БИОЛОГИЧЕСКИЙ РЕАКТОР Российский патент 1994 года по МПК C12M1/40 

Изобретение относится к конструкции биологических реакторов, предназначенных для биологической очистки воздушной среды от токсичных и пахнущих соединений в химической и других отраслях промышленности.

Биологический метод очистки воздуха является одним из наиболее перспективных способов решения экологической проблемы, так как он осуществляется при нормальной температуре и давлении, является дешевым, простым и энергоэкономичным процессом.

Конструкции биореактивов известны. Так, известна конструкция биореактора, состоящая из корпуса, патрубков для подвода очищаемого для отвода очищенного воздуха, слоев биокатализатора - иммобилизованных на фирменных пористых носителях клеток микроорганизмов (активных илов сточных вод) и средства для подачи минеральной среды, необходимой для обеспечения жизнедеятельности микроорганизмов, в виде распределительного устройства. Удельная производительность биореактора, выражаемая отношением количества очищаемого воздуха к объему биокатализатора в единицу времени, составляла 5000 ч^-1 при эффективности очистки 60-90%.

Основные недостатки - низкая удельная производительность, большой расход минеральной среды, недостаточно высокая эффективность очистки (в среднем 75% ) и высокое аэродинамическое сопротивление слоя биокатализатора, которое приводит либо к снижению производительности установки, либо к увеличению энергозатрат на прокачивание потока воздуха через биокатализатор (около 400 мм вод. ст.).

Известен биологический реактор, состоящий из указанных выше конструктивных узлов. Слои биокатализатора - иммобилизованных на волокнистых носителях клеток микроорганизмов - уложены последовательно, а средство для подачи минеральной среды, равномерно распыляемой над слоями биокатализатора (например, форсунки), расположено в каждом патрубке подачи очищаемого воздуха. Удельная производительность биореактора 8000-10000 ч^-1 при эффективности очистки, например, по толуолу 40-60% [1].

Недостатки - недостаточно высокая удельная производительность и эффективность очистки, а также высокое аэродинамическое сопротивление слоя биокатализатора (1000-2000 мм вод. ст.).

За прототип выбран биореактор, содержащий корпус с патрубками для подвода очищаемого и отвода очищенного воздуха, слои волокнистого биокатализатора и средство для подачи минеральной среды, представляющее собой емкость с нагревателем для минеральной среды и конденсатор, при этом емкость расположена под патрубками подвода очищаемого воздуха, а конденсатор установлен на выходе реактора перед патрубками отвода очищенного воздуха, причем слои биокатализатора расположены в шахматном порядке: каждый из слоев одним концом закреплен в стенке корпуса, а другой образует зазор с противоположной стенкой корпуса [2].

Данная конструкция биореактора позволяет снизить аэродинамическое сопротивление до 20-70 мм вод. ст., увеличить удельную производительность до 12000-13000 ч^-1 и повысить эффективность очистки до 90-95%.

Недостатки известного устройства вытекают из его конструкции: такой биореактор содержит достаточно много пустого пространства между слоями биокатализатора, если считать удельную производительность на объем биокатализатора, а на объем установки, то она снижается в 3-5 раз. В то же время ряд особенностей выбранной за прототип установки (в частности, низкое аэродинамическое сопротивление, не изменяющеейся в ходе эксплуатации) являются достаточно перспективными.

Цель изобретения - повышение эффективности очистки воздуха при одновременном увеличении удельной производительности процесса с сохранением или незначительным повышением аэродинамического сопротивления.

Цель достигается тем, что биореактор, содержащий корпус с патрубками подвода очищаемого и отвода очищенного воздуха, средство для подачи минеральной среды и слои биокатализатора, расположенные в шахматном порядке, каждый из которых одним концом закреплен на стенке корпуса, а другим образует зазор с противоположной стенкой корпуса, содержит стержни с фиксируемыми ими конгломератами на основе упругих химических волокон с иммобилизованными клетками микроорганизмов, причем стержни закреплены в пространстве между слоями биокатализатора и расположены перпендикулярно потоку воздуха.

Роль стержней заключается в фиксации волокна в положении, препятствующем его слеживанию, и в создании равномерного распределения волокна между слоями биокатализатора. Волокно укрепляется на стержнях в момент монтажа установки. Количество стержней и волокна подбирается таким образом, чтобы при достаточном заполнении пространства между "полками" со слоями биокатализатора они не создавали препятствий для прохождения воздуха. При оптимальной укладке достичь того, что аэродинамическое сопротивление установки, аналогичной прототипу, увеличивается не более чем на 20-30% и составляет величину 25-90 мм вод. ст.

В то время как на "полках" можно укладывать как волокнистые, так и гранулированные носители, на стержнях должны укрепляться именно упругие волокна, поскольку их текстура позволяет им заполнять большой объем без создания существенных преград воздуху и без последующего их слеживания.

При попытке заполнения пространства между "полками" упругим волокном без фиксации его стержнями под действием потока воздуха происходит быстрое смещение волокна к зазорам между полками с последующим сжатием волокна и его склеиванием под действием растущей биомассы, что приводит к резкому росту аэродинамического сопротивления. При фиксации волокна стержнями склеивание не происходит, так как при этом конгломераты волокна расположены отдельно друг от друга.

Увлажнение биокатализатора осуществляется либо аналогично [2] путем подачи минеральной среды насосом в патрубки, расположенные в каждой полке, либо согласно прототипу путем предварительного увлажнения воздуха в специальном устройстве, либо путем комбинации обоих способов.

На чертеже схематично изображен биореактор в разрезе. Он содержит корпус 1, патрубки 2 и 3 соответственно для подвода очищаемого и отвода очищенного воздуха, емкость 4 для минеральной среды с нагревателем, конденсатор 5, слои биокатализатора 6, патрубки 7 для отвода избытка конденсата и биомассы и стержни 8 между слоями с фиксируемыми на них конгломератами биокатализатора на основе упругого волокна с иммобилизованными на нем клетками микроорганизмов, насос 9 и бак 10 для приготовления раствора.

Биореактор работает следующим образом.

В противоположных стенках биореактора закрепляют каркасы. Крепление осуществляют винтами через паз, обеспечивая герметиичность каркасов прокладками. На каркасах укрепляют слои волокнистого носителя с иммобилизованными клетками микроорганизмов. В емкость 4 заливают минеральную среду, уровень которой поддерживается автоматически любым из известных способов. Нагрев минеральной среды может быт осуществлен, например, с использованием термопары или другим известным методом до заданной температуры. Минеральная среда поступает в емкость с нагревателем и на слои биокатализатора с помощью насоса 9 из бака 10 для приготовления раствора.

Через патрубок 2 подают загрязненный воздух, который, захватывая пары минеральной среды, последовательно омывают слои биокатализатора на "полках", проходит через конгломераты волокна (также содержащие биомассу) между "полками", очищаясь при этом от токсичных или пахнущих примесей, и выходит через патрубок 3. Избыток паров минеральной среды конденсируется в конденсаторе 5. Избыток среды и биомассы периодически сливают через патрубки 7.

Предложенная конструкция биореактора позволяет увеличить удельную производительность в пересчете на объем установки с 3000-6000 до 13000-13500 ч^-1 и повысить эффективность очистки по формальдегиду до 95-98%.

Возможно исполнение корпуса биореактора в цилиндрической конфигурации, при этом "полки" со слоями биокатализатора закреплены попарно на валу внутри реактора и на его стенках. Такая конструкция обеспечивает высокую турбулентность потока воздуха и способствует лучшим условиям массообмена.

Использование: при биологической очистке воздушной среды в химических, микробиологических и пищевых производствах. Сущность изобретения: биологический реактор содержит корпус, слои биокатализатора, закрепленные в стенке корпуса, стержни с зафиксированными ими конгломератами на основе упругих химических волокон с иммобилизованными клетками микроорганизмов, при этом стержни закреплены в пространстве между слоями биокатализатора и расположены перпендикулярно потоку воздуха. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. БИОЛОГИЧЕСКИЙ РЕАКТОР, содержащий корпус с патрубками подвода очищаемого и отвода очищенного воздуха, средство для подачи минеральной среды и слои биокатализатора, расположенные в шахматном порядке, каждый из которых одним концом закреплен в стенке корпуса, а другим образует зазор с противоположной стенкой корпуса, отличающийся тем, что реактор содержит стержни с зафиксированными ими конгломератами на основе упругих химических волокон с иммобилизованными клетками микроорганизмов, при этом стержни закреплены в пространстве между слоями биокатализатора и расположены перпендикулярно потоку воздуха. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что слои биокатализатора выполнены в виде полок, закрепленных попарно внутри реактора на его стенках, с образованием канала для прохода воздуха от центра к периферии корпуса и обратно.