БИОРЕАКТОР
BIO-REACTOR

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к аппаратам для выращивания микроорганизмов при переработке отходов растительного и животного происхождения, стеблей растений, навоза животных и птицы, сточных вод с целью получения биогаза и органического экологически чистого удобрения.
7
Известен метантенк для анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, содержащий вертикально установленный резервуар цилиндрической формы с коническими днищем и куполом с присоединенной к куполу снизу не доходящей до днища разделительной концентрической перегородкой в виде усеченного конуса с основанием, обращенным к днищу резервуара, делящей резервуар на внешнюю и внутреннюю камеры, мешалку сбраживаемой массы во внутренней камере, патрубки подвода разжиженных органических отходов во внешнюю камеру и вывода сброженного осадка из внутренней камеры, а также патрубки отвода биогаза из газосборника в куполе резервуара и из внешней камеры (см. RU 2226758 С1, МПКА01С 3/00, C05F 3/06).
Недостатком известного метантенка является его пожароопасность, обусловленная наличием отверстий в корпусе для установки вращающегося вала перемешивающегося устройства, что ведет к утечке биогаза из корпуса через уплотнения и часто к возгоранию. Кроме того, наблюдается процесс расслоения биомассы и образование корки на ее поверхности вследствие неинтенсивного перемешивания среды по всему объему корпуса, так как мешалка расположена во внутренней камере корпуса.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является барботажный аппарат для выращивания микроорганизмов (см. а.с. SU, 1708829, МПК 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, при этом диаметр верхнего витка спирали равен внутреннему диаметру циркуляционной трубы и расположен на уровне нижнего торца этой трубы. В аппарате обеспечены условия равномерного распределения газа по всему объему и эффективное диспергирование газожидкостного потока в зоне расположения аэратора.
Недостатками известного технического решения 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.
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.
Технический результат достигается тем, что биореактор содержит корпус с патрубками для подачи перерабатываемой биомассы, слива готового удобрения, циркуляционную трубу и аэратор, представляющий собой равномерно перфорированную трубу в виде вертикальной спирали, витки которой образуют конус обращенный основанием вверх, при этом диаметр верхнего витка спирали равен внутреннему диаметру циркуляционной трубы и расположен на уровне его нижнего среза. Циркуляционная труба расположена в центре корпуса и представляет собой емкость цилиндрической формы, состоящую из двух труб различного диаметра, пространство между которыми заполнено подогреваемой водой для подогрева биомассы. Патрубки для подачи биомассы и слива готового удобрения расположены на противоположных сторонах, причем патрубок подачи биомассы расположен в верхней части корпуса, а патрубок слива - в нижней.
Выполнение корпуса биореактора с циркуляционной трубой в виде цилиндрической емкости, заполненной подогреваемой водой, с размещением патрубков подачи исходного субстрата и слива готового удобрения соответственно в верхней и нижней частях корпуса позволяет получить готовое удобрение, без попадания в него непереработанной биомассы при загрузке новой порции и обеспечивает полную и интенсивную переработку биомассы при стабильности температурного режима и интенсивном перемешивании за счет размещения циркуляционной трубы в центре корпуса и закрепления у ее основания перфорированной трубы, которые взаимодействуя создают разность плотностей сред внутри и вокруг циркуляционной трубы, приводя к циркуляции биомассы в корпусе.
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 обеспечения оптимальной температуры по всему объему при их совокупности с другими элементами устройства неизвестна из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию «изобретательский уровень».
Простота изготовления и доступность использования биореактора в малых и крупных фермерских хозяйствах, а также простота обслуживания установки, заключающаяся в наблюдении за температурным режимом, подачей биогаза в газгольдер и в барботажное устройство и в выгрузке готового удобрения и загрузке биомассы один раз в сутки 1/10 части объема, позволяет его широко использовать, что доказывает соответствие его критерию «промышленная применимость».
На фиг.1 изображен биореактор, продольный разрез; на фиг.2 разрез А-А.
Биореактор барботажного типа содержит цилиндрический вертикальный корпус 1 с патрубком 2 для подачи перерабатываемой массы, патрубком 3 для слива готового удобрения, патрубком 4 для отвода получаемого биогаза, установленного на верхней образующей корпуса 1. В центре корпуса 1 размещена циркуляционная труба, представляющая собой цилиндрическую емкость 5, состоящую из двух труб различного диаметра, пространство между которыми заполнено водой, подогреваемой, например, с помощью ТЭНов или полученного биогаза. Кроме того, корпус 1 содержит равномерно перфорированную трубу 6 в виде вертикальной спирали, витки которой образуют конус обращенный основанием вверх, при этом диаметр верхнего витка спирали трубы 6 равен внутреннему диаметру циркуляционной трубы 5 и расположен на уровне ее нижнего среза.
Биореактор работает следующим образом.
Q
В корпус 1 через патрубок 2 подают перерабатываемую биомассу с влажностью 85-90%, по окончании процесса отферментированная среда выводится через патрубок 3. Циркуляционную трубу 5 заполняют водой, подогреваемой, например, ТЭНом. Вследствие этого биомасса нагревается до оптимальной температуры процесса 35-40 C, выдерживается 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 поступает для дальнейшего потребления. Готовое удобрение через 7-10 дней в количестве 1/10 части по объему удаляют из корпуса 1 через патрубок 3, а в корпус 1 через патрубок 2 загружают новую порцию перерабатываемой биомассы в количестве 1/10 части по объему. Процесс выгрузки 1/10 части по объему готового удобрения и загрузки новой порции в таком же количестве перерабатываемой биомассы происходит один раз в сутки. Часть биогаза с помощью компрессора подается в перфорированную трубу 6 и через перфорацию поступает в корпус 1 внутрь циркуляционной трубы 5. Разность плотностей сред с внутренней стороны циркуляционной трубы 5 и вокруг нее приводит к циркуляции прогретой биомассы в корпусе 1. Выполнение перфорированной трубы 6 в виде конусообразной спирали с равномерно расположенными отверстиями дает возможность равномерно распределять струи и пузырьки газа по сечению циркуляционной трубы 5.
Таким образом, интенсивное перемешивание и поддержание оптимальных параметров температуры биомассы позволит, по сравнению с прототипом, повысить интенсивность, стабильность и полноту биохимических процессов в биореакторе, а также обеспечить более высокий прирост производительности по целевому продукту (выход биогаза и экологически чистого удобрения).