УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОМЕТАНА

Полезная модель относится к биотехнологии и может быть использована для получения биометана.
Известно устройство для биометана путем трансформации углекислого газа с использованием биологического процесса в электрометаногенном реакторе (электробиореактор), снабженном катодом и анодом. Метаногенные микроорганизмы располагают в катодной области, в которую подают 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 (US 2009317882, 24.12.2009).
К недостаткам вышеописанного устройства можно отнести низкую интенсивность процесса, а также высокие затраты на расходные материалы: катионо- или анионопроводящие мембраны.
Известно устройство для получения биогаза с инициированием анаэробного процесса сбраживания органических веществ в процессе подготовки к термофильному биохимическому расщеплению в водной среде в электробиореакторе. Органические вещества в водной среде предварительно подвергают воздействию высоковольтного электрического разряда в условиях аэрации в начальной стадии процесса. Органические вещества отделяют от зоны разряда сеткой. В последствие процесс сбраживания происходит по традиционной технологии с перемешиванием среды. Содержание метана в образующемся биогазе не превышает 70% в зависимости от сырья (RU 2207325, 27.06.2003).
К недостаткам устройства следует отнести невозможность осуществления непрерывного процесса, сравнительно низкую интенсивность брожения вследствие активации процесса только в начальной стадии, невысокое содержание метана в биогазе и повышенные требования к безопасности при работе персонала с высоким напряжением.
Наиболее близким к полезной модели является устройство для переработки различных жидких органических отходов, например навоза, птичьего помета и т.п., в биогаз и жидкое органическое удобрение. Установка для анаэробной переработки органических отходов содержит анаэробный биореактор с основным нагревателем биомассы, выполненный в виде герметично закрытой емкости, разделенной с помощью вертикальных перегородок на секции, патрубки загрузки сырья и выгрузки жидкого органического удобрения, систему подачи исходного сырья, систему отвода биогаза с компрессором, систему удаления жидких органических удобрений, систему управления технологическим процессом, выполненную в виде программируемого компьютера. Внутренний объем биореактора разделен переливной и двумя перегородками-теплообменниками, расположенными друг к другу под углом 120°, на три сообщающиеся между собой секции: гидролизную, соединенную с системой подачи исходного сырья через патрубок загрузки, ацидогенную и метаногенную, соединенную с системой выгрузки жидкого органического удобрения через патрубки выгрузки, а также с системой отвода биогаза (RU 2370457, 14.07.2008)
Недостатками вышеописанного устройства являются невозможность создания собственного температурного режима в каждой из секций биореактора, невозможность получения биометана с низким (менее 1%) содержанием углекислого газа, сложность перемешивания содержимого секторов из-за геометрической особенности секторов, а также способ деления на сектора не учитывает различия в скорости протекания процессов.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание устройства, не имеющего вышеназванных недостатков.
Техническим результатом заявленной полезной модели является увеличение содержания метана в производимом биометане и интенсификации процесса анаэробного метаногенеза и всего процесса переработки в целом.
Указанный технический результат достигается за счет того, что биореактор для метаногенной переработки сырья содержит выполненный из электропроводящего материала и размещенный в теплообменной рубашке корпус, являющийся катодом, установленный внутри корпуса в полом футляре из пористого материала анод и установленный в нижней части корпуса барботер, выполненный с возможностью подачи в него газовой смеси из верхней части биореактора, при этом корпус имеет средства для ввода сырья и вывода переработанного продукта.
Полезная модель поясняется чертежом, где изображена схема устройства для получения биометана, биореактор для метаногенной переработки показан в разрезе.
Устройство для получения биометана содержит последовательно соединенные биоректоры: 1 - для гидролитической, 2 - для ацидогенной и 3 - для метаногенной переработки сырья
Вспомогательные аппараты, насосы, нагревательные и перемешивающие устройства, система управления процессом (регулирование температуры, управление массовыми потоками и пр.) и др. части, присущие традиционным биогазовым установкам, не показаны.
Биореактор 3 для метаногенной переработки содержит корпус 4 с крышкой 5. Корпус 4 снабжен установленной вокруг него теплообменной рубашкой с патрубками ввода и вывода воды (на чертеже не показано). В верхней части корпуса размещен патрубок 6 ввода сырья от биореактора 2, в крышке 5 - патрубок 7 вывода биометана, в снизу - патрубок 8 вывода отработанного сырья. Корпус 4 выполнен из электропроводящего материала, например, из стали, и выполняет в устройстве роль катода.
Внутри корпуса в футляре 9 из пористого материала, например, перфорированной в погружаемой в корпус части трубе из полиэтилена по ГОСТ 18599-2001, установлен анод 10, причем анод проходит через крышку 5 и совместно с футляром 9 закреплен в крышке с помощью стального футляра 11, который имеет длину меньшую, чем анод и его пористый футляр и занимает около 1/5 длины анода с его футляром, размещенных в корпусе 4.
В нижней части корпуса установлен барботер 12. Питание барботера рециркулируемым газом осуществляется через патрубок 13 в крышке 5 корпуса, соединенным с барботером 12.
Крышка 5 установлена на фланце корпуса 4 через прокладку 14 и закреплена на нем с помощью фиксаторов 15.
Средства для подачи напряжения на корпус 4 и анод 10 на чертеже не показаны.
Устройство работает следующим образом.
Объемы биореакторов 1, 2, 3 выбирают обратно пропорционально скоростям соответствующих процессов. Скорости процессов можно определить экспериментально для определенных видов входящего сырья (субстрата). Весь процесс осуществляется в непрерывно-порционном режиме.
В первом биореакторе 1 протекает процесс гидролиза компонентов субстрата, уменьшение количества растворенного кислорода, размножение микроорганизмов и выделение углекислого газа, поступающего в верхнюю часть биореактора 2.
Из первого биореактора 1 гидролизованный субстрат самотеком поступает во второй биореактор 2, где происходит процесс ацидолиза компонентов субстрата с образованием органических кислот, водорода и углекислого газа, а также продолжается размножение микроорганизмов. Образовавшиеся газы из верхней части биореактора 2 поступают в верхнюю часть электробиореактора 3. Далее субстрат самотеком поступает в третий электробиореактор 3, где происходит процесс метаногенеза компонентов субстрата с образованием метана и углекислого газа.
Метанобактерии, находящиеся в среде катодной области осуществляют жизнедеятельность с выработкой соответствующих ферментов. Ток, протекающий от анода 10 к катоду (внутренняя поверхность биореактора 3), восстановительно активирует ферменты метанобактерий в прикатодной области, а в анодной области происходят окислительные процессы и выделение кислорода. Пористая перегородка (футляр 9) предназначена для предотвращения попадания кислорода в катодную область. Верхняя непористая часть трубы (перегородки) должна быть высотой по крайней мере на 10% длиннее от уровня жидкости в биореакторе 3 в м водяного столба максимального давления. Газовую смесь из верхней части биореактора 3 газовым насосом через барботер 12 пропускают через среду в катодной области, насыщая ее углекислым газом. Активированные ферменты конвертируют углекислый газ в биометан. Управление процессом осуществляют путем регулирования тока, проходящего через среду, посредством изменения напряжения на электродах. Увеличение тока (но не выше расчетного, формула 1) приводит к уменьшению содержания углекислого газа в выходящей газовой смеси.
Уменьшение количества углекислого газа пропорционально количеству электричества, прошедшего через биомассу. Максимальный постоянный ток (I, А; при 100% конверсии углекислого газа), который необходимо пропускать через среду расчитывают по формуле:
где:
W - объемный расход пропускаемого биогаза, приведенный к н.у. (20°С, 1 атм);
-1
F - постоянная Фарадея, Кл·моль
х - объемная доля углекислого газа в биогазе;
Превышение расчетного значения тока нецелесообразно, т.к. в этом случае увеличивается содержание водорода в газовой смеси, повышенные концентрации которого ингибируют процесс метаногенеза. При использовании значений тока меньше расчетного выходящий обогащенный биогаз соответственно будет содержать остаточный углекислый газ.
Выполнение корпуса биореактора 3, являющегося катодом, из электропроводящего материала увеличивает площадь катода, что приводит к интенсификации процесса трансформации углекислого газа до метана.
Анод необходимо отделить от анаэробной катодной среды перегородкой из пористого ионопроницаемого материала для того, чтобы кислород, выделяющийся на аноде, не ингибировал процесс анаэробного метаногенеза.
Подача напряжения ниже 0,2 В нецелесообразно, т.к. не приводит к активации ферментных комплексов и осуществлению процесса в целом.
Увеличение напряжения на электродах свыше 36 В нецелесообразно вследствие резкого увеличения энергозатрат на проведение процесса.
Использование рециркуляции газовой смеси из верхней части электробиореактора через среду при помощи барботера позволяет достичь более полной конверсии углекислого газа. Полезно, чтобы управление процессом осуществлялось при помощи положительной обратной связи между содержанием углекислого газа в выходящем биогазе и током, проходящим через среду.
Воздействие постоянным напряжением непрерывно на среду в метантенке позволяет осуществить на катоде восстановление растворенного в среде углекислого газа до метана.
Полезная модель позволяет увеличить содержание метана в производимом биометане и интенсифицировать процесса анаэробного метаногенеза и всего процесса переработки в целом.