УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЭРОБНОГО БРОЖЕНИЯ БИОМАССЫ С ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИЕЙ ОБОГАЩЕНИЯ БИОГАЗА

Полезная модель относится к биотехнологическим устройствам по переработке органических биомасс в анаэробных условиях, и может быть использована для производства обогащенногометаном биогаза.
4
2
3
2
2
2
2
4
2
3
4
Известен способ обогащения биогаза и выработки метана (CH), предусматривающий его подачу от источника получения в газосборник с последующим изъятием из него CO CB и сероводорода фотосинтезирующими серобактериями с одновременным ферментным разложением воды на атомы O и H, причем атомы H восстанавливают CO до CH, а кислород окисляет сероводород до элементарной серы, отличающийся тем, что дополнительным источником H являются CB, вырабатывающие его в условиях фотосинтеза с применением в качестве фермента-катализатора гидрогеназу, воздействующего на пигмент белка хлорофилла, позволяющего вырабатывать количество CH, превышающего массу беззольной органики. Способ осуществляют в реакторе. (1. RU 99101956/13, 01.02.1999)
Недостатком способа является необходимость использования специфического штамма фотосинтезирующих серобактерий и мощных источников света для фотосинтеза и вытекающая из этого сложность конструкции.
Известен способ получения продуктов переработки веществ органического происхождения, в процессе сбраживания которого инициирующего участия микроорганизмов, обладающих повышенной активностью, это и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, включая микробиологическую и пищевую промышленности. Способ увеличения выхода биогаза в процессе анаэробного сбраживания органических веществ осуществляется под воздействием высоковольтного электрического разряда, и отличается тем, что водный органический субстрат подвергают многоступенчатой электрогидравлической обработке при разных межэлектродных расстояниях: вначале срабатывает одна пара электродов с меньшим расстоянием, а затем - другая с большим расстоянием. (2. RU №2302378, 15.08.2005)
Недостатками данного способа являются невозможность получения биогаза с содержанием обогащенного биометана, сравнительно низкий выход конечного целевого продукта на единицу затраченной электрической энергии активации.
Известен способ подготовки органического сырья для микробиологической бродильной и комбикормовой промышленности. Характерной особенностью способа является то, что каталитическую реакцию осуществляют путем электрогидравлической обработки органического сырья в смеси с водой (3. Авторское свидетельство №275028 Кл. C12N 1/00, 1968).
Недостаток известного способа заключается в том, что в процессе обработки в зоне электрического разряда попадают органические вещества, которые, распадаясь под воздействием высокой температуры, образуют зольные частицы, тормозящие ход химических реакций и приводящие к загрязнению и снижению выхода целевого продукта.
Известен способ инициирования анаэробного сбраживания органических веществ путем воздействия высоковольтного электрического разряда в условиях аэрации (4. Патент 2207325 РФ МКИ C02F 11/04, 3/30, C02F 3/00, 2001).
Недостатком способа является малая метаболическая активность по высоте метантанка и невысокий выход биогаза.
Наиболее близким к описываемой полезной модели является устройство для обогащения метана, содержащий электробиореактор, имеющий катод и анод. В устройстве метан обогащают путем трансформации углекислого газа с использованием биологического процесса в электробиореакторе, причем метаногенные микроорганизмы располагают в катодной области, в которую подает углекислый газ. В анодной области могут располагаться микроорганизмы, окисляющие органические субстраты. Катодная и анодная области отделены друг от друга катионо- или анионопроводящими мембранами. Разность потенциалов между электродами создается либо жизнедеятельностью окислительных микроорганизмов, либо доступным источником постоянного напряжения 0,2-2,0 В. (5. US 2009317882, 24.12.2009).
К недостаткам вышеописанного устройства относится низкая интенсивность процесса, а также высокие затраты на расходные материалы: катионо- или анионопроводящие мембраны.
Задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является достижение большей концентрации метана в биогазе на выходе из электробиореактора, в условиях более полного расщепления органики в процессе анаэробного сбраживания жидкой фазы биомассы, за счет электрохимической активации метаногенных археев влияющих на биосинтез метана.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключатся в повышении эффективности обогащении метаном биогаза в границах конструкции электробиореактора, причем на достижение данного результата влияют:
- конструкция электробиореактора выполненного из стеклопластика; - анодного элемента выполненного из наноуглеродного материала и установленного в полой ячейке; - полая ячейка выполненная из пористого пластика и размещенная в центре корпуса биореактора; - катода - выполненного из электропроводящего материала в виде мешалки; барботера - установленного в нижней части корпуса биореактора; причем совокупность всех перечисленных конструктивных особенностей влияет на достижение результата обогащения метаном биогаза.
Сущность полезной модели заключатся в достижении указанного технического результата в устройстве для обогащения метаном биогаза в процессе анаэробного сбраживания жидкой фазы биомассы, за счет электрохимической активации метаногенных археев трансформирующих углекислый газ и водород в метан, содержащий электробиореактор - корпус которого выполнен из стеклопластика, в центре которого расположен анодный элемент выполненный из наноуглеродного материала, катодный элемент выполнен в виде - мешалки из электропроводящего материала, в нижней части корпуса установлен барботер. В устройстве обогащение метаном биогаза происходит за счет биосинтеза углекислого газа подаваемого барботером в прикатодную зону, в которой располагаются метаногенные археи совершающие реакцию биосинтеза. Анод и катод-мешалка отделены друг от друга ячейкой из пористого пластика закрепленной в крышке электробиореактора.
Полезная модель поясняется чертежами, где изображено устройство для ускорения анаэробного процесса сбраживания органической биомассы путем электрохимической активации обогащения метаномбиогаза:
На фиг.1 электробиореактор продольный разрез.
На фиг.2 изометрический вид электробиореактора
На фиг.3 изометрический вид анодного элемента выполненного из наноуглеродного материала, размещенного в полой ячейке из пористого пластика.
На фиг.4 изометрический вид катод-мешалки выполненной из электропроводящего материала.
Устройство для обогащения метаном биогаза в процессе анаэробного сбраживания жидкой фазы биомассы, за счет электрохимической активации метаногенных археев трансформирующих углекислый газ и водород в метан (что увеличивает его концентрацию), содержащий электробиореактор 1, корпус которого выполнен из стеклопластика с крышкой 2, в нижней части корпуса установлен барботер 8. имеются средства для ввода биомассы 3 и 4 вывода биогаза, в центре корпуса расположен анодный элемент 5 выполненный из наноуглеродного материала, катодный элемент 7 выполнен из электропроводящего материала в виде мешалки. В устройстве. обогащение метаном биогаза происходит за счет биосинтеза углекислого газа подаваемого барботером в прикатодную зону, в которой располагаются метаногенные археи совершающие реакцию биосинтеза. Анод и катод-мешалка отделены друг от друга ячейкой из пористого пластика 6 закрепленной в крышке электробиореактора 2.
Предпочтительным является крепление ячейки из пористого пластика 6 в крышке 2 электробиореактора с помощью стального фланцевого зажима 9 который имеет длину меньшую чем анодный элемент, а пористая пластиковая ячейка занимает в нем около 1/10 длины от всей длинны.
Установленный в корпусе биореактора газопровод 10 предназначен для возврата с поверхности жидкой фазы в верхней части биореактора 1, получаемого биогаза содержащего в своей смеси значительное количество углекислого газа, через расположенный в нижней части реактора барботер 8. Так же в корпусе биореактора предусмотрен перепускной трубопровод контроля уровня жидкой биомассы 11.
Устройство работает следующим образом.
На анодный элемент и катод-мешалку подают напряжение (средства для подачи напряжения не показаны на чертежах).
Биогаз, полученный в биореакторе или другим известным способом, пропускают при помощи барботера через электробиореактор, содержащий анодный элемент, выполненный из наноуглеродного материала, отделенный перегородкой из пористого пластика, причем катодом является катод-мешалка, выполненная из электропроводящего материала, в прикатодной области, иммобилизованные метаногенные археи, совершают реакцию биосинтеза углекислого газа с водородом обогащая метаном биогаз. Обогащенный метаном биогаз содержит остаточное количество углекислого газа, и может быть возвращен обратно в реакцию обогащения с верхней части биореактора через газопровод, соединенный с установленным в нижней части корпуса барботер.
Возвращение биогаза содержащего остаточное количество углекислого газа в реакцию при помощи барботера позволяет достичь более полного биосинтеза углекислого газа в метан.
Уменьшение количества углекислого газа в биогазе в процессе электрохимической активации пропорционально количеству электрического тока, пройденного через биомассу. Максимальная сила постоянного тока (1 А; при 100% биосинтезе углекислого газа метаногенными археями), необходима для совершения дизассоциации жидкой фазы биомассы и рассчитывается по формуле:
где:
W - объемный расход пропускаемого биогаза, приведенный к н.у. (20°C, 1 атм);
-1
F - постоянная Фарадея, Кл·моль
x - объемная доля углекислого газа в биогазе;
Превышение расчетного значения силы тока в процессе электрохимической активации не целесообразно, т.к. в процессе дизассоциации жидкой фазы биомассы, в прикатодной области увеличивается избыточное содержание водорода, повышенные концентрации которого затормаживает процесс биосинтеза углекислого газа метаногенными археями. При использовании силы тока с меньшим значением, получаем биогаз содержащий значительное большее количество остаточного углекислого газа.
Выполнение катода из электропроводящего материала в виде мешалки, не только увеличивает площадь катода, что приводит к интенсивности процесса биосинтеза углекислого газа в метан, но и позволяет осуществлять равномерное перемешивание биомассы, нейтрализуя застойные зоны.
Анодный элемент отделяется от среды биохимического расщепления органических веществ перегородкой из пористого катионо- анионопроницаемого пластика, для того чтобы кислород выделяющийся на анодном элементе не растворялся в жидкой фазе биомассы и тем самым не затормаживал процесс биосинтеза.
Подача напряжения ниже отметки 0,2 В не целесообразна в процессе электрохимической активации, т.к. не приводит к иммобилизации метаногенных археев, совершающих биосинтез углекислого газа с водородом обогащающих метаном биогаз.
Увеличение напряжения на электрических узлах биореактора выше 36 В не целесообразно вследствие резкого увеличения электропотребления, и как следствие снижение экономической привлекательности устройства.
Управление процессом электрохимической активации обогащения метаном биогаза, осуществляется путем ограничения силы тока, проходящего через жидкую фазу биомассы на электрических узлах биореактора.