БИОРЕАКТОР Российский патент 2003 года по МПК C05F3/06 C05F17/02 C12M1/02 

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к устройствам для ферментативной переработки отходов растительного и животного происхождения, бытовых отходов, в том числе отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности, ботвы, стеблей растений, навоза животных и птицы, сточных вод для получения биогаза и органического экологически чистого удобрения.

Известен аппарат для ферментации навоза, содержащий цилиндрический корпус, крышку, установленную на ней емкость для сбора биогаза, снабженную по продольной оси патрубком для загрузки навоза, патрубком для выхода биогаза и трубопроводом для выгрузки отферментированного навоза, перемешивающее устройство с приводом и устройство для разрушения корки навозной суспензии, состоящее из гребенки, содержащей штыри, прикрепленные к нижней части емкости для сбора биогаза, и конуса, установленного под гребенкой соосно с патрубком для загрузки навоза, причем трубопровод для выгрузки навоза снабжен дополнительным патрубком для периодического изменения уровня навозной суспензии (см. а.с. SU, 1386650, МКИ⁴ C 12 M 1/00).

Недостатком известного устройства является несколько сниженная производительность за счет цикличности процесса, включающего загрузку, выдержку для ферментативной переработки навоза и выгрузку. Кроме того, недостаточно стабильно, и полно идут процессы ферментации биомассы во всем ее объеме, так как слив отферментированного навоза происходит при подъеме уровня суспензии выше сливного патрубка во время загрузки новой порции биомассы, что ведет к попаданию ее в готовое удобрение, а также наблюдается процесс расслаивания биомассы и оседания тяжелых ее фракций вниз за счет выполнения днища корпуса конической формы.

Известна установка для сбраживания навозной массы, содержащая корпус с загрузочным и выгрузным люками, патрубком отвода биогаза. Корпус содержит накопительную, бродильную и разгрузочную камеры, отделенные одна от другой днищами, установленными под углом естественного схода массы. Наклонные днища разгрузочной и бродильной камер снабжены нагревательными электропанелями с терморегуляторами, а днища накопительной и бродильной камер - шиберными заслонками для разгрузки камер. Кроме того, установка снабжена устройством для перемешивания биомассы, выполненным в виде приводных валов с закрепленными на них лопатками, установленных горизонтально в бродильной и разгрузочной камерах (см. а.с. SU, 1825583, МКИ⁵ А 01 С 3/00).

Недостатком известной установки является ее пожароопасность, обусловленная наличием большого количества отверстий в корпусе для установки вращающихся валов механизмов перемешивания биомассы и открывания шиберных заслонок днищ камер, что ведет к утечке биогаза из корпуса через уплотнения, накоплению его около корпуса и часто к возгоранию установки. Кроме того, наличие большого количества приводных механизмов установки усложняет ее обслуживание и требует затрат электроэнергии.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для обеззараживания осадка сточных вод, содержащее герметичный корпус с патрубками для подачи перерабатываемой биомассы, отвода биогаза, отвода готового удобрения, устройство прогрева биомассы в виде паропровода и узла подвода пара, барботажное устройство, включающее вертикальный подающий биогаз газопровод, переходящий в горизонтальные отводы, снабженные форсунками, и вертикальные трубы с перфорацией, равномерно размещенные по периферии корпуса и взаимодействующие с форсунками. Кроме того, установка снабжена механизмом вертикального перемещения вертикальных труб барботажного устройства (см. а.с. SU, 1675228, МПК⁵ C 02 F 11/04).

Недостатками известного технического решения являются цикличность работы, а также сложность конструкции, обусловленная присутствием механизма вертикального перемещения труб в барботажном устройстве, а также механизма прогрева биомассы паром, сложного в обслуживании для поддержания параметров по температуре и давлению. Кроме того, прогрев биомассы паром не всегда доступен и ограничивает применение установки в малых фермерских хозяйствах.

Техническим результатом заявленного технического решения является повышение интенсивности, стабильности и достижение полноты биохимических процессов при обеспечении непрерывности процесса в биореакторе, упрощении его обслуживания, простоты изготовления и доступности его применения в различных хозяйствах.

Технический результат достигается тем, что биореактор, содержащий корпус с патрубками для подачи перерабатываемой биомассы, слива готового удобрения, отвода биогаза, устройство для прогрева биомассы, барботажное устройство, включающее вертикальный газопровод, переходящий в горизонтальные отводы, снабженные форсунками, и вертикальные трубы, размещенные в объеме биомассы и взаимодействующие с форсунками, патрубки для подачи биомассы и слива готового удобрения, размещенные на одной торцовой стенке корпуса, устройство прогрева биомассы, выполненное в виде узкого прямоугольного бака, заполненного подогреваемой водой с высотой, превышающей уровень заполнения корпуса биомассой, причем узкий прямоугольный бак установлен по продольной оси корпуса, торцовой стенкой примыкая к торцовой стенке корпуса со стороны загрузки и выгрузки на равном расстоянии от боковых стенок корпуса, совпадающим с расстоянием между вторыми торцовыми стенками узкого прямоугольного бака и корпуса, причем горизонтальные отводы барботажного устройства установлены внизу прямоугольного бака вдоль боковых его стенок, а форсунки размещены равномерно по длине горизонтальных отводов, при этом узкий прямоугольный бак делит днище корпуса на два участка, выполненных с наклоном в противоположные стороны под углом естественного схода массы.

Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом позволило установить наличие отличительных от прототипа признаков. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "НОВИЗНА".

Анализ технических решений показал, что заявленная совокупность признаков, обеспечивающая повышение интенсивности, стабильности, полноты биохимических процессов при переработке биомассы, при простоте обслуживания биореактора, доступности его применения в различных хозяйствах неизвестна из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию "ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ".

Выполнение корпуса биореактора разделенным на две равные части за счет установки устройства для прогрева биомассы в виде узкого прямоугольного бака с водой по продольной оси корпуса на равном расстоянии от боковых и торцовой сторон корпуса, с размещением патрубков подачи перерабатываемой биомассы и слива готового удобрения на одной торцовой стенке корпуса, при наклоне участков днища корпуса со стороны загрузки и выгрузки в противоположные стороны под углом естественного схода биомассы обеспечивает естественное свободное прохождение биомассы, заполнение ею корпуса биореактора, полную и интенсивную переработку биомассы с выделением биогаза, при первоначальной выдержке после загрузки в течение 7-10 дней, в зависимости от вида биомассы при стабильности температурного режима и интенсивном перемешивании в результате удачного размещения устройства для прогрева биомассы в центре корпуса и закрепления на его баке вертикальных труб барботажного устройства, взаимодействующих с форсунками и легко эжектирующих биомассу, захватывая ее в месте наилучшего прогрева и подавая в верхнюю часть корпуса для перемешивания биомассы и разрушения оксидной пленки, улучшающих ее переработку, и обеспечивая интенсивный выход биогаза.

Простота изготовления и доступность использования биореактора даже в малых фермерских хозяйствах (4-5 коров), а также простота обслуживания установки, заключающаяся в наблюдении за температурным режимом, подачей биогаза в газгольдер и в барботажное устройство и в выгрузке готового удобрения и загрузке биомассы один раз в сутки 1/10 части объема, позволяет его широко использовать, что доказывает соответствие его критерию "ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ".

Фиг.1. Вид сверху биореактора.

Фиг.2. Разрез А-А на фиг.1.

Биореактор содержит прямоугольный корпус 1 с патрубком 2 для подачи перерабатываемой биомассы, патрубком 3 для слива готового удобрения, установленных на одной торцовой стенке 4 корпуса 1, патрубком 5 для отвода биогаза, установленного вверху корпуса. Кроме того, в корпусе 1 размещено устройство для прогрева биомассы, содержащее узкий прямоугольный бак 6, заполненный водой, подогреваемой, например, с помощью ТЭНов или получаемого биогаза. Прямоугольный узкий бак 6 установлен по продольной оси корпуса, одной торцовой стенкой примыкая к торцовой стенке 4 корпуса 1 на равном расстоянии от боковых стенок корпуса, при этом расстояние между боковыми стенками узкого прямоугольного бака 6 и корпуса 1 равно расстоянию между их вторыми торцовыми стенками. Высота узкого прямоугольного бака 6 превышает уровень заполнения биомассой корпуса 1 биореактора. В корпусе 1 также установлено барботажное устройство, включающее вертикальный газопровод в виде 2-х вертикальных труб 8, соединенных с двумя горизонтальными отводами труб 9, снабженных равномерно расположенными по их длине форсунками 10, и вертикальных труб 11, размещенных с двух сторон вдоль боковой поверхности узкого прямоугольного бака 6. Высота вертикальных труб 11 не превышает высоту узкого прямоугольного бака 6 и превышает уровень заполнения корпуса биомассой. Дно корпуса 1 разделено узким прямоугольным баком 6 на два участка, выполненных с наклоном под углом естественного схода биомассы со стороны подачи ее в биореактор в одну сторону, а со стороны выхода готового удобрения - в противоположную сторону.

Биореактор работает следующим образом.

Со стороны торцовой стенки 4 корпуса 1 через патрубок 2 перерабатываемую биомассу с влажностью 85-93% загружают в корпус 1 биореактора. Дно корпуса 1, выполненное с наклоном в одну сторону под углом естественного схода массы со стороны подачи ее в биореактор и в другую сторону - со стороны выхода готового удобрения, облегчает прохождение биомассы от загрузки к торцовой стенке корпуса 1 и затем в обратную сторону к выходному патрубку 3 и ускоряет процесс заполнения корпуса 1 биомассой. Затем узкий прямоугольный бак 6 устройства для подогрева биомассы заполняют водой и подогревают ее, например, ТЭНом до температуры 25-40^oС. Биомассу нагревают до температуры 25-40^oС, выдерживают в корпусе 1 в течение 7-10 дней для ее сбраживания и полной переработки в готовое экологически чистое удобрение с получением биогаза (метан+СO₂). Биогаз воздуходувкой (не показана) удаляют и подают в газгольдер для дальнейшего потребления. Готовое удобрение через 7-10 дней в количестве 1/10 части по объему удаляют из корпуса 1 через патрубок 3, а в корпус 1 через патрубок 2 загружают новую порцию перерабатываемой биомассы в количестве 1/10 части по объему. Процесс выгрузки 1/10 части по объему готового удобрения и загрузки новой порции в таком же количестве перерабатываемой биомассы происходит один раз в сутки. Часть биогаза с помощью воздуходувки подается через вертикальные трубы 8 барботажного устройства в горизонтальные трубы 9 к форсункам 10. Биогаз, проходя через форсунки 10, создает разряжение, и прогретая биомасса за счет эжекции подается вверх по вертикальным трубам 11 и падает на поверхность биомассы, перемешивая ее, разрушая образовавшуюся оксидную пленку на поверхности, обеспечивая полноту процесса ферментации биомассы и улучшая газоотделение.

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано при ферментативной переработке органических отходов растительного и животного происхождения, бытовых отходов, в том числе отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности и т.п. для получения органического экологически чистого удобрения и биогаза. Биореактор содержит корпус с патрубками для подачи перерабатываемой биомассы, слива готового удобрения, отвода биогаза, устройство для прогрева биомассы, барботажное устройство. Последнее включает вертикальный газопровод, переходящий в горизонтальные отводы, снабженные форсунками, и вертикальные трубы, размещенные в объеме биомассы и взаимодействующие с форсунками. Патрубки для подачи биомассы и слива готового удобрения размещены на одной торцовой стенке корпуса, устройство прогрева биомассы выполнено в виде узкого прямоугольного бака, заполненного подогреваемой водой с высотой, превышающей уровень заполнения корпуса биомассой. Узкий прямоугольный бак установлен по продольной оси корпуса, торцовой стенкой примыкая к торцовой стенке корпуса со стороны загрузки и выгрузки на равном расстоянии от боковых стенок корпуса, совпадающем с расстоянием между вторыми торцовыми стенками узкого прямоугольного бака и корпуса. Горизонтальные отводы барботажного устройства установлены внизу прямоугольного бака вдоль боковых его стенок, а форсунки размещены равномерно по длине горизонтальных отводов, при этом узкий прямоугольный бак делит днище корпуса на два участка, выполненных с наклоном в противоположные стороны под углом естественного схода массы. Изобретение позволяет повысить интенсивность, стабильность и полноту биохимических процессов в биореакторе и упростить его обслуживание. 2 ил.

Биореактор, содержащий корпус с патрубками для подачи перерабатываемой биомассы, слива готового удобрения, отвода биогаза, устройство для прогрева биомассы, барботажное устройство, включающее вертикальный газопровод, переходящий в горизонтальные отводы, снабженные форсунками, и вертикальные трубы, размещенные в объеме биомассы и взаимодействующие с форсунками, отличающийся тем, что патрубки для подачи перерабатываемой биомассы и слива готового удобрения размещены на одной торцовой стенке корпуса, устройство прогрева биомассы выполнено в виде узкого прямоугольного бака, заполненного подогреваемой водой с высотой, превышающей уровень заполнения корпуса биомассой, при этом узкий прямоугольный бак установлен по продольной оси корпуса, одной торцовой стенкой примыкая к торцовой стенке корпуса со стороны загрузки и выгрузки на равном расстоянии от боковых стенок корпуса, совпадающем с расстоянием между вторыми торцовыми стенками узкого прямоугольного бака и корпуса, причем горизонтальные отводы барботажного устройства размещены внизу и вдоль боковых стенок узкого прямоугольного бака, а форсунки размещены равномерно по длине горизонтальных отводов, при этом узкий прямоугольный бак делит днище корпуса на два участка, выполненных с наклоном в противоположные стороны под углом естественного схода массы.