MD4204C1

MD4204C1 - Instalaţie pentru obţinerea anaerobă a biohidrogenului

Info

Publication number: MD4204C1
Application number: MDA20120035A
Authority: MD
Inventors: Виктор КОВАЛЁВ; Ольга КОВАЛЁВА; Думитру УНГУРЯНУ; Владимир НЕННО; Ион ИОНЕЦ
Original assignee: Государственный Университет Молд0
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2013-09-30
Also published as: MD4204B1

Abstract

Invenţia se referă la instalaţii pentru obţinerea anaerobă a biohidrogenului şi poate fi utilizată în diferite ramuri ale agriculturii şi industriei de prelucrare pentru obţinerea biogazului.Instalaţia pentru obţinerea anaerobă a biohidrogenului include un bioreactor (2) cu corp cilindric termostatat (1) şi cu fund conic, unit cu o conductă (3) pentru evacuarea reziduului. În interiorul bioreactorului (2) este amplasată o încărcătură pentru fixarea microflorei (4), un vacuummetru (5) şi un indicator de nivel (6). În partea superioară a bioreactorului (2) este amplasat un rezervor (10) cu lichid pentru tratare, care este dotat cu un indicator de nivel (11) şi un racord pentru alimentare cu lichid (12). În locul de admisiune a lichidului din rezervor (10) în bioreactor (2) este instalată o supapă (9) cu flotor (8). În partea inferioară a bioreactorului (2) este instalat un resiver ermetic (14), dotat cu un indicator de nivel automat (15), conectat la un panou de comandă (16), şi un racord de evacuare a biomasei (29), totodată resiverul (14) comunică prin intermediul unei conducte (18) cu distribuitor perforat (19) şi a unei pompe de recirculare (17) cu bioreactorul (2) şi invers, bioreactorul (2) prin intermediul unei pompe (20) cu ejector (21) şi a unei conducte (23) comunică cu resiverul (14), iar pompa (20) cu ejector (21) prin intermediul unei conducte (22) pentru vidare şi aspirare a hidrogenului din bioreactor comunică cu partea superioară a bioreactorului (2). În partea superioară resiverul (14) este dotat cu un racord (24) cu închizător hidraulic (25), un uscător de gaze (26) şi un racord (27) pentru evacuarea hidrogenului.

Description

Invenţia se referă la instalaţii pentru obţinerea anaerobă a biohidrogenului şi poate fi utilizată în diferite ramuri ale agriculturii şi industriei de prelucrare pentru obţinerea biogazului.

Sunt cunoscute bioreactoare pentru obţinerea hidrogenului cu utilizarea microorganismelor prin fermentarea la întuneric şi conversia monoxidului de carbon şi a apei pentru evacuarea bacteriană a hidrogenului. Aceste bioreactoare sunt compuse din cilindri transparenţi amplasaţi vertical, iluminaţi cu lămpi fluorescente sau natural. În calitate de încărcătură volumică pentru fixarea microflorei sunt utilizate fibre tubulare executate din membrane semipermeabile, pe partea exterioară a cărora sunt fixate microorganismele, iar evacuarea hidrogenului are loc prin porii membranei spre interior [1].

Dezavantajele acestor bioreactoare sunt necesitatea utilizării suprafeţelor mari pentru producere, productivitatea joasă a procesului de producere, preţul înalt al fibrelor tubulare şi, respectiv, al hidrogenului obţinut.

Cea mai apropiată soluţie, după esenţa şi rezultatul obţinut, este bioreactorul anaerob, care include un corp, racorduri de alimentare şi de evacuare a apei tratate, un racord pentru evacuarea biogazului cu hidroînchizător, un schimbător de căldură şi un racord pentru evacuarea reziduului. Corpul este executat ca un cilindru cu fund conic, în care pe o bază cu sită sunt amplasate radial şi etajat blocuri de încărcătură identice [2].

Dezavantajul acestei soluţii constă în aceea că un astfel de bioreactor, fiind destinat pentru obţinerea biogazului cu conţinut de metan, nu poate fi utilizat pentru obţinerea biohidrogenului molecular din cauza particularităţilor tehnologice de producere a acestuia, care prevăd utilizarea unor microadaosuri speciale, care să stimuleze eliminarea hidrogenului, dar să inhibe procesul de generare a metanului. Ţinând cont de aceste particularităţi de obţinere a hidrogenului este ineficient de a utiliza bioreactorul anaerob cunocut în aceste scopuri.

Problema pe care o rezolvă prezenta invenţie constă în majorarea producţiei de biohidrogen molecular şi a gradului de puritate a lui, asigurarea eficienţei procesului prin efectuarea lui în regim continuu, reducerea cheltuielilor materiale şi de exploatare la obţinerea biohidrogenului.

Instalaţia, conform invenţiei, include un bioreactor cu corp cilindric termostatat şi cu fund conic, unit cu o conductă pentru evacuarea reziduului. În interiorul bioreactorului este amplasată o încărcătură pentru fixarea microflorei, un vacuummetru şi un indicator de nivel. În partea superioară a bioreactorului este amplasat un rezervor cu lichid pentru tratare, care este dotat cu un indicator de nivel şi un racord pentru alimentare cu lichid. În locul de admisiune a lichidului din rezervor în bioreactor este instalată o supapă cu flotor. În partea inferioară a bioreactorului este instalat un resiver ermetic, dotat cu un indicator de nivel automat, conectat la un panou de comandă, şi un racord de evacuare a biomasei, totodată resiverul comunică prin intermediul unei conducte cu distribuitor perforat şi a unei pompe de recirculare cu bioreactorul şi invers, bioreactorul prin intermediul unei pompe cu ejector şi a unei conducte comunică cu resiverul, iar pompa cu ejector prin intermediul unei conducte pentru vidare şi aspirare a hidrogenului din bioreactor comunică cu partea superioară a bioreactorului. În partea superioară resiverul este dotat cu un racord cu închizător hidraulic, un uscător de gaze şi un racord pentru evacuarea hidrogenului.

Rezultatul tehnic este asigurat prin faptul că condiţiile de recirculare a biomasei sporesc schimbul şi transferul de masă în zona reacţiilor biochimice şi le majorează eficienţa, iar vacuumarea şi evacuarea în flux continuu a biohidrogenului prin intermediul pompei cu ejector contribuie la majorarea volumului producţiei acestuia, deoarece hidrogenul eliminat este absorbit de microorganisme, ceea ce inhibă dezvoltarea procesului biochimic. Concomitent, în procesul de ejecţie se creează condiţii datorită cărora dioxidul de carbon conţinut, solubilitatea căruia în mediul apos este mult mai înaltă decât a hidrogenului, se dizolvă în mediul apos al lichidului tratat (borhot, vinasă şi alte deşeuri), ceea ce contribuie la majorarea purităţii hidrogenului molecular eliminat. Deoarece în acest proces biochimic bacteriile în stadiul iniţial de fermentare generează monoxid de carbon (CO), care interacţionează cu apa după reacţia de conversie (aşa-zisa şift-reacţie: CO + H2O→CO2 + H2), sursa principală de evacuare a hidrogenului este apa (până la 80%) şi într-o măsură mai mică - substratul organic. Procesul decurge la temperatura camerei şi numai într-o singură etapă, ceea ce asigură reducerea cheltuielilor materiale şi de exploatare.

Invenţia se explică prin desenul din figură, care reprezintă schema instalaţiei pentru obţinerea anaerobă a biohidrogenului.

Instalaţia pentru obţinerea anaerobă a biohidrogenului include un bioreactor 2 cu corp cilindric termostatat 1 şi cu fund conic, unit cu o conductă 3 pentru evacuarea reziduului. În interiorul bioreactorului 2 este amplasată o încărcătură pentru fixarea microflorei 4, un vacuummetru 5 şi un indicator de nivel 6. În partea superioară a bioreactorului 2 este amplasat un rezervor 10 cu lichid pentru tratare, care este dotat cu un indicator de nivel 11 şi un racord pentru alimentare cu lichid 12 cu conducta 13. În locul de admisiune a lichidului din rezervor 10 în bioreactor 2 este instalat un dispozitiv 7 format dintr-o supapă 9 cu flotor 8. În partea inferioară a bioreactorului 2 este instalat un resiver ermetic 14, dotat cu un indicator de nivel automat 15, conectat la un panou de comandă 16, şi un racord de evacuare a biomasei 29 cu ventil 30, totodată resiverul 14 comunică prin intermediul unei conducte 18 cu distribuitor perforat 19 şi a unei pompe de recirculare 17 cu bioreactorul 2 şi invers, bioreactorul 2 prin intermediul unei pompe 20 cu ejector 21 şi a unei conducte 23 comunică cu resiverul 14, iar pompa 20 cu ejector 21 prin intermediul unei conducte 22 pentru vidare şi aspirare a hidrogenului din bioreactor comunică cu partea superioară a bioreactorului 2. În partea superioară resiverul 14 este dotat cu un racord 24 cu închizător hidraulic 25, un uscător de gaze 26 şi un racord 27 pentru evacuarea hidrogenului cu ventil 28.

În calitate de încărcătură pentru fixarea microflorei în bioreactor 2 pot fi utilizate corzi subţiri de viţă-de-vie cu o acoperire hidrofilă pentru o aderenţă mai bună a microflorei pe suprafaţa ei şi pentru creşterea duratei de exploatare.

Instalaţia pentru obţinerea anaerobă a biohidrogenului funcţionează în felul următor.

Înainte de a pune în funcţiune instalaţia, în lichidul pentru tratare, de exemplu borhotul, se adaugă cantităţi mici de substanţe biologic active naturale - hipsozid sau spirostan din clasa compuşilor izoprenoici, după amestecare lichidul, prin conducta 13 şi racordul 12, este introdus în rezervorul 10, de unde se scurge în bioreactorul 2 prin dispozitivul 7 până la nivelul, la care flotorul 8 se ridică şi închide supapa 9, datorită căruia nivelul lichidului în bioreactor 2 se stabileşte la nivelul înregistrat de indicatorul 6. Apoi se include pompa 20 şi o parte din lichid prin conducta 23 este pompat în resiverul 14 până la nivelul înregistrat de indicatorul 15. În acest timp, pe măsura scurgerii unei părţi a lichidului din bioreactor 2, flotorul 8 deschide automat supapa 9 şi nivelul lichidului se restabileşte până la valoarea stabilită. Procesul de fermentare anaerobă poate demara peste câteva zile, dezvoltarea căruia se indică prin majorarea presiunii hidrogenului molecular ce se degajă, care se înregistrează de către vacuummetrul 5 şi atinge valoarea de 0,3…0,5 atmosfere, ceea ce atestă intrarea instalaţiei în regim de lucru.

După intrarea instalaţiei în regim de lucru se conectează panoul de comandă 16, care prin intermediul indicatorului 15 pune în funcţiune pompele 17 şi 20, care la rândul lor asigură următoarele funcţii:

- recircularea lichidului pentru tratare cu ajutorul pompei 17 prin conducta 18 din resiverul 14 în bioreactorul 2, în urma căreia biomasa se turbulizează, ceea ce contribuie la crearea unor condiţii favorabile pentru schimbul şi transferul de masă în bioreactor 2, intensificând degazarea ei şi ridicarea la suprafaţă a bulelor gazoase de H2 şi CO2 adsorbite de încărcătura pentru fixarea microflorei 4 şi a microorganismelor;

la funcţionarea pompei 20 are loc captarea unei părţi de biomasă din bioreactorul 2, care este apoi pulverizată în resiverul 14, iar prezenţa ejectorului 21 permite vacuumarea spaţiului gazos în bioreactorul 2 şi evacuarea continuă rapidă a biohidrogenului sub formă de amestec de gaz cu apă în resiverul 14, unde în rezultatul pulverizării are loc desorbţia hidrogenului molecular şi evacuarea lui prin racordul 24 cu închizător 25 spre uscătorul 26 pentru eliminarea umidităţii şi evacuarea lui ulterioară prin racordul 27 cu ventil 28, spre utilizare;

vacuumarea mediului gazos, prin intermediul ejectorului 21 în bioreactorul 2, intensifică degajarea de gaz din el, ceea ce reduce probabilitatea de inhibare a microorganismelor de către biohidrogenul degajat, fapt care contribuie la creşterea eficienţei procesului de degajare a lui;

continuitatea procesului biochimic de fermentare şi evacuare a hidrogenului este menţinută prin prezenţa dispozitivului 7 cu flotor 8 instalat în locul de admisiune a lichidului din rezervorul 10 în bioreactorul 2, care asigură alimentarea continuă a bioreactorului 2 cu lichid, precum şi posibilitatea evacuării biomasei prelucrate prin intermediul racordului 29 cu ventil 30, iar reziduul format în bioreactorul 2 periodic este evacuat prin conducta 3;

menţinerea nivelului stabilit al lichidului în resiverul 14 se asigură prin intermediul indicatorului 15 şi a panoului 16, care conectează şi deconectează pompele 17 şi 20;

- micşorarea nivelului lichidului tratat biochimic evacuat din resiverul 14 prin racordul 29 cu ventil 30, stabilit de indicatorul 6, precum şi a celei părţi care se reduce în rezultatul dezagregării apei în hidrogen, se completează din rezervorul 10 prin dispozitivul 7, care pe măsură ce coboară flotorul 8, deschide supapa 9, în mod automat are loc scurgerea lichidului în bioreactorul 2 şi, respectiv, o închide în timp ce nivelul lichidului atinge valoarea prestabilită şi ridică flotorul 8.

Consumul teoretic al apei pentru procesul microbiologic de descompunere a ei cu obţinerea l m3 de hidrogen molecular constituie 805 g, dar acest consum în bioreactor este mai mare din cauza că o parte a apei se pierde sub formă de vapori şi cu gazele evacuate.

Pe măsura micşorării volumului de lichid supus tratării din rezervorul 10, stabilit de indicatorul 11, el poate fi completat periodic prin conducta 13 şi racordul 12.

Astfel se rezolvă problema invenţiei, care constă în majorarea volumului producţiei de biohidrogen molecular şi a gradului de puritate a lui, asigurarea eficienţei procesului prin efectuarea lui în regim continuu, reducerea cheltuielilor materiale şi de exploatare la obţinerea biohidrogenului. Biohidrogenul obţinut, cu conţinutul de 50…70% în biogaz, restul constituind prioritar CO2, poate fi utilizat în starea lui iniţială, fără o tratare specială, în calitate de agent energetic eficient pentru obţinerea energiei termice şi electrice prin utilizarea instalaţiilor de cogenerare sau în calitate de combustibil gazos pentru transportul auto, precum şi în calitate de materie primă în industria chimică. După o purificare de alte impurităţi gazoase biohidrogenul poate fi utilizat pentru elemente energetice combustibile.

Deoarece sursa principală de obţinere a biohidrogenului molecular pe cale biochimică este apa, cca 80% din energia biomasei nu este utilizată în procesul de fermentare pentru obţinerea hidrogenului. Aşadar, conform datelor experimentale, valorile consumului chimic de oxigen şi consumului biochimic de oxigen ale lichidului tratat în acest proces se reduc în medie de la 234000 mg O2/l până la 19700 mg O2/l. În legătură cu aceasta, pentru utilizarea mai eficientă a energiei biomasei, după evacuarea ei prin racordul 29, reglat de ventilul 30, aceasta poate fi direcţionată spre un bioreactor anaerob pentru obţinerea metanului prin fermentare metanică.

1. Марков С.А. Биоводород: Возможное использование водорослей и бактерий для получения молекулярного водорода. ISJ for Alternative Energy and Ecology. Nr. 1 (45), 2007, p. 30 - 35.

2. MD 187 Z 2010.12.31

Claims

Instalaţie pentru obţinerea anaerobă a biohidrogenului, care include un bioreactor (2) cu corp cilindric termostatat (1) şi cu fund conic, unit cu o conductă (3) pentru evacuarea reziduului; în interiorul bioreactorului este amplasată o încărcătură pentru fixarea microflorei (4), un vacuummetru (5) şi un indicator de nivel (6); în partea superioară a bioreactorului (2) este amplasat un rezervor (10) cu lichid pentru tratare, care este dotat cu un indicator de nivel (11) şi un racord pentru alimentare cu lichid (12); în locul de admisiune a lichidului din rezervor (10) în bioreactor (2) este instalată o supapă (9) cu flotor (8); în partea inferioară a bioreactorului (2) este instalat un resiver ermetic (14), dotat cu un indicator de nivel automat (15), conectat la un panou de comandă (16), şi un racord de evacuare a biomasei (29), totodată resiverul (14) comunică prin intermediul unei conducte (18) cu distribuitor perforat (19) şi a unei pompe de recirculare (17) cu bioreactorul (2) şi invers, bioreactorul (2) prin intermediul unei pompe (20) cu ejector (21) şi a unei conducte (23) comunică cu resiverul (14), iar pompa (20) cu ejector (21) prin intermediul unei conducte (22) pentru vidare şi aspirare a hidrogenului din bioreactor comunică cu partea superioară a bioreactorului (2); în partea superioară resiverul (14) este dotat cu un racord (24) cu închizător hidraulic (25), un uscător de gaze (26) şi un racord (27) pentru evacuarea hidrogenului.