CZ33022U1 - Elektrokoagulační zařízení pro separaci řasové biomasy - Google Patents

Description

Oblast techniky

Předkládané technické řešení se týká elektrokoagulační jednotky pro separaci řasové biomasy z kultivačního média v jednom integrovaném zařízení.

Dosavadní stav techniky

Biomasa jednobuněčných řas je v současnosti stále hojněji využívána jako potravinový a krmivový doplněk, nebo jako zdroj rozličných látek pro kosmetiku, potravinářství atp. Nejčastěji využívaným rodem eukaryotních jednobuněčných řas je Chlorella, jejíž buňky mají rozměry asi 2 až 8 pm. Nutným krokem při výrobě biomasy je separace buněk řas z kultivačního média. To je standardně prováděno pomocí centrifugace na talířových odstředivkách, což je energeticky vysoce náročný proces (Molina Grima 2003 - viz Literatura). Jiné postupy, jako např. filtrace či sedimentace stabilizované řasové suspenze, jsou v praxi nepoužitelné (Safi 2014), dílem pro ekonomickou náročnost a dílem pro nízkou účinnost.

Sklizňové koncentrace biomasy se pohybují kolem 0,5 až 2 g/1 (sušina řasové biomasy) a koncentrace vhodné pro sušení kolem 150 g/1. Energetická náročnost centrifugace je kolem 2 kWh/kg sušiny biomasy (Fasaei 2018).

Elektrokoagulace je elektrochemický proces, který byl doposud v průmyslovém měřítku používán téměř výhradně jako jeden ze stupňů čištění různých průmyslových odpadních vod (Mollah 2004). V posledních letech se objevují výzkumné práce, zabývající se využitím elektrokoagulace také v úpravě povrchových vod (Sarkka 2015) nebo právě jako způsob separace nakultivovaných jednobuněčných řas z kultivačního média (Fayad 2017), nicméně obojí pouze v laboratorním měřítku.

Dosavadní postupy získávání řasové biomasy z kultivační suspenze jsou zatíženy zásadním problémem technologicko-ekonomického rázu: současné metody jsou málo účinné a provozně drahé, v čemž spočívá jejich nedostatek. Úkolem předkládaného technického řešení je tento nedostatek odstranit vytvořením zařízení pro produkci řasové biomasy, které by bylo dostatečně účinné a ekonomicky výhodné a dílčí operace by se odehrávaly v jednom integrovaném technologickém celku.

Podstata technického řešení

Výše popsané nedostatky stavu techniky odstraňuje předmět technického řešení, který je vhodný pro zpracování řas. Podstatou technického řešení je integrované průtočné zařízení pro separaci řas využívající fyzikálně-chemických a vícefázových hydrodynamických procesů a zároveň principu elektrokoagulace, tedy shlukování malých částic do větších celků (agregátů) pomocí koagulačního činidla, které se uvolňuje do řasové suspenze z kovových elektrod pomocí elektrického proudu.

Předmětem předkládaného technického řešení je elektrokoagulační zařízení pro separaci řasové biomasy, které zahrnuje elektrolyzér, agregátor a separátor řasové biomasy jako jednotlivé části integrálně propojené do jednoho výsledného funkčního celku, kterým postupně protéká řasová suspenze, kde elektrolyzér je vybaven alespoň dvěma kovovými elektrodami připojenými ke zdroji stejnosměrného napětí, přičemž elektrolyzér je dále napojen na agregátor pro vznik agregátů řas, vybavený alespoň jednou děrovanou stěnou a alespoň jedním aeračním elementem, přičemž agregátor je dále napojený na separátor řasových agregátů. Zařízení je konstruováno jako

- 1 CZ 33022 U1 kontinuální a je proto vhodné pro začlenění do linky pro produkci řas.

Konstrukce a funkce předkládaného technického řešení je následující. Rasová suspenze (kultivační médium) ze svého zdroje (zásobníku, nádrže, produkční linky) vstupuje do elektrolyzéru (například je do něj čerpána čerpadlem nebo dávkována gravitačně), kde jsou umístěny kovové elektrody, na které je přivedeno stejnosměrné elektrické napětí a skrze ně prochází elektrický proud. Tím se z elektrod do suspenze uvolňují ionty kovů (obvykle kladně nabité kationty). Tyto ionty slouží jako koagulační činidlo pro dispergované buňky (řasovou biomasu), mající jistý efektivní povrchový náboj (obvykle záporný). Řasová suspenze protéká elektrolyzérem tak, aby do sebe nabrala potřebné množství iontů kovů pro koagulaci buněk. Materiál elektrod se skládá z elektrodových kovů, vhodných pro tento účel. Např. železo a hliník mají dobré koagulační účinky, a železo je navíc biogenní prvek.

Řasová suspenze obohacená ionty kovů postupuje z elektrolyzéru do agregátoru, kde probíhá proces agregace buněk do větších shluků. Agregátor je hydrodynamická toková doména (ohraničený prostor určený pro průtok řasové suspenze, s výhodou ve tvaru koryta nebo kanálu), ve které jsou vytvořeny příznivé podmínky pro průběh agregace: vhodná intenzita promíchávání a vhodné hodnoty rychlostních gradientů. Tyto potřebné hydrodynamické podmínky jsou zajištěny současně dvěma technickými prvky. Prvním je použití děrovaných stěn (přepážek), skrze které suspenze protéká postupným tokem. Druhým technickým prvkem je použití aeračních elementů, zajišťujících pneumatické míchání provzdušňováním řasové suspenze.

Na výstupu suspenze z agregátoru je již většina buněk ve formě agregátů, které je možné následně oddělit ze suspenze separací v separátoru. Oddělení řasových agregátů od kultivačního média lze provést kteroukoliv z metod sedimentace, flotace, filtrace nebo centrifůgace.

Ve výhodném provedení elektrolyzér obsahuje ploché kovové elektrody určené pro obtékání řasovou suspenzí, které jsou uspořádány spolu rovnoběžně v počtu nejméně dvou kusů. Ve výhodném provedení jsou elektrody zkonstruovány ze železa nebo hliníku.

Pro dosažení nejúčinnější separace řasové biomasy je elektrolyzér protékán řasovou suspenzí plynule v celém svém objemu bez mrtvých míst, kde by kapalina stagnovala. Toho se dosáhne tím, že nátok do elektrolyzéru je umístěn na opačném konci, než je jeho napojení na agregátor. Ve výhodném provedení je nátok do elektrolyzéru umístěn ve spodní polovině elektrolyzéru (když je elektrolyzér v pracovní poloze), čímž je dosaženo toho, že elektrolyzér je protékán řasovou suspenzí vertikálně, zdola nahoru. Tím se omezí sedimentace buněk v jeho spodní části a umožní se účinné odstraňování případné pěny vzniklé mezi elektrodami vývojem bublin elektrodových plynů.

Ve výhodném provedení má agregátor tvar shora otevřeného koryta nebo kanálu (např. geometrie v podstatě kvádru) umístěného horizontálně (když je zařízení v pracovní poloze), kterým suspenze postupně protéká v podélném horizontálním směru, směrem od výstupu z elektrolyzéru přes alespoň jednu děrovanou stěnu ke vstupu do separátoru, přičemž v agregátoru je řasová suspenze pneumaticky míchána pomocí plynu proudícího z alespoň jednoho aeračního elementu.

Ve výhodném provedení obsahuje agregátor sestavu děrovaných stěn umístěných za sebou, přičemž plochy děrovaných stěn svírají nenulový úhel s podélnou (horizontální) osou agregátoru. Tím je dosaženo toho, že suspenze protéká skrze otvory v děrovaných stěnách, např. postavených vertikálně a kolmo na směr hlavního proudu suspenze, tedy umístěné vertikálně, kolmo k podélné (horizontální) ose agregátoru. Děrované stěny v počtu nejméně jednoho kusu zajišťují podélný pístový tok suspenze, rozdělují tokovou doménu na segmenty (kompartmenty), generují rychlostní gradienty a vířivost, ovlivňují velikost vloček biomasy a jejich konzistenci. Otvory různého vhodného tvaru v děrovaných stěnách mají s výhodou rozměry v rozmezí od 1 mm do 20 cm, podle potřeb konkrétní aplikace. Volná plocha otvorů ve stěnách s výhodou tvoří 5 až 95 % plochy celé stěny.

-2CZ 33022 U1

Aerační elementy slouží pro pneumatické míchání protékající suspenze vzduchem nebo jiným plynem. Aerační elementy v počtu nejméně jednoho kusu zajišťují homogenizaci suspenze v příčném směru jejího toku, zamezují sedimentaci vznikajících agregátů, generují rychlostní gradienty a vířivost, ovlivňují velikost vloček biomasy a jejich konzistenci. Aerační elementy mohou být realizovány různým způsobem, podle typu aplikace, např. perforovaným materiálem, děrovanou trubkou nebo tryskami (vhodně perforovanou hadicí s výhodou z pružného materiálu, jejíž otvory se v klidovém stavu samy uzavírají, perforovanou nebo porézní plochou apod.

Aerační elementy jsou napojené na zdroj plynu. Aerační elementy mohou být umístěné po celé délce nebo pouze v určitých částech agregačního prostoru ve vhodných rozestupech mezi sebou, s výhodou na jeho dně nebo nade dnem. Aerační elementy mohou být provozovány v různém zvoleném režimu bublání, např. v režimu kontinuálním (nepřetržitém), avšak s výhodou v režimu diskontinuálním (přerušovaném), kdy dochází k významné úspoře tlakového vzduchu, aniž je přitom omezen míchací účinek pneumatické aerace.

Kombinace dvou nezávislých, avšak spolupůsobících prvků, tedy děrovaných stěn a pneumatické aerace, dovoluje provozovat zařízení ve velkém rozsahu hydrodynamických režimů a hodnot řídích parametrů, které zabírající velkou část operačního prostoru řízení a kontroly a pokrývají širokou škálu vlastností zpracovávaného materiálu (suspenzí různého druhu a typu).

Ve výhodném provedení je separátor řasových agregátů, do něhož je zaveden výstup z agregátoru, vybrán ze skupiny separačních zařízení pracujících na různých separačních principech, a je volen na míru dle potřeb konkrétní aplikace, se zřetelem na technologickoekonomické aspekty. S výhodou lze volit procesy sedimentace, flotace, filtrace, které jsou v literatuře popsány. Tyto procesy byly ověřeny pro případ řasové suspenze a lze je doporučit, vždy s ohledem na požadavky konkrétní instalace v konkrétním provozu. Příkladem separátoru řasových agregátů je lamelový usazovák nebo flotační komora.

Objasnění výkresů

Technické řešení je blíže osvětleno na výkresech v připojených obrázcích Obr. 1 a Obr. 2, kde je znázorněn schematický nákres elektrokoagulačního zařízení pro separaci řasové biomasy pro dvě varianty separátoru: lamelový usazovák a flotační komora. Zařízení je vyobrazeno vždy z pohledu z boku, shora a zprava.

Obr. 1. Schematický nákres elektrokoagulačního zařízení pro separaci řasové biomasy, kde 1 je elektrolyzér, 2 je agregátor, 3 je separátor řasových agregátů řešený lamelovým usazovákem, AE je aerační element, DS značí děrované stěny, EL jsou elektrody, IN je vstup pro nátok řasové suspenze, OM značí odvod kultivačního média a OŘ je odvod zahuštěné řasové suspenze.

Obr. 2. Schematický nákres elektrokoagulačního zařízení pro separaci řasové biomasy, kde 1. je elektrolyzér, 2 je agregátor, 3 je separátor řasových agregátů řešený flotační komorou, OM značí odvod kultivačního média, OŘ je odvod zahuštěné řasové suspenze, P je přepad, ST je stavidlo, T je trubka, PNV je přívod vzduchem nasycené vody pro tvorbu mikrobublinek.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1. Elektrokoagulační zařízení pro separaci řasové biomasy s lamelovým usazovákem

Bylo zkonstruováno elektrokoagulační zařízení pro separaci řasové biomasy vyobrazené na Obr. 1. Je tvořené elektrolyzérem 1, agregátorem 2 a separátorem 3 řešeným lamelovým usazovákem. Konstrukčním materiálem je plexisklo tloušťky 8 mm.

-3 CZ 33022 U1

Elektrolyzér 1_ je osazen sedmi elektrodami EL (4 katody a 3 anody) z prosté oceli, na které je přiváděn stejnosměrný proud. Ústí IN pro nátok řasové suspenze je umístěno zdola, tak aby bylo zajištěno účinné odstraňování případné pěny vzniklé mezi elektrodami EL. Díky řízenému rozpouštění železných anod zde dochází k destabilizaci řasové suspenze a k její koagulaci.

Suspenze následně protéká agregátorem 2 (agregačním korytem), kde pístový tok zajišťuje sada děrovaných stěn DS instalovaných kolmo na směr proudění. Stěny DS jsou nerezové plechy, jejich tloušťka je 0,8 mm, průměr děr 3 mm, poměr plochy otvorů k ploše stěny 33 %, rozestupy stěn 3 cm. Pneumatické míchání v agregátoru je řešeno aeračním elementem AE, kterým zde je perforovaná silikonová hadička (otvory 0,3 mm s rozestupy 10 mm) umístěná na dně agregačního koryta po celé jeho délce. Počet děrovaných stěn DS a intenzitu aerace lze měnit podle požadavku na intenzitu a homogenitu míchání v celém agregátoru 2. Hlavní funkcí agregátoru 2 je vznik snadno separovatelných agregátů biomasy.

Separace vzniklých agregátů je řešena sedimentací v lamelovém separátoru 3. Průtok agregované biomasy se zde mění na vzestupný a zároveň dochází k protisměrné sedimentaci vytvořených řasových agregátů. Oddělené kultivační médium bez řas je odtahováno z horní části separátoru 3, viz odvod kultivačního média OM. Vyvločkovaná řasová biomasa se odebírá z části dolní, viz odvod zahuštěné řasové suspenze OŘ. Protože zařízení neobsahuje žádné pohyblivé mechanické součástí, je jeho provoz prakticky bezporuchový, bezúdržbový a ekonomický.

Příklad 2. Elektrokoagulační zařízení pro separaci řasové biomasy s flotační komorou

Další příklad provedení se od Příkladu 1 liší pouze separátorem 3: místo lamelového usazováku (Obr. 1) je použita mikrobublinná flotační komora (Obr. 2). Do komory separátoru 3 je přivedena voda nasycená rozpuštěným vzduchem za zvýšeného tlaku, viz přívod nasycené vody PNV. Jakmile tlak klesne na atmosférický, sníží se rozpustnost vzduchu ve vodě a dojde k vytvoření mikrobublinek. Ty přilnou na agregáty řas a vytáhnou je nahoru k hladině za vzniku pěny. Pěna se zakoncentrovánými agregáty přepadá přes přepad P do prostoru, ze kterého je vypouštěna odtokem OŘ. Od řas oddělené kultivační médium stoupá ze spodní části komory 3 trubkami T a je odtahováno z místa za stavidlem ST, které slouží k nastavení výšky hladiny v zařízení.

Příklad 3: Způsob separace řasové biomasy

V zařízení dle Příkladu 1 o celkovém objemu agregační části 30 L, délce 200 cm s 56-ti děrovanými stěnami byla zpracovávána kultivační suspenze řas Chlorella vulgaris o vstupní koncentraci 1 g/L (sušina řasové biomasy). Suspenze protékala zařízením průtokem 2 L/min, elektrický proud elektrolyzéru byl nastaven na 0,2 A. Ze spodní části sedimentačního zařízení byla odtahována zahuštěná suspenze o koncentraci 28 g/L. Účinnost separace byla stanovena na 98 %. Energetické náklady na elektrolýzu byly stanoveny na 0,03 kWh/kg sušiny biomasy, na míchání během agregace pomocí bublání na 0,05 kWh/kg. Objem zahuštěné suspenze k následné centrifůgaci se snížil na 3 % původního objemu suspenze nezahuštěné. Energetické náklady na centrifůgaci zahuštěné suspenze byly 0,07 kWh, celkem tedy 0,15 kWh/kg. Pro porovnání, náklady na centrifůgaci neupravené (nezahuštěné) řasové suspenze uvedené v literatuře se pohybují okolo 2 kWh/kg (Fasaei 2018).

Průmyslová využitelnost

Elektrokoagulační zařízení pro kontinuální separaci řasové biomasy bylo vyvinuto v rámci aplikovaného výzkumu, kde se spojily poznatky základního výzkumu (vícefázová hydrodynamika a režimy toku suspenzí, fyzikálně-chemická kinetika koloidních disperzí, multiškálový přístup) a požadavky praxe (technologické řešení koagulace suspenzí, produkce řasové biomasy, potravinářství). Toto zařízení může být přímo využito pro průmyslové zpracování řas

-4CZ 33022 U1 v různém aplikačním měřítku. Kromě zpracování řasových suspenzí může být toto zařízení využito mnohem šířeji i v jiných oblastech, kde je vhodné aplikovat elektrokoagulační proces pro oddělení dispergované fáze od nosného média. Typickým použitím jsou environmentální procesy, jako např. je úprava pitné vody a čištění vod odpadních apod.

Literatura

Fasaei F., Bitter J.H., Slegers P.M., van Boxtel A.J.B. 2018 Techno-economic evaluation of microalgae harvesting and dewatering systems. Algal Research-Biomass Biofuels and Bioproducts, 31, str. 347-362.

Fayad N., Yehya T., Audonnet F., Vial C. 2017 Harvesting of microalgae Chlorella vulgaris using electro-coagulation-flocculation in the batch mode. Algal Research-Biomass Biofuels and Bioproducts, 25, str. 1-11.

Molina Grima E., Belarbi E.H., Acién Femández F.G., Robles Medina A., Chisti Y. 2003 Recovery of microalgal biomass and metabolites: proces options and economics. Biotechnology Advances, 20, str. 491-515.

Mollah M.Y.A., Morkovsky P., Gomes J.A.G., Kesmez M., Parga J., Cocke D.L. 2004 Fundamentals, present and future perspectives of electrocoagulation, Journal of Hazardous Materials, 114, str. 199-210.

Sarkka H., Vepsalainen M., Sillanpaa M. 2015 Natural organic matter (NOM) removal by electrochemical methods - A review. Journal of Electroanalytical Chemistry, 755, str. 100-108.

Safi C., Zebib B., Merah O., Pontalier P.Y., Vaca-Garcia C. 2014 Morphology, composition, production, processing and applications of Chlorella vulgaris: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 35, str. 265-278.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (9)

1. Elektrokoagulační zařízení pro separaci řasové biomasy z řasové suspenze, vyznačené tím, že obsahuje:

- elektrolyzér (1) s alespoň dvěma elektrodami (EL) pro produkci iontů kovů, opatřený vstupem (IN) pro nátok řasové suspenze;

- agregátor (2) pro tvorbu řasových agregátů, napojený na elektrolyzér (1), přičemž agregátor (2) je opatřený alespoň jednou děrovanou stěnou (DS) a alespoň jedním aeračním elementem (AE) pro pneumatické míchání řasové suspenze;

- separátor (3) pro oddělení řasových agregátů z řasové suspenze, napojený na agregátor (2).

2. Elektrokoagulační zařízení podle nároku 1, vyznačené tím, že alespoň jedna elektroda (EL) je kovová elektroda, s výhodou plochá kovová elektroda, výhodněji železná nebo hliníková plochá elektroda.

3. Elektrokoagulační zařízení podle nároku 2, vyznačené tím, že elektrolyzér (1) obsahuje alespoň dvě ploché kovové elektrody, jejichž plochy jsou umístěné vůči sobě paralelně.

-5 CZ 33022 U1

4. Elektrokoagulační zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačené tím, že vstup (IN) pro nátok řasové suspenze je umístěn na opačném konci elektrolyzéru (1) než je jeho napojení na agregátor (2), s výhodou je ústí (IN) pro nátok řasové suspenze umístěno ve spodní polovině elektrolyzéru (1) v pracovní poloze.

5. Elektrokoagulační zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačené tím, že agregátor (2) je konstruován jako podélná toková doména, s výhodou v podstatě horizontální koryto nebo kanál.

6. Elektrokoagulační zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačené tím, že děrovaná stěna (DS) je umístěna tak, že úhel mezi plochou děrované stěny (DS) a horizontální osou agregátoru (2) je nenulový, s výhodou je děrovaná stěna (DS) v podstatě vertikální a kolmá k horizontální ose agregátoru (2).

7. Elektrokoagulační zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačené tím, že otvory v děrované stěně (DS) mají rozměry v rozmezí od 1 mm do 20 cm, a volná plocha otvorů v děrované stěně (DS) tvoří 5 až 95 % plochy celé děrované stěny (DS).

8. Elektrokoagulační zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačené tím, že aerační element (AE) je vybraný ze skupiny, zahrnující trysky, děrovanou trubku nebo perforované materiály, napojené na zdroj plynu, s výhodou umístěné na dně agregátoru (2).

9. Elektrokoagulační zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačené tím, že separátor (3) je vybraný ze skupiny zahrnující usazovák, s výhodou lamelový usazovák, a flotační komoru, s výhodou mikrobublinnou flotační komoru.