Устройство для получения водородсодержащего газа
Использование: в области биотехнологии, в частности, в технических средствах производства водорода с помощью микроорганизмов. Сущность полезной модели: устройство для получения водородсодержащего газа содержит цилиндрический реактор с установленным коаксиально в его полости цилиндрическим патрубком, по оси которого установлена мешалка, и с размещенными, соответственно, на его нижнем торце барботером для подачи синтез-газа в полость цилиндрического патрубка и выходным патрубком для водородсодержащего газа на верхнем торце. Целесообразно мешалку выполнять в виде гребного винта или в виде шнека. Устройство позволяет: получать водородсодержащий газ из синтез-газа с помощью микроорганизмов с обеспечением повышенной производительности по водороду и сократить затраты на реализацию технологии. 1 н.п. ф-лы, 1 з.п ф-лы, 2 илл.
Полезная модель относится к области биотехнологии, в частности, к техническим средствам производства водорода с помощью микроорганизмов.
Особенностью процессов получения водорода с помощью микроорганизмов является низкая по сравнению с термокаталитическими методами производительность, выраженная в (м3 H2)·(м3 объема реактора)-1·ч-1. Типичная производительность устройств для получения водорода с помощью микроорганизмов составляет от 0,05(м3 Н2 )·(м3 объема реактора)-1·ч -1 для устройств в виде спиральных трубок (Sergei А. Markov and Paul F. Weaver (2008) Bioreactors for H2 Production by Purple Nonsulfur Bacteria // Biotechnology for fuels and chemicals, ABAB Symposium, 2008, Part 2, 79-86) до 1,1(м3 Н 2)·(м3 объема реактора)-1·ч -1 для устройств в виде колонны с насадкой, представляющей собой стеклянные шарики диаметром 3 мм (E.J.Wolfrum and A.S.Watt (2002) Bioreactor Design Studies for a Hydrogen-Producing Bacterium // Appl Biochem Biotechnol., 98-100, 611-625).
Известно устройство для получения водорода с помощью микроорганизмов, таких как археи Thermococcus kodakaraensis (JP 2008061521, 2008), представляющее собой сосуд для культивирования указанных микроорганизмов, оснащенный насадкой для обеспечения прикрепленного роста микроорганизмов, средствами введения питательного раствора, содержащего аминокислоты и источник углерода для роста микроорганизмов (крахмал), средствами удаления отработанного питательного раствора и средствами выделения получаемого водорода.
Недостатками известного устройства являются необходимость использования питательного раствора, содержащего сравнительно дорогостоящие вещества пищевого назначения, такие как аминокислоты и крахмал, а также невозможность использования устройства для получения водорода из дешевого сырья непищевого назначения, такого как продукты газификации низкосортных углеродсодержащих топлив (синтез-газ).
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для получения водородсодержащего газа с помощью микроорганизмов, (WO2010056462, 2010), состоящее из шахтного реактора глубиной от 50 до 600 м, в который подается газ, полученный из углеродсодержащего сырья в плазменном газификаторе, причем шахтный реактор оснащен разделительной стенкой, разделяющей объем реактора на части с восходящим потоком жидкости и с нисходящим потоком жидкости. Восходящий поток жидкости обеспечивается подачей перерабатываемого газа.
Недостатками указанного устройства являются низкая производительность, связанная с отсутствием перемешивающих устройств в объеме реактора, а также необходимость использования дорогостоящего оборудования для подачи перерабатываемого газа под давлением, превышающем давление столба жидкости в реакторе, поскольку заявленная глубина шахтного реактора от 50 до 600 м, что примерно соответствует давлению от 5 до 60 атм.
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка устройства для получения водородсодержащего газа из синтез-газа с помощью микроорганизмов, обеспечивающего повышение производительности по водороду и сокращение затрат на реализацию технологии.
Поставленная задача достигается тем, устройство для получения водородсодержащего газа содержит цилиндрический реактор с установленным коаксиально в его полости цилиндрическим патрубком, по оси которого установлена мешалка, и с размещенными, соответственно, на его нижнем торце барботером для подачи синтез-газа в полость цилиндрического патрубка и выходным патрубком для водородсодержащего газа на верхнем торце.
Целесообразно мешалку выполнять в виде гребного винта или в виде шнека.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 приведены принципиальные схемы устройства.
Устройство для получения водородсодержащего газа с помощью микроорганизмов состоит из цилиндрического реактора 1, в полости которого коаксиально установлен цилиндрический патрубок 2 с образованием в реакторе внутренней полости 3 и внешней 4. На нижнем торце реактора 1 установлен барботер 5 для подачи синтез-газа в полость 3. При подаче синтез-газа обеспечивается восходящее движение культуральной жидкости с газом в полости 3 реактора 1 и нисходящее движение культуральной жидкости без газа в полости 4 реактора 1. В верхнем торце реактора 1 расположен выходной патрубок 6 для выхода переработанного газа. В полости 3 реактора 1 установлена мешалка, выполненная в виде системы перемешивающих элементов 7, закрепленных на валу 8. Перемешивающие элементы 7 предназначены для замедления восходящего потока культуральной жидкости с газом в полости 3 реактора 1 с целью увеличения времени контакта культуральной жидкости с газом и, вследствие этого, увеличения производительности реактора 1 по водороду. Мешалка может быть исполнена в различных вариантах, таких как гребной винт или шнек.
Устройство работает следующим образом.
Предварительно реактор 1 продувают инертным газом (азотом или аргоном), и помещают в него среду для культивирования микроорганизмов, обладающих свойством катализировать реакцию водяного газа. Затем помещают в реактор 1 микроорганизмы. После получения культуральной жидкости в полость 3 реактора 1 с помощью барботера 5 подают синтез-газ. Задают скорость вращения вала 8, чтобы его значение обеспечивало минимальную скорость всплытия пузырьков перерабатываемого газа. При этом число перемешивающих элементов 7 выбирают, исходя из условия обеспечения вышеуказанной скорости. Переработанный водородсодержащий газ выводят через патрубок 6 в резервуар для хранения переработанного газа с целью последующего выделения из него водорода.
Работа устройства иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. В стерилизованный паром и продутый аргоном реактор с установленными в нем внутриреакторной колонной, средствами подачи газа и перемешивающими элементами типа «гребной винт» помещают предварительно приготовленную стерильную среду для культивирования (состав указан в г/л), содержащую NH4Cl (0,66), MgCl 2·6H2O (0,16), СаСl2·6Н 2O (0,10), КСl (0,33), КН2РO4 (0,50) в дистиллированной воде, также добавлялись растворы микроэлементов по Кевбрину-Заварзину и витаминов по Волину из расчета 1,0 мл/л, а также резазурин до розового окрашивания раствора. После кипячения и охлаждения под током азота в среду также добавлялись NaHСО 3 (0,50) и Na2S·9H2O (1,0), среда титровалась до рН=6,5 с помощью 6МНСl. Таким образом поучают среду для культивирования. Осуществляют засев биореактора культурой микроорганизмов Carboxydothermus hydrogenoformans DSM6008 с получением культуральной жидкости. В реактор подают порцию перерабатываемого синтез-газа из расчета 2-3 объема реактора, затем выдерживают реактор при температуре 65-70°С в течение 12 часов для обеспечения достаточной численности бактерий. Затем в непрерывном режиме производят подачу в реактор перерабатываемый синтез-газ, подбирают скорость вращения вала с перемешивающими элементами таким образом, чтобы скорость всплытия пузырьков перерабатываемого газа была минимальной. Производят анализ газа на входе и на выходе реактора методами газовой хроматографии. Из концентраций водорода на входе и на выходе реактора рассчитывают производительность реактора по водороду. Производительность реактора по водороду для описанного примера составляет 2,14 (м3 Н2)·(м 3 объема реактора)-1·ч-1, что на 40% превышает производительность реактора в тех же условиях без установленных перемешивающих элементов.
Пример 2. В стерилизованный паром и продутый аргоном реактор с установленными в нем внутриреакторной колонной, средствами подачи газа и перемешивающими элементами типа «архимедов винт» помещают стерильную среду для культивирования по примеру 1. Осуществляют засев биореактора культурой микроорганизмов Carboxydothermus islandicus DSM21830. В реактор подают перерабатываемый газ из расчета 2-3 объема реактора, затем выдерживают реактор при температуре 65-70°С в течение 12 часов для обеспечения достаточной численности бактерий. Затем в непрерывном режиме подают в реактор перерабатываемый газ, подбирают скорость вращения вала с перемешивающими элементами таким образом, чтобы скорость всплытия пузырьков перерабатываемого газа была минимальной. Производят анализ газа на входе и на выходе реактора методами газовой хроматографии. Из концентраций водорода на входе и на выходе реактора рассчитывают производительность реактора по водороду. Производительность реактора по водороду для описанного примера составляет 2,17 (м3 Н2)·(м 3 объема реактора)-1·ч-1, что на 42% превышает производительность реактора в тех же условиях без установленных перемешивающих элементов.
Таким образом, предлагаемая полезная модель обеспечивает повышенную производительность по водороду.
1. Устройство для получения водородсодержащего газа, характеризующееся тем, что оно содержит цилиндрический реактор с установленным коаксиально в его полости цилиндрическим патрубком, по оси которого установлена мешалка, и с размещенными соответственно на его нижнем торце барботером для подачи синтез-газа в полость цилиндрического патрубка и выходным патрубком для водородсодержащего газа на верхнем торце.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мешалка выполнена в виде гребного винта.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мешалка выполнена в виде шнека.
