Устройство для анаэробного брожения биомассы с электрохимической активацией обогащения биогаза
Полезная модель относится к биотехнологическим устройствам по переработке органических биомасс в анаэробных условиях, и может быть использовано для производства обогащенного метаном биогаза. Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключатся в упрощении конструкции биореактора выполненного из стеклопластика, и увеличении содержания метана в обогащенном биогазе за счет электрохимической активации, причем на достижение данного результата влияют: - конструкция биореактора выполненного из стеклопластика; - анодный элемент выполненный из наноуглеродного материала, размещенный в полой ячейке выполненной из пористого пластика, и установленной в центре корпуса биореактора; - катод-мешалка, выполненная из электропроводящего материала; при этом в нижней части корпуса установлен барботер; совокупность всех перечисленных конструктивных особенностей влияют на достижение результата. Для этого устройство для биохимического расщепления органических веществ с электрохимической активацией обогащения метаном биогаза, характеризуется тем, что содержит биореактор, корпус которого выполнен из стеклопластика, имеет средства для ввода биомассы и вывода биогаза, установленный в центре корпуса биореактора анодный элемент выполнен из наноуглеродного материала и размещается в полой ячейке выполненной из пористого пластика, при этом перемешивание в биореакторе осуществляется с помощью катод-мешалки выполненной из электропроводящего материала, что позволяет осуществлять не только перемешивание, но и электрохимическую активацию. Кроме того в биореакторе в нижней части корпуса установлен барботер.
Полезная модель относится к биотехнологическим устройствам по переработке органических биомасс в анаэробных условиях, и может быть использована для производства обогащенногометаном биогаза.
Известен способ обогащения биогаза и выработки метана (CH4), предусматривающий его подачу от источника получения в газосборник с последующим изъятием из него CO 2 C3B и сероводорода фотосинтезирующими серобактериями с одновременным ферментным разложением воды на атомы O2 и H2, причем атомы H2 восстанавливают CO2 до CH4, а кислород окисляет сероводород до элементарной серы, отличающийся тем, что дополнительным источником H2 являются C3B, вырабатывающие его в условиях фотосинтеза с применением в качестве фермента-катализатора гидрогеназу, воздействующего на пигмент белка хлорофилла, позволяющего вырабатывать количество CH4, превышающего массу беззольной органики. Способ осуществляют в реакторе. (1. RU 99101956/13, 01.02.1999)
Недостатком способа является необходимость использования специфического штамма фотосинтезирующих серобактерий и мощных источников света для фотосинтеза и вытекающая из этого сложность конструкции.
Известен способ получения продуктов переработки веществ органического происхождения, в процессе сбраживания которого инициирующего участия микроорганизмов, обладающих повышенной активностью, это и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, включая микробиологическую и пищевую промышленности. Способ увеличения выхода биогаза в процессе анаэробного сбраживания органических веществ осуществляется под воздействием высоковольтного электрического разряда, и отличается тем, что водный органический субстрат подвергают многоступенчатой электрогидравлической обработке при разных межэлектродных расстояниях: вначале срабатывает одна пара электродов с меньшим расстоянием, а затем - другая с большим расстоянием. (2. RU 
2302378, 15.08.2005)
Недостатками данного способа являются невозможность получения биогаза с содержанием обогащенного биометана, сравнительно низкий выход конечного целевого продукта на единицу затраченной электрической энергии активации.
Известен способ подготовки органического сырья для микробиологической бродильной и комбикормовой промышленности. Характерной особенностью способа является то, что каталитическую реакцию осуществляют путем электрогидравлической обработки органического сырья в смеси с водой (3. Авторское свидетельство 275028 Кл. C12N 1/00, 1968).
Недостаток известного способа заключается в том, что в процессе обработки в зоне электрического разряда попадают органические вещества, которые, распадаясь под воздействием высокой температуры, образуют зольные частицы, тормозящие ход химических реакций и приводящие к загрязнению и снижению выхода целевого продукта.
Известен способ инициирования анаэробного сбраживания органических веществ путем воздействия высоковольтного электрического разряда в условиях аэрации (4. Патент 2207325 РФ МКИ C02F 11/04, 3/30, C02F 3/00, 2001).
Недостатком способа является малая метаболическая активность по высоте метантанка и невысокий выход биогаза.
Наиболее близким к описываемой полезной модели является устройство для обогащения метана, содержащий электробиореактор, имеющий катод и анод. В устройстве метан обогащают путем трансформации углекислого газа с использованием биологического процесса в электробиореакторе, причем метаногенные микроорганизмы располагают в катодной области, в которую подает углекислый газ. В анодной области могут располагаться микроорганизмы, окисляющие органические субстраты. Катодная и анодная области отделены друг от друга катионо- или анионопроводящими мембранами. Разность потенциалов между электродами создается либо жизнедеятельностью окислительных микроорганизмов, либо доступным источником постоянного напряжения 0,2-2,0 В. (5. US 2009317882, 24.12.2009).
К недостаткам вышеописанного устройства относится низкая интенсивность процесса, а также высокие затраты на расходные материалы: катионо- или анионопроводящие мембраны.
Задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является достижение большей концентрации метана в биогазе на выходе из электробиореактора, в условиях более полного расщепления органики в процессе анаэробного сбраживания жидкой фазы биомассы, за счет электрохимической активации метаногенных археев влияющих на биосинтез метана.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключатся в повышении эффективности обогащении метаном биогаза в границах конструкции электробиореактора, причем на достижение данного результата влияют:
- конструкция электробиореактора выполненного из стеклопластика; - анодного элемента выполненного из наноуглеродного материала и установленного в полой ячейке; - полая ячейка выполненная из пористого пластика и размещенная в центре корпуса биореактора; - катода - выполненного из электропроводящего материала в виде мешалки; барботера - установленного в нижней части корпуса биореактора; причем совокупность всех перечисленных конструктивных особенностей влияет на достижение результата обогащения метаном биогаза.
Сущность полезной модели заключатся в достижении указанного технического результата в устройстве для обогащения метаном биогаза в процессе анаэробного сбраживания жидкой фазы биомассы, за счет электрохимической активации метаногенных археев трансформирующих углекислый газ и водород в метан, содержащий электробиореактор - корпус которого выполнен из стеклопластика, в центре которого расположен анодный элемент выполненный из наноуглеродного материала, катодный элемент выполнен в виде - мешалки из электропроводящего материала, в нижней части корпуса установлен барботер. В устройстве обогащение метаном биогаза происходит за счет биосинтеза углекислого газа подаваемого барботером в прикатодную зону, в которой располагаются метаногенные археи совершающие реакцию биосинтеза. Анод и катод-мешалка отделены друг от друга ячейкой из пористого пластика закрепленной в крышке электробиореактора.
Полезная модель поясняется чертежами, где изображено устройство для ускорения анаэробного процесса сбраживания органической биомассы путем электрохимической активации обогащения метаномбиогаза:
На фиг.1 электробиореактор продольный разрез.
На фиг.2 изометрический вид электробиореактора
На фиг.3 изометрический вид анодного элемента выполненного из наноуглеродного материала, размещенного в полой ячейке из пористого пластика.
На фиг.4 изометрический вид катод-мешалки выполненной из электропроводящего материала.
Устройство для обогащения метаном биогаза в процессе анаэробного сбраживания жидкой фазы биомассы, за счет электрохимической активации метаногенных археев трансформирующих углекислый газ и водород в метан (что увеличивает его концентрацию), содержащий электробиореактор 1, корпус которого выполнен из стеклопластика с крышкой 2, в нижней части корпуса установлен барботер 8. имеются средства для ввода биомассы 3 и 4 вывода биогаза, в центре корпуса расположен анодный элемент 5 выполненный из наноуглеродного материала, катодный элемент 7 выполнен из электропроводящего материала в виде мешалки. В устройстве. обогащение метаном биогаза происходит за счет биосинтеза углекислого газа подаваемого барботером в прикатодную зону, в которой располагаются метаногенные археи совершающие реакцию биосинтеза. Анод и катод-мешалка отделены друг от друга ячейкой из пористого пластика 6 закрепленной в крышке электробиореактора 2.
Предпочтительным является крепление ячейки из пористого пластика 6 в крышке 2 электробиореактора с помощью стального фланцевого зажима 9 который имеет длину меньшую чем анодный элемент, а пористая пластиковая ячейка занимает в нем около 1/10 длины от всей длинны.
Установленный в корпусе биореактора газопровод 10 предназначен для возврата с поверхности жидкой фазы в верхней части биореактора 1, получаемого биогаза содержащего в своей смеси значительное количество углекислого газа, через расположенный в нижней части реактора барботер 8. Так же в корпусе биореактора предусмотрен перепускной трубопровод контроля уровня жидкой биомассы 11.
Устройство работает следующим образом.
На анодный элемент и катод-мешалку подают напряжение (средства для подачи напряжения не показаны на чертежах).
Биогаз, полученный в биореакторе или другим известным способом, пропускают при помощи барботера через электробиореактор, содержащий анодный элемент, выполненный из наноуглеродного материала, отделенный перегородкой из пористого пластика, причем катодом является катод-мешалка, выполненная из электропроводящего материала, в прикатодной области, иммобилизованные метаногенные археи, совершают реакцию биосинтеза углекислого газа с водородом обогащая метаном биогаз. Обогащенный метаном биогаз содержит остаточное количество углекислого газа, и может быть возвращен обратно в реакцию обогащения с верхней части биореактора через газопровод, соединенный с установленным в нижней части корпуса барботер.
Возвращение биогаза содержащего остаточное количество углекислого газа в реакцию при помощи барботера позволяет достичь более полного биосинтеза углекислого газа в метан.
Уменьшение количества углекислого газа в биогазе в процессе электрохимической активации пропорционально количеству электрического тока, пройденного через биомассу. Максимальная сила постоянного тока (1 А; при 100% биосинтезе углекислого газа метаногенными археями), необходима для совершения дизассоциации жидкой фазы биомассы и рассчитывается по формуле:
где:
W - объемный расход пропускаемого биогаза, приведенный к н.у. (20°C, 1 атм);
F - постоянная Фарадея, Кл·моль-1
x - объемная доля углекислого газа в биогазе;
Превышение расчетного значения силы тока в процессе электрохимической активации не целесообразно, т.к. в процессе дизассоциации жидкой фазы биомассы, в прикатодной области увеличивается избыточное содержание водорода, повышенные концентрации которого затормаживает процесс биосинтеза углекислого газа метаногенными археями. При использовании силы тока с меньшим значением, получаем биогаз содержащий значительное большее количество остаточного углекислого газа.
Выполнение катода из электропроводящего материала в виде мешалки, не только увеличивает площадь катода, что приводит к интенсивности процесса биосинтеза углекислого газа в метан, но и позволяет осуществлять равномерное перемешивание биомассы, нейтрализуя застойные зоны.
Анодный элемент отделяется от среды биохимического расщепления органических веществ перегородкой из пористого катионо- анионопроницаемого пластика, для того чтобы кислород выделяющийся на анодном элементе не растворялся в жидкой фазе биомассы и тем самым не затормаживал процесс биосинтеза.
Подача напряжения ниже отметки 0,2 В не целесообразна в процессе электрохимической активации, т.к. не приводит к иммобилизации метаногенных археев, совершающих биосинтез углекислого газа с водородом обогащающих метаном биогаз.
Увеличение напряжения на электрических узлах биореактора выше 36 В не целесообразно вследствие резкого увеличения электропотребления, и как следствие снижение экономической привлекательности устройства.
Управление процессом электрохимической активации обогащения метаном биогаза, осуществляется путем ограничения силы тока, проходящего через жидкую фазу биомассы на электрических узлах биореактора.
Устройство для биохимического расщепления органических веществ и последующей электрохимической активации обогащения метана в биогазе, отличающееся тем, что содержит биореактор, корпус которого выполнен из стеклопластика, имеющий барботер и средства для ввода биомассы и вывода биогаза, установленный в центре корпуса биореактора анодный элемент выполнен из наноуглеродного материала и размещается в полой ячейке, выполненной из пористого пластика, при этом перемешивание в биореакторе осуществляется с помощью катод-мешалки, выполненной из электропроводящего материала, что позволяет осуществлять не только перемешивание, но и электрохимическую активацию в процессе обогащения.
РИСУНКИ
