MD4176C1 - Procedeu de obţinere a adaosului furajer, conţinând vitamina B12, şi a metanului - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu de obţinere a adaosului furajer, conţinând vitamina B12, şi a metanului.Procedeul include fermentarea vinasei cu adaos de ulei de amarant, complex tartrat-amoniacal de cobalt şi ferocianură de potasiu în următorul raport al componentelor, mg/l:în prezenţa bacteriilor metanogene în condiţii mezofile la pH 7,5…8,5 într-o instalaţie, care constă dintr-un bioreactor, divizat în zone acetogenă şi metanogenă, şi un electrolizor, totodată dioxidul de carbon, format în zona acetogenă, se amestecă cu hidrogenul electrolitic în raport de volum de 1:(3,5…4,5) şi se dozează în zona metanogenă pentru obţinerea metanului, în vinasa fermentată se introduce diatomit dispersat din calculul de 20…30 g/l, după care adaosul furajer se deshidratează pe un filtru cu vid printr-un strat de diatomit şi se usucă.

Description

Invenţia se referă la un procedeu de obţinere a adaosului furajer, conţinând vitamina B12, şi a metanului.

Este cunoscut procedeul de obţinere a adaosului nutritiv vitamino-proteic pentru animalele domestice, care include utilizarea borhotului obţinut la distilarea alcoolului din vin cu adaos de săruri de cobalt, fermentarea anaerobă a amestecului, condensarea sedimentului format şi uscarea termică a acestuia [1]. Suplimentar borhotul se expune unui tratament prealabil de hidroliză fotocatalitică. Cu toate acestea, randamentul de vitamina B12 în aceste condiţii este insuficient.

Cea mai apropiată soluţie după esenţa tehnică şi rezultatul realizat este procedeul de producere biochimică a concentratului furajer cu vitamina B12 şi a metanului prin fermentarea metanogenă a borhotului obţinut la distilarea alcoolului, care include fermentarea cu bacterii metanogene, acidificarea lichidului fermentat, evaporarea şi uscarea [2].

Procesul se desfăşoară în condiţii termofile la 53…55 °C. Pe parcursul realizării acestui proces se formează vitamina B12 (ciancobalamina), a cărei valoare în concentrat este de 25…30 mg/kg. În acelaşi timp, gazele formate în urma fermentării conţin până la 65…70% metan, restul sunt dioxid de carbon (CO2) şi alte gaze. Acest amestec gazos are o valoare energetică de 6200…6500 kkal/m3.

Cu toate acestea, eficacitatea procesului este nesatisfăcătoare datorită conţinutului scăzut de vitamina Bl2, realizarea lui este de lungă durată, iar din cauza conţinutului ridicat de CO2 în biogaz, valoarea calorică a acestuia este mult mai mică faţă de gazul natural. Totodată, procesul menţionat este energofag, datorită faptului că se realizează în condiţii termofile, care necesită menţinerea temperaturii ridicate, iar uscarea se efectuează într-o instalaţie de evaporare la temperaturi de până la 125°C în camera de pulverizare.

Problema tehnică pe care o rezolvă prezenta invenţie constă în intensificarea fermentării biochimice anaerobe şi reducerea corespunzătoare a consumului de energie şi a volumului de muncă, sporirea eficienţei procesului de sinteză a vitaminei B12 şi a conţinutului acesteia în produsul final, precum şi a procesului de metanogeneză, care contribuie la o transformare mai completă a CO2 în CH4 şi la creşterea corespunzătoare a valorii calorice a biogazului din contul măririi concentraţiei metanului în componenţa sa.

Problema se soluţionează prin aceea că procedeul include fermentarea vinasei cu adaos de ulei de amarant, complex tartrat-amoniacal de cobalt şi ferocianură de potasiu în următorul raport al componentelor, mg/l:

ulei de amarant 30…50 complex tartrat-amoniacal de cobalt 50…60 ferocianură de potasiu 40…50,

în prezenţa bacteriilor metanogene în condiţii mezofile la pH 7,5…8,5 într-o instalaţie, care constă dintr-un bioreactor, divizat în zone acetogenă şi metanogenă, şi un electrolizor, totodată dioxidul de carbon, format în zona acetogenă, se amestecă cu hidrogenul electrolitic în raport de volum de 1:(3,5…4,5) şi se dozează în zona metanogenă pentru obţinerea metanului, în vinasa fermentată se introduce diatomit dispersat din calculul de 20…30 g/l, după care adaosul furajer se deshidratează pe un filtru cu vid printr-un strat de diatomit şi se usucă.

Rezultatul tehnic se obţine din contul următorilor factori:

1. Este cunoscut faptul că fermentarea anaerobă a biomasei decurge în mai multe etape, cele principale fiind hidroliza, fermentarea acetogenă şi metanogenă, mecanismul fiecăreia este destul de complex. Printre diferitele forme de compuşi intermediari care se formează în primele două dintre acestea se enumeră dioxid de carbon şi o anumită cantitate de hidrogen în diferite forme. Cu toate acestea, pentru procesul vital al bacteriilor metanogene este nevoie de oxigen liber, care în condiţiile anaerobe este practic absent, o sursă de oxigen în cazul dat fiind prezenţa acestuia în molecula de CO2, care la etapa metanogenă a procesului biochimic se formează prin interacţiunea cu hidrogen prin reacţia biochimică generală: CO2 + 2H2→CH4+2O·. Oxigenul format în acest mod este sursa de viaţă a microorganismelor, iar metanul (CH4) este rezultatul acestui proces biochimic. Prezenţa unor cantităţi reziduale de dioxid de carbon în biogazul obţinut prin tehnologia cunoscută, care, de obicei, constituie 30…35% faţă de metan, este cauzată de decurgerea incompletă a reacţiei de mai sus, din lipsă de hidrogen liber pentru transformarea biochimică completă a CO2, care se formează în primele două etape ale fermentaţiei biochimice, în CH4. În acest sens, concentraţia mărită de CO2 în biogaz este rezultatul transformării metanogene incomplete a acestuia ca urmare a emisiilor dezechilibrate de produse gazoase din reacţiile biochimice, în pofida faptului că la etapa acetogenă a procesului, pe lângă CO2 se degajă şi hidrogen în diverse stări, acesta însă este insuficient pentru decurgerea completă a reacţiei cu CO2 şi reducerea conţinutului acestuia în biogaz. Prin urmare, dozarea suplimentară a hidrogenului electrolitic în procesul de metanogeneză compensează lipsa acestuia, contribuind la o reacţie biochimică mai completă de formare a metanului, la reducerea conţinutului de dioxid de carbon liber în biogaz şi la creşterea simultană a randamentului de metan în biogaz. 2. Hidrogenul electrolitic se obţine printr-o metodă cunoscută într-un electrolizor cu compartimentul catodului separat de cel al anodului printr-o diafragmă, prin electroliza soluţiei apoase de hidroxid de potasiu de 15…17%, la trecerea acesteia prin electrodul volumic poros, executat dintr-un nou tip de material - nichel spongios cu grosimea de 10…12 mm şi o porozitate de 45…50 ppm (ppm - un simbol comun de porozitate, care caracterizează numărul de pori per inch), la o densitate de volum a curentului la catod de 0,3…0,8 A/dm2, ceea ce asigură sporirea randamentului de hidrogen la o unitate a suprafeţei sale active şi reducerea consumului specific de energie pentru producerea acestuia. La introducerea de gaze în mediul lichid de fermentare şi libera circulaţie a microbulelor acestora în zona superioară a bioreactorului se intensifică procesele schimbului şi transferului de masă, procese foarte importante care contribuie la intensificarea interacţiunii şi transformării biochimice a CO2 în CH4, sporind eficienţa şi majorând randamentul produselor finite. 3. Introducerea în componenţa vinasei supuse fermentării a uleiului de amarant, care este un stimulent al proceselor biochimice în condiţii anaerobe, contribuie la intensificarea acestora, ceea ce reduce timpul de fermentare biochimică. Aceasta, la rândul său, reduce volumul de muncă necesar deservirii procesului şi, în acelaşi timp, consumul de energie necesar pentru a menţine temperatura în condiţiile termo- şi mezofile ale procesului tehnologic. Astfel este posibil ca procesul să se efectueze la temperaturi mai scăzute, în condiţii mezofile faţă de condiţiile termofile solicitate în cea mai apropiată soluţie. Prin aceasta se obţine nu doar reducerea generală a timpului de expunere şi a volumului de lucru necesar întregului proces, dar şi a consumului de energie.

Amarantul (Amaranthus cruentus) - o plantă din familia Amaranthaceae cu conţinut ridicat de compuşi proteici în masa verde şi seminţe, conţine un număr mare de substanţe biologic active (rutină, amarantină, vitaminele C şi E, squalen, care este reprezentant al triterpenelor), unele oligoelemente, ce manifestă proprietăţi antioxidante. Datorită combinaţiei de proprietăţi, uleiul de amarant accelerează procesele biochimice şi sporeşte eficienţa acestora.

De rând cu proprietăţile de stimulare uleiul de amarant şi compuşii cu conţinut de fier (Fe) şi cobalt (Co) manifestă proprietăţi catalitice în procesele biochimice primare, sporind eficacitatea acestora.

Concomitent cu dezvoltarea procesului de metanogeneză şi posibilitatea de a ridica randamentul de biogaz şi conţinutul de metan în acesta, se asigură şi condiţiile pentru formarea metanogenă a vitaminei B12, - un produs al interacţiunii dintre proteine şi compuşii cobaltului care se găsesc în cantităţi minuscule în componenţa vinasei. Adaosul compusului complex tartrat-amoniacal de cobalt şi a ferocianurii de potasiu creează condiţii pentru o reacţie mai completă şi eficientă a acestora cu proteinele care fac parte din vinasa în fermentare, contribuind în cele din urmă la o creştere semnificativă a randamentului de ciancobalamină, numită şi vitamina B12.

Fermentarea metanogenă a vinasei se efectuează printr-o simbioză de bacterii în condiţii mezofile (32…34°C) sau în condiţii termofile (53…55°C). Aceste procese se produc în prezenţa unei culturi mixte de bacterii, atunci când produsele activităţii vitale ale unui grup sunt imediat utilizate ca mediu nutritiv pentru alt grup. Procesul de fermentare metanogenă este controlat de valoarea pH-ului, conţinutul de acizi volatili şi vitamină B12 în braga metanică. Cultura trebuie să aibă un pH cu valoarea între 7,5…8,5. Dacă acest indice este sub 7,5 şi conţinutul de acizi volatili depăşeşte valoarea de 4,5 g /1 se recurge la reducerea fluxului de vinasă. În cele din urmă partea organică a vinasei se descompune în dioxid de carbon şi metan. Conform tehnologiei cunoscute, în 1 m3 de bragă metanică se acumulează 1,0…2,0 g de vitamina B12. Adăugarea în vinasa iniţială a compuşilor de cobalt şi a celor care conţin cianură (componente ale moleculei de vitamina B12) contribuie la acumularea vitaminei B12 în cantităţi mai mari.

În procesul de fermentare metanogenă din 1 m3 de vinasă se degajă aproximativ 16 m3 de biogaz, care conţine 60% metan. La producerea a 10000 litri de divin se obţin 140 m3 de vinasă, volumul corespunzător de metan pur (B) este de 1344 m3 (140 x 16 x 0,6), care transferat în combustibil convenţional, corespunde: B conv. = B x Qn / 29 400 = 1344 x 35 832 / 29 400 = 1685 kg, unde B - volumul de metan pur, m3; Qn - puterea calorică a metanului, care este egală cu 35832 kJ/m3; 29400 - puterea calorică a combustibilului convenţional, kJ/kg. Cu introducerea suplimentară în procesul de fermentare anaerobă a hidrogenului electrolitic pentru a compensa insuficienţa lui în procesul metanogen, randamentul de metan, ca gaz combustibil, va creşte substanţial şi teoretic poate atinge valori apropiate de 100%. În consecinţă, corespunzător va creşte valoarea calorică a biogazului format drept combustibil pentru funcţionarea centralelor de cogenerare de energie termică, parţial utilizată pentru a menţine echilibrul termic în bioreactoare, şi de energie electrică, care poate fi parţial utilizată pentru alimentarea electrolizorului destinat generării de hidrogen pentru a fi distribuit în procesul biochimic.

În cazul fermentării metanice a vinasei, bacteriile utilizează nu numai compuşi organici, dar şi unii radicali de acizi ai sărurilor. Astfel, bacteriile sulf-reducătoare transformă ionii SO4 -2 în H2S. Prezenţa fierului în ferocianura de potasiu contribuie la micşorarea cantităţii de hidrogen sulfurat în biogaz. H2S are un miros neplăcut şi este un component coroziv pentru utilaj, însă datorită legării sale cu fierul şi formării de sulfuri (FeS şi Fe2S3) trece în stare insolubilă. Acest lucru în mod indirect duce la sporirea fiabilităţii utilajului tehnologic.

Reducerea intensităţii energetice a procesului de producţie a concentratului furajer cu vitamina B12 se realizează, de asemenea, şi prin introducerea suplimentară în produsul fermentat a diatomitului dispersat în cantitate de 20…30 mg /1, iar deshidratarea se produce pe un filtru cu vid cu un strat depus de diatomit în calitate de sită moleculară pentru a înlocui procesul energo-intensiv de evaporare urmat de uscarea produsului finit. În aceste condiţii, prezenţa reziduală a diatomitului în concentratul furager majorează valoarea nutritivă şi proprietăţile digestive ale acestuia.

Astfel, acţiunea complexă asupra proceselor biochimice şi proceselor fizico-mecanice ale producerii adaosului furajer asigură realizarea obiectivelor propuse privind punerea în aplicare a tehnologiei biochimice de producere a adaosului furajer cu un conţinut mărit de vitamina B12 şi o creştere a emisiei de metan, intensificarea procesului de fermentare anaerobă a vinasei, mărirea eficienţei sintezei vitaminei B12 şi creşterea conţinutului acesteia în adaosul furajer, sporirea eficienţei procesului de formare a metanului printr-o transformare mai completă a CO2 în CH4, realizată prin introducerea echilibrată a hidrogenului de electroliză, precum şi reducerea consumului de energie şi a volumului de muncă necesar pentru deservirea acestor procese.

Exemplu

În vinasa formată la distilarea alcoolului pentru divin, cu pH-ul iniţial de 5,2 şi valoarea CCO egală cu 28250 mg O2/1, CBO5 egală cu 19125 mg O2/1, neutralizat cu soluţie de var de 5% până la pH = 8,0, au fost introduşi prin amestecare microaditivii: ulei de amarant - 50 mg/1, compusul complex tartrat-amoniacal de cobalt - 50 mg/1, ferocianura de potasiu - 40 mg/1, apoi a fost supus fermentării anaerobe în condiţii mezofile, la o temperatură de 32°C cu încărcarea coardelor de vită-de-vie subţiri pentru fixarea microflorei. Procesul s-a desfăşurat în condiţii de flux într-un bioreactor cu zonele acetogenă şi metanogenă separate. În aceste condiţii CO2 eliminat la etapa acetogenezei s-a amestecat cu hidrogen electrolitic în proporţie de 1:4 părţi de volum şi transmis dozat în zona metanogenă. Hidrogenul (H2) a fost obţinut în electrolizorul cu diafragmă cu utilizarea electrozilor poroşi de nichel spongios, care posedă supratensiune redusă de degajare a acestuia, ce asigură diminuarea cheltuielilor energetice pentru producerea hidrogenului.

Apoi în vinasa fermentată suplimentar s-a dispersat diatomit în cantitate de 25 mg/1, iar deshidratarea s-a efectuat pe un filtru cu vid printr-un strat de diatomit cu uscarea ulterioară.

Valorile CCO şi CBO5 ale vinasei tratate s-au determinat prin metode şi tehnici standard. Conţinutul de metan şi CO2 în biogazul eliberat după fermentarea metanogenă s-a determinat la un gaz-cromatograf, iar conţinutul de vitamina Bl2 a fost determinat spectrofotometric după valorile coeficientului de absorbţie la 548 nm.

Totodată, datele obţinute au fost supuse unui test comparativ cu produsul uscat format în procesul realizat în condiţiile celei mai apropiate soluţii.

Rezultatele experimentale sunt prezentate în tabel.

Tabel

Nr d/o Caracteristicile proceselor Condiţiile experimentelor Conform invenţiei propuse Conform celei mai apropiate soluţii 1 Timpul tratamentului biochimic, ore 6 12 2 CCO, mg O2/l 725 975 3 CBO5, mg O2/l 424 539 4 Cantitatea specifică de biogaz eliminat, m3/1kg CCO 0,68 0,49 5 Componenţa biogazului, % vol. Conţinutul de CO2 3,8 34,5 Conţinutul de metan (CH4) 94,5 62,3 6 Conţinutul de vitamină în concentratul vitamino-proteic furajer, mg B12/kg 784 27

Din datele obţinute este evident că timpul fermentării anaerobe a vinasei în condiţiile propuse s-a redus de 2 ori, totodată conţinutul de vitamina B12 în compoziţia adaosului furajer a crescut cu mai mult de două ordine în comparaţie cu condiţiile cunoscute, moment ce contribuie la îmbunătăţirea calităţii aditivului pentru hrana animalelor. Aceasta este o consecinţă a acţiunii suplimentului stimulent de ulei de amarant, cât şi a îmbogăţirii mediului tratat cu complex de ferocianură de potasiu şi cobalt pentru hrana bacteriilor care produc vitamina B12. Acest lucru este evidenţiat şi prin reducerea valorilor CCO şi CBO5, precum şi printr-un randament mai mare de metan, în comparaţie cu condiţiile cunoscute. Important în acest proces este conţinutul ridicat de metan în biogaz, care rezultă dintr-un conţinut echilibrat de hidrogen şi dioxid de carbon, care asigură interacţiunea lor biochimică mai efectivă, în condiţii metanogene cu formarea de metan.

Descreşterea valorilor CBO5, comparativ cu cea mai apropiată soluţie, este rezultatul dezintegrării biologice complete a substanţelor organice din borhotul prelucrat, ceea ce de asemenea contribuie la mărirea cantităţii de biogaz emis, care în condiţiile propuse este de 1,2 ori mai mare faţă de cea mai apropiată soluţie. Totodată, în aceste condiţii consumul de energie a scăzut de 3,2 ori. Timpul total de prelucrare, luând în considerare şi timpul de evaporare la temperaturi ridicate, s-a redus de aproape 5 ori.

Astfel, tehnologia propusă asigură atingerea obiectivelor care vizează intensificarea fermentării biochimice anaerobe şi reducerea corespunzătoare a consumului de energie şi a volumului de lucru necesar, îmbunătăţirea eficienţei sintezei vitaminei B12 şi sporirea conţinutului acesteia în produsul final, precum şi a eficienţei procesului de metanogeneză, contribuind la o transformare mai completă a CO2 în CH4 şi la o creştere corespunzătoare a valorii calorice a biogazului din contul creşterii concentraţiei metanului în compoziţia sa.

1.MD 3716 F1 2008.10.31

2.Осетров С. Производство кормового концентрата витамина В12 и метана метановым брожением послеспиртовой барды, 2010, găsit Internet: URL <http://www.sergey-osetrov.narod.ru/>

Claims (1)

1. Procedeu de obţinere a adaosului furajer, conţinând vitamina B12, şi a metanului, care include fermentarea vinasei cu adaos de ulei de amarant, complex tartrat-amoniacal de cobalt şi ferocianură de potasiu în următorul raport al componentelor, mg/l:

   ulei de amarant 30…50 complex tartrat-amoniacal de cobalt 50…60 ferocianură de potasiu 40…50, în prezenţa bacteriilor metanogene în condiţii mezofile la pH 7,5…8,5 într-o instalaţie, care constă dintr-un bioreactor, divizat în zone acetogenă şi metanogenă, şi un electrolizor, totodată dioxidul de carbon, format în zona acetogenă, se amestecă cu hidrogenul electrolitic în raport de volum de 1:(3,5…4,5) şi se dozează în zona metanogenă pentru obţinerea metanului, în vinasa fermentată se introduce diatomit dispersat din calculul de 20…30 g/l, după care adaosul furajer se deshidratează pe un filtru cu vid printr-un strat de diatomit şi se usucă.