УСТРОЙСТВО ПЕРЕРАБОТКИ ПИВНОЙ ДРОБИНЫ В БИОГАЗ

Предлагаемая полезная модель относится к пищевой промышленности, биотехнологии и биоэнергетике, а именно к созданию усовершенствованного реактора переработки биомассы. Предложено устройство переработки отхода пивоваренного производства - пивной дробины в газообразное углеводородное топливо - биогаз. Полезная модель предусматривает создание реактора (ферментера) переработки дробины методом метанового брожения и оборудованного системой излучателей ультразвуковых волн для периодической ультразвуковой обработки субстрата пивной дробины с целью интенсификации процесса анаэробной переработки дробины микроорганизмами.
К перспективному развитию биотехнологии для утилизации органических отходов пищевых производств относится интенсификация биопроцессов за счет усовершенствования оборудования. Важным фактором, влияющим на эффективность биотехнологического производства полезных продуктов из органических отходов, является более глубокая переработка помещенного в биореактор (ферментер) биологического субстрата микроорганизмами, чему способствуют процессы дополнительного воздействия на обрабатываемую среду.
Известно устройство переработки органических отходов, в которых перемешивание, измельчение и гомогенизацию органических отходов осуществляют путем воздействия на смесь электрогидравлическими разрядами, циклически перемещающимися по длине аппарата (RU 2135437, 27.08.1999), а также способы получения органического удобрения диспергированием органической составляющей, гидроударным воздействием на смесь в процессе ее циркуляции по замкнутому контуру (RU 2258686, 20.08.2005) или воздействием на смесь колебательным спектром ультрозвукового поля при аэробной обработке с последующей магнитной обработкой смеси при анаэробном брожении (RU 2207328, 27.06.2003).
Известные способы подготовки сырья, в которых измельчение смеси производят механическим дроблением, устраняющим крупные и протяженные фрагменты, или диспергированием с получением более однородной массы для биореактора, не обеспечивают получения субстрата достаточного качества, пригодного для интенсивной микробиологической переработки. Для интенсификации процесса сбраживания при подготовке сырья (патент RU 2370457, 20.10.2009) исходное сырье измельчают, перемешивают и дополнительно подают жидкость, полученную из влажного органического удобрения после слива из анаэробного биореактора.
Существует большое количество способов переработки органических отходов и установок с биореакторами (например US 6663777 А1, 18.09.2003. FR 2614888, 1988. RU 2084515 C1, 20.07.1997. RU 2102468 C1, 20.01.1998. RU 2258686, 20.08.2004. RU 2315721 C1, 27.01.2006. RU 2370457 C1, 20.10.2009. RU 2399184 C1, 20.09.2010. RU 2404240 C2, 20.11.2010. RU 88665 U1, 20.11.2009. RU 110588 U1, 27.11.2011. RU 125995 U1, 20.03.2013).
Все известные конструкции и методы с единой технологией переработки, заключающейся в создании условий для микробиологической переработки биомассы метанобразующими анаэробными бактериями в одном или нескольких этапах, предусматривают подготовку сырья от простого перемешивания до тщательного измельчения смеси перед загрузкой в биореактор.
Обычно при подготовке сырья его первоначально измельчают, а затем перемешивают в емкости либо первоначально смешивают с жидкостью и/или добавками, а затем полученную смесь измельчают до состояния, пригодного для дальнейшей переработки.
Недостатками известных устройств является невысокое качество получаемого биогаза и невысокая эффективность процесса, т.к. без обработки всей массы субстрата в процессе переработки не происходит интенсивного разрушения межклеточного взаимодействия и соответственно субстрату требуется больше времени контакта с микроорганизмами, что требует потребления большего количества энергии на единицу перерабатываемого сырья.
Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату является способ подготовки сырья для анаэробной переработки отходов (ЕР 1636869, 22.05.2006 г.). Способ по прототипу заключается в том, что подают исходное органическое сырье, смешивают с водой и подвергают ультразвуковому облучению при пропускании смеси через канал, окруженный ультразвуковыми излучателями, а затем подают субстрат в анаэробный реактор.
Подготовленный способом по прототипу субстрат способствует увеличению скорости гидролиза и освобождению водорастворимых веществ из отходов, делая их более доступными для микроорганизмов.
Недостатками известного устройства является невысокая эффективность способа, т.к. для достижения указанного эффекта требует больших затрат времени и энергии на работу последовательно установленных ультразвуковых преобразователей. При этом качество получаемого субстрата недостаточно высокое.
Заявляемая полезная модель позволяет избежать недостатков вышеупомянутых технологических решений и решает задачу интенсификации процесса синтеза биогаза.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности и ускорение анаэробной переработки органических отходов пищевых производств.
В основу полезной модели положена задача создать устройство, позволяющее существенно улучшить качество перерабатываемого субстрата за счет разрушения клеточной стенки обрабатываемых материалов и, следовательно, более активного высвобождения внутриклеточных материалов в водную фазу. Это меняет физические, химические и биологические свойства субстрата в процессе ультразвуковой обработки, что обеспечивает повышение скорости переработки и увеличение выхода полезного продукта (биогаза) при снижении материальных затрат.
Так же энергия ультразвукового воздействия при определенной частоте и продолжительности оказывает положительное воздействие на развитие жизнедеятельности метанобактерий. Регулируемое периодическое воздействие вызывает увеличение численности микроорганизмов. Под действием ультразвука в клетках микроорганизмов происходят физико-химические сдвиги, приводящие, к «разрыхлению» внутриклеточных структур, содержащих ферменты. Таким образом, увеличивается проницаемость клеточных мембран. Это стимулирует биосинтез ферментов клеткой и повышает ее активность в 2-2.5 раза. Соответственно это приводит к повышению активности микроорганизмов при переработке субстрата.
Технический результат достигается оборудованием биореактора (ферментера) каскадом из системы ультразвуковых излучателей, подключенных к единой системе генерации ультразвукового излучения. Процесс переработки необходимо осуществлять в одном объеме герметичной емкости ферментера, для чего ультразвуковую гидродинамическую обработку субстрата пивной дробины производят при его циркуляции при помощи перемешивателя якорного типа (фиг. 1) в замкнутом контуре герметичного биореактора. Система размещения ультразвуковых излучателей на стенках внутренней поверхности ферментера представляет собой нисходящую спираль (фиг. 1), что позволяет при перемешивании субстрата пивной дробины, помещенного в ферментер, осуществлять наиболее полное и интенсивное воздействие энергией ультразвукового гидродинамического излучателя на весь объем обрабатываемого субстрата.
Предлагаемая полезная модель реализуется с помощью лабораторной установки переработки пивной дробины, описанной ниже.
На фиг. 1 изображен общий вид реактора, состоящий из следующих компонентов
1. Корпус реактора;
2. Крышка реактора;
3. Привод перемешивающего устройства;
4. Вал перемешивающего устройства
5. Лопатки перемешивающего устройства «якорного» типа;
6. Опора перемешивающего устройства;
7. Паровая рубашка;
8. Ультразвуковые излучатели, расположенные спирально на корпусе реактора;
9. Выход биогаза;
10. Вход перерабатываемого субстрата;
11. Выход переработанного (сброженного) субстрата
Подготовленный ранее субстрат, представляющий собой измельченную пивную дробину, смешанную с технологической водой, полученной после сепарации переработанного ранее и выгруженного из разгрузочной камеры 11 из биореактора субстрата, и обогащенный метанобактериями подается в основной объем камеры реактора 1 через фланец 10. Перемешивающее устройство периодического действия, состоящее из электропривода 3, вала 4, лопаток «якорного типа» 5 и опоры вала 6, осуществляет перемешивание по заданной программе, осуществляя гомогенизацию субстрата. Во время перемешивания происходит воздействие ультразвукового излучения на молекулы субстрата, способствующее их деструкции с выделением биогаза, удаляемого из реактора через фланец 9. Расположение ультразвуковых излучателей 8, являющееся сутью настоящей полезной модели, позволяет осуществлять наиболее эффективное воздействие на весь объем перерабатываемого сырья. Температурный режим переработки контролируется посредством паровой рубашки 7, расположенной между корпусом и обечайкой реактора.