МОБИЛЬНЫЙ ФЕРМЕНТАТОР
MOBILE FERMENTER

Настоящее изобретение относится к области биотехнологии и может быть использовано в сельском хозяйстве фермерскими и малыми предприятиями для переработки в компост навоза, помета и зеленой массы.
Известны устройства аналогичного назначения, например, «Установка для приготовления компостов» авторов Рабиновича P.M., Ковалева Н.Г. и др. по полезной модели РФ №39599 [1].
Данная установка содержит каскад неподвижных емкостей для ферментируемой смеси, воздуходувку с системой напорных воздуховодов, установленных в днище емкости и связанных с общим воздуховодом задвижками, а также оснащена термометром и датчиком содержания кислорода в сырье.
Недостатками данной установки являются ее низкая производительность, обусловленная отсутствием перемешивания сырья и поэтому слабым массообменом аэробных бактерий с частичками биосырья. Плохое перемешивание сырья приводит к его слеживанию, причем аэрированный воздух, проникая от днища на поверхность, организует своего рода канальцы, внутри которых образуются активные бактерии, а в промежутках между канальцами бактерий мало или они отсутствуют.
Известен также «Способ переработки навоза на удобрение», авторов Глазкова И.К., Ковалева Н.Г. и Туманова И.П. по патенту РФ на изобретение №1813085 [2].
По данному способу переработки навоз укладывается послойно в траншеи с влагопоглощающим органическим материалом, затем перемешивается и компостирование осуществляют при влажности смеси 70% с вентилированием в течение 5-7 суток, причем предварительно в ферментаторе смесь укрывают слоем готового компоста.
В устройстве, реализующем данный способ, имеются траншея, ферментатор, оборудованный вентилятором, система трубопроводов и пульт управления.
Недостатком данного способа и устройства, его реализующего, также является низкая производительность из-за отсутствия постоянного перемешивания сырья и малого времени контакта аэробных бактерий с частицами биосырья.
Известен «Способ приготовления компоста многоцелевого назначения» авторов Ковалева Н.Г. и др. по патенту РФ №2112764 [3] и приведен пример его реализации.
Данный способ является развитием предыдущего патента №1813085 в технологическом плане и устанавливает более точные соотношения влажности, концентрации кислорода и соотношения: смесь - готовый компост, как 9:1.
Указанные недостатки патента №1813085 в патенте №2112764 также присутствуют, что не позволяет осуществить полноту переработки сырья.
Известно так же техническое решение: «Биотермический барабан для переработки твердых бытовых отходов» [4] авторов Свидинского П.А. и Изотова Е.Н. по авторскому свидетельству СССР №902820, в котором биосырье активно перемешивается за счет вращения барабана.
Биотермический барабан содержит загрузочное устройство, корпус, бандаж для скрепления корпусов и увеличения общей длины барабана, роликоопоры, контактные кольца термодатчиков, электропривод корпуса через венцовую шестерню на корпусе и разгрузочную обечайку. Для аэрации на корпусе смонтированы вентиляторы, а поверхность корпуса термоизолирована пенопластом или минералватными матами. Барабаны выпускаются общей длиной 36 и 60 метров [8].
Данные биотермические барабаны использовались для переработки ТБО больших городов и, поэтому опыта их применения для ферментации навоза и помета недостаточно.
Основным недостатком данных устройств является неполная ферментация биосырья в них из-за недостаточной аэрации и малым временем однократного перемещения биосырья по длине барабана.
Данный тип барабанов используется в основном для целей отделения твердой нерастворимой и не сбраживаемой массы (металл, пластмасса, дерево) от органических отходов. Органические отходы затем после выгрузки и сортировки дображиваются в течение месяца и более в зависимости от погодных условий в бассейнах выдержки или туннелях [8].
Ближайшим аналогом (прототипом) является [5] «Биобарабан для аэробной переработки сырья» авторов Щеклеина С.Е., Попова А.И. и др. по патенту РФ № 2579789, МПК A01C 3/00$ C05F 3/06.
Данное устройство для лучшего перемешивания содержит цилиндрический корпус на роликоопорах, электропривод, лопасти шнека на внутренней поверхности барабана, загрузочное устройство, по оси корпуса установлена труба с отверстиями в местах крепления на ней пустотелого пористого шнека, причем один конец тубы размещен с возможностью вращения на опорных стойках корпуса, а другой имеет по окружности отверстия и соединен с реверсивным электроприводом шнека, при этом к отверстиям на конце труба поджата скользящая по трубе кольцевая муфта, подключенная к нагнетателю газа, а к загрузочному устройству подсоединен насос- экструдер поступающего сырья.
Данный биобарабан предназначен для переработки значительных объемов биосырья и может использоваться в аграрных комплексах с большим числом содержащихся животных, на очистных сооружениях городов и т.д., поэтому имеет высокую стоимость при его изготовлении и обслуживании.
Назначение настоящего изобретения в устранении указанных недостатков и создание простого по конструкции «Мобильного ферментатора» для массового использования фермерскими и другими сельскохозяйственными малыми предприятиями, не требующего при этом значительных затрат на его обслуживание.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в следующем:
- упрощена конструкция и повышена ее надежность за счет использования для лучшего перемешивания сырья конструкции в виде «косой бочки», что исключает использование других сложных перемешивающих механизмов;
- повышена производительность установки, так как сокращено время «лаг-фазы» - промежуток времени для инокуляции бактерий за счет предварительного разогрева вновь загружаемого сырья;
- сокращено время ферментации каждой новой загрузки сырья по факту максимального выделения углекислого газа при последовательном воздействии на сырье воздухом, техническим кислородом или озоном;
- сокращено время ферментации и повышена производительность установки путем размещения в перфорированных трубках- ребрах, расположенных на внутренних стенках цилиндрического корпуса «ершовой биозагрузки», содержащей аэробные бактерии.
Технический результат достигается за счет того, что в ферментаторе, содержащем цилиндрический корпус, закрепленный на трубе, один конец которой соединен с электроприводом, а другой имеет по окружности отверстия и к нему поджата скользящая по трубе кольцевая муфта, подключенная к нагнетателю газа, труба выполнена с перфорацией и размещена под углом к центральной оси корпуса, на его внутренних боковых стенках закреплены изоляционные пластины с токопроводящими металлическими листами, изолированные выводы с которых соединены с одним скользящим токосъемом, расположенным на трубе, причем другой скользящий токосъем подключен к датчику углекислого газа, размещенному внутри корпуса и к измерительному прибору у оператора, к нагнетателю газа подключены генераторы кислорода и озона, а перфорированные трубки-ребра на внутренней стенке корпуса заполнены «ершовой биозагрузкой», содержащей аэробные бактерии.
На чертеже приведена схема «Мобильного ферментатора». Устройство содержит цилиндрический корпус 1, закрепленный под углом к его центральной оси на перфорированной трубе 2 по схеме «косой бочки», причем один конец трубы соединен с электроприводом 3, а на другом размещена скользящая кольцевая муфта 4, подключенная к нагнетателю газа 5. На боковых стенках корпуса закреплены изоляционные пластины 6 с токопроводящими металлическими листами 7, имеющие изолированные выводы 8, соединенные с скользящим токосъемом 9 проводниками 10, причем на токосъем подается напряжение от источника, а дополнительный токосъем 11 подключен к датчику углекислого газа, размещенному внутри корпуса и измерительному прибору у оператора ферментатора (не показано на чертеже). К нагнетателю газа (воздуха) может подключаться генератор кислорода 12 или генератор озона 13. Корпус оснащен люком 14 для загрузки-выгрузки сырья и станком 15 для размещения конструкции и узлов ферментатора, а на внутренней стенке корпуса размещены перфорированные трубки-ребра 16, заполненные «ершовой биозагрузкой», содержащей аэробные бактерии.
«Мобильный ферментатор» работает следующим образом. После загрузки в корпус 1 через люк 14 сырья включается электропривод 3, который, вращая трубу 2, вынуждает ассиметрично вращать (кувыркаться) цилиндрический корпус 1по методу «косой бочки», обеспечивая эффективное перемешивание сырья. Одновременно через скользящий токосъем 9, проводники 10 и изолированные выводы 8 на токопроводящие листы 7 подается напряжение от источника тока для предварительного разогрева биомассы и сокращения времени подготовительной фазы ферментации: лаг – фазы. Если корпус 1 пластмассовый, то ток проходит от одного листа 7 до другого листа на противоположной боковой стенке непосредственно через влажную биомассу, разогревая ее. Если корпус металлический, то происходит частичное замыкание электрического тока непосредственно через корпус, так же разогревая его. После достижения биомассы температуры 55… 60 градусов Цельсия, целесообразно засыпать в корпус посевной материал бактерий: биозагрузка, например, «Дюнамис» [6], (www.biocomodul.ru). Контроль температуры может осуществляться оператором установки с помощью температурного датчика, установленным внутри или на наружной стороне корпуса или тепловизором. Затем оператор включает нагнетатель 5 газа и через скользящую кольцевую муфту 4 воздух поступает в перфорированную трубу 2 и далее в перемешиваемую биомассу.
Перфорированные трубки-ребра 16, способствующие перемешиванию сырья, заполнены «ершовой биозагрузкой» с аэробными бактериями, которые в процессе вращения корпуса 1 и перемешивания биомассы, так же активно взаимодействуют с питательными веществами, вырабатывая при этом углекислый газ [7]. См. «Экопромэкология. Ершовая биозагрузка», [электронный ресурс]. Режим доступа: www.epcs.ru/03.
Оператор установки с токосъема 11 следит по своему прибору за интенсивностью выделения углекислого газа, являющегося продуктом дыхания бактерий, потребляющих кислород воздуха и за температурой сырья, добавляя при необходимости ее охлаждения холодную воду. Для достижения большей производительности ферментатора оператор, кроме воздуха, может через нагнетатель 5 газа подать в корпус 1 последовательно технический кислород или озон. Проведенные на кафедре «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» УрФУ эксперименты подтвердили увеличение производительности сбраживания сырья при использовании технического кислорода на 9,3% и на 19,8%, если используется озон.
Данная конструкция не предполагает ее усложнения, поскольку предназначена для использования в небольших хозяйствах при управлении оператором в ручном режиме. Для варианта использования большого по объему ферментатора или нескольких подобных устройств в технологической линии переработки сырья, разработана «Система автоматического управления процессом ферментации», в которой заложена функция максимального выхода углекислого газа в зависимости от температуры сырья, подачи воздуха или технического кислорода, или озона (предмет отдельной заявки на другое изобретение). В этой системе учитывается так же фактор подбора максимума выхода биогаза во время фазы лизиса (отмирания) бактерий при завершении процесса ферментации.
Предлагаемая упрощенная по сравнению с прототипом конструкция «Мобильного ферментатора», по нашему мнению, может найти широкое применение на небольших сельскохозяйственных предприятиях. Использование «косой бочки», которую часто строители называют «пьяной бочкой» и массово применяют в малоэтажном строительстве для приготовления раствора или бетона, позволяет исключить использование дополнительных перемешивающих устройств, что значительно упрощает устройство в целом. Кроме того, определение по датчику максимума выхода биогаза и подбор соответствующего кислородосодержащего газа от нагнетателя, подаваемого в биосырье, позволяет оператору сократить время его ферментации и повысить таким образом производительность устройства.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Рабинович P.M., Ковалев Н.Г. и др. Установка для приготовления компостов. Свидетельство на полезную модель №39599, МКИ C05F 3/00 (аналог).
2. Глазков И.К., Ковалев Н.Г., Туманов И.П. Способ переработки навоза на удобрение. Патент РФ на изобретение №1813085, МПК С05F 3/00; 15/00 (аналог).
3. Ковалев Н.Г., Малинин Б.М., Туманов И.П. Способ приготовления компоста многоцелевого назначения. Патент РФ №2112764, МПИ С05F 3/00 (аналог).
4. Свидинский П.А., Изотов Е.Н. Биотермический барабан. Авторское свидетельство СССР №902820, МПИ B02C 17/10; B02C 18/40 (аналог).
5. Щеклеин С.Е., Попов А.И. и др. Биобарабан для аэробной переработки сырья. Патент РФ № 2579789, МПК A01C 3/00, C05F 3/06 (прототип).
6. Биозагрузка «Дюнамис». [электронный ресурс]. Режим доступа: www.biocomodul.ru
7. «Экопромэкология. Ершовая биозагрузка». [электронный ресурс]. Режим доступа: www.epcs.ru/03.
8. Рекомендации по эксплуатации мусороперерабатывающих заводов. Утверждены главным управлением благоустройства МЖКХ РСФСР 18.05.1979
9. Патент Швеции № 399877, кл. 50, 1960.
10. Патент GB, заявка № 2299075, 1986.