БИОРЕАКТОР
BIOREACTOR

Предлагаемое изобретение относится к сельскому хозяйству, предназначено для анаэробного сбраживания органических отходов сельскохозяйственного производства и может быть использовано для производства биогаза, органических удобрений и кормовой биологической добавки.
Известна биометановая установка (RU 2101350, C12M 1/107, C02F1, опубл. 10.01.1998), состоящая из корпуса с перегородками, установленными с образованием отсеков кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, перемешивающего устройства, снабженного валом, приводом и лопастями. Установка снабжена гидравлическим затвором и секцией осаждения твердой составляющей послеброжевого остатка с патрубком отвода последнего.
Недостатком данной биометановой установки является повышенная сложность конструкции, состоящей из 4 отсеков, которые создают неудобства при эксплуатации. Имеющееся перемешивающее устройство не полностью охватывает объем отсеков, что обуславливает скопление осадочного материала в углах отсеков.
Известен биореактор (RU 2427123, C02F 3/28, C02F 11/04, А01С 3/02, опубл. 27.08.2011), состоящий из корпуса, представляющего собой стальную металлическую трубчатую емкость, которая разделена перегородками-сегментами на несколько секций и имеющая лопасти для смешивания.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции резервуара за счет плавающего газгольдера и резервуара для горячей воды, а также невысокая степень эффективности перемешивания сбраживаемой массы, что снижает выход продукта.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является биореактор, содержащий герметичный вертикальный цилиндрический резервуар, установленный на опорах. Резервуар имеет сферический купол и конусное днище, обтянутое нагревательной лентой. Резервуар снабжен загрузочным и выгрузочным патрубками, патрубком для отвода биогаза ( см. RU 124261 Ul, C05F3/00, опубл. 20.01.2013 г.).
Однако известный биореактор имеет недостаточно высокую производительность из-за длительности протекания в нем процессов брожения, а также невысокий выход биогаза. Кроме того, в резервуаре возможно образование плавающей корки, затрудняющей выход биогаза.
Известно, что биогаз - продукт жизнедеятельности метаногенов, микроорганизмов, размножающихся и продуцирующих биогаз только в анаэробных условиях (см. Руководство по биогазу. От получения до использования/ 5-е полностью перераб. издание. - Гюльцов: 2010. Размещение на сайте www.stadtdruckerei-weidner.de).
Технический результат изобретения - повышение производительности биореактора и увеличение выхода биогаза.
Указанный технический результат достигается тем, что в биореакторе, включающем герметичный вертикальный цилиндрический резервуар, установленный на опорах, загрузочный и выгрузочный патрубки, патрубок для отвода биогаза, резервуар снабжен днищем в форме усеченного конуса, обтянутого нагревательной лентой, согласно изобретению резервуар обмотан нагревательной лентой и снабжен куполом, имеющим форму усеченного конуса, обращенного меньшим основанием вверх, внутри резервуара установлено перемешивающее устройство, представляющее собой трехъярусную лопастную мешалку, выполненную в виде закрепленных крест-накрест на вертикальном валу стальных пластин прямоугольного сечения, снабженных неподвижно закрепленными лопатками в виде плоских стальных пластин прямоугольного сечения, установленных параллельно валу, при этом верхние лопасти мешалки установлены перпендикулярно к оси вала, каждая лопасть снабжена перпендикулярно установленной на ней лопаткой, направленной вниз, а средние и нижние лопасти мешалки повторяют форму днища резервуара, лопатки которых прикреплены на лопастях и направлены вверх, причем средние лопасти мешалки имеют по одной лопатке, а нижние лопасти - от трех и более лопаток, расположенных с зазором по всей поверхности лопасти.
Отличительными признаками заявляемого устройства являются наличие перемешивающего устройства, дополнительная обмотка резервуара нагревательной лентой.
В предлагаемом биореакторе наличие перемешивающего устройства с заявляемой формой лопастей и лопаток обеспечивает равномерное перемешивание находящейся в резервуаре массы, что позволяет получить высокую степень разложения субстрата, необходимо для получения максимального выхода биогаза. Выполнение средней и нижней лопастей мешалки, повторяющих форму днища резервуара, обеспечивает предотвращение от выпадения осадков на стенках и днище, от налипаний загрязнений на стенках, благодаря чему улучшается теплообмен, ускоряются процессы брожения в резервуаре. Все это способствует повышению производительности биореактора.
Частицы субстрата при вращении ударяются о среднюю и нижнюю лопасти мешалки и будут отталкиваться от нее в разных направлениях под действием центробежной силы, действующей в радиальном направлении, и силы тяжести, действующей по вертикали вниз. При этом конструкция верхней лопасти и установленные на ней вертикальные лопатки создают перекрестные токи. Это повышает радиально-осевую циркуляцию жидкости и обеспечивает интенсивное перемешивание субстрата.
Таким образом, интенсификация перемешивания за счет установки трехъярусной лопастной мешалки с вертикальными лопатками, ускорение и поддержание температуры резервуара за счет обмотки его и днища нагревательной лентой позволяет повысить интенсивность, стабильность и полноту биохимических процессов в биореакторе, увеличить выход биогаза.
Конструкция заявляемого биореактора поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема предлагаемой установки, на фиг.2 показан разрез А-А фиг.1, на фиг.3 - разрез В-В фиг.2.
Биореактор включает вертикальный цилиндрический резервуар 1, внешняя часть которого обмотана нагревательной лентой 2, соединенной с терморегулятором 3. Резервуар 1 установлен на опорах 4 и снабжен куполом 5 и днищем 6, имеющими форму усеченного конуса. Днище 6 обращено меньшим основанием вниз, а купол 5 наоборот - вверх. В резервуаре 1 находится перемешивающее устройство, представляющее собой трехъярусную лопастную мешалку с лопастями 7, 8, 9, выполненными в виде закрепленных крест-накрест на вертикальном валу 10 стальных пластин прямоугольного сечения. Лопасти 7, 8, 9 мешалки снабжены неподвижно закрепленными лопатками 11 в виде плоских стальных пластин прямоугольного сечения, установленных параллельно валу 10, ориентированному по центру резервуара 1. Верхние лопасти 7 установлены перпендикулярно к оси вала 10. Каждая лопасть 7 снабжена перпендикулярно установленной на ней лопаткой 11, направленной вниз. Средняя 8 и нижняя 9 лопасти повторяют форму днища 6 резервуара 1, лопатки 11 которых прикреплены на лопастях и направлены вверх. Каждая средняя лопасть 8 мешалки имеет по одной лопатке 11, а нижние лопасти 9 - от трех и более лопаток 11, расположенных с зазором по всей поверхности лопасти.
На куполе 5 резервуара 1 установлены загрузочный патрубок 12, датчик давления 13, патрубок 14 для отвода биогаза и подшипниковая опора 15 с резиновой прокладкой для сохранения герметичности резервуара. Перемешивающее устройство соединено с приводом 16 и клиноременной передачей 17. В нижней части конического днища 6 расположен выгрузочный патрубок 18.
Биореактор работает следующим образом.
3
4
Для создания анаэробной среды через загрузочный патрубок 12 заливают воду до полного заполнения резервуара 1. Далее исходный материал в виде органических отходов животноводства (разжиженный свежий навоз (помет) с влажностью 92-93%) вводят через загрузочный патрубок 12 и заполняют резервуар 1 до уровня / его высоты. После заполнения резервуара 1 исходным материалом из резервуара 1 сливают оставшуюся в нем воду и включают нагревательную ленту 2, регулируемую терморегулятором 3, для поддержания температуры 33-36°С. Терморегулятор при достижении 36°С автоматически отключает нагревательную ленту и включает при достижении температуры 33°С. В таком состоянии в резервуаре 1 в течение 6 дней идет метановое сбраживание, при этом каждые 2 дня в течение 10 минут включают перемешивающее устройство для равномерного обеспечения питательными веществами метанобразующих бактерий, предотвращения осадочного материала и корки под куполом 5, которая препятствует выходу биогаза. Коническая форма купола 5 резервуара 1 образует свободный объем для скапливания образующегося биогаза, который, скапливаясь, выходит через патрубок 14. Лопасти 7, 8, 9 обеспечивают наиболее полное перемешивание субстрата, препятствуют осадку тяжелых частиц субстрата на дно и разрушают образующуюся корку субстрата под куполом 5.
После 6-го дня сбраживания выгрузку переработанных отходов осуществляют периодически каждые 2 дня. При загрузке реактора новым сырьем объем его пропорционален выгружаемому сырью через патрубок 18. Форма днища резервуара в виде усеченного конуса обеспечивает качество выгрузки переработанных отходов.
Давление в емкости отслеживается при помощи датчика 13.
Получаемый из биореактора газ может применяться в бытовых нуждах, а переработанный субстрат является биологическим удобрением. Он лишен специфического запаха, полностью обеззаражен и может применяться в качестве удобрения без дополнительных операций. Также данный субстрат после определенных технических операций может быть использован в качестве кормовой добавки для сельскохозяйственных животных.
Высокие цены на энергоносители делают эксплуатацию биореактора рентабельной, при этом использование установки улучшает экологическое состояние окружающей среды и решает экономические вопросы приобретения удобрений и кормовых добавок.