CN1308267C - 用于块状的和/或浆膏状材料的微生物转化的生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生物反应器，用于对块状和/或浆膏状材料进行微生物转换，其具有对环境热绝缘的反应室(3)，所述反应室包括至少一个基本上呈U字形截面的反应器槽(4)、在所述的或者说每个反应器槽(4)中与其纵方向同轴地布置的在U字形截面的半圆弧形区域中旋转的叶片式螺旋输送器(5)、引导气体和/或液体的装置(6)，以及至少各一个的待转换材料的输入和输出装置(30、40)。至少引导气体和/或液体的装置(6)安置在叶片式螺旋输送器(5)的轴(7)下方的半圆弧形区域中。

Description

用于块状的和/或浆膏状材料的微生物转化的生物反应器
技术领域
本发明涉及微生物转化成块的和/或浆膏状材料的生物反应器，具体地涉及需氧分解主要成分是有机物的垃圾。
技术背景
由DE19629129A1公知一种微生物转化有机原材料的方法和装置。
为了实施所述的方法研发的设备包括作为核心件的对于环境热绝缘的管式反应器。
在其主要作用位置中基本上水平布置的管式反应器的管筒有基本上呈U形的截面，并且在所述管筒中，同轴于其纵轴，安排有叶片式螺旋输送器。所述叶片式螺旋输送器用作均匀地向反应器内部空间中填充垃圾，垃圾沿输送方向在输送器的始端送入，除此之外，还通过输送器的旋转沿输送的方向在反应器空间中把垃圾均匀地分布。
在填充之后，所述的叶片式螺旋输送器通过以一定时间间隔顺着或逆着输送方向旋转来起混匀待转化的垃圾的作用，其中，设计为浆状的螺旋输送叶片搅动垃圾并且不断地使垃圾的其它区域与气流接触，所述气流连续地送到垃圾的上部，以达到尽可能快和全面地进行垃圾的有机组分的需氧分解。由于细菌反应而受热的气流通过热交换器和过滤器引出，而回收的热量用于预热新引进的空气，以再加速反应。
这种公知的装置的缺点是，由叶片搅动器进行的垃圾混合不足以保证向垃圾表面进行理想的近乎完全地需氧垃圾转换所要求的空气输入。
此外还表明，视垃圾的状态不同，在设计为浆状的叶片上部分地作用了过高的反作用力，该反作用力太高以致于特别是在垃圾呈浆膏状和黏稠状时影响叶片式螺旋输送器的连续的混合功能，这种影响在极端地情况下可以导致传动装置中的传动部件故障并且可以导致叶片变形和折断。
发明内容
因此，本发明的任务是，开发一种生物反应器，使用这种生物反应器可以最佳地向反应器中待转换的材料输入气体，例如空气，并且在这种生物反应器使用时即使是浆膏状和黏稠的材料时也不会影响叶片式螺旋输送器的功能。
本发明提供了一种生物反应器(1)，用于对块状和/或浆膏状材料进行微生物转换，其具有对环境热绝缘的反应室(3)，所述反应室包括至少一个基本上呈U字形截面的反应器槽(4)、在所述的或者说每个反应器槽(4)中与其纵方向同轴布置的在U字形截面的半圆弧形区域中旋转的叶片式螺旋输送器(5)、引导气体和/或液体的装置(6)，以及至少各一个待转换材料的输入和输出装置(30、40)，其特征在于，至少引导气体和/或液体的装置(6)安置在叶片式螺旋输送器(5)的轴(7)下方的半圆弧形区域中。
在本发明的一种生物反应器中，在半圆弧形区域内布置的引导气体和/或液体的装置(6)在压力作用下把该气体和/或液体输入到在反应器槽(4)中运动的材料(2)中。
在本发明的一种生物反应器中，在半圆弧形区域内布置的引导气体和/或液体的装置(6)在真空的作用下让气体和/或液体穿过在反应器槽(4)中运动的材料(2)。
在本发明的一种生物反应器中，在半圆弧形区域内布置的引导气体和/或液体的装置(6)具有设计为孔板并且在同一高度与反应器槽(4)壁成为一体的端部。
在本发明的一种生物反应器中，在半圆弧形区域内布置的引导气体和/或液体的装置(6)被设计为在反应器槽内部突出的有一或者多个喷口的喷嘴。
在本发明的一种生物反应器中，至少两个反应器槽(4)相互平行地布置。
在本发明的一种生物反应器中，叶片式螺旋输送器(5)包括输送叶片(11)，所述输送叶片(11)绕中轴(12)在螺旋线(13)走向上成角度地安排，同时在轴向上间隔开。
在本发明的一种生物反应器中，所述输送叶片(11)包括从叶片式螺旋输送器(5)的中轴(12)径向地突出的杆部(14)和与所述的杆部(14)的外端连接的，横向于所述杆部(14)布置的头部(15)。
在本发明的一种生物反应器中，所述输送叶片(11)的所述头部(15)对叶片式螺旋输送器(5)的中轴(12)呈弧形地布置在杆部(14)的外端上。
在本发明的一种生物反应器中，所述的头部(15)沿螺旋线13的上升方向布置。
在本发明的一种生物反应器中，每个所述的头部(15)径向外表面上连接有向外突出的齿形元件(17)。
在本发明的一种生物反应器中，按编制的程序驱动所述叶片式螺旋输送器(5)。
在本发明的一种生物反应器中，按时间间隔操作叶片式螺旋输送器(5)，并且在时间段(Z1)上顺进料方向(F)和在时间段(Z2)上逆进料方向(F)地驱动叶片式螺旋输送器。
在本发明的一种生物反应器中，时间间隔(Z1)和(Z2)基本上相等。
在本发明的一种生物反应器中，时间间隔(Z2)短于时间间隔(Z1)。
在本发明的一种生物反应器中，用小于每小时10转的低转速驱动叶片式螺旋输送器(5)。
在本发明的一种生物反应器中，所述输入装置(30)布置在所述(或者第一)反应器槽(4)的输送开始处，而所述输出装置安排在所述(或者最后的)反应器槽(4)的末端的后面或者靠近其自由的横侧。
在本发明的一种生物反应器中，所述的反应器槽(4)或者整个生物反应器(1)可以从水平的作用位置沿纵方向倾斜最高达90度角。
在本发明的一种生物反应器中，所述生物反应器包括至少一个热交换装置和过滤装置，用于提取热量，和用于过滤要引出的气体并且预热要输入的气体。
所述任务用本发明的方式通过上述第1项的特征完成。第2至19项的特征为本发明有利的实施方案。
附图说明
下面结合图1至图4通过两个优选实施例对本发明进行详细地说明。
附图中：
图1示意地示出本发明生物反应器的第一优选实施例的整个剖面。
图2示意地示出本发明生物反应器的第二选实施例的整个剖面。
图3是叶片式螺旋输送器的主要结构透视图。
图4是根据本发明第二优选实施例的生物反应器中待转换材料输入和输出的示意性透视图。
具体实施方式
图1示出生物反应器1的第一优选实施例的整个剖面，所述的生物反应器1用于仅用一个反应器槽4进行块状和/或浆膏状材料2的微生物转化。所示的根据本发明的生物反应器1是用于有氧分解块状和/或浆膏状垃圾2的有机组分的反应器。然而，本发明的生物反应器还能用于无氧的生物气体收取或者类似用途。
如图4的有多个反应器槽的反应器所示，待转换的材料通过输入装置30送入反应器中。所述的转入装置可以是安置在反应器上方的漏斗也可以仅是一个灌装开口。所述灌装开口也可以侧面地安置在反应器槽的起始处。待转换的材料可以经传送带或者翻斗装料器输入。在加料时，与反应器槽4的U字形截面的半圆弧形区域的轴向纵方向同轴安装在反应器槽4中的叶片式螺旋输送器5沿进料方向F运动，以把材料2在整个反应器槽4中均匀地分布。
只要反应器槽4一均匀地灌装，这例如可以用安排在槽4中的图中未示出的质量传感器检出并且发出信号，就立即通过同样地没有在图中示出的中央控制装置关闭叶片式螺旋输送器5沿输送方向的输送运动，并且在同时接通引导气体或者液体的装置6。
所述装置6主要起使转换处在反应器槽中的材料2所需的气体尽可能强地与材料2的表面接触的作用。根据本发明这个作用的实现方式是，输送所述气体和/或液体的至少一部分的装置布置在叶片式螺旋输送器5的轴7下方的反应器槽的半圆形区域内来引进或引出气体和/或液体。
在气体和液体流过材料2的同时，也开始通过叶片式螺旋输送器5使所述的材料按编制的程序移动。叶片式螺旋输送器5具有输送叶片11(见图3)，所述输送叶片11绕中轴12在螺旋线13走向上成角度地布置，同时在轴向上优选地均匀间隔开。所述输送叶片11包括从叶片式螺旋输送器5的中轴12径向地突出的杆部14和与所述的杆部14的外端连接的，横向于所述杆部14布置的头部15。
所述头部可以适当地有向叶片式螺旋输送器5的中轴12弧形地伸展的形状，并且沿螺旋线13的上升方向布置。
在本发明生物反应器一个优选实施形式中，所述弧形的头部15可以在其径向外表面上有向外突起的齿形元件17。所述的齿形元件在发生黏稠材料胶结在反应器槽的半圆弧形区域的内表面上的情况下起松解的作用。通过在反应器槽4中编程地顺进料方向F和逆进料方向地驱动叶片式螺旋输送器，使投入到反应器槽4中的材料2往复运动并且通过输送叶片11不断地混合。通过材料这样编程地运动和同时，使反应气体以及在材料中现有的或者附加地引入的液体流过材料可以实现反应气体与材料表面强烈接触，由此可以调节出并且进行材料2的快速微生物转换。
反应气体，例如空气或者氧气等可以至少部分地在反应器槽4的半圆弧区域内要么在压力下鼓入材料2中要么在真空作用下流过材料2。适当地，将部分反应气体还可以同时输入材料2上方的自由边缘，从而达到材料表面与总是新输入的反应气体全方位的接触。
可以借助于中央控制装置(未示)，以用安置在反应器槽4中的热探头测量实际的反应器温度并且向中央控制装置发送测量信号的方式控制所述的微生物反应。
所述控制装置可以通过加强或者减弱叶片式螺旋输送器5的运动，或者通过加快或者降低反应气体的输入来调节微生物反应过程并且施加有力的影响，从而既可以防止过度反应，例如烧坏也可以防止不足的或者失败的反应。
适宜地是，通过装置6在压力下把反应气体引入到反应器槽中叶片式螺旋输送器5的轴7下方的反应器槽4的半圆弧形区域中，或者在真空下使之流过在反应器槽4中运动的材料2，所述装置6具有设计为孔板并且在同一高度上与反应器槽壁成为一体的端部。
向材料2中引入或者从材料2中引出气体和液体还可以用其它方式进行，例如通过在反应器槽4内部突出的带有多个喷口的喷嘴进行。
为了控制微生物反应可以以一定的时间间隔操作叶片输送器，并且，例如在时间段Z1上顺进料方向F而在另一时间段Z2上逆进料方向F驱动之。
在根据本发明的仅有一个反应器槽4的第一实施例的生物反应器中，时间段Z1和Z2长度相等，由此反应器槽中的材料2实际上只是往复地运动并且彻底混合。
在根据图2和图4中示意地示出的并且包括多个平行地彼此靠近地布置的反应器壁4的本发明第二选实施例的生物反应器中，叶片式螺旋输送器的运动还应当有使投入的材料从这个槽越过该槽的侧缘向各自最近的槽缓慢地继续运动的作用，因此从在第一槽的始端输入材料直至在最后的槽的末端或者越过最后的槽的侧缘取出转换了的材料进行的是连续的或者准连续的转换过程。为了达到这种投入的材料的继续输送，时间段Z2，也就是反向运动的时间段，必须短于进行向前运动的时间段Z1。
为了优化微生物转换，叶片式螺旋输送器5具有每个小时最高达10转的较低的转速是适合的。
为了优化能量利用，适当地通过热交换器从反应时产生的热加热了的引出的反应气体取出过剩的热量，并且用此热量加热输入的反应气体，以附加地加速微生物处理过程。
为了在新投材料时加速启动微生物处理过程，适宜地是，提出用输出了的渗满微生物的材料对新投入的材料进行附加接种，或者把前一批料中的材料不完全输出并且以此方式对新投入的材料接种。
主要是在出料时把至少一个反应器槽4或者整个生物反应器沿纵方向倾斜高达90度是适宜的。
相比公知的生物反应器，本发明的生物反应器的优点是在待转换的材料与反应气体之间的接触基本上是密切的，由此可相当良好地控制该反应并且缩短反应时间。
此外还较好地松散材料，并且与输送叶片结合在实际上排除了由于堵塞等造成的对叶片式螺旋输送器功能的妨碍以及故障。

Claims (17)

1.生物反应器(1)，用于对块状和/或浆膏状材料进行微生物转化，其具有对环境热绝缘的反应室(3)，所述反应室包括至少一个基本上呈U字形截面的反应器槽(4)、在所述的或者说每个反应器槽(4)中与其纵方向同轴布置的在U字形截面的半圆弧形区域中旋转的叶片式螺旋输送器(5)、引导气体和/或液体的装置(6)，以及至少各一个的待转化材料的输入和输出装置(30、40)，其中，至少引导气体和/或液体的装置(6)安置在叶片式螺旋输送器(5)的轴(7)下方的半圆弧形区域中，其特征在于，在半圆弧形区域内布置的引导气体和/或液体的装置(6)具有设计为孔板并且在同一高度上与反应器槽(4)壁成为一体的端部。
2.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，在半圆弧形区域内布置的引导气体和/或液体的装置(6)在压力作用下把该气体和/或液体输入到在反应器槽(4)中运动的材料(2)中。
3.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，在半圆弧形区域内布置的引导气体和/或液体的装置(6)在真空的作用下让气体和/或液体穿过在反应器槽(4)中运动的材料(2)。
4.如以上权利要求至少之一所述的生物反应器，其特征在于，至少两个反应器槽(4)相互平行地布置。
5.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，叶片式螺旋输送器(5)包括输送叶片(11)，所述输送叶片(11)绕中轴(12)在螺旋线(13)走向上成角度地安排，同时在轴向上间隔开。
6.如权利要求5所述的生物反应器，其特征在于，所述输送叶片(11)包括从叶片式螺旋输送器(5)的中轴(12)径向地突出的杆部(14)和与所述的杆部(14)的外端连接的，横向于所述杆部(14)布置的头部(15)。
7.如权利要求6所述的生物反应器，其特征在于，所述输送叶片(11)的所述头部(15)对叶片式螺旋输送器(5)的中轴(12)呈弧形地布置在杆部(14)的外端上。
8.如权利要求6或7所述的生物反应器，其特征在于，所述的头部(15)沿螺旋线13的上升方向布置。
9.如权利要求6或7所述的生物反应器，其特征在于，每个所述的头部(15)径向外表面上连接有向外突出的齿形元件(17)。
10.权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，按编制程序驱动所述叶片式螺旋输送器(5)。
11.如权利要求10所述的生物反应器，其特征在于，按时间间隔操作叶片式螺旋输送器(5)，并且在时间段(Z1)上顺进料方向(F)和在时间段(Z2)上逆进料方向(F)地驱动叶片式螺旋输送器。
12.如权利要求11所述的生物反应器，其特征在于，时间间隔(Z1)和(Z2)相等。
13.如权利要求11所述的生物反应器，其特征在于，时间间隔(Z2)短于时间间隔(Z1)。
14.如权利要求10至13任一项所述的生物反应器，其特征在于，以小于每小时10转的低转速驱动叶片式螺旋输送器(5)。
15.权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述输入装置(30)布置在所述反应器槽(4)或者第一反应器槽(4)的输送开始处，而所述输出装置安排在所述反应器槽(4)或者最后的反应器槽(4)的末端的后面或者靠近其自由的横侧。
16.权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述的反应器槽(4)或者整个生物反应器(1)可以从水平的作用位置沿纵方向倾斜最高达90度角。
17.权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述生物反应器包括至少一个热交换装置和过滤装置，用于提取热量，和用于过滤要引出的气体并且预热要输入的气体。
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