БИОРЕАКТОР ЕМКОСТНЫЙ
BIOLOGICAL REACTOR

Заявляемое техническое решение может быть использовано в дрожжевой, спиртовой, микробиологической промышленности, но в основном относится к сельскому хозяйству и предназначено для переработки жидких органических отходов, преимущественно навоза или помета, в биогаз и экологически чистые органические удобрения.
Известен реактор (см. патент FR 2471124 (13) A1, 19.06.1981, на 13 л., фиг 1-2). Сущность данного технического решения заключается в том, что запатентованный реактор содержит горизонтально расположенную стальную емкость, которая имеет загрузочный и выгрузочные люки и подключена к газгольдеру, кроме того, емкость биореактора покрыта теплоизоляцией для поддержания стабильной температуры в биореакторе.
Недостатком данного технического решения является то, что при загрузке смешиваются массы, перебродившие и вновь поступившие, так же, как и при выгрузке, происходит выгрузка смешанных масс, что не обеспечивает полного перебраживания сбраживаемой массы и снижает эффективность биореактора.
Известен биореактор, имеющий форму бочки, (см. (19) RU (11) 105624, (13)U1 (51) МПК С12М 1/00 (2006.01), которая разделена на горизонтальные секции, в каждой из которых происходит своя стадия ферментации. Перегородки, расположенные между секциями имеют окна, которые открываются-закрываются по мере выполнения стадии ферментации в этой секции.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции, а также неремонтопригодность данного устройства - при поломке створки, закрывающей секцию, отремонтировать биореактор будет очень сложно или вообще невозможно.
Наиболее близким к заявляемому модульному биореактору является биореактор, запатентованный в качестве патента на изобретение
РФ №2346423, А01С 3/02 от 15.03.2007, содержащий стальную трубчатую емкость, которая расположена горизонтально или под уклоном 3-5° и разделена сверху на три секции - загрузочную, рабочую и выгрузочную перегородками-сегментами, которые не доходят до дна емкости, в загрузочной секции биореактора сверху расположен загрузочный люк для загрузки биомассы, в выгрузочной секции - выгрузочный люк для выгрузки биомассы, а рабочая секция имеет подключение к газгольдеру.
3
Недостатком данного технического решения является его недостаточная проработка относительно использования его в промышленных биореакторах больших объемов для больших хозяйств. Моноблочная конструкция биореактора не позволяет изготавливать биореакторы больших объемов. При увеличении объема увеличивается длина биореактора, при этом возникают непреодолимые технические трудности с изготовлением длинных мешалок и управлением технологическим процессом. Для больших биореакторов -объемом от 200 до 5000 м возникают:
- проблемы с транспортировкой на место установки;
- проблемы с оптимизацией технологического процесса;
- проблемы с перемешиванием биоматериала внутри реактора;
- проблемы нагрева в период выхода биореактора на рабочий режим;
- проблемы с подготовкой помещения под данный реактор - под длинную трубу требуется длинное помещение.
Технический результат заявляемого решения заключается в создании конструкции промышленного биореактора для анаэробного сбраживания жидкой биомассы и органических отходов животноводства, который состоит из цилиндрической или прямоугольной вертикальной герметичной, тепло изолируемой емкости (1) разделенной сверху донизу, на две и более секции вертикальными перегородками (13), проходящими через центр основания емкости. В нижней периферийной части перегородки имеется окно (14) для перетока биомассы из одной секции в другую. Каждая секция снабжена трубчатым теплообменником (5) и мешалкой (12). Верхняя часть емкости закрыта эластичным куполом или жесткой капитальной крышкой (2).
В процессе биосинтеза метана принимают участие несколько видов бактерий, которые последовательно связаны между собой продуктами метаболизма. Каждый вид бактерий, оптимально работает при определенном градиенте температур и физико-химических параметрах среды, предлагаемое техническое решение позволяет;
3
- повысить производительность биореактора за счет конструкции, выполненной в виде вертикально ориентированной емкости под куполом, с расчетным объем биореактора от 200 до 5000 м;
- сократить энергозатраты и время выхода биореактора на рабочий режим за счет поэтапного ввода секций в работу.
- повысить эффективность работы биореактора за счет того, что заявляемая конструкция биореактора разделена на секции, что обеспечивает возможность контроля и управления технологическим процессом на каждой стадии брожения, в каждой секции, за счет изменения рН среды и соотношения углерод-азот.Все это позволяет оптимизировать технологический процесс, увеличить выход биогаза или продуктов биоситеза.
Вновь, поступающая и перебродившая биомасса в биореакторе не перемешиваются межу собой, что снижает риск попадания в перебродившую биомассу патогенной микрофлоры и исключает проникновение семян сорных растений.
Описание изобретения
Биореактор изображен на Фиг.1 - Фиг.6. На Фиг.1 изображен разрез А-А; на Фиг.2 - разрез Б-Б; на Фиг.3 - разрез В-В, по вертикали. На Фиг.4 - разрез Г-Г, на Фиг.5 - разрез Д-Д по горизонтали. На Фиг.6 - биореактор в окружении комплекса оборудования для переработки биомассы, где:
1 - вертикально ориентированная емкость;
2 - купол;
3 - отборное устройство для подключения прибора, контролирующего и регулирующего давление биогаза в биореакторе;
4 - отборное устройство для откачивания биогаза компрессором в общий газгольдер - накопитель;
5 - теплообменник;
6 - заслонка;
7 - загрузочный коллектор;
8 - датчик температуры;
9 - дискретные датчики уровня;
10 - выгрузочный коллектор
11 - коллектор с запорным клапаном для опорожнения биореактора в момент проведения профилактических работ
12 - мешалка;
13 - перегородка;
14 - перепускные окна;
15 - мягкий газгольдер;
16 - водяной котел;
17 - накопитель биомассы;
18 - накопитель удобрения;
19 - компрессор;
20 - датчик давления;
21 - секция 1;
22 - секция 2;
23 - секция З;
24 - секция 4;
25 - регулируемая обводная запорная арматура;
Заявляемый биореактор может быть выполнен в виде стальной, бетонной или пластиковой прямоугольной или цилиндрической вертикально ориентированной, герметичной, тепло изолируемой емкости (1), разделенной с верху до низу одной или несколькими перегородками (13), проходящими через центр основания емкости. Перегородки соединены (пересекаются) с вертикальными стенками емкости и ее основанием (13) и делят биореактор на секции (21, 22, 23, 24), количество секций может быть от двух и более, в нижней периферийной части перегородок (13) имеются окна (14) для перетока биомассы из одной секции в другую. При количестве секций более двух между перегородкой первой и последней секции окон перетока нет. Каждая секция снабжена коллектором подпиток (не показан) с помощью которых можно изменять рН среды и соотношение углерод-азот.
Высота перегородок определяется при проектировании биореактора. Окна снабжены заслонками (6), которые могут быть выполнены с винтовым ручным или гидравлическим или электрическим приводом. В место заслонок и окон перетока, между перегородками секций с внешней стороны биореактора, может быть смонтирован обводной коллектор с запорно-регулирующей арматурой (25) Фиг.5. Заслонки (6) и запорно-регулирующая арматура (25) служат для отсекания биомассы в каждой отдельной секции биореактора от биомассы в остальных секциях, это позволяет поэтапно запускать биореактор в работу, тем самым существенно снижаются энергозатраты на начальный разогрев биомассы. Первая (21) и последняя (24) секции являются загрузочной и выгрузочной (показаны на Фиг.2, Фиг.3). В перегородке (13) между ними нет перепускного окна (показано на Фиг.4). Промежуточные секции являются рабочим (показаны на Фиг.4), в перегородке между ними имеются перепускные окна (14). Каждая секция снабжена теплообменником (5) и мешалкой (12), поэтому в каждой секции для каждого вида микроорганизмов принимающих участие в брожении и синтезе биогаза создаются оптимальные физические и химические условия среды. Биогаз из секций скапливается в верхней части биореактора под куполом (2), который может быть выполнен как эластичным, так и жестким выполняющим роль газгольдера, т.е. свободное пространство между поверхностью купола и зеркалом биомассы каждой секции предназначено для предварительного накопления газа из всех секций. Для облегчения перетока биомассы дно в каждой секции биореактора имеет наклон 1-5° как от центра к периферии, так и в сторону следующей секции. Каждая секция снабжена датчиками рН, еН, (не показаны) и температуры (8), а так же запорно-регулирующей арматурой (не показана). Управляет процессом брожения микропроцессорный контроллер по специально заданному алгоритму (не показан).
Загрузка и выгрузка биомассы осуществляется через загрузочный (7) и выгрузочный (10) коллектор. Загрузочный коллектор располагается в верхней боковой части первой секции биореактора и снабжен управляющим запорным клапаном (не показан). Выгрузочный коллектор располагается в средней части последней выгрузочной секции биореактора и так же снабжен управляющим запорным клапаном (не показан). В боковой части последней выгрузочной секции смонтированы дискретные датчики уровня (9), которые позволяют контролировать и регулировать уровень биомассы в биореакторе. В верхней части биореактора имеются отборные устройства: одно (3) для подключения прибора контролирующего и регулирующего давление биогаза в биореакторе, а второе (4) для откачивания биогаза компрессором в общий газгольдер - накопитель. В нижней части каждой секции биореактора, смонтирован коллектор с запорным клапаном (11) для опорожнения биореактора или одной из секций, в момент проведения профилактических работ.
Пример выполнения.
3
Биогазовая установка Фиг.6 с биореактором рабочим объемом 1000 м. Биореактор выполнен в виде цилиндрической емкости, высотой 6 м, диаметром 15 м. Корпус биореактора разделен перегородками на четыре секции. Секция (21) загрузочная, секция (24) выгрузочная, секции (22) и (23) рабочие. Биомасса из приемной емкости (17) через коллектор (7) поступает в биореактор, в первую секцию (21) в которой идет предварительное брожение при температуре 30С через нижнее перепускное окно (14), биомасса поступает в секцию два (22) где идет брожение в мезофильном режиме при температуре 40С, из секции два, через нижнее перепускное окно (14), биомасса поступает в третью секцию (23), в которой идет брожение в термофильном режиме при температуре 50С, из третьей секции биомасса поступает в четвертую секцию (24) где идет дображивание и из которой происходит выгрузка биомассы через коллектор (10) в емкость накопитель 18. Время выхода биореактора на рабочий режим должно составлять не менее 12 суток. Биогаз, который образуется внутри рабочей секции биореактора, по показанию датчика давления (20) откачивается компрессором (19) в газгольдер (15). Биомасса в биореакторе периодически перемешивается включением мешалок (12). Биореактор может перерабатывать отходы от 1200 голов КРС.