рассчитывается на основе микробного метаболизма для определения стехиометрии производства липидов и нелипидов на ацетате. Цель этого расчета – определить эффективность маслянистого микроба в превращении ацетата в липиды в процессе ферментации. Теперь, чтобы микроб накапливал липиды, он должен сначала произвести нелипидную биомассу из ацетата, а затем направить последующий углерод в сторону накопления липидов. Таким образом, ацетат, потребляемый микробами, будет направлен на один из двух конечных продуктов: нелипидную биомассу и липиды.Таким образом, мы пытаемся выяснить, потребляет ли микроб больше, чем теоретически необходимое количество ацетата (углеродное сырье), или производит ли он больше, чем теоретически необходимое количество диоксида углерода (потерянный углерод), чтобы производить наблюдаемое количество липидов и нелипидов во время ферментация. С этой целью мы сначала разработали модель, которая описывает стехиометрию превращения уксусной кислоты в соответствующий продукт.

Производство липидов на уксусной кислоте.

Стехиометрия производства липидов из уксусной кислоты была получена путем учета ( i ) уксусной кислоты, необходимой для производства трипальмитина (наш модельный липид, триглицеридная форма пальмитиновой кислоты), ( ii ) уксусной кислоты, необходимой для производства NADPH. (уменьшающий эквивалент) для поддержания производства липидов и ( iii ) уксусная кислота, необходимая для производства АТФ для поддержания производства липидов. Окончательное уравнение, связывающее уксусную кислоту с образованием липидов: 50,1 Ch4COOH → 49,2 CO2 + C51H98O6. [S1] Приведенное выше уравнение дает теоретические количества необходимой уксусной кислоты и диоксида углерода, образующегося при производстве 1 моля трипальмитина. Подробная информация о его происхождении представлена ​​в SI Notes on the Model , Steichiometry for Acetate Conversion to Lipids . Используя это уравнение и молекулярные массы ацетата и трипальмитина, мы вычисляем максимальный теоретический выход производства липидов из ацетата при 0.272 г липидов на грамм ацетата.

Производство нелипидной биомассы на ацетате.

Аналогичным образом была разработана модель производства нелипидной биомассы из ацетата, которая учитывает ( i ) химическую формулу нелипидной биомассы, ( ii ) теоретическую массу сухих клеток, производимых на один электрон, и (). iii ) ацетат, израсходованный на производство АТФ. Окончательное уравнение: 6.3 Ch4COOH → 7.7 CO2 + C5H8.3O2.7N0.7. [S2] Таким образом, мы получили стехиометрическое уравнение, которое связывает производство нелипидной биомассы с молями израсходованного ацетата и молями произведенного CO ₂ .Путем включения наблюдаемых измерений липидных и нелипидных количеств в уравнения. S1 и S2 , соответственно, можно получить теоретические уровни потребления уксусной кислоты и производства диоксида углерода, связанные с каждым преобразованием. Теоретические оценки потребляемой уксусной кислоты и продуцируемого диоксида углерода сравниваются в тексте с наблюдаемыми экспериментальными количествами на рис. 8, чтобы определить степень неэффективности микробного метаболизма во время ферментации.

Подробная информация о моделях.

Стехиометрия превращения ацетата в липиды.

Биосинтез триглицеридов из ацетата требует нескольких путей. Глюконеогенез в конечном итоге обеспечивает основу глицерина. Поскольку исходным субстратом для глюконеогенеза является четырехуглеродное соединение (оксалоацетат / пируват), требуются анаплеротические пути, такие как глиоксалатный цикл или метилцитратный цикл, когда ацетат является субстратом. Биосинтез жирных кислот катализирует АТФ- и НАДФН-зависимое превращение ацетата в пальмитиновую кислоту, и, наконец, путь Кеннеди конденсирует глицерин с липидами с образованием триглицеридов.Все вышеперечисленные пути, а также пути образования НАДФН и АТФ принимаются во внимание, чтобы прийти к окончательному уравнению отношения ацетата к липидам. Обратите внимание, что уравнение образования АТФ также используется для прогнозирования стехиометрии биомассы в SI Notes on the Model , Steichiometry for Acetate Conversion to Nonlipid Biomass .

Реакции, участвующие в этом процессе, для простоты сгруппированы в модули или наборы. Символы (c) и (m) указывают, существует ли метаболит в цитозоле или в митохондриях.Были приняты следующие модули реакций: ( i ) ацетат в ацетил-КоА (ACA), ( ii ) ACA в оксалоацетат (OAA), ( iii ) OAA в глицерин, ( iv ) ACA в C16 жирная кислота и ( v ) (жирная кислота + глицерин) образует липид.

Проанализируем уравнения каждого из вышеперечисленных модулей.

Набор i.

Ацетат + АТФ → Ацетил-КоА (ацетил-КоА-синтетаза). [S3] Эта реакция протекает под действием фермента ацетил-КоА-синтетазы (ACS) в цитозоле.

Набор ii.

Глюконеогенез происходит в цитозоле, и, следовательно, оксалоацетат должен присутствовать на стороне цитозоля, чтобы инициировать глюконеогенез. Этот процесс происходит через ряд последовательных реакций. Во-первых, работает глиоксалатный цикл, и на каждые две молекулы ацетил-КоА образуется сукцинат. Затем сукцинат, продуцируемый в цитозоле, проникает через митохондриальную мембрану и входит в цикл TCA, действующий в митохондриях. Сукцинат превращается в малат, который проникает в цитозоль. На цитозольный малат воздействует яблочный фермент с образованием пирувата, на который в конечном итоге воздействует фермент пируваткарбоксилаза с образованием оксалоацетата в цитозоле. Реакции следующие:

• . 2 ACA (c) → сукцинат (c) + NADHc (глиоксалатный цикл) (28)

• . Сукцинат (c) → сукцинат (m) (выход сукцината)

• . Сукцинат (m) → малат (m) + FADH ₂ (цикл TCA) (28)

• . Малат (m) → малат (c) (выход малата)

• .Малат (c) → пируват (c) + NADPHc + CO ₂ (яблочный фермент) (28)

• . Пируват (c) + CO ₂ + ATP → OAA (c) (пируваткарбоксилаза) (28)

Суммарная реакция составляет 2 ACA (c) + ATP → OAA (c) + NADHc + FADh3 + NADPHc. [S4]

Набор iii.

Это составляет сумму реакций, ведущих к производству глицерина из оксалоацетата посредством глюконеогенеза (28): OAA (c) + GTP + ATP + NADHc → Glycerol + CO2 (глюконеогенез). [S5]

Set iv.

Это составляет набор реакций, ведущих к производству пальмитиновой кислоты из ацетил-КоА по пути синтеза жирных кислот (29): 24 ACA (c) + 18 NADPH + 24 NADHc + 69 ATP → 3 пальмитиновая кислота (синтез жирных кислот ). [S6]

Set v.

Это учитывает производство трипальмитина по пути Кеннеди (28): глицерин (c) +3 пальмитиновая кислота + АТФ → трипальмитин (путь Кеннеди). [S7] После того, как реакционные модули были проанализированы для получения единственной реакции, следующий шаг включает их сложение для получения окончательного уравнения.Добавление наборов ii – v (реакции 2–5) даст следующие уравнения: 2 ACA (c) + ATP → OAA (c) + NADHc + FADh3 + NADPHc [S4] OAA (c) + GTP + ATP + NADHc → глицерин + CO2 (глюконеогенез) [S5] 24 ACA (c) +18 NADPH + 24 NADHc + 69 ATP → 3 пальмитиновая кислота (синтез жирных кислот) [S6] Глицерин (c) +3 пальмитиновая кислота + ATP → трипальмитин (Кеннеди путь) [S7] с чистыми уравнениями: 26 ACA (c) +17 NADPHc + 72 ATP + GTP + 24 NADHc → трипальмитин + CO2 + FADh3. [S8] На этом этапе ацетат, необходимый для обеспечения необходимого NADPH, NADH, и необходимо учитывать АТФ.

Мы предполагаем, что весь НАДФН обеспечивается действием яблочного фермента. Следующее уравнение учитывает производство НАДФН: НАДНс + АТФ → НАДФНс (яблочный фермент). [S9] Производство АТФ из цитозольного АСА не так просто, поскольку АКА не может пересечь митохондриальную мембрану с образованием митохондриального АКА, который затем может напрямую войти в цикл TCA. . Таким образом, глиоксалатный цикл образует сукцинат, который в конечном итоге образует пируват. Пируват может проникать через митохондрии, а затем декарбоксилатировать с образованием ацетил-КоА, который впоследствии входит в цикл TCA.Уравнение для производства АТФ / НАДН через цикл TCA из цитозольного ацетил-КоА выполняется с помощью следующей системы уравнений:

• . 2 ACA (c) → сукцинат (c) + NADHc (глиоксалатный цикл)

• . Сукцинат (c) → сукцинат (m) (выход сукцината)

• . Сукцинат (m) → малат (m) + FADH ₂ (цикл TCA)

• . Малат (m) → малат (c) (выход малата)

• . Малат (c) → пируват (c) + NADPHc + CO ₂ (яблочный фермент) (28)

• .Пируват (c) → пируват (m) (выход пирувата)

• . Пируват (м) → 3 CO ₂ + 4 NADHm + FADH ₂ + GTP (цикл TCA) (28)

• . 4 NADHm → 4 NADHc (29)

Чистое уравнение: 2 ACA (c) → 4 CO2 + 5 NADHc + 2 FADh3 + GTP + NADPHc. [S10] Уравнение. S10 также можно использовать для производства большего количества АТФ за счет преобразования NADH и FADH ₂ в цепи переноса электронов. Однако мы также предполагаем, что NADPH не будет окисляться, потому что существует высокая потребность в NADPH в клетке во время синтеза жирных кислот в качестве восстанавливающего агента (1 NADH = 2.5 АТФ, 1 ФАДН ₂ = 1,5 АТФ, 1 ГТФ = 1 АТФ).

Уравнение будет выглядеть следующим образом: 2 ACA (c) → 4 CO2 + 16,5 ATP + NADPHc. [S11] Eqs. S8 – S11 складывается вместе, чтобы прийти к окончательному уравнению для производства липидов из ацетата. Используемая стратегия состоит в том, чтобы принять уравнения. S9 – S11 умножаются на неизвестные x, y и z и добавляются к уравнению. S8 . Уравнения добавляются таким образом, чтобы коэффициенты НАДН, НАДФН и АТФ в сумме равнялись 0. Таким образом, мы можем гарантировать, что уравнение учитывает только точное количество ацетата, необходимое для получения 1 моль трипальмитина: 26 АСА ( в) +17 NADPHc + 72 ATP + 1GTP + 24 NADHc → Трипальмитин + CO2 + FADh3.[S8] xNADHc + x ATP → xNADPHc – Умножение [ S9 ] на неизвестное x, 2y ACA (c) → 4y CO2 + 5y NADHc + 2y FADh3 + y GTP + y NADPHc. Умножение [ S10 ] на неизвестно y, 2z ACA (c) → 4z CO2 + 16,5z ATP + zNADPHc. Умножая [ S11 ] на неизвестное z, они складывают (26 + 2y + 2z) ACA + (17 − x − y − z) НАДФН + (71,5 + x − 4y − 16,5z) ATP + (24 + x − 5y) NADH → (4y + 4z + 1) CO2 + трипальмитин (превращающий FADh3 и GTP в АТФ). [S12] Однако субстратом является ацетат и, следовательно, умножая уравнение. S3 на (26 + 2y + 2z) и добавление к [ S12 ] заменит весь ACA ацетатом: (26 + 2y + 2z) ацетат + (17 − x − y − z) NADPH + (71.5 + x − 4y − 16,5z + 26 + 2y + 2z) ATP + (24 + x − 5y) NADH → (4y + 4z + 1) CO2 + трипальмитин. [S13] Присвоение коэффициентов NADPH, NADH и ATP к равным 0, мы получаем систему трех уравнений относительно x, y и z: 17 − x − y − z = 0 − коэффициент при NADPh34 + x − 5y = 0 − коэффициент при NADH97,5 + x − 2y − 14,5z. = 0 – коэффициент ATP. Решая три вышеупомянутых уравнения, мы получаем x = 4,944, y = 5,788 и z = 6,267.

Подставляя указанные выше значения x, y и z в уравнение. S13 , мы получаем окончательное уравнение для превращения ацетата в липиды как: 50.11 ацетат → 49,22 CO2 + трипальмитин (уравнение S1).

Стехиометрия превращения ацетата в нелипидную биомассу.

Нелипидная биомасса средних дрожжей имеет химическую формулу C ₅ H _8,3 O _2,7 N _0,7 (21). Это соответствует молекулярной массе 121,3 г / моль. Шулер и Карги (30) дали оценку выхода массы сухой ячейки (DCW) на один доступный электрон: 3,14 г DCW на электрон. Поскольку уксусная кислота имеет восемь электронов, это соответствует выходу биомассы (нелипидного), равному 3.14 × 8 = 25,1 г DCW на моль уксусной кислоты. При известной молекулярной массе средней биомассы дрожжей преобразование можно представить как Ch4COOH → 0,21 C5H8,3O2,7N0,7 + 0,95 CO2. [S14] Здесь моли CO ₂ были получены путем вычитания молей углерода в биомассе из число молей углерода в уксусной кислоте (= 2 – 0,21 × 5).

Кроме того, клетка будет расходовать АТФ на производство биомассы. Согласно Verduyn (31), на грамм сухой биомассы требуется 105,5 ммоль АТФ, что означает, что на каждые 0.Произведено 21 моль биомассы, потребуется 2,65 моль АТФ.

Таким образом, уравнение. S14 будет изменен как Ch4COOH + 2,65 АТФ → 0,21 C5H8,3O2,7N0,7 + 0,95 CO2. [S15] Учет дополнительной уксусной кислоты, необходимой для производства 2,65 моль АТФ (описан в примечаниях SI к модели , Стехиометрия превращения ацетата в липиды ) и нормировав уравнение на 1 моль биомассы, мы получаем 6,3 Ch4COOH → 7,7 CO2 + C5H8,3O2,7N0,7 (уравнение S2).

Обсуждение

В этом исследовании было задействовано несколько новых концепций, которые позволили успешно реализовать интегрированный процесс преобразования газа в липиды.Во-первых, мы использовали acetogen M. thermoacetica в качестве модельного организма из-за его очень высокого автотрофного потока к ацетил-КоА, который естественным образом продуцирует ацетат с очень высокими скоростями и почти теоретическими выходами по каноническому пути Вуда – Люнгдаля. Кроме того, высокая рабочая температура ( T _opt 60 ° C) этого термофильного организма делает его промышленным интересом, поскольку он требует меньшего охлаждения синтез-газа перед подачей в биореактор (12) по сравнению с другими модельными ацетогенами, Clostridium ljungdahlii ( T _opt 37 ° C) (13) и Acetobacterium woodii ( T _opt 30 ° C) (14). Наша предыдущая работа с M. thermoacetica (7) обеспечила основу для получения уксусной кислоты с высокими скоростями, соответствующими данному исследованию.

Во-вторых, эта работа выдвигает на первый план новую стратегию переключения состава газа как важную часть процесса, необходимого для достижения более высокой общей производительности ацетата. Кроме того, этот результат указывает на важность физиологического состояния M. thermoacetica во время переключения газового состава, поэтому будущие эксперименты должны быть направлены на определение оптимальной замены среды и жизнеспособности культуры или альтернативного изменения состава среды для достижения максимальных титров. урожайность и продуктивность.

В-третьих, как показано в Таблице 2, показатели качества, полученные для интегрированной системы, ниже, чем для отдельных биореакторных единиц. Кроме того, общая энергетическая эффективность (от водорода до липидов и дрожжей) интегрированной системы составляет 34,4% по сравнению с максимальными теоретическими значениями 43% (с учетом содержания энергии в дрожжах) и 60,5% (при условии, что энергоносителями являются только водород и трипальмитин). . Подробная информация о модели расчета энергоэффективности приведена в SI Примечания к расчетам энергоэффективности .Следовательно, процесс требует дальнейшей оптимизации. Контроль азота в среде двух установок упоминается как одно направление, которое может быть достигнуто с этой целью.

В-четвертых, существует значительный потенциал для снижения выбросов CO ₂ в нашей системе по сравнению с одноступенчатыми системами. Например, теоретически ожидается, что процесс в первом реакторе будет потреблять 100,2 моль CO ₂ , тогда как теоретически ожидается, что при аэробном синтезе липидов будет получено 49,22 моль CO ₂ (совокупный баланс для всей операции).Таким образом, наш процесс фактически фиксирует CO ₂ с использованием CO и / или H ₂ в качестве восстановителей. Углекислый газ, образующийся в аэробном реакторе, производящем липиды, может быть переработан и использован анаэробными бактериями первой стадии, обеспечивая значительную общую скорость фиксации CO ₂ . Точно так же нелипидную биомассу можно использовать для подачи дрожжевого экстракта, используемого в среде обоих реакторов после экстракции липидов.

Основным ограничением производства биодизеля (основной возобновляемой альтернативы дизельному топливу) является доступность и стоимость сырья (15).Маловероятно, что сырье, конкурирующее с пищевыми продуктами, внесет значительный вклад в производство возобновляемого транспортного топлива (16). В поисках более дешевого сырья синтез-газ предлагает привлекательные характеристики. Кроме того, в качестве экономичного сырья можно использовать сталеплавильный газ и природный газ (12, 17⇓ – 19). Таким образом, процесс преобразования синтез-газа в жидкости представляет собой платформу, совместимую с инфраструктурой, которая будет иметь важное значение для снижения зависимости от ископаемого топлива. Представленная здесь концепция преобразования газа в жидкость может обеспечить производство биодизеля из CO ₂ таким образом, чтобы не предъявлять требований или изменений в землепользовании и не ограничиваться необходимостью доступа к углеводородному сырью.

SI Примечания по расчетам энергоэффективности

Экспериментальная энергоэффективность с использованием более низкой теплотворной способности.

Нижняя теплотворная способность (НТС): 120,21 МДж / кг водорода; 36,48 МДж / кг трипальмитина; 15,7 МДж / кг дрожжей

Энергоэффективность = (18 × 36,48 + 15,7 × 32) / (28 × 120,21) = 34,4%.

Теоретическая максимальная энергоэффективность. Рассмотрение только липидов в качестве продукта.

Водород LHV: -242,82 кДж / моль (cta.ornl.gov/bedb/appendix_a/Lower_and_Higher_Heating_Values_of_Gas_Liquid_and_Solid_Fuels.pdf).

Теплота сгорания трипальмитина: −31606 кДж / моль (webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C555442&Mask=2).

Теплота сгорания по NIST является высшей теплотворной способностью (HHV). Чтобы преобразовать теплоту сгорания в LHV, необходимо учитывать теплоту парообразования: Жидкая вода: ΔfH ° жидкость = -285,83 кДж / моль Газообразная вода: ΔfH ° газ = −241,83 кДж / моль Вода: ΔfH ° = −241,83 – (- 285,83) = 44 кДж / моль; h3O (жидкость) h3O (г) (это 44 используется ниже) .HHV трипальмитина: ΔcH ° жидкость = -31,606 кДж / моль C51H98O6; C51H98O6 + 72,5 O2 → 51 CO2 + 49 h3O (1).LHV трипальмитина: ΔcH ° жидкость = -31,606 + (44) × (49 h3O) = -29,450 кДж / моль C51H98O6; C51H98O6 + 72,5 O2 → 51 CO2 + 49 h3O (г). Итак, теперь у нас LHV водорода: -242,82 кДж / мольТрипальмитин LHV: -29,450 кДж / моль.

Абсолютный максимум (без образования биомассы): 50,1 × [4 ч3 + 2 CO2 => ацетат] 50,1 ацетат => трипальмитин —————– 50,1 × 4 водорода = > трипальмитин Абсолютная максимальная (стехиометрическая) энергоэффективность: (−29,450 × 1 трипальмитин) / (- 242,82 × 50,1 × 4 водорода) = 60,5%.

Теоретическая максимальная энергоэффективность при обработке липидной и дрожжевой биомассы как продукта.

Используя экспериментальное соотношение продуцируемых липидов к биомассе, 50,11 ацетат => 49,22 CO2 + трипальмитин 50,11 × [4 ч3 + 2 CO2 => ацетат] —————– —- 50,11 × 4 водорода => трипальмитин (807,34 кг / кмоль) 6,3 ацетат => 7,7 CO2 + C5H8.3O2,7N0,76,3 × [4 ч3 + 2 CO2 => ацетат] ——– —————- 6,3 × 4 водорода => C5H8,3O2,7N0,7 (121,42 кг / кмоль) Экспериментально: биомасса = 32 г = 264 ммоль, липиды = 18 г = 22,3 ммоль .

Итак, экспериментальное уравнение (где водород теоретически рассчитывается из приведенных выше теоретических уравнений и количества произведенных биомассы и липидов) 11,123 водорода => 264 C5H8.3O2,7N0,7 + 22,3 трипальмитин. Следовательно, теоретическая энергоэффективность (LHV) составляет [(264 моль био) (- 1 909,2524 кДж / моль) + (22,3 моль трип) (- 29 450 кДж / моль)] / [- (242,82 кДж) / моль) (11,123 моль ч3)] = 43%.

Материалы и методы

Бактерии, среды и условия культивирования.

Подробнее о повседневном культивировании микроорганизмов и описание используемых штаммов см. SI Примечания к материалам и методам .

Анаэробный биореактор с пузырьковой колонкой.

М.thermoacetica выращивали в биореакторе на стеклянной барботажной колонке объемом 1 л при 60 ° C. Состав газа контролировали с помощью четырехканального регулятора массового расхода, а pH регулировали добавлением 5 н. Гидроксида натрия или соляной кислоты. Приготовленную среду (за исключением цистеина) автоклавировали, переносили в биореактор и продували бескислородным газом N ₂ в течение ночи. pH был доведен до 6,0, если не указано иное, и поток синтез-газа был инициирован и непрерывно барботировали через биореактор (см. SI Notes on Materials and Methods для состава синтез-газа).К среде добавляли раствор цистеина для удаления остаточного кислорода, и биореактор инокулировали при 5% об. / Об.

Условия аэробного биореактора с перемешиванием.

Y. lipolytica выращивали в 2-литровом биореакторе с мешалкой. Растворенный кислород (DO) регулировали до 20% насыщения, а pH регулировали до 7,3 добавлением уксусной кислоты. В течение первых 70 часов роста корм содержал 3% уксусной кислоты и 15 г / л сульфата аммония, чтобы обеспечить достаточное количество азота для образования нелипидной биомассы.После этого сырье содержало только 3% об. / Об. Уксусной кислоты. Дополнительный ацетат, необходимый для поддержания концентрации ацетата ~ 15 г / л, был предоставлен в виде раствора ацетата натрия (300 г / л). Модуль из полых волокон использовался для рециркуляции ячеек и поддержания постоянного объема (20). Теоретический максимум накопления углерода определяется как образование липидов и нелипидов на ацетате (21, 22).

Интегрированная система биопроцессов.

Биореактор с барботажной колонкой (для M. thermoacetica ) и биореактор с мешалкой (для Y.lipolytica ) были интегрированы в процесс, схематически показанный на рис. 1. Условия эксперимента во время интегрированного биопроцесса представлены в таблице 1, а полная операция описана в SI Notes on Materials and Methods . Вкратце, барботажная колонна сначала работала в периодическом режиме по отношению к жидкой фазе. После изменения состава синтез-газа и достижения стационарной фазы было начато непрерывное удаление жидкости, и клетки были рециркулированы через половолоконную мембрану.После того, как был перенесен 1 л эффлюента, аэробный биореактор был засеян и работал непрерывно, снова с рециркуляцией клеток, выполненной через половолоконную мембрану.

Аналитика ферментации.

Состав отходящих газов анализировали с помощью microGC-TCD (газовая хроматография – детектор теплопроводности). Ацетат и цитрат измеряли с помощью ВЭЖХ с детектором показателя преломления (RID). Рост контролировали с помощью OD ₆₀₀ для M. thermoacetica (23) и гравиметрически для Y.липолитика. Преобразование OD в сухой вес клеток производилось с помощью соотношений, определенных в нашей лаборатории. Количество общих липидов определяли с использованием модифицированной версии протокола прямой переэтерификации, адаптированной из патента США 7932077 (24) и Griffiths et al. (25) с использованием газовой хроматографии с пламенно-ионизационным детектором (GC-FID). Подробнее см. SI Примечания к материалам и методам .

Анализ гидрогеназы.

Гидрогеназную активность анализировали анаэробно по стандартным протоколам после восстановления бензилвиологена проницаемыми клетками в запечатанной кювете (26, 27).Подробнее см. SI Примечания к материалам и методам .

SI Примечания к материалам и методам

Бактерии, среды и условия культивирования.

Анаэробная ацетогенная бактерия M. thermoacetica (ATCC 49707) (www.atcc.org) была выращена при 60 ° C в соответствии со строгими аноксическими методами в улучшенной культуральной среде, содержащей (на литр) 1,4 г KH ₂ PO ₄ , 1,1 г K ₂ HPO ₄ , 2,0 г (NH ₄ ) ₂ SO ₄ , 0.5 г MgSO ₄ · 7H ₂ O, 10 г дрожжевого экстракта, 10 г морфолиноэтансульфоновой кислоты (Mes), 20 мл раствора микроэлементов ATCC 1754 PETC (www.atcc.org) и 10 мл 0,3% раствора цистеина. Кроме того, добавляли 0,5 мл 0,2% резазурина, чтобы указать на присутствие кислорода.

Сконструированный штамм Y. lipolytica ACC-DGA (2) представляет собой po1g (генотип MatA, leu2-270, ura3-302: URA3, xpr2-332, axp-2; источник, Yeastern Biotech), трансформированный штамм с плазмида pMT065, экспрессирующая гены ACC и DGA, кодирующие ацетил-CoA-карбоксилазу и диацилглицерин-ацилтрансферазу, соответственно.ACC1 и DGA1 – важные гены, ответственные за первый и последний этапы синтеза липидов. Сочетание ACC1 и DGA1 позволяет эффективно отклонять поток в сторону синтеза липидов и создавать движущую силу (одновременное толкание и притяжение потока углерода в направлении TAG) путем связывания образования продукта в липидных телах. Этот штамм содержит маркер LEU2 и дополнительную копию генов ACC1 и DGA1. ACC1 находится под контролем промотора hp4d (минимальный промотор LEU2, которому предшествуют 4 копии энхансера вышестоящей последовательности активации UAS1B), а ген DGA1 находится под контролем промотора Yarrowia TEF [фактор элонгации транскрипции 1 (альфа)] с его ассоциированный интрон.

Сконструированный штамм Y. lipolytica ACC-DGA выращивали в следующих средах. Чашки селективного агара YNB-Leu содержали (на литр) 1,7 г дрожжевого азотного основания (без аминокислот), 0,69 г CSM (Leu-), 20 г глюкозы и 15 г агара Bacto. Среду YPD готовили (на литр) с 20 г бакто-пептона, 10 г дрожжевого экстракта и 20 г глюкозы (Sigma-Aldrich). Среда YPA была подобна YPD, но содержала 28 г / л ацетата натрия (или 20 г / л ацетата) вместо глюкозы. Посевной материал биореактора сначала выращивали в пробирке в течение ночи со средой YPD до OD 3–5 с последующим нанесением штрихов на чашку Петри YNB-Leu.Отдельные колонии пересевали в культуральную пробирку [3 мл YPA в культуральной пробирке на 15 мл, 200 об / мин, 28 ° C, 24 ч (орбитальный шейкер Thermo Scientific MaxQ 4000 с орбитой 1,9 см)]. Как только ОП достигала 3–5, их снова пересевали в колбу Эрленмейера при начальной ОП 0,1 [50 мл YPA в колбах на 250 мл, 200 об / мин, 28 ° C, 2 дня (орбитальный шейкер Thermo Scientific MaxQ 4000 с орбита 1,9 см)]. Биореактор инокулировали экспоненциально растущими клетками до конечной концентрации 5% об. / Об.Дрожжевой экстракт, бакто-агар и бакто-пептон были приобретены у BD. Ацетат натрия был приобретен у Macron Fine Chemicals. Все остальные используемые химические вещества были приобретены у Sigma-Aldrich. Штамм ACCDGA накапливал до 62% липидов из глюкозы в качестве субстрата в результате синтеза de novo при общей объемной производительности 0,143 г⋅л ^-1 ⋅h ^-1 (5). Последующие оптимизированные культивирования в биореакторе улучшили производительность до титра 55 г / л, 0,707 г⋅л ^-1 ⋅ч ^-1 объемной производительности, 67% содержания липидов и 0.Выход 234 г / г (5).

Анаэробный биореактор с пузырьковой колонкой.

M. thermoacetica выращивали в биореакторе со стеклянной барботажной колонкой с внутренним диаметром 4,5 см, высотой 80 см и общим рабочим объемом около 1 л (G. Finkenbeiner Inc.). Состав газа контролировали с помощью четырехканального регулятора массового расхода, регулирующего расход H ₂ , CO, CO ₂ и N ₂ . Температуру биореактора поддерживали на уровне 60 ° C с помощью нагревательного одеяла и регулятора температуры.pH контролировали добавлением 5 н. гидроксида натрия или соляной кислоты, что определяли с помощью системы управления насосом Etatron DLX pH / ORP и погружного pH-электрода. Все цифровые контроллеры массового расхода, температуры и pH AALBORG были приобретены у Cole-Parmer. Подготовленную среду (за исключением цистеина) автоклавировали при 121 ° C в течение 25 минут, переносили в биореактор и продували бескислородным газом N ₂ в течение ночи для удаления всех следов растворенного кислорода. После этого pH довели до 6.0, если не указано иное, и поток синтез-газа (описанный ниже) инициировали и непрерывно барботировали через биореактор. К среде добавляли раствор цистеина (10 мл, 3% мас. / Мас.) Для удаления любого остаточного кислорода. Биореактор с пузырьковой колонкой инокулировали при 5% об. / Об. Культурой, выращенной в бутыле для сыворотки с использованием перечисленных выше сред.

Состав синтез-газа.

Первоначальные эксперименты в анаэробном реакторе проводились с составом исходного газа, который поддерживался постоянным на протяжении всего процесса ферментации.Клетки выращивали на смеси синтез-газа, подаваемой с общей скоростью потока газа 1000 кубических сантиметров в секунду, и с составами CO / CO ₂ (4/1) и H ₂ / CO ₂ (4/1). В последующих экспериментах, где состав газа был изменен в середине ферментации, клетки сначала выращивали на CO / CO ₂ (4/1) при 1000 sccm. После того, как клетки достигли стационарной фазы и выработка ацетата стабилизировалась, состав синтез-газа и скорость потока были отрегулированы, как описано ниже. В то же время половина среды в биореакторе была заменена свежей средой, и был инициирован поток через половолоконную мембрану для рециркуляции клеток обратно в биореактор.После замены среды рабочий объем барботажной колонки поддерживался постоянным на уровне 1 л.

Условия аэробного биореактора с перемешиванием.

Y. lipolytica выращивали в 2-литровом биореакторе с мешалкой (New Brunswick Scientific). Уровни pH и растворенного кислорода (DO) контролировали с помощью зонда pH и зонда DO (Mettler-Toledo Ingold Inc.). Исходная среда состояла из 30 г / л ацетата натрия (Macron Chemicals), 2,5 г / л дрожжевого экстракта (Difco Laboratories), 4.2 г / л дрожжевого азотного основания (без аминокислот и сульфата аммония; Amresco) и 2,4 г / л сульфата аммония (Macron Chemicals) (молярное отношение C / N 20). Заданные значения pH и DO составляли 7,3 и 20%, соответственно, и поддерживались каскадным контролем. PH регулировали путем подачи раствора уксусной кислоты. В течение первых 70 часов роста корм содержал 3% уксусной кислоты и 15 г / л сульфата аммония, чтобы обеспечить достаточное количество азота для образования нелипидной биомассы. Сырье содержало только 3% об. / Об. Уксусной кислоты до конца цикла.Дополнительный ацетат, необходимый для поддержания концентрации ацетата ~ 15 г / л в биореакторе, при необходимости подавали в виде раствора ацетата натрия (300 г / л). Модуль из полых волокон с размером пор 0,2 мкм и площадью поверхности 290 см. ² (MiniKros Sample Plus Filter Module; Spectrum Laboratories) непрерывно использовался во время работы реактора для рециркуляции ячеек и удаления избыточного объема, закачанного в реактор. подача уксусной кислоты (20). Растворы уксусной кислоты готовили с ледяной уксусной кислотой (Acros Chemicals).Теоретический максимум накопления углерода определяется как образование липидов и нелипидов на ацетате (21, 22).

Интегрированная система биопроцессов.

Биореактор с барботажной колонкой (для M. thermoacetica ) и биореактор с мешалкой (для Y. lipolytica ) были объединены в процесс, схематически показанный на рис. 1. Условия эксперимента во время интегрированного цикла биопроцесса представлены в таблице 1. В этой системе газы поступают в барботажную колонну и превращаются в уксусную кислоту, которая, в свою очередь, используется в качестве сырья для реактора с мешалкой и превращается в липиды.Барботажная колонна сначала работала в периодическом режиме по отношению к жидкой фазе. Смесь газов CO / CO ₂ подавалась с составом 4: 1 и расходом 1000 куб. См. Куб. См. Через 94 часа состав газа был изменен на H ₂ / CO ₂ (2: 1), а скорость потока увеличилась до 1200 куб. В то же время 500 мл среды заменяли 500 мл свежей анаэробной среды с использованием половолоконной мембраны для удержания клеток в биореакторе (модуль MiniKros Sample Plus Filter Module; Spectrum Laboratories).Как только культура достигла стационарной фазы, через 185 ч, был инициирован поток жидкой среды, и биореактор с барботажной колонкой с M. thermoacetica был переключен на непрерывную работу со скоростью потока 0,5 мл / мин. Рециркуляция клеток также инициировалась одновременно с половолоконной мембраной. На протяжении всей операции pH поддерживался на уровне 6,0. Отработанные среды из половолоконной мембраны переносили в биореактор с мешалкой через стерильный контейнер. Биореактор с мешалкой (для Y.lipolytica ) был засеян примерно через 33 часа после переключения на непрерывный режим, чтобы дать достаточно времени для подачи ~ 1000 мл ацетатсодержащей среды в биореактор. После инокуляции биореактор с мешалкой также работал в непрерывном режиме. Чтобы поддерживать постоянный рабочий объем в биореакторе, сточные воды, содержащие низкие концентрации уксусной кислоты, удаляли через половолоконную мембрану с размером пор 0,2 мкм и площадью поверхности 290 см. ² (MiniKros Sample Plus Filter Module; Spectrum Laboratories ).Скорость потока жидкости увеличилась с 0,5 мл / мин до 1,5 мл / мин после инокуляции Y. lipolytica .

Анализ газов и жидкостей.

Расход газа измеряли с помощью пузырькового расходомера (Cole-Parmer). Состав газа анализировали с помощью двухканального микро-ГХ Agilent, оборудованного колонками PLOT U и Molecular Sieve, а также детекторами TCD (Agilent Technology). В качестве газа-носителя использовался аргон. OD измеряли при 600 нм с помощью кювет объемом 1 мл и спектрофотометра Ultrospec 2100 pro UV / Visible (General Electric).OD M. thermoacetica была пропорциональна DCW (соотношение ~ 0,45 г сухих элементов на литр на единицу OD ₆₆₀ ) (23), значение подтверждено нашей лабораторией. Y. lipolytica Общую биомассу определяли гравиметрически с использованием фильтров из нитрата целлюлозы (Whatman). Фильтры сначала сушили при 60 ° C в течение 2 ч и предварительно взвешивали. В резервуар для выдержки, установленный на мембране фильтра, наливали 15 мл бульона. Применяли вакуум для протаскивания жидкости через мембрану.Фильтры сушили в течение 24 ч в сушильном шкафу при 60 ° C и повторно взвешивали. Ацетат и цитрат измеряли с помощью HPLC Waters Alliance 2695 с дифференциальным рефрактометром Waters 410 и колонкой Bio-Rad HPX-87H (Waters Corporation). Колонку элюировали при 35 ° C 14 мМ серной кислотой в качестве подвижной фазы со скоростью потока 0,6 мл / мин.

Экстракция и количественное определение липидов.

Общие липиды были количественно определены с использованием модифицированной версии протокола прямой переэтерификации, адаптированной из патента США 7932077 (24) и Griffiths et al.(25). Корреляцию между OD и биомассой клеток (0,3 г сухих клеток на литр на единицу OD ₆₀₀ ) использовали для определения объема клеточной культуры. Объем клеточной культуры был выбран таким, чтобы каждый образец содержал ~ 1 мг клеточной биомассы. После центрифугирования и удаления супернатанта осадок клеток суспендировали в 100 мкл гексана, содержащего внутренний стандарт глицерилтригептадеканоат (триацилглицерид C17). Затем к смеси добавляли 500 мкл 0,5 н. Метоксида натрия и суспензию клеток встряхивали при комнатной температуре в течение 60 мин.Затем добавляли 40 мкл 98% (мас. / Мас.) Серной кислоты с последующим добавлением 500 мкл гексана. Всю эту смесь встряхивали в течение 30 минут при комнатной температуре для экстракции метиловых эфиров жирных кислот (FAME) в гексановую фазу. Наконец, смесь центрифугировали при 8000 об / мин (орбитальный шейкер Thermo Scientific MaxQ 4000 с орбитой 1,9 см) и верхний гексановый слой переносили во флаконы для анализа с помощью газовой хроматографии (ГХ). ГХ-анализ МЭЖК выполняли с использованием прибора Bruker 450-GC, оборудованного пламенно-ионизационным детектором и капиллярной колонкой HP-INNOWAX (30 м × 0.25 мм) и те же условия печи использовались, как обсуждалось у Tai и Stephanopoulos (2). Концентрации FAME были рассчитаны по коммерческим стандартам и нормализованы по внутреннему стандарту (метил C17) в контрольной пробирке без клеток. Общее содержание липидов рассчитывали как сумму общего содержания жирных метиловых эфиров для пяти МЭЖК: метилпальмитата (C16: 0), метилпальмитолеата (C16: 1), метилстеарата (C18: 0), метилолеата (C18: 1), и метиллинолеат (C18: 2).

Анализ гидрогеназы.

Гидрогеназную активность оценивали путем мониторинга восстановления бензилвиологена проницаемыми клетками в запечатанной кювете (26). Раствор акцептора электронов (EA), состоящий из окисленного бензилвиологена и клеточного раствора (CS), взятого в результате ферментации, готовили в двух отдельных пробирках Hungate в анаэробной камере. Раствор EA содержал 0,3 мл 1 М калий-фосфатного буфера (pH 6), 0,4 мл 40 мМ бензилвиологендихлорида (BV) и 2,3 мл деионизированной воды. CS содержал 0.3 мл 1 M калий-фосфатного буфера (pH 6), 0,3 мл 0,5 M DTT, 0,3 мл клеточного бульона и 1,8 мл деионизированной воды. После подготовки обе пробирки вынули из анаэробной камеры и продули чистым газом H ₂ с расходом 50 sccm на водяной бане при 60 ° C в течение 5 минут. За одну минуту до окончания продувки в пробирку CS вводили 0,3 мл раствора Triton X-100 для проникновения через клеточную стенку и воздействия раствора на гидрогеназу. Чтобы начать анализ, 2 мл из пробирки с раствором EA и 0.67 мл из пробирки CS смешивали в герметичной анаэробной кювете, и за восстановлением BV _ox до восстановленного BV _red непрерывно наблюдали при 546 нм. Активность (U) рассчитывалась исходя из начального наклона с использованием коэффициента экстинкции 7,55 м ³ моль ⁻¹ cm ⁻¹ . Одна единица была определена как потребление 1 мкмоль H ₂ в минуту. Удельную активность (Ед / мг) определяли делением активности на клеточную массу в анализе.Следует отметить, что определенная активность представляет собой глобальную ферментативную активность всех гидрогеназ, участвующих в поглощении водорода. Предыдущие исследования показали, что несколько различных ферментов гидрогеназы активны в acetogen M. thermoacetica (27).

Благодарности

Мы благодарим доктора Викторию Бертис и доктора Питера Гиргуиса (Гарвардский университет) за их помощь. Это исследование было поддержано грантом ARPA-E программы Electrofuels (Award DE-AR0000059) и Программой геномных наук Министерства энергетики (Grant DE-SC0008744) (MIT: 692-6611).

Сноски

• Вклад авторов: исследование, разработанное G.S. P.H., S.C. и H.L. проводили исследования; A.K., B.W., D.E. и G.S. проанализировали данные; и А.К. и Г.С. написали статью.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

• См. Комментарий на стр. 3717.

• Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org / lookup / suppl / doi: 10.1073 / pnas.1516867113 / – / DCSupplemental.

Рынки переработки газа и ШФЛУ

Средний поток газа: рынки переработки газа и ШФЛУ

Углеводороды, содержащиеся в природном газе

После того, как кислые газы, конденсаты и водяной пар удаляются из газа во время подготовки газа, газ содержит преимущественно метан (C ₁ H ₄ ), если это обедненный или сухой газ , но может также содержат меньшие количества более тяжелых углеводородов, таких как этан (C ₂ H ₆ ), пропан (C ₃ H ₈ ), нормальный и изобутан (C ₄ H ₁₀ и iC ₄ H ₁₀ ) и пентан (C ₅ H ₁₂ ) плюс некоторые более тяжелые молекулы (C ₆ H ₁₄₊ ).Небольшие количества инертных газов и незначительные количества других компонентов, включая минимальные количества водяного пара, также могут присутствовать в газовом потоке. Инертные газы и водяной пар снижают эффективную теплотворную способность газа, но если они присутствуют в относительно небольших количествах, поток газа обычно приемлем для рынка.

Добываемые газы могут иметь различный углеводородный состав в зависимости от того, как они созревают в недрах и как достигают поверхности.Типичные углеводородные составы трех добываемых газов показаны в Таблице 1 ниже. В их числе:

• Сухой газ , добываемый из коллектора, где углеводороды «созрели» в материнских породах, подвергаясь воздействию достаточно высокой температуры в течение геологического времени, чтобы преобразовать их почти во весь метан , углеводород с одним атомом углерода.
• Rich Gas (иногда называемый Wet Gas ) добывается из пласта, где углеводороды еще не созрели, чтобы полностью преобразовать их в метан.Таким образом, этот газовый поток будет содержать метана плюс смесь следующих более тяжелых углеводородных молекул : этана, пропана, бутана и пентана, смесь, которую часто называют сжиженного природного газа или NGLs .
• Попутный газ образуется в виде смеси паров углеводородов во время отделения сырой нефти во время добычи, поскольку его температура и давление снижаются от пласта к условиям на поверхности. По мере прохождения сырой нефти через сепараторы, попутный газ поднимается в каждом сепараторе, выходит из верхней части и затем направляется в скруббер для отделения захваченных жидкостей.Затем богатая газовая фаза проходит соответствующую обработку. Чем легче нефть, тем больше доля попутного газа. Сырая нефть со средним содержанием, скажем, 35º API, может иметь газонефтяное соотношение (GOR), равное 1000 SCF на баррель добычи сырой нефти. Конденсаты будут иметь очень высокий газовый фактор, а темная тяжелая нефть будет иметь очень низкую добычу попутного газа, если таковая будет.

Как вы можете видеть в таблице ниже, состав более тяжелых углеводородных молекул в попутном газе может быть выше, чем в насыщенном газе.Гексан и гептаны (C ₆ и C ₇ соответственно) плюс некоторая часть насыщенного газа будут выпадать в виде жидкости в сепараторах и в виде капель в газоочистителе.

		MOL Процент *
		Попутный газ Газ	Влажный (богатый) Газ	Сухой Газ
Компонент	Символ	Абу-Даби Закум	Алжир Hassi-R	Северное море West Sole
Метан	К 1	76.0	83,5	94,4
Этан	С 2	11,4	7,0	3,1
Пропан	С 3	5,4	2,0 ​​	0,5
изобутан	i-C 4	1.1	0,4 ​​	0,1
н-бутан	н.к. 4	1,1	0,4 ​​	0,1
Пентан Плюс	К 5+	1,3	0,4 ​​	0,2
Азот	№ 2	1.1	6,1	1,1
Двуокись углерода	CO 2	2,3	0,2	0,5
Сероводород	H 2 S	0,3	0,0	0,0
Теплотворная способность (БТЕ / фут 3 )		1,276.2	1,130,9	1052,3
* MOL% = Объем% при атмосферном давлении

Таблица 1: Углеводородный состав трех типичных источников добываемого газа.
(Примечание: измеряется в мольных процентах, что соответствует объемным процентам при стандартной температуре и давлении).

Сухой газ содержит очень высокий процент метана – это означает, что только очень скромные количества более тяжелых углеводородов могут быть извлечены из этого газового потока в виде жидкостей.

Метан (CH ₄ ) : используется в качестве чистого горючего топлива ( Рисунок 7 ) или в качестве сырья для производства метанола, аммиачных / карбамидных удобрений или для преобразования в жидкие углеводороды высокой чистоты, как правило именуется GTL («Газ-жидкость»). Его теплотворная способность составляет 1010 британских тепловых единиц на стандартный кубический фут (BTU / SCF), а температура кипения составляет -259 ° F (-162 ° C) при атмосферном давлении. (Примечание: BTU – это количество тепловой энергии, необходимое для повышения температуры 1 фунта воды на 1 ° F при 60 ° F.Это означает, что 1000 SCF метана содержат около 1 миллиона БТЕ).

Рисунок 7: Метан, используемый в качестве очищающего горючего или нефтехимического сырья.

Затем сухой газ

после обработки может быть сжат и доставлен непосредственно в трубопровод для транспортировки на рынок или сжижения для получения СПГ ( «Сжиженный природный газ» ) для перевозки кораблем на удаленные рынки (см. Рисунок 2 ).

И Rich Gas , и Попутный газ имеют значительные концентрации углеводородов от C ₂ до C ₅₊ , которые в умеренных процентах могут поставляться на рынок в смеси с метаном.Однако из-за их ценности как жидкостей они обычно разделяются и продаются на рынках жидкостей. Обратите внимание, что C ₆ и C ₇₊ следует извлекать в виде конденсата или смешивать с сырой нефтью. Более легкие компоненты (от C ₂ до C ₅ ) извлекаются во время обработки газа, однако на некоторых рынках, таких как Япония и Корея, они могут оставаться в газе, поскольку их газораспределительная система рассчитана на более высокое качество газа. . Эти углеводородные компоненты имеют значительную ценность, поэтому нам следует уделить время их потенциальному использованию, процессам извлечения и рыночной стоимости.

Свойства сжиженного природного газа

Более легкие углеводородные молекулы (от C ₂ до C ₅ ), их основные свойства и рынки сбыта показаны ниже.

Этан: (C ₂ H ₆ ) также можно отделить от газового потока и использовать в качестве топлива с более высокой теплотворной способностью, но его основное применение – в качестве сырья для производства этилена, очень универсального олефина нефтехимия и основное сырье для производства пластмасс (Рис. 8) .Превращение этана в этилен производится с использованием широко используемого процесса парового крекинга , где этан в присутствии пара в течение 1 секунды при 1500 ° F (870 ° C) превращается во многие продукты, включая этилен и пропилен. Теплотворная способность этана составляет 1770 BTU / SCF, что выше, чем у метана, а его температура кипения составляет -127 ° F (-89 ° C), что также выше, чем у метана. Чтобы помочь с преобразованием единиц измерения, обратитесь к Таблица 2 .

Рисунок 8: Этан, сырье для производства этилена, основное сырье для производства пластмасс.

Конверсия единиц тепловой энергии
1 миллион БТЕ равен	252 164 ккал	ккал
	1055 мегаджоулей	МДж
	1,055 Гигаджоулей	GJ
	1 Декатерм	Dth
	293.1 Киловатт-час	кВтч

Таблица 2: эквивалента тепловой энергии 1 млн БТЕ. Стандартная единица измерения в США – Dth, а в Европе применяется кВтч.

Пропан (C ₃ H ₈ ): следующая большая молекула углеводорода, имеет теплотворную способность 2516 BTU / SCF и температуру кипения -44 ° F (-42 ° C). Обычно его поддерживают в жидкой форме с помощью охлаждения (-50 ° F) или путем приложения давления 200 фунтов на квадратный дюйм на его защитную оболочку.Он используется как жидкое топливо , обычно называемое одним из LPG s (« сжиженный нефтяной газ »), или как сырье для производства этилена и пропилена нефтепродуктов в процессе парового крекинга. ( Рисунок 9 ).

Рис. 9: Пропан можно использовать в качестве жидкого топлива и называть его сжиженным нефтяным газом. Его также можно использовать в качестве сырья для производства нефтехимических продуктов.

Нормальный бутан (C ₄ H ₁₀ ): также является LPG , обычно продается как топливо , смешанное с пропаном ( «смесь LPG» ) в более теплом климате, где пропан сам по себе не может безопасно храниться в виде жидкости в контейнерах под давлением 200 фунтов на квадратный дюйм.Его теплотворная способность даже выше, чем у пропана, 3263 BTU / SCF, а его температура кипения составляет 31 ° F (-0,51 ° C) (, рис. 10a, ). Нормальный бутан также может быть смешан с бензином для обеспечения летучести или направлен в установку парового крекинга для получения бутадиена , основного компонента синтетического каучука .

Изобутан (iC ₄ H ₁₀ ): , который имеет свойства нагревания и испарения, очень близкие к свойствам нормального бутана, представляет собой молекулу, которая имеет радикал CH ₃ от атома углерода.Он используется в качестве хладагента, однако в основном он используется в производстве алкилата , ключевого ингредиента высокооктанового бензина, а также в качестве сырья для нефтехимии (, рис. 10b, ).

Рис. 10: a) Нормальный бутан обычно смешивается с пропаном в качестве жидкого топлива (смесь сжиженного нефтяного газа). Он также может быть сырьем для производства бутадиена. b) Изобутан в основном используется для производства алкилата, ключевого ингредиента высокооктанового бензина.

Пентан + (C ₅ H ₁₂₊ ) : смесь пентана и более тяжелых молекул, остающаяся после процесса разделения, часто называемая , природный бензин , используется в качестве добавки к бензину и в качестве нефтехимического сырья.Его температура кипения находится в диапазоне 82-97 ° F (28-35 ° C). Его теплотворная способность составляет приблизительно 4 009 БТЕ / SCF (, рисунок 11, ).

Рис. 11: Пентаны + используются в качестве сырья для смешивания бензинов и нефтехимии.

Теперь, когда мы знаем больше о свойствах жидких углеводородов, содержащихся в более богатом природном газе, мы должны потратить немного времени на изучение того, как отделить их от добытого газа, а затем получить представление об их международных рынках .

Основы газопереработки

Существует несколько способов разделения смесей углеводородов природного газа на отдельные компоненты, и все они зависят от разницы в их точках кипения, давлениях и температурах. На рис. 12 мы суммируем в виде термометра точки кипения при атмосферном давлении, при которых каждый компонент превращается из газа в жидкость. Таким образом, мы видим, что если богатый природный газ охладить до -60 ° F (-51 ° C) при атмосферном давлении, все более тяжелые углеводороды, включая пропан, будут конденсироваться в виде жидкой смеси, обозначаемой как NGLs (” Жидкости природного газа “), при этом только метана и этана остаются в виде газа.Этот случай применим, когда мы решили извлекать из газового потока только компоненты « пропан плюс » – этан остается в газовой фазе, смешанной с метаном.

Рисунок 12: Этот термометр точки кипения показывает температуру при атмосферном давлении, при которой углеводород будет «закипать», то есть изменится с газа на жидкость при понижении температуры до точки кипения или от жидкости к газу при повышении температуры до точки кипения.

Если бы газ охладился дальше до -150 ° F (-101 ° C), мы увидим, что этан также конденсировался бы и стал бы частью смеси газоконденсатных жидкостей, при этом в газообразном состоянии останется только метан.

И, наконец, как вы могли догадаться, если мы охладим углеводороды до -260 ° F (-162 ° C) при атмосферном давлении, все углеводороды конденсируются в жидкость, и мы получим относительно богатый СПГ (« Liquefied Natural Газ “).

После надлежащей обработки для удаления кислых газов и водяного пара полученный поток обогащенного газа можно охладить до желаемой температуры обработки для образования газоконденсатных жидкостей с использованием процесса Cryogenic Expander Process , одного из двух наиболее широко используемых методов обработки природного газа.

Процесс криогенного детандера

Процесс криогенного детандера разделяет поток обогащенного газа на две фазы: метана и NGL . Как показано на рис. 13 , обогащенный входящий газ при давлении 500 фунтов на квадратный дюйм и температуре 100 ° F (38 ° C) сначала проходит через теплообменник, где он охлаждается встречным потоком холодного метана до температуры -30 ° F (-34 ° C). Это приводит к тому, что некоторые из более тяжелых компонентов входящего газа становятся жидкими, которые разделяются под действием силы тяжести в холодном сепараторе, а затем перетекают в колонну деметанизатора .

Холодный газ, выходящий из холодного сепаратора, затем проходит через специальный клапан, называемый клапаном Джоуля Томпсона , или, в качестве альтернативы, проходит через турбодетандер, что вызывает резкое падение давления газа с 450 до 225 psi и, что более важно, резкое падение температуры от температуры на входе до -160 ° F (-107 ° C). Это ниже точки кипения этана , и поэтому все углеводороды, кроме метана, теперь находятся в жидком состоянии, поскольку жидкости текут в колонну деметанизатора (на самом деле не 100% этана и пропана. конденсируются как жидкости, небольшие количества уносятся и смешиваются с метаном).

Холодный метан отводится из верхней части колонны и проходит через теплообменник, где он нагревается. Затем его сжимают в трубопровод, используя турбодетандер для приведения в действие первого компрессора, и во многих случаях для достижения давления в трубопроводе требуется второй компрессор.

Жидкая смесь NGLs перемещается в нижнюю часть колонны деметанизатора и отводится в виде охлаждающей жидкости под значительным давлением для доставки по трубопроводу на любой из трех рынков: (а) нефтеперерабатывающий завод или (б) нефтехимический завод. установку или (c) установку фракционирования ШФЛУ для разделения на отдельные углеводородные компоненты.

Обратите внимание, что при более высоких давлениях ШФЛУ в трубопроводах остаются в жидком состоянии – даже при более высокой температуре грунта.

Рисунок 13: Схема технологического процесса криогенного расширителя Процесс .

Фотография типичного криогенного деметанизатора, сделанная во время строительства, показана на рис. 14 для производства Marcellus в Западной Вирджинии. Этот газоперерабатывающий завод Fort Beeler Cryo №1, 120 млн. Кубометров в год, построенный Caiman Energy LLC (приобретенный Williams Partners), разделяет ШФЛУ, которые отправляются по трубопроводу на их фракционирование и терминал ШФЛУ на реке Огайо возле Проктора, штат Западная Австралия.

Рисунок 14: Подготовка и переработка газа на небольшом предприятии по добыче нетрадиционного газа в Западной Вирджинии (любезно предоставлено Caiman Energy LLC).

Вторым наиболее широко используемым методом разделения является процесс абсорбции :

Процесс абсорбции

• В процессе абсорбции входящая газовая смесь течет в абсорбционную колонну , заполненную обедненным абсорбирующим маслом (см. , рис. 15, ), которое имеет сродство к газоконденсатным газам, извлекая до 40 процентов этана, 90 процентов пропан и почти 100 процентов более тяжелых компонентов.Абсорбирующая нефть «впитывает» ШФЛУ в газовом потоке, становится «богаче» более легкими углеводородами (от этана до пентанов) и выходит из нижней части колонны. В то же время сухой газ движется вверх и выходит из верхней части башни, где он охлаждается, чтобы утилизировать любые оставшиеся жидкости, которые вымываются. Холодный газ охлаждает входящий газ, а затем поступает на рынок. Богатое масло, выходящее из абсорбционной башни, затем подается в дистилляционную колонну , где смесь нагревается до температуры ниже точки кипения абсорбционного масла, но выше точки кипения газоконденсатных жидкостей.ШФЛУ, выходящие из верхней части, конденсируются и отправляются на рынок, в то время как обедненное абсорбционное масло рециркулирует в абсорбционную башню. Поскольку этот процесс не позволяет извлекать почти такое высокое процентное содержание различных углеводородных компонентов, как криогенный процесс, в наши дни он не так широко используется.

Рис. 15: Богатый газ разделяется на природный газ и СНГ в абсорбционной башне с использованием газоконденсатной жидкости, абсорбирующей нефть. Затем обогащенное масло нагревают в дистилляционной колонне для отделения СНГ от абсорбирующего масла, которое затем рециркулирует через колонну.

Фракционирование ШФЛУ

ШФЛУ разделяют на отдельные компоненты на установке фракционирования. Эта установка состоит из серии ректификационных колонн , как схематично показано на , рис. 16, и, на фотографии, на , рис. 17, , по одной для каждой углеводородной фракции, которая должна быть отделена от потока ШФЛУ.

Рисунок 16: Эта серия ректификационных колонн позволяет разделить газообразные углеводороды, поступающие слева, на отдельные углеводородные компоненты при все более низких давлениях.

ШФЛУ поступает по трубопроводу на установку фракционирования, показанную на рис. Рис. 17 при давлении 500 фунтов на квадратный дюйм (34 бар), входит в первую колонну, колонну фракционирования деэтанизатора (желтая), где давление снижается до 425 фунтов на квадратный дюйм (29 бар), условия точки кипения этана , что заставляет эту фракцию выкипать и подниматься в верхнюю часть колонны. Затем он конденсируется и отправляется на нефтехимический завод, обычно для производства этилена, или, в некоторых ограниченных случаях, отправляется по трубопроводу для продажи в качестве топлива на местные промышленные рынки.

Оставшиеся ГКЖ выходят из колонны деэтанизатора и направляются во вторую колонку, колонку депропанизации (красный), где давление понижается до 250 фунтов на квадратный дюйм (17 бар), что вызывает выкипание пропана. , поднимаются в верхнюю часть колонны в виде газа, где он конденсируется до жидкого состояния, а затем хранится или транспортируется либо (а) в охлажденных (-500 ° F / -450 ° C), либо в контейнерах под давлением при 200 фунтах на квадратный дюйм (13,6 бар ).

Оставшиеся жидкости затем направляются в колонну де-бутанизатора (пурпурный), где давление снижается до 80–130 фунтов на квадратный дюйм (5–9 бар).В этих условиях как изобутан , так и нормальный бутан разделяются при немного разных давлениях в одной колонне « расщепитель бутана » или в двух отдельных колоннах. Они тоже конденсируются и хранятся или транспортируются под давлением.

Жидкости, которые не испаряются в колонне фракционирования бутана, называемые пентаном плюс фракция или природного бензина , выходят из колонны и хранятся или отправляются на рынок.

Рисунок 17: На этой установке фракционирования в Мон-Бельвье, штат Техас, показано множество колонн и резервуаров для хранения, которые являются частью этого типа установки. Mont Belvieu является центром рынка сжиженного нефтяного газа в США, поскольку он имеет обширные складские помещения, в том числе подземные пещеры, и находится рядом с крупными химическими комплексами. Отдельные продукты могут быть легко загружены на корабли в близлежащем Хьюстонском судоходном канале для доставки на региональные и международные рынки.
Предоставлено ONEOK .

Пропан и бутаны, известные как СНГ , транспортируются на рефрижераторах, трубопроводах и грузовиках и доставляются в контейнерах под давлением для использования в качестве топлива в домах и в промышленности.

Рис. 18: СНГ транспортируется на судах-рефрижераторах, автоцистернах под давлением, «пуленепробиваемых» цистернах и меньших емкостях для приготовления пищи, ожидающих использования в качестве топлива для отопления и приготовления пищи.

Расположение газоперерабатывающих заводов

Газоперерабатывающие заводы могут быть построены на выходе из газоперерабатывающего завода или рядом с ним или на некотором расстоянии от его точки добычи, например, в центральном газоперерабатывающем центре, где собирается богатый газ с нескольких добывающих месторождений. и обработаны для восстановления жидкостей.В качестве альтернативы, перерабатывающий завод может быть расположен недалеко от крупного рыночного центра, где жидкости извлекаются из попутного газа и продаются по привлекательным ценам.

Четыре газоперерабатывающих завода по адресу St Fergus, Scotland , например, перерабатывают около 20 процентов газа, добываемого на месторождениях Северного моря ( Рисунок 19 ). После обработки сухой газ поступает в трубопровод Национальной транспортной системы, по которому газ транспортируется по всей Великобритании, а ШФЛУ отправляются в близлежащие центры фракционирования, такие как Моссморран, для разделения на различные компоненты.Эти жидкие продукты затем поставляются на местные, национальные и международные рынки.

Рисунок 19: Газоперерабатывающие заводы в Сен-Фергусе, Шотландия, перерабатывают около 20 процентов газа, добываемого на морских месторождениях Северного моря. Этот принадлежит и управляется ExxonMobil. Источник: Годовые отчеты ExxonMobil.

Группа канадских производителей решила построить собственный газопровод из Западной Канады в Чикаго и перерабатывать богатый газ на конце трубопровода в Чикаго, недалеко от Окс Сабл, штат Иллинойс.Это привело к строительству трубопровода Alliance Pipeline (рис. 20) и его газоперерабатывающего завода около Aux Sable, штат Иллинойс.

Рисунок 20: Газ, добываемый и очищенный в Западной Канаде, транспортируется по трубопроводу Альянса в регион Чикаго, где газоперерабатывающий завод Aux Sable извлекает ШФЛУ для фракционирования на жидкие компоненты от C ₂ до C ₅ .

Жидкости, фракционированные на заводе, затем продаются на региональный рынок, за исключением C ₅₊ , который возвращается в Канаду для смешивания с битумом в Атасбаске для облегчения транспортировки на модернизированные нефтеперерабатывающие заводы в Эдмонтоне.Сухой природный газ, в основном метан, продается на региональном газовом рынке Чикаго.

Катар – один из самых быстрорастущих источников поставок сжиженного газа в мире. Природный газ, добываемый на очень большом морском Северном месторождении, поставляет около 1 миллиона баррелей в день конденсата и ШФЛУ в виде побочных продуктов очень крупных заводов по производству СПГ, расположенных в этой стране. Мы обсудим эти важные заводы СПГ в модуле СПГ.

Измерение и применение объемов свободного газа в колонке для газожидкостной хроматографии, значения K для метана и молярных объемов жидкости в системе метан-н-октан

Абстрактные

Целью данного исследования было исследование экспериментального метода определения объемов свободного газа в газожидкостной хроматографической колонке.Значения K метана и мольные объемы жидкости в системе метан-н-октан были получены и сопоставлены с известными значениями. Также были рассчитаны и представлены значения K бесконечного разбавления для гелия, неона и аргона. Все данные были взяты для температуры системы -25 ° C и диапазона давления от 40 до 1028,7 фунтов на квадратный дюйм. Для данной температуры системы объем свободного газа внутри колонны зависел от давления в системе или газообразного метана, растворенного в жидкой фазе. Для каждого давления были определены удерживаемые объемы гелия, неона, аргона и метана, меченного тритием.Эти объемы, измеренные в атмосферных условиях, были преобразованы в условия колонки и скорректированы на мертвый объем системы за пределами колонки и на реакцию электронного оборудования. Логарифмы скорректированных удерживаемых объемов гелия, неона и аргона были нанесены на график против обратных величин приведенных температур соответствующих компонентов. Этот график, который был почти линейным, был экстраполирован до нулевого значения, обратного приведенной температуре. Соответствующее значение удерживаемого объема принималось за объем свободного газа в колонке.K-значение метана и K-значение бесконечного разбавления гелия, неона и аргона в системе метан-н-октан были легко рассчитаны. По мере увеличения давления объем свободного газа уменьшался в результате набухания жидкой фазы при растворении метана. Были получены молярный объем чистой жидкости при давлении ее пара и состав жидкой фазы при каждом экспериментальном давлении. После этого можно было рассчитать молярные объемы жидкости при различных экспериментальных давлениях.Значения K метана и молярные объемы жидкости по сравнению с литературными значениями. Значения K для гелия, неона и аргона кажутся разумными, но для сравнения нет литературных значений. Этот метод определения объема свободного газа в газожидкостной хроматографической колонке представляется наиболее разумным методом, разработанным на сегодняшний день.

Цитата

Аля, Джеймс Иван. «Измерение и применение объемов свободного газа в газожидкостной хроматографической колонке с метановыми значениями K и молярными объемами жидкости в системе метан-н-октан.”(1967) Магистерская диссертация, Университет Райса. Https://hdl.handle.net/1911/89692.

Газовых единиц

Газовые установки

Вопреки распространенному мнению, газ обычно продается не за единицу объема, а за единицу энергии, которая может быть произведена путем сжигания газа. Конечные потребители газа заинтересованы в тепловой энергии, выделяемой при сжигании газа. Поскольку тепловая энергия газа связана с относительной долей «более легкого» метана по сравнению с «более тяжелым» этаном, пропаном, бутаном, пентаном и другими компонентами, тепловая энергия не является постоянной величиной для различных источников газа.

Тепловая энергия конкретного газового потока измеряется в единицах теплотворной способности, которая определяется количеством единиц тепла, выделяемых при сгорании единицы объема газа. Типичными единицами теплотворной способности являются британские тепловые единицы (британские тепловые единицы), джоули (Дж) и килокалории (ккал).

Большинство промышленных и бытовых потребителей получают газ через трубопровод и газовый счетчик, который измеряет объем поставленного газа. Это измерение объема впоследствии преобразуется с использованием средней теплотворной способности на коэффициент объема в количество единиц энергии, потребленных конечным пользователем, и умножается на цену за единицу энергии для определения суммы, выставленной в счет.

Во всем мире стоимость газа для потребителя обычно указывается в долларах за британскую тепловую единицу. Британская тепловая единица – это энергия, необходимая для повышения температуры 1 фунта воды на 1 ° F. Для крупных промышленных потребителей чаще используются сокращения MBtu (тысяча или 10 ³ Btu) или MMBtu (миллион или 10 ⁶ Btu). В Соединенном Королевстве за газ взимается плата с бытовых потребителей по цене за термостат, что эквивалентно 100 000 британских тепловых единиц.

Объемы газа обычно измеряются в кубических футах ( ³ футов) или кубических метрах ( ³ м).Запасы газа выражаются в миллиардах кубических футов (bcf) (10 ⁹ ) или триллионах кубических футов (tcf) (10 ¹² ), или, в случае стран, использующих метрическую систему, в миллиардах кубических метров (bcm) . Объем произведенного или потребленного газа часто выражается в миллионах кубических футов (MMcf), (10 ⁶ ) и Mcf (тысячах кубических футов). Объем газа также может быть выражен в миллионах кубических футов в день (MMcfd), иногда записывается как MMscfd для обозначения стандартных условий, и его метрический аналог, миллиард кубических метров в день (Bcmd).(M обычно используется для обозначения 1000, что основано на римской системе счисления. Таким образом, MM обозначает 1000 x 1000 или 1 миллион (10 ⁶ ). В метрической системе k также обозначает 1000. В энергетической отрасли используется и M, и k. Некоторые компании используют строчную букву m для обозначения 1000; таким образом, mmcfd будет равно MMcfd.

Как указывалось ранее, преобразование объема в энергию требует знания средней теплотворной способности конкретного газа. Природный газ из разных месторождений, а иногда и из разных пластов одного и того же месторождения, может иметь разные пропорции углеводородных компонентов и, следовательно, различную теплотворную способность.Обычно используется коэффициент 1000 БТЕ / фут ³ .

Сырая нефть имеет теплотворную способность от 5,4 млн БТЕ до 5,8 млн БТЕ на баррель (баррель) нефти, в зависимости от состава нефти. Часто необходимо и полезно преобразовать объем газа в баррели нефтяного эквивалента в энергетическом эквиваленте, используя единицы барреля нефтяного эквивалента (бнэ). Обычно это делается, когда и нефть, и газ находятся и добываются в одном пласте, что упрощает оценку общих запасов или объемов добычи.

---

Онлайн-конвертер единиц газа

Инструменты для переоборудования

Единицы измерения природного газа могут сбивать с толку.Чтобы упростить конвертацию, Natgas.info создал приложение для систем iPhone / iPad и Android, а также приведенный ниже онлайн-конвертер единиц газа.

Чтобы использовать онлайн-конвертер на этом сайте, см. Ниже (если конвертер единиц не отображается ниже, значит, проблема с Adobe Flash, щелкните Конвертер единиц газа в левом столбце страницы). Для использования сначала выберите соответствующее энергосодержание на кубический фут газа и на баррель нефти.Если вы не знаете точные коэффициенты, которые следует использовать, коэффициенты 1 миллион британских тепловых единиц = 1000 кубических футов и 1 баррель нефтяного эквивалента = 5800 кубических футов являются обычным приближением.

Затем выберите единицы измерения, которые нужно преобразовать: объемы (кубические футы, метры и т. Д.), Нормы (кубические футы в день) или конечные продукты (объемы жидкостей GTL или СПГ или ватты электроэнергии). Первый калькулятор предназначен для объемов, а второй калькулятор может использоваться для ставок и конечных продуктов.

Наконец, выберите входные единицы («Входные единицы»), введите входное значение, а затем выберите желаемую выходную единицу («Выходные единицы»).Нажмите «Рассчитать», чтобы произвести преобразование.
Наслаждайтесь!

Коэффициент массообмена метана газ-жидкость в реакторе с барботажной колонной

1.

С. Найк, В. Гоуд, П. Раут и А. Далаи, Renew. Sust. Energy Rev., 14, , 578 (2010).

CAS Статья Google Scholar

2.

I. Dubois, Curr. Opin. Environ. , 3 , 11 (2011).

Артикул Google Scholar

3.

E. Novaes, M. Kirst, V. Chiang, H. Sederoff и R. Sederoff, Plant Phys. , 154 , 555 (2010).

CAS Статья Google Scholar

4.

А. Хенстра, Дж. Сипма, А. Ринзема и А. Стамс, Curr. Opin. Biotechnol. , 18, , 200 (2007).

CAS Статья Google Scholar

5.

С. Л. Монтгомери, Д. М.Ярви, К. А. Боукер и Р. М. Палластро, Am. Доц. Домашний питомец. Геол. Бык. , 89, , 155 (2005).

Google Scholar

6.

Д. Дж. К. Росс и Р. М. Бустин, Мар. Петрол. Геол. , 26, , 916 (2005).

Артикул Google Scholar

7.

D. Park and J. Lee, Korean J. Chem. Англ. , 30, , 977 (2013).

CAS Статья Google Scholar

8.

S. A. Morris, S. Radajewski, T. W. Willison и J. Colin Murrel, Appl. Environ. Microbiol. , 68, , 1446 (2002).

CAS Статья Google Scholar

9.

G. M. King, A. P. S. Adamsen, Appl. Environ. Microbiol. , 58, , 2758 (1992).

CAS Google Scholar

10.

А. Пол, К. Хейманс, Х. Р. Харханги, Д. Тедеско, М. С. М. Джеттен и Х. Дж. М. Оп ден Камп, Nature , 450 , 874 (2007).

CAS Статья Google Scholar

11.

U. Setzmann, W. Wagner, A. Pruss, J. Phys. Chem. Ref. Данные , 20 , 1061 (2001).

Артикул Google Scholar

12.

Х. К. Хельгесон, Л.Ричард, В. Маккензи, Д. Л. Нортон и А. Шмитт, Geochim. Космохим. Ac. , 73, , 594 (2009).

CAS Статья Google Scholar

13.

З. Дуань и С. Мао, Геохим. Космохим. Ac. , 70, , 3369 (2006).

Артикул Google Scholar

14.

З. Дуан, Н. Мёллер, Дж. Гринберг и Дж. Х. Уир, Geochim.Космохим. Ac. , 56, , 1451 (1992).

CAS Статья Google Scholar

15.

K. Akita and F. Yoshidal, Ind. Eng. Chem. Proc. Des. Dev. , 12, , 76 (1973).

CAS Статья Google Scholar

16.

S. Park, M. Yasin, D. Kim, H. Park, C. Kang, D. Kim и I. Chang, Ind. Microbiol. Biotechnol. , 40, , 995 (2013).

CAS Статья Google Scholar

17.

S. Riggs and T. Heindel, Biotechnol. Прог. , 22, , 903 (2006).

CAS Статья Google Scholar

18.

K. V. Riet, Ind. Eng. Chem. Proc. Des. Dev. , 18, , 357 (1979).

Артикул Google Scholar

19.

Ю. Ю., Дж. А. Рамзи и Б. А. Рамзи, Biotechnol. Bioeng. , 95, , 788 (2006).

CAS Статья Google Scholar

20.

S. Yamamoto, J. B. Alcauskas и T. E. Crozier, J. Chem. Англ. Данные , 2 , 1 (1976).

Google Scholar

21.

А. Карими, Ф. Голбабаи, М. Р. Мехрния, М. Негаб, К. Мохаммад, А.Nikpey и M.R. Pourmand, иранский J. Environ. Health Sci. Англ. , 10 , 1 (2013).

Артикул Google Scholar

22.

М. Мартин, Ф. Монтес и М. Гала, Chem. Англ. Sci. , 63, , 3223 (2008).

CAS Статья Google Scholar

23.

M. Fujasova, V. Linek и T. Moucha, Chem. Англ. Sci. , 62, , 1650 (2007).

CAS Статья Google Scholar

24.

М. Путли, В. Ратод и А. Пандит, Biochem. Англ. J. , 23 , 25 (2005).

CAS Статья Google Scholar

25.

С. Арджунвадкар, К. Сарванан, П. Кулькарни и А. Пандит, Biochem. Англ. J. , , 1, , 99 (1998).

CAS Статья Google Scholar

Преобразование природного газа в водород без выбросов углерода

Увеличить / Трудно поверить, что это может сократить выбросы углерода.

Бум добычи природного газа сыграл важную роль в сокращении выбросов углерода в США, поскольку метан, основной компонент природного газа, при сжигании выделяет больше энергии на каждый атом углерода, чем другие ископаемые виды топлива. Но в каждой молекуле метана все еще есть атом углерода, поэтому переход на природный газ в конечном итоге приведет к уменьшению отдачи, когда дело доходит до сокращения выбросов. Чтобы сохранить умеренный климат, нам в конечном итоге придется отказаться и от природного газа.

Но две новые статьи, вышедшие на этой неделе, предполагают, что мы можем использовать природный газ, не сжигая его. В них подробно описаны эффективные методы преобразования метана в водород, позволяющие улавливать большую часть или весь оставшийся углерод. Затем водород можно было сжечь или преобразовать в электричество в топливных элементах, в том числе в мобильных топливных элементах, используемых в автомобилях. Подача, полученная из метана, также может быть объединена с водородом из других источников.

Используемая технология также довольно крутая сама по себе, включая такие вещи, как катализаторы, растворенные в жидком металле, и твердые материалы, которые позволяют току проходить через них в виде протонов, а не электронов.

Вариант 1: протонная проводимость

Метан – это просто атом углерода, связанный с четырьмя атомами водорода (CH ₄ ). Эти углерод-водородные связи занимают промежуточное положение по стабильности между горючими водородно-водородными связями и чрезвычайно стабильными молекулами, которые образуются в результате его горения, двуокиси углерода и воды. Поэтому перегруппировка его связей для высвобождения водорода требует тщательно продуманной термодинамики.

Один из лучших вариантов – смешивание метана и пара при высоких температурах.В этих условиях вы разбиваете воду, что крайне невыгодно с энергетической точки зрения. Но вы образуете углекислый газ, что благоприятно, и вы получаете водород как из метана, так и из воды. Проблема в том, что вы получаете смесь двух газов, оба под низким давлением, что делает выход менее полезным в качестве топлива без обширной обработки.

Реклама

Чтобы решить эту проблему, испано-норвежская команда обратилась к технологии, о существовании которой я даже не подозревал: твердому протонопроводящему электролиту.Электролиты – это просто материалы, которые позволяют заряженным ионам проходить через них; Хотя в основном это жидкости, для батарей было разработано несколько твердых электролитов. В этом случае электролит специфичен для протонов, ионизированной формы атома водорода. Другой способ рассматривать это как проводящий материал, который позволяет зарядам перемещаться по нему в форме протонов, а не электронов.

Ключевой особенностью этого приложения является то, что если вы приложите разность напряжений к этому материалу, ионы водорода, образующиеся в результате реакции метана с паром, перейдут на другую сторону, где они могут образовать молекулы водорода.Чтобы еще больше улучшить ситуацию, авторы покрыли одну сторону материала никелем, который катализирует реакцию метана с паром.

Когда этот материал используется для изготовления стенок реакционной камеры, вы получаете сжатый водород с менее чем четырьмя частями на миллион примесей снаружи камеры. Его можно сжечь или отправить в топливный элемент. Внутри вы получаете концентрированный углекислый газ, смешанный с небольшим количеством пара. Углерод, образующийся при сжигании метана, по существу улавливается, и полученный материал готов для хранения, что означает, что это может быть технология с чрезвычайно низким уровнем выбросов.

Авторы также отмечают, что эта технология хорошо масштабируется. Они представляют себе небольшой реактор, подключенный к линии природного газа в доме, который за ночь подает водород в автомобиль на топливных элементах. Отработанное тепло от рабочих условий реактора при 800 градусах Цельсия можно было использовать для обогрева дома или обеспечения горячей водой. Обратной стороной является то, что углекислый газ, производимый в этом варианте использования, почти наверняка попадет в атмосферу.

Вариант 2: реакции в жидком металле

Недавно мы обсуждали случай, когда исследователи разработали химические реакции, протекающие на поверхности жидкого металла, что обеспечивает довольно специфические условия реакции.Теперь американо-индийская команда обнаружила, что можно удалить метан из водорода, используя реакцию, которая протекает внутри жидкого металла.

Реклама

Цель состоит в том, чтобы решить проблему для другого типа реакции метана, при которой непосредственно удаляется водород, а твердый углерод остается. Есть множество металлов, которые могут катализировать эту реакцию, но все они страдают от серьезной проблемы: углерод образуется на их поверхности, в конечном итоге забивая катализатор, так что метан не может до него добраться.Эта проблема решается путем проведения реакции в жидком металле.

Идея состоит в том, чтобы взять каталитический металл и растворить его в виде сплава в металле, который является жидким в условиях реакции. И эти условия реакции горячие, более 1000 градусов по Цельсию, так что вы не ограничены только металлами, которые находятся в жидком состоянии при температуре около комнатной. Затем через каталитический сплав барботируют метан, при этом пузырьки превращаются в почти чистый водород к тому времени, когда они достигают поверхности. Углерод, который обычно загрязняет катализатор, не может покрыть отдельные атомы в сплаве, и поэтому в конечном итоге он собирается и всплывает наверх.

Авторы протестировали различные растворители (индий, висмут, свинец, серебро и др.), А также никелевые, медные и платиновые катализаторы. Они обнаружили, что комбинация никеля и висмута является наиболее эффективным катализатором. При 1065 градусах Цельсия одного метра столба жидкого металла было достаточно, чтобы преобразовать 95 процентов введенного метана в водород, и казалось, что выходы будут расти с более длинными колоннами. Метан также не является проблемой для большинства топливных элементов, поэтому это не серьезная проблема загрязнения.

Эксплуатация колонки в течение 170 часов показала, что она работает по плану – каталитическая активность не снизилась. И, как и ожидалось, углерод просто всплыл наверх, и его можно было снять.