БИОРЕАКТОР ЕМКОСТНЫЙ Российский патент 2013 года по МПК C12M1/00 C12M1/04 

Заявляемое техническое решение может быть использовано в дрожжевой, спиртовой, микробиологической промышленности, но в основном относится к сельскому хозяйству и предназначено для переработки жидких органических отходов, преимущественно навоза или помета, в биогаз и экологически чистые органические удобрения.

Известен реактор (см. патент FR 2471124 (13) A1, 19.06.1981, на 13 л., фиг 1-2). Сущность данного технического решения заключается в том, что запатентованный реактор содержит горизонтально расположенную стальную емкость, которая имеет загрузочный и выгрузочные люки и подключена к газгольдеру, кроме того, емкость биореактора покрыта теплоизоляцией для поддержания стабильной температуры в биореакторе.

Недостатком данного технического решения является то, что при загрузке смешиваются массы, перебродившие и вновь поступившие, так же, как и при выгрузке, происходит выгрузка смешанных масс, что не обеспечивает полного перебраживания сбраживаемой массы и снижает эффективность биореактора.

Известен биореактор, имеющий форму бочки, (см. (19) RU (11) 105624, (13)U1 (51) МПК С12М 1/00 (2006.01), которая разделена на горизонтальные секции, в каждой из которых происходит своя стадия ферментации. Перегородки, расположенные между секциями имеют окна, которые открываются-закрываются по мере выполнения стадии ферментации в этой секции.

Недостатком данного устройства является сложность конструкции, а также неремонтопригодность данного устройства - при поломке створки, закрывающей секцию, отремонтировать биореактор будет очень сложно или вообще невозможно.

Наиболее близким к заявляемому модульному биореактору является биореактор, запатентованный в качестве патента на изобретение

РФ №2346423, А01С 3/02 от 15.03.2007, содержащий стальную трубчатую емкость, которая расположена горизонтально или под уклоном 3-5° и разделена сверху на три секции - загрузочную, рабочую и выгрузочную перегородками-сегментами, которые не доходят до дна емкости, в загрузочной секции биореактора сверху расположен загрузочный люк для загрузки биомассы, в выгрузочной секции - выгрузочный люк для выгрузки биомассы, а рабочая секция имеет подключение к газгольдеру.

Недостатком данного технического решения является его недостаточная проработка относительно использования его в промышленных биореакторах больших объемов для больших хозяйств. Моноблочная конструкция биореактора не позволяет изготавливать биореакторы больших объемов. При увеличении объема увеличивается длина биореактора, при этом возникают непреодолимые технические трудности с изготовлением длинных мешалок и управлением технологическим процессом. Для больших биореакторов -объемом от 200 до 5000 м³ возникают:

- проблемы с транспортировкой на место установки;

- проблемы с оптимизацией технологического процесса;

- проблемы с перемешиванием биоматериала внутри реактора;

- проблемы нагрева в период выхода биореактора на рабочий режим;

- проблемы с подготовкой помещения под данный реактор - под длинную трубу требуется длинное помещение.

Технический результат заявляемого решения заключается в создании конструкции промышленного биореактора для анаэробного сбраживания жидкой биомассы и органических отходов животноводства, который состоит из цилиндрической или прямоугольной вертикальной герметичной, тепло изолируемой емкости (1) разделенной сверху донизу, на две и более секции вертикальными перегородками (13), проходящими через центр основания емкости. В нижней периферийной части перегородки имеется окно (14) для перетока биомассы из одной секции в другую. Каждая секция снабжена трубчатым теплообменником (5) и мешалкой (12). Верхняя часть емкости закрыта эластичным куполом или жесткой капитальной крышкой (2).

В процессе биосинтеза метана принимают участие несколько видов бактерий, которые последовательно связаны между собой продуктами метаболизма. Каждый вид бактерий, оптимально работает при определенном градиенте температур и физико-химических параметрах среды, предлагаемое техническое решение позволяет;

- повысить производительность биореактора за счет конструкции, выполненной в виде вертикально ориентированной емкости под куполом, с расчетным объем биореактора от 200 до 5000 м³;

- сократить энергозатраты и время выхода биореактора на рабочий режим за счет поэтапного ввода секций в работу.

- повысить эффективность работы биореактора за счет того, что заявляемая конструкция биореактора разделена на секции, что обеспечивает возможность контроля и управления технологическим процессом на каждой стадии брожения, в каждой секции, за счет изменения рН среды и соотношения углерод-азот.Все это позволяет оптимизировать технологический процесс, увеличить выход биогаза или продуктов биоситеза.

Вновь, поступающая и перебродившая биомасса в биореакторе не перемешиваются межу собой, что снижает риск попадания в перебродившую биомассу патогенной микрофлоры и исключает проникновение семян сорных растений.

Описание изобретения

Биореактор изображен на Фиг.1 - Фиг.6. На Фиг.1 изображен разрез А-А; на Фиг.2 - разрез Б-Б; на Фиг.3 - разрез В-В, по вертикали. На Фиг.4 - разрез Г-Г, на Фиг.5 - разрез Д-Д по горизонтали. На Фиг.6 - биореактор в окружении комплекса оборудования для переработки биомассы, где:

1 - вертикально ориентированная емкость;

2 - купол;

3 - отборное устройство для подключения прибора, контролирующего и регулирующего давление биогаза в биореакторе;

4 - отборное устройство для откачивания биогаза компрессором в общий газгольдер - накопитель;

5 - теплообменник;

6 - заслонка;

7 - загрузочный коллектор;

8 - датчик температуры;

9 - дискретные датчики уровня;

10 - выгрузочный коллектор

11 - коллектор с запорным клапаном для опорожнения биореактора в момент проведения профилактических работ

12 - мешалка;

13 - перегородка;

14 - перепускные окна;

15 - мягкий газгольдер;

16 - водяной котел;

17 - накопитель биомассы;

18 - накопитель удобрения;

19 - компрессор;

20 - датчик давления;

21 - секция 1;

22 - секция 2;

23 - секция З;

24 - секция 4;

25 - регулируемая обводная запорная арматура;

Заявляемый биореактор может быть выполнен в виде стальной, бетонной или пластиковой прямоугольной или цилиндрической вертикально ориентированной, герметичной, тепло изолируемой емкости (1), разделенной с верху до низу одной или несколькими перегородками (13), проходящими через центр основания емкости. Перегородки соединены (пересекаются) с вертикальными стенками емкости и ее основанием (13) и делят биореактор на секции (21, 22, 23, 24), количество секций может быть от двух и более, в нижней периферийной части перегородок (13) имеются окна (14) для перетока биомассы из одной секции в другую. При количестве секций более двух между перегородкой первой и последней секции окон перетока нет. Каждая секция снабжена коллектором подпиток (не показан) с помощью которых можно изменять рН среды и соотношение углерод-азот.

Высота перегородок определяется при проектировании биореактора. Окна снабжены заслонками (6), которые могут быть выполнены с винтовым ручным или гидравлическим или электрическим приводом. В место заслонок и окон перетока, между перегородками секций с внешней стороны биореактора, может быть смонтирован обводной коллектор с запорно-регулирующей арматурой (25) Фиг.5. Заслонки (6) и запорно-регулирующая арматура (25) служат для отсекания биомассы в каждой отдельной секции биореактора от биомассы в остальных секциях, это позволяет поэтапно запускать биореактор в работу, тем самым существенно снижаются энергозатраты на начальный разогрев биомассы. Первая (21) и последняя (24) секции являются загрузочной и выгрузочной (показаны на Фиг.2, Фиг.3). В перегородке (13) между ними нет перепускного окна (показано на Фиг.4). Промежуточные секции являются рабочим (показаны на Фиг.4), в перегородке между ними имеются перепускные окна (14). Каждая секция снабжена теплообменником (5) и мешалкой (12), поэтому в каждой секции для каждого вида микроорганизмов принимающих участие в брожении и синтезе биогаза создаются оптимальные физические и химические условия среды. Биогаз из секций скапливается в верхней части биореактора под куполом (2), который может быть выполнен как эластичным, так и жестким выполняющим роль газгольдера, т.е. свободное пространство между поверхностью купола и зеркалом биомассы каждой секции предназначено для предварительного накопления газа из всех секций. Для облегчения перетока биомассы дно в каждой секции биореактора имеет наклон 1-5° как от центра к периферии, так и в сторону следующей секции. Каждая секция снабжена датчиками рН, еН, (не показаны) и температуры (8), а так же запорно-регулирующей арматурой (не показана). Управляет процессом брожения микропроцессорный контроллер по специально заданному алгоритму (не показан).

Загрузка и выгрузка биомассы осуществляется через загрузочный (7) и выгрузочный (10) коллектор. Загрузочный коллектор располагается в верхней боковой части первой секции биореактора и снабжен управляющим запорным клапаном (не показан). Выгрузочный коллектор располагается в средней части последней выгрузочной секции биореактора и так же снабжен управляющим запорным клапаном (не показан). В боковой части последней выгрузочной секции смонтированы дискретные датчики уровня (9), которые позволяют контролировать и регулировать уровень биомассы в биореакторе. В верхней части биореактора имеются отборные устройства: одно (3) для подключения прибора контролирующего и регулирующего давление биогаза в биореакторе, а второе (4) для откачивания биогаза компрессором в общий газгольдер - накопитель. В нижней части каждой секции биореактора, смонтирован коллектор с запорным клапаном (11) для опорожнения биореактора или одной из секций, в момент проведения профилактических работ.

Пример выполнения.

Биогазовая установка Фиг.6 с биореактором рабочим объемом 1000 м³. Биореактор выполнен в виде цилиндрической емкости, высотой 6 м, диаметром 15 м. Корпус биореактора разделен перегородками на четыре секции. Секция (21) загрузочная, секция (24) выгрузочная, секции (22) и (23) рабочие. Биомасса из приемной емкости (17) через коллектор (7) поступает в биореактор, в первую секцию (21) в которой идет предварительное брожение при температуре 30С через нижнее перепускное окно (14), биомасса поступает в секцию два (22) где идет брожение в мезофильном режиме при температуре 40С, из секции два, через нижнее перепускное окно (14), биомасса поступает в третью секцию (23), в которой идет брожение в термофильном режиме при температуре 50С, из третьей секции биомасса поступает в четвертую секцию (24) где идет дображивание и из которой происходит выгрузка биомассы через коллектор (10) в емкость накопитель 18. Время выхода биореактора на рабочий режим должно составлять не менее 12 суток. Биогаз, который образуется внутри рабочей секции биореактора, по показанию датчика давления (20) откачивается компрессором (19) в газгольдер (15). Биомасса в биореакторе периодически перемешивается включением мешалок (12). Биореактор может перерабатывать отходы от 1200 голов КРС.

Изобретение относится к микробиологической, дрожжевой, спиртовой промышленности, а также к сельскому хозяйству и предназначено для переработки жидких органических отходов, преимущественно навоза или помета, и получения экологически чистых органических удобрений и горючего биогаза. Емкостной биореактор содержит корпус с перегородками. Корпус выполнен в виде вертикально ориентированной герметичной и тепло изолируемой емкости, стенки которой вверху соединены посредством купола или жесткой крыши с образованием пространства между зеркалом биомассы и куполом или крышей для предварительного накопления биогаза. Внутренняя часть емкости разделена перегородками на, по меньшей мере, две секции. Перегородки установлены вертикально на основании емкости по центру и по высоте биореактора и соединены со стенками емкости. В каждой перегородке между первой секцией, между промежуточными секциями и между последней секцией, в нижней периферийной части выполнены окна перетока биомассы из секции в секцию. Дно каждой секции биореактора выполнено с наклоном 1-5 градусов как от центра к периферии, так и в сторону следующей секции. Каждая секция снабжена коллектором для подачи подпиток, теплообменником, перемешивающим устройством, датчиками рН, еН и температуры. Загрузочный узел в первой секции выполнен в виде коллектора с запорной арматурой для загрузки биомассы, а выгрузочный узел разгрузочной секции - в виде коллектора с запорной арматурой для выгрузки перебродившей биомассы. В верхней боковой части последней секции смонтированы датчики уровня для контроля и регулирования уровня биомассы в биореакторе. Изобретение обеспечивает повышение эффектвности работы биореактора и его производительности с одновременным сокращением энерго- и материальных затрат. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Емкостный биореактор, преимущественно для анаэробного сбраживания жидкой биомассы, включающий корпус, имеющий размещенные внутри перегородки с образованием загрузочной с загрузочным узлом, рабочей и разгрузочной с выгрузочным узлом секций, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде вертикально ориентированной герметичной и теплоизолируемой емкости, стенки которой вверху соединены посредством купола или жесткой крыши с образованием пространства между зеркалом биомассы и куполом или крышей для предварительного накопления биогаза, внутренняя часть емкости разделена перегородками на, по меньшей мере, две секции, перегородки установлены вертикально на основании емкости по центру и по высоте биореактора и соединены со стенками емкости, в каждой перегородке между первой секцией, между промежуточными секциями и между последней секцией, в нижней периферийной части выполнены окна перетока биомассы из секции в секцию, а дно каждой секции биореактора выполнено с наклоном 1-5 градусов как от центра к периферии, так и в сторону следующей секции, каждая секция снабжена коллектором для подачи подпиток, теплообменником, перемешивающим устройством, датчиками рН, еН и температуры, загрузочный узел в первой секции выполнен в виде коллектора с запорной арматурой для загрузки биомассы, а выгрузочный узел разгрузочной секции - в виде коллектора с запорной арматурой для выгрузки перебродившей биомассы, в верхней боковой части последней секции смонтированы датчики уровня для контроля и регулирования уровня биомассы в биореакторе.

2. Емкостный биореактор по п.1, отличающийся тем, что стенки биореактора выполнены стальными, или бетонными, или пластиковыми.

3. Емкостный биореактор по п.1, отличающийся тем, что основание биореактора имеет прямоугольную или цилиндрическую форму.

4. Емкостный биореактор по п.1, отличающийся тем, что окна перетока снабжены заслонками, которые могут быть выполнены с винтовым ручным, или пневматическим, или электрическим приводом.

5. Емкостный биореактор по п.4, отличающийся тем, что в нижней части с внешней стороны биореактора между перегородками, вместо окон перетока, смонтирован обводной коллектор с запорно-регулирующей арматурой, снабженной винтовым ручным, или пневматическим, или электрическим приводом.

6. Емкостный биореактор по п.1, отличающийся тем, что теплообменник выполнен трубчатым.

7. Емкостный биореактор по п.1, отличающийся тем, что перемешивающее устройство в каждой секции выполнено погружным.

8. Емкостный биореактор по п.7, отличающийся тем, что перемешивающее устройство в каждой секции смонтировано на боковой стенке биореактора, причем перемешивающее устройство размещено внутри, а двигатель - снаружи емкости.

9. Емкостный биореактор по п.1, отличающийся тем, что купол выполнен эластичным.

10. Емкостный биореактор по п.1, отличающийся тем, что в нижней части каждой секции смонтирован коллектор с запорно-регулирующей арматурой для опорожнения секции от биомассы при проведении профилактических работ.

11. Емкостный биореактор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен микропроцессорным контроллером для управления процессом брожения по заданному алгоритму.

12. Емкостный биореактор по п.1, отличающийся тем, что в верхней части биореактора над зеркалом биомассы установлены отборные устройства, одно из которых использовано для подключения прибора, контролирующего и регулирующего давление биогаза в биореакторе, а второе отборное устройство использовано для откачивания биогаза компрессором в общий газгольдер - накопитель.