Биореактор барботажного типа
Изобретение относится к биотехнологии, а именно к аппаратам для ферментативной переработки отходов растительного и животного происхождения, стеблей растений, навоза животных и птицы, сточных вод для получения биогаза и органического экологически чистого удобрения. Биореактор барботажного типа содержит прямоугольный корпус с патрубком для подачи перерабатываемой массы, патрубком для слива готового удобрения, патрубком для отвода получаемого биогаза, устройство для прогрева биомассы, барботажное устройство. Последнее представляет собой трубу прямоугольного сечения с закругленными углами, установленную в центре корпуса и выполняющую функцию циркуляционной трубы, взаимодействующую с системой параллельных горизонтальных труб с отверстиями для выхода газа, которые расположены у нижней плоскости циркуляционной трубы. Нагревательное устройство представляет собой узкий прямоугольный бак, который установлен в центре корпуса, на равном расстоянии от боковых стенок, пространство которого заполнено водой, подогреваемой, например, с помощью ТЭНов. Патрубки подачи исходного субстрата и слива готового удобрения размещены на противоположных торцевых стенках реактора, причем патрубок подачи - в верхней части, а патрубок слива - в нижней. Днище выполнено с уклоном естественного схода биомассы от патрубка подачи исходной массы к патрубку слива готового удобрения. Изобретение позволяет повысить интенсивность, стабильность и полноту биохимических процессов в биореакторе за счет равномерного перемешивания биомассы и предотвращение образования застойных зон у стенок корпуса.
Изобретение относится к биотехнологии, а именно к аппаратам для ферментативной переработки отходов растительного и животного происхождения, стеблей растений, навоза животных и птицы, сточных вод для получения биогаза и органического экологически чистого удобрения.
Известен барботажный аппарат для выращивания микроорганизмов (см. а.с. 511, 1708829, МПК 5 С12М 1/04), содержащий емкость с патрубками подвода и отвода среды и подвода и отвода газа. В емкости размещены циркуляционная труба и аэратор, представляющий собой перфорированную трубу в виде вертикальной спирали, витки которой образуют конус, обращенный основанием вверх и расположенный непосредственно у нижнего среза циркуляционной трубы. В аппарате обеспечены условия равномерного распределения газа по всему объему и эффективное диспергирование газожидкостного потока в зоне расположения аэратора.
Недостатками этого реактора является несколько сниженная производительность из-за отсутствия устройства прогрева биомассы, вследствие чего не поддерживаются оптимальные параметры температуры. Кроме того, недостаточно стабильно и полно идут процессы ферментации биомассы во всем ее объеме, так как патрубки подачи и слива расположены на одном уровне, а слив отферментированного субстрата происходит при подъеме уровня среды выше сливного патрубка во время загрузки новой порции биомассы, что ведет к попаданию ее в готовое удобрение.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является метантенк для анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, содержащий корпус с патрубками для подачи перерабатываемой биомассы, слива готового удобрения, отвода биогаза, устройство для прогрева биомассы, барботажное устройство. Последнее включает вертикальный газопровод, переходящий в горизонтальные отводы, снабженные форсунками, и вертикальные трубы, размещенные в объеме биомассы и взаимодействующие с форсунками. Патрубки для подачи биомассы и слива готового удобрения размещены на одной торцовой стенке корпуса, устройство прогрева биомассы выполнено в виде узкого прямоугольного бака, заполненного подогреваемой водой с высотой, превышающей уровень заполнения корпуса биомассой. Узкий прямоугольный бак установлен по продольной оси корпуса, торцовой стенкой примыкая к торцовой стенке корпуса со стороны выгрузки, и на равном расстоянии от боковых стенок корпуса, совпадающем с расстоянием между вторыми торцовыми стенками узкого прямоугольного бака и корпуса. Горизонтальные отводы барботажного устройства установлены внизу прямоугольного бака вдоль боковых его стенок, а форсунки размещены равномерно по длине горизонтальных отводов, при этом узкий прямоугольный бак делит днище корпуса на два участка, выполненных с наклоном в противоположные стороны под углом естественного схода массы (см RU 2208004 МПК7 C05F 3/06, C05F 17/02, С12М 1/02).
Недостатком известного технического решения является образование застойных зон у стенок корпуса, что обусловлено расположением патрубков ввода разжиженных органических отходов и вывода перебродившей биомассы на одной торцевой стене. Кроме того, наблюдаются неравномерная циркуляция и, соответственно, перемешивание биомассы из-за малого диаметра вертикальных труб барботажного устройства и расположение их в центре корпуса, что приводит к неравномерному распределению температуры и популяции бактерий по всему объему реактора.
Предложим биореактор барботажного типа, содержащий корпус с патрубками для подачи перерабатываемой биомассы, слива готового удобрения, отвода биогаза, устройство для прогрева биомассы, барботажное устройство, отличающийся тем, что барботажное устройство состоит из циркуляционной трубы прямоугольного сечения, установленной в центре корпуса, взаимодействующей с системой параллельных горизонтальных труб с отверстиями для выхода газа, расположенных у нижней плоскости циркуляционной трубы, расположением патрубков для подачи перерабатываемой биомассы и слива готового удобрения на противоположных торцевых стенках корпуса и выполнением уклона естественного схода переработанной биомассы от патрубка подачи к патрубку слива.
Техническим результатом заявленного технического решения является повышение интенсивности, стабильности и достижение полноты биохимических процессов за счет обеспечения оптимальных параметров температуры и полного, интенсивного перемешивания биомассы по всему объему, а также устранение застойных зон у стенок биореактора.
Технический результат достигается тем, что биореактор содержит корпус с патрубками для подачи перерабатываемой биомассы и слива готового удобрения, устройство для прогрева биомассы и барботажное устройство, включающее циркуляционную трубу прямоугольного сечения, установленную в центре корпуса, взаимодействующую с системой горизонтальных трубопроводов с отверстиями для выхода газа, расположенных параллельно у нижней плоскости циркуляционной трубы.
Выполнение корпуса биореактора с барботажным устройством, с размещением на противоположных торцевых стенках патрубков подачи исходного субстрата и слива готового удобрения, позволяет предотвратить образование застойных зон у стен реактора, обеспечивает полную и интенсивную переработку биомассы при стабильности температурного режима и интенсивном перемешивании за счет размещения циркуляционной трубы в центре корпуса и расположения у нижней плоскости этой трубы системы параллельных горизонтальных трубопроводов с отверстиями для выхода газа, которые создают разряжение внутри и вокруг циркуляционной трубы, приводя к циркуляции биомассы по всему объему корпуса.
Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом позволяет установить наличие отличительных от прототипа признаков. Следовательно заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна».
Анализ технических решений показал, что заявленная совокупность признаков, обеспечивающая повышение интенсивности, стабильности и полноты биохимических процессов за счет полного перемешивания биомассы и устранения застойных зон при их совокупности с другими элементами устройства неизвестна из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию «изобретательский уровень».
Биореактор барботажного типа содержит прямоугольный корпус 1 с патрубком 2 для подачи перерабатываемой массы, патрубком 3 для слива готового удобрения, патрубком 4 для отвода получаемого биогаза, установленного на верхней плоскости корпуса 1. В корпусе 1 размещено устройство для прогрева биомассы, представляющее собой узкий прямоугольный бак 5, который установлен по продольной оси корпуса на равном расстоянии от боковых стенок корпуса, пространство которого заполнено водой, подогреваемой, например, с помощью ТЭНов. В корпусе 1 так же предусмотрено барботажное устройство, состоящее из трубы прямоугольного сечения 6, установленной в центре корпуса, которая выполняет функцию циркуляционной трубы, системы горизонтальных трубопроводов 7 с отверстиями для выхода газа 8, расположенных параллельно у нижней плоскости циркуляционной трубы.
Биореактор работает следующим образом.
В корпус 1 через патрубок 2 подают перерабатываемую биомассу с влажностью 90-95%, по окончании процесса отферментированная среда выводится через патрубок 3. Дно корпуса 1, выполненное с уклоном естественного схода массы в сторону выхода готового удобрения, облегчает прохождение биомассы от загрузки к выходному патрубку 3 и ускоряет процесс заполнения корпуса 1 биомассой. Прямоугольный бак 5 устройства прогрева биомассы заполняют водой и подогревают ее, например, ТЭНом до оптимальной температуры процесса 35-40 С. Биомассу нагревают до требуемой температуры, выдерживают в корпусе 1 в течение 7-10 дней для ее сбраживания и полной переработки в готовое экологически чистое удобрение с получением биогаза. Биогаз собирается в верхней части корпуса 1 и через патрубок 4 направляется к газгольдеру для дальнейшего потребления, а часть - на циркуляцию в систему трубопроводов 7 через подающий труборовод 9. Побуждение циркуляционного газа осуществляется компрессором. Биогаз, проходя через отверстия 8, создает разряжение внутри и вокруг циркуляционной трубы 6, и за счет эжекции происходит циркуляция прогретой биомассы в корпусе 1, обеспечивая полноту процесса ферментации биомассы, предотвращая образование корок на поверхности бродильной массы и улучшая газоотделение.
Выполнение системы горизонтальных трубопроводов 7 параллельно у нижней плоскости циркуляционной трубы с равномерно расположенными отверстиями 8 позволяет равномерно распределять струи и пузырьки газа по сечению циркуляционной трубы.
Таким образом, интенсивное перемешивание биомассы и распределение популяции бактерий по всему объему реактора позволит, по сравнению с прототипом, повысить интенсивность, стабильность и полноту биохимических процессов в биореакторе, а так же обеспечить более высокий прирост производительности по целевому продукту (выход биогаза и экологически чистого удобрения).
1. Биореактор, содержащий корпус с патрубками для подачи перерабатываемой биомассы, слива готового удобрения, отвода биогаза, устройство для прогрева биомассы, барботажное устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, выполнено барботажное устройство, включающее циркуляционную трубу прямоугольного сечения, установленную в центре корпуса, взаимодействующую с системой параллельных горизонтальных труб с отверстиями для выхода газа, расположенных у нижней плоскости циркуляционной трубы.
2. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что патрубки для подачи перерабатываемой биомассы и слива готового удобрения размещены на противоположных торцевых стенках корпуса, причем выполнен уклон естественного схода переработанной биомассы от патрубка подачи к патрубку слива.
