PL229874B1

PL229874B1 - Fotobioreaktor do biosekwestracji CO2 z unieruchomioną biomasą glonów lub sinic

Info

Publication number: PL229874B1
Application number: PL407694A
Authority: PL
Inventors: Mirosław KRZEMIENIEWSKI; Mirosław Krzemieniewski; Marcin DĘBOWSKI; Marcin Dębowski; Marcin ZIELIŃSKI; Marcin Zieliński
Original assignee: Univ Warminsko Mazurski W Olsztynie
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2018-09-28
Also published as: RU2015144561A3; PL407694A1; US20160115431A1; RU2678129C2; WO2015147661A1; CN105209591A; RU2015144561A; EP2981604B1; UA119322C2; PL2981604T3; EP2981604A1

Abstract

Fotobioreaktor do biosekwestracji CO2, ma biomasę glonów lub sinic unieruchomioną w kapsułkach (3), które mają zewnętrzną otoczkę (4). Do kapsułek (3) ze źródła światła (6) doprowadzane jest światło, osobnym pojedynczym przewodem świetlnym (5). W fotobioreaktorze kapsułki (3) otoczone są atmosferą gazową i nawilżane są pożywką hodowlaną oraz okresowo spłukiwane. Fotobioreaktor w przekroju jest wielościenny lub okrągły.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest fotobioreaktor do biosekwestracji CO2 z unieruchomioną biomasą glonów lub sinic.

Fototroficzne glony, wykorzystując energię ze światła słonecznego lub sztucznego, na drodze fotosyntezy, przekształcają CO2 z atmosfery w związki organiczne, stanowiące ich materiał budulcowy. Dostateczny dostęp do światła i do CO2 jest konieczny dla przeprowadzenia fotosyntezy i do produkcji biomasy glonów. Dodatkowo, istotnymi parametrami są wartość pH i temperatura hodowli oraz typ reaktora, otwarty czy zamknięty.

W związku z nadmierną globalną emisją CO2 do atmosfery oraz koniecznością prowadzenia intensywnej i innowacyjnej sekwestracji CO2, pochodzącego z różnych źródeł, dla ochrony środowiska życia człowieka i ochrony przed efektem cieplarnianym, stale prowadzone są poszukiwania skutecznego sposobu wiązania CO2 w biomasę, dla zachowania równowagi ekologicznej w naturze.

Jednym z kierunków tych poszukiwań są fotobioreaktory, a zwłaszcza fotobioreaktory zamknięte, w których prowadzona pod kontrolą hodowla glonów czy sinic jest zdolna wiązać CO2 we własną biomasę. Różna konstrukcja zamkniętych fotobioreaktorów pozwala monitorować i sterować natężeniem światła i czasem naświetlania, wartością pH i temperaturą hodowli oraz czystością i czasem życia hodowli wybranego szczepu glonów czy sinic.

Fotobioreaktory znane są już w dziedzinie.

Z amerykańskiego zgłoszenia patentowego US 20080286857 znany jest wielofunkcyjny bioreaktor z podnośnikiem powietrznym, zawierający komórki uwięzione w polimerowych kulkach do pochłaniania gazów (lotnych związków organicznych) lub zapachów, przy czym bioreaktor jest wyposażony w urządzenie zraszające.

Z innego amerykańskiego zgłoszenia patentowego US 5073491A znany jest sposób hodowli komórek w bioreaktorze z podnośnikiem powietrznym, przy czym hodowane tu komórki są unieruchomione w alginianowych kulkach.

Chińskie zgłoszenie CN 101240270 ujawnia kapsułki alginianowe z unieruchomionymi komórkami i sposób ich wytwarzania.

Japońskie zgłoszenie JP 3112481 ujawnia urządzenie do hodowli glonów, zawierające komorę hodowlaną, obrotowy kosz i wiązkę włókien optycznych. Gazowy dwutlenek węgla i światło słoneczne są dostarczane równomiernie do komory hodowlanej z wykorzystaniem ruchu obrotowego wirującego kosza.

Sposób immobilizacji komórek drobnoustrojów w kapsułkach z alginianem sodu jest znany, przykładowo, zPL 213167B1.

US 5,073,491 opisuje sposób produkcji komórek w złożu alginianowym w reaktorze typu air-lift w warunkach braku oświetlenia. Zastosowano tu immobilizację komórek w żelu alginianowym. Jednak wykorzystanie alginianu sodu jako nośnika różnego rodzaju form biologicznych jest od dawna powszechnie znane.

DE 102007035707 A1 dotyczy możliwości wykorzystania immobilizowanej biomasy glonów w procesach oczyszczania wody, głównie dla akwakultury. Proponuje się tu umieszczenie wybranych mikroglonów w otoczce polimerowej i wykorzystanie tego typu struktur do biofiltracji wody, pochodzącej głównie z systemów do hodowli ryb. DE 102007035707 ujawnia sposób natleniania i absorpcji zanieczyszczeń wody, obejmujący hodowlę mikroglonów, immobilizowanie ich w stabilnych otoczkach alginianowych o średnicy od 0,1 do 5 mm. Alginianowe kulki, zawierające mikroglony i fizjologiczny roztwór, dodatkowo są umieszczone w porowatej przezroczystej membranie o rozmiarze porów w zakresie 0,5-50 pm. Membrana z alginianowymi kulkami jest umieszczona w fotobioreaktorze, do którego podawana jest zanieczyszczona woda. Dostarczanie światła następuje do cieczy w fotobioreaktorze, w całej jego objętości, w której są umieszczone i krążą kapsułki z biomasą glonów. Źródło światła umieszczone jest poza obudową reaktora i promienie świetlne pokonują przezroczystą ścianę obudowy, częściowo rozproszone są w wodzie i dopiero wtedy docierają do kapsułki. To oznacza, że należy zastosować źródło światła o dużej mocy, aby promienie świetlne mogły dotrzeć do środka kapsułki. Fotobioreaktor jest wyposażony w dwa źródła światła LED. Zadaniem immobilizowanej biomasy glonów jest usuwanie zanieczyszczeń z wody, przy czym cała masa glonowa jest zanurzona w cieczy.

Informacje zawarte w tym dokumencie nie mogły stanowić podstawy ani wskazówki do opracowania technologii usuwania ditlenku węgla z gazów odlotowych.

PL 229 874 B1

Znane rozwiązania technologiczne systemów biosekwestracji ditlenku węgla oparte na wykorzystaniu biomasy glonów, do których można zaliczyć bioreaktory otwarte lub fotobioreaktory zamknięte, gdzie biomasa glonów umieszczona jest w roztworach wodnych, jednak nie pozwalają, z punktu widzenia instalacji eksploatowanych w skali technicznej, na uzyskanie zadowalających efektów usuwania CO2. Związane jest to, między innymi, ze zjawiskiem rozpuszczalności ditlenku węgla w wodzie, co może spowodować obniżenie wartości pH, czyli zakwaszenie pożywki, do poziomu poniżej wartości wymaganej przez glony lub sinice do ich wzrostu i życia. Sprawność funkcjonowania klasycznych systemów opartych na wykorzystaniu biomasy glonów lub sinic ograniczona jest również poprzez hamowanie przenikania światła przez wodne medium hodowlane, co obniża tempo rozwoju biomasy i skuteczność usuwania CO2. Tego rodzaju przyczyny wpływają na fakt, że do znanych systemów glonowych można wprowadzać zaledwie niewielkie ilości gazów zawierających ditlenek węgla lub że wymagają one bardzo dużych powierzchni (takich jak otwarte stawy) czy kubatur (zamknięte fotobioreaktory). Skuteczność usuwania CO2 jest dodatkowo ograniczana powstawaniem i kumulowaniem w środowisku gazowych produktów metabolizmu tych organizmów w postaci tlenu i ditlenku węgla wprowadzanego do środowiska wodnego.

Celem wynalazku jest stworzenie nowej konstrukcji urządzenia do usuwania CO2 ze spalin i gazów odlotowych pochodzących z różnych sektorów przemysłu np. z przemysłu spożywczego z procesu produkcji drożdży, systemów produkcji biogazu, systemów spalania paliw płynnych i gazowych, technologii przetwarzania węglowodorów. Rozwiązanie według wynalazku pozwala na skuteczne usuwanie ditlenku węgla z gazów o wysokim stężeniu CO2. Jednocześnie urządzenie charakteryzuje się istotnie mniejszą kubaturą w stosunku do obecnie stosowanych rozwiązań wykorzystujących procesy biosekwestracji CO2.

Wynalazek, dzięki swojej konstrukcji, zakłada uzyskanie bardzo wysokiej koncentracji biomasy glonów czy sinic poprzez unieruchomienie jej w kapsułkach. Dzięki temu eliminuje się zjawisko obniżania wartości pH, czyli zakwaszania środowiska, w którym rozwijają się glony lub sinice, wynikające z wprowadzania gazów odlotowych o wysokim stężeniu CO2.

System wprowadzania światła do kapsułek z glonami lub sinicami charakteryzuje się wyższym stopniem jego wykorzystania, ze względu na niższe straty wynikające ze zjawiska pochłaniania energii świetlnej przez wodę. W wyniku cyklicznego dozowania gazów zawierających ditlenek węgla, gazowe produkty metabolizmu glonów lub sinic są wypierane i usuwane poza system technologiczny, dzięki czemu eliminuje się negatywny wpływ tego czynnika na procesy wiązania CO2. Cykliczne wprowadzanie pożywki o wysokim stężeniu składników pokarmowych przyczynia się do jej lepszego wykorzystania, a zastosowany proces płukania zezwala na systematyczne usuwanie nadmiernej biomasy poza urządzenie.

Biomasa uzyskana w takim procesie technologicznym może być wykorzystana do różnych celów, głównie może być wykorzystana jako pasza (pokarm dla ryb, pożywka dla zooplanktonu), nawozy i w energetyce (substrat dla systemów biogazowych, źródło biooleju).

Przedmiotem wynalazku jest fotobioreaktor do biosekwestracji CO2, z unieruchomioną biomasą glonów lub sinic, unieruchomionych w kapsułkach, mający zamkniętą konstrukcję podzieloną na segmenty, charakteryzujący się tym, że do kapsułek biomasy glonów lub sinic światło doprowadzane jest ze źródła światła poprzez przewody świetlne. Korzystnie do każdej kapsułki biomasy glonów lub sinic, ze źródła światła prowadzi osobny, pojedynczy przewód świetlny. Korzystnie kapsułki biomasy glonów lub sinic w segmencie fotobioreaktora leżą swobodnie na perforowanym ruszcie i otoczone są atmosferą gazową.

Przedmiot wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym:

Figura 1 przedstawia ogólny schemat fotobioreaktora,

Figura 2 przedstawia schemat fotobioreaktora zbudowanego z jednego segmentu,

Figura 3 przedstawia schemat fotobioreaktora wielościennego w przekroju poprzecznym, a

Figura 4 przedstawia schemat fotobioreaktora okrągłego w przekroju poprzecznym.

Kapsułka utworzona jest z biomasy glonów lub sinic na dwa różne sposoby. Pierwszy sposób polega na wykorzystaniu perforowanej otoczki żelowej. Biomasę glonów lub sinic, pozyskaną z hodowli poddaje się selekcji sitowej, z wykorzystaniem mikrosit, aby wielkość glonów lub sinic odpowiadała wielkości otworów w żelowej otoczce. Wyselekcjonowaną biomasę zagęszcza się i odwadnia do poziomu 8%-15% suchej masy, co pozwala na uzyskanie formowalnej masy plastycznej. Następnie formuje się kształt zbliżony do kuli o średnicy w zakresie od 4,5 mm do ok. 40 mm. Do tak uformowanej biomasy glonów lub sinic wprowadza się przewód świetlny o średnicy od 0,7 mm do 3,0 mm. Jeżeli średnica

PL 229 874 B1 kapsułki nie przekracza 15 mm to można zastosować koniec przewodu świetlnego bez materiału rozpraszającego, a jeżeli średnica jest większa, to koniec przewodu świetlnego wyposażony jest w materiał rozpraszający promienie świetlne wykonany z masy akrylowej lub ze szkła o średnicy co najmniej 2-krotnie większej od średnicy przewodu świetlnego. Następnie, uformowaną biomasę glonów lub sinic pokrywa się substancją żelującą, którą stanowi, na przykład, alginian sodu. Aby powstała otoczka była porowata, o wielkości porów od 5 pm 100 pm, do substancji żelującej dodaje się materiał porujący, który po rozpuszczeniu i wypłukaniu utworzy pory oczekiwanej średnicy. Dla glonów lub sinic słodkolubnych proponuje się krystalizowaną glukozę o wielkości kryształów odpowiadających wielkościom oczekiwanych porów. Dla słonolubnych glonów lub sinic może to być glukoza lub krystalizowany chlorek sodu. Ilość materiału porującego w stosunku do substancji żelującej nie przekracza 40% objętości ze względu na utrzymanie mechanicznej wytrzymałości powstałej otoczki. Materiał porujący ulega rozpuszczeniu po 1 do 5 godzinach od jego dodania do substancji żelującej.

Drugi sposób tworzenia kapsułki polega na zagęszczaniu i odwadnianiu biomasy glonów lub sinic tak aby uzyskać od 5,0% do 10% suchej masy. Następnie biomasę glonów lub sinic wprowadza się do otoczki uformowanej z materiału z tworzywa sztucznego, który jest porowaty o otworach od 5 pm do 100 pm. Należy zaznaczyć, że glony lub sinice, które zamierza się przed zagęszczeniem i odwadnianiem wprowadzić do otoczki poddaje się selekcji sitowej pod względem ich wielkości a ich wielkość musi być równa lub nieznacznie większa od wielkości porów w otoczce kapsułki. Po wypełnieniu otoczki biomasą glonów lub sinic wprowadza się przewód świetlny o średnicy 0,7 mm do 3,0 mm. Dzięki temu, w przypadku otoczki z tworzywa sztucznego, kapsułki mają średnice większe od 15 mm to przewód zakończony jest rozpraszającym materiałem akrylowym lub szklanym.

Średnica materiału rozpraszającego jest 2-krotnie większa od średnicy przewodu świetlnego. Otwór, przez który do kapsułki wprowadzono biomasę i przewód świetlny z materiałem rozpraszającym, zamyka się usuwalnym materiałem uszczelniającym, tak aby istniała możliwość jego łatwego usunięcia i aby można było przeprowadzić ponowną procedurę napełniania kapsułki w przypadku wypłynięcia z niej zbyt dużej ilości biomasy glonów lub sinic.

Fotobioreaktor według wynalazku ma następującą konstrukcję:

Obudowa urządzenia fotobioreaktora (1) ma kształt zbiornika wieżowego, podzielonego przegrodami na segmenty, w liczbie od jednego do kilkuset segmentów. Przegrodami dzielącymi są perforowane ruszty (2), na których umieszczona jest biomasa glonów lub sinic w postaci kapsułek (3), które w przekroju poprzecznym mają średnicę od 5 mm do 40 mm. W doborze średnicy kapsułek decydujący jest rodzaj gazów, rodzaj glonów lub sinic, liczba warstw kapsułek, natężenie światła, i temu podobne.

Otoczka zewnętrzna (4) kapsułki (3) wykonana jest z materiału porowatego o wielkości porów od 5 pm do 100 pm, co umożliwia wypływ nadmiernej biomasy glonów lub sinic z kapsułki (3). Otoczka zewnętrzna (4) może być tworzona na wcześniej uformowanej w postaci kapsuły masie glonów lub sinic, na przykład, poprzez powlekanie masą żelową lub poprzez wprowadzanie masy glonów lub sinic do przygotowanej zewnętrznej otoczki (4), na przykład, w postaci perforowanego materiału z tworzywa sztucznego. Do środka biomasy glonów lub sinic w kapsułce (3) doprowadzony jest przewód świetlny (5), zakończony końcówką (21) materiałem rozpraszającym światło w całej kapsułce (3), w kierunku jej otoczki zewnętrznej (4). Drugi koniec przewodu świetlnego (5) połączony jest ze źródłem światła (6).

Pod najniższym rusztem perforowanym (2), w obudowie urządzenia fotobioreaktora (1), znajduje się wlot przewodu (7) gazu zawierającego CO2, który podłączony jest do pompy (8) tłoczącej gaz z CO2 ze zbiornika retencyjnego gazu (9) zawierającego CO2.

W zadaszeniu obudowy urządzenia (1) zamontowany jest kanał wylotowy gazów (10).

Dysze zraszające (11) znajdują się ponad biomasą glonów lub sinic w kapsułkach (3) i mają połączenie z pompą (12) dozującą pożywkę i ze zbiornikiem z pożywką (13), a także z pompą płuczącą (14) i ze zbiornikiem retencyjnym (15), ze sklarowaną wodą.

Zbiornik retencyjny (15) połączony jest przepływowo przewodem (22) ze zbiornikiem separacji (16) nadmiernej biomasy glonów lub sinic.

Kanał wylotowy (17) wyprowadza nadmiar biomasy glonów lub sinic z dna urządzenia fotobioreaktora (1) do zbiornika separacji (16) nadmiernej biomasy glonów lub sinic i ten nadmiar biomasy odprowadzany jest dalej, na zewnątrz fotobioreaktora, poprzez przewód spustowy (19) z zaworem (18).

Uformowana biomasa glonów lub sinic (3) ma kształt kapsułek o wymiarach od 5 mm do 40 mm średnicy, i jest pokryta zewnętrzną otoczką (4), mającą perforację o średnicy 5 pm do 100 pm. Zewnętrzna otoczka (4), ma postać warstwy substancji żelowej lub warstwy uformowanej z perforowanej powłoki z tworzywa sztucznego.

PL 229 874 B1

Światło jest dostarczane oddzielnym przewodem świetlnym (5), do środka biomasy glonów lub sinic do każdej kapsułki (3). Do środka biomasy glonów lub sinic w kapsułce (3) okresowo wprowadzane są gazy zawierające CO 2 i płynna pożywka, która jest okresowo podawana od góry, z dysz zraszających (11).

Wytworzona nadmierna biomasa glonowa jest okresowo spłukiwana od góry, kierowana do zbiornika separacji (16) i odprowadzana na zewnątrz fotobioreaktora, przewodem spustowym (19).

Światło ze źródła światła (6) jest stale dostarczane do uformowanej biomasy glonów lub sinic w kapsułkach (3) przewodami świetlnymi (5). Źródłem światła (6) może być światło słoneczne lub generator światła o różnych długościach fali światła od 300 nm do 800 nm.

Okresowo do wnętrza obudowy zbiornika fotobioreaktora (1) wprowadzana jest porcja gazu zawierającego CO2, zgromadzonego w zbiorniku (9) i tłoczonego pompą (8). W czasie tłoczenia gazu zawierającego CO2 wnika on do biomasy glonowej w kapsułkach (3) poprzez zewnętrzną otoczkę (4), wypierając z biomasy glonowej gazowe produkty metabolizmu, które wyprowadzane są kanałem wylotowym gazów (10).

Po zakończeniu pracy pompy (8) rozpoczyna pracę pompa (12), którą ze zbiornika z pożywką (13) do zraszaczy (11) tłoczona jest płynna pożywka. Pożywka spływa po powierzchniach zewnętrznych otoczek (4) i wnika do masy glonowej w kapsułkach (3), przyczyniając się, razem z dostarczoną energią świetlną i CO2, do zwiększenia biomasy glonowej. Biomasa glonowa wydostaje się z kapsułek (3) poprzez perforowaną zewnętrzną otoczkę (4) i jest okresowo spłukiwana cieczą, w czasie pompowania cieczy pompą płuczącą (14) ze zbiornika retencyjnego (15). Ciecz uzyskano po wcześniejszej separacji nadmiernej biomasy glonowej w zbiorniku separacji (16), do którego spływa ona z całej objętości obudowy urządzenia fotobioreaktora (1), razem z cieczą spłukującą, kanałem wylotowym (17). Po okresowym otwarciu zaworu (18), zagęszczona nadmierna biomasa glonowa jest usuwana na zewnątrz fotobioreaktora przewodem (19), natomiast mieszanina niewykorzystanej płynnej pożywki i płynnych produktów metabolizmu odpływa częściowo kanałem odpływowym (20) na zewnątrz fotobioreaktora a częściowo wraca do obiegu pompowana pompą płuczącą (14).

P r z y k ł a d 1

Urządzenie fotobioreaktora wykonano w skali laboratoryjnej. Przeprowadzono eksperyment, określając efektywność działania. Obudowę urządzenia fotobioreaktora 1 stanowiła rura z przezroczystego tworzywa sztucznego. Zewnętrzną powierzchnię fotobioreaktora pokryto ciemną folią, nieprzepuszczającą ani światła słonecznego, ani sztucznego, panującego w laboratorium. Istniała możliwość zdjęcia folii, aby obserwować stan kapsułek i sytuację panującą wewnątrz obudowy urządzenia fotobioreaktora 1. Wewnętrzne wymiary obudowy urządzenia fotobioreaktora 1 odpowiednio wynosiły: średnica 30 mm, wysokość 1000 mm. Ruszt podtrzymujący 2, o wymiarach oczek 5 mm był umieszczony na wysokości 50 mm od dolnej podstawy obudowy urządzenia fotobioreaktora 1. Dolna podstawa obudowy zanurzona była 15 mm pod lustrem wody w zbiorniku 16, o pojemności 1 dm³, z którego nadmiar wody odpływał przewodem 22 do drugiego naczynia zbiorczego, o pojemności 1 dm³, czyli do zbiornika retencyjnego 15. Na górze obudowy urządzenia fotobioreaktora 1 znajdował się kanał wylotowy gazów 10 w postaci przewodu o średnicy 5 mm, z którego ulatujące gazy gromadzone były w worku tedlarowym, a z niego te gazy były pobrane do analizy. Analizę gazu wykonano przy użyciu chromatografu gazowego Agilent 7980A. Drugi przewód w górnej części obudowy urządzenia 1, razem z siatką perforowaną z tworzywa sztucznego, o wymiarach oczek 2 mm spełniają funkcję zraszacza 11 połączonego z przewodem dozującym, łącznie, pożywkę i wody płuczące z drugiego naczynia zbiorczego.

Warstwa kapsułek biomasy glonów 3 umieszczonych wewnątrz obudowy 1 miała grubość 800 mm. Kapsułki 3 miały średnicę 8 mm. Do wytworzenia kapsułek wykorzystano masę glonów Chlorella protothecoides, szczep SLYCP01, z własnej hodowli w fotobioreaktorach o objętości 3 m³, naświetlanych zarówno światłem słonecznym, jak i sztucznym. Przed umieszczeniem kapsułek w fotobioreaktorze, biomasę glonów zagęszczano na siatkowych filtrach o wymiarach oczek 10 pm, a następnie odwadniano na wirówce. Po odwodnieniu, glony miały charakter plastycznej masy. Formowano z niej kapsułki 3, które powlekano masą alginianu sodu. Po uformowaniu, kapsułki 3 miały średnicę 8 mm i do każdej kapsułki wprowadzono przewód świetlny 5, który w tym przypadku, ze względu na małą średnicę kapsułek, nie kończono masą rozpraszającą światło. Drugie końce przewodów świetlnych 5 umieszczono w źródle światła 6, tu w źródle światła sztucznego, lampie emitującej światło białe. Kapsułki 3 z glonami ułożone były w luźnym nasypie. W dolnej części obudowy, pod perforowanym rusztem 2 podtrzymującym kapsułki 3, znajdował się wlot przewodu CO2 7, którym sterowano pompą 8. Gaz stanowiło powietrze atmosferyczne, wzbogacone technicznie czystym CO2, tak że stężenie CO2

PL 229 874 B1 wynosiło 25% v/v. Pożywkę dla glonów przygotowano w oddzielnym zbiorniku 13 i dozowano ją pompą 12. Dozowanie pożywki i gazu z CO2 odbywało się naprzemiennie, co 10 minut przez 1 minutę. Płukanie kapsułek następowało raz na dobę.

Efektywność zatrzymywania CO2 w urządzeniu określono poprzez pomiar stężenia CO2 w gazie wejściowym oraz ilość CO2 w gazie wyjściowym. Sprawność usuwania CO2 wyniosła około 80%.

W typowym fotobioreaktorze nie jest możliwe stosowanie tak wysokiego stężenia CO2, ponieważ szybko występuje zjawisko zakwaszania środowiska wodnego. Przy wysokiej koncentracji biomasy w przykładowym urządzeniu nie dochodzi do zakwaszenia, czyli do obniżenia wartości pH, ponieważ CO2 jest natychmiast wykorzystywany przez biomasę glonów.

Objętościowa wydajność pochłaniania CO2 uzyskiwana w przykładowym reaktorze jest 15 krotnie większa niż w innych fotobioreaktorach.

P r z y k ł a d 2

Obudowa urządzenia 1 składa się z czterech ścian bocznych, z płaskiego zadaszenia i płaskiej podłogi o nachyleniu 2% w kierunku otworu odpływowego. Wysokość obudowy urządzenia, według wymiaru wewnętrznego od podłogi do zadaszenia, wynosi 5,1 m, natomiast w przekroju poprzecznym wewnętrzne wymiary odpowiednio wynoszą: długość 2,5 m szerokość 1,0 m. Trzy pionowe ściany są przezroczyste, ze szkła o grubości 3 mm z izolacją próżniową. Czwarta ściana usytuowana jest od strony północnej. Ta ściana jest stalowa, wykonana ze stali kwasoodpornej i z izolacją termiczną ze styropianu o grubości 80 mm. Ściany pionowe obudowy podzielone są poziomo, równo na 20 segmentów o wysokości 0,2 m każdy, i na dwa krańcowe segmenty o wysokości 0,3 m każdy - górny, zakończony zadaszeniem, i dolny, zakończony płaską podłogą. Każdy z 20-tu segmentów jest niezależnym elementem konstrukcyjnym składającym się ze ścianki bocznej z izolacją termiczną połączoną na stałe z perforowanym rusztem 2 z tworzywa sztucznego o grubości 8,0 mm, który ułożony jest na prowadnicy umożliwiającej jego wysunięcie, a także wyjęcie rusztu poza obudowę urządzenia w celu okresowej zmiany miejsca według zasady, że najwyżej usytuowany ruszt przenoszony jest kolejno na miejsce usytuowanego najniżej. Perforacja wytworzona w czasie budowy rusztu zajmuje 60% powierzchni rusztu a otwory mają średnicę 10 mm. Krawędzie perforowanego rusztu mają wysokość 50 mm, co zabezpiecza kapsułki przed wypadaniem w czasie przesuwania rusztu. Kapsułki 3, w liczbie 32000 sztuk na każdy segment, umieszczone są w postaci luźnego nasypu (w całym urządzeniu jest około 640 000 kapsułek), co ułatwia spłukiwanie nadmiernej biomasy glonów lub sinic. Nasyp ma formę kopertową o wysokości 150 mm a od krawędzi rusztu nasyp wzrasta w stosunku 2/1. Kapsułki 3 z żelową otoczką 4 o średnicy 25 mm zawierają wewnątrz akrylową masę rozpraszającą światło o średnicy 5 mm, która połączona jest z końcówką przewodu świetlnego 5 o średnicy 1,5 mm. Przewody świetlne 5 z każdej kapsułki wyprowadzone są przez ściankę boczną z izolacją termiczną do przytwierdzonego do niej źródła światła 6 o długości fali 640 nm, o mocy 200W. W górnym segmencie o wysokości 0,3 m, na górnej obudowie urządzenia, czyli w jej zadaszeniu bioreaktora, trwale zamontowane są 24 dysze zraszające 11, w postaci dysz pełnostożkowych. Dysze 11 zapewniają rozprowadzenie wody lub wody z pożywką do spłukiwania na całej powierzchni. Każda dysza połączona jest z przewodem tłocznym o średnicy 25 mm, który połączony jest z głównym przewodem o średnicy 50 mm. Wszystkie przewody przytwierdzone są do zadaszenia obudowy 1. Następnie przewód główny 50 mm wyprowadzony poza obudowę urządzenia, jest izolowany termiczną izolacją i połączony jest przy pomocy trójnika z zatapialną pompą tłoczącą 12, o mocy 0,2kW z zaworem zwrotnym, której wydajność wynosi Q= 0,001 m³/min, a wysokości podnoszenia H = 10 m H2O. Drugi koniec trójnika połączony jest z przewodem tłocznym o średnicy 50 mm i z pompą zatapialną o mocy 0,5kW z zaworem zwrotnym 14, której wydajność wynosi Q= 0,01 m³/min, a wysokość podnoszenia H= 30m H2O. Pompa 12 znajduje się w zbiorniku 13 z pożywką o objętości 0,2 m³ i jest umieszczona na wysokości ostatniego, najwyżej usytuowanego segmentu obudowy urządzenia 1. Obie pompy 12 i 14 mają sterowniki określające czas pracy każdej pompy. Dla pompy 12 przyjęto czas pompowania pożywki 0,5 minuty a czas przerwy 10 minut. Druga pompa 14 pompuje wodę ze zbiornika retencyjnego 15 co 6 godzin przez 8 minut i może się to odbywać jedynie w czasie przerwy w pompowaniu wody z pożywką. Pojemność zbiornika retencyjnego wynosi 0,5 m³ i jest to zbiornik przepływowy, z jednej strony połączony jest ze zbiornikiem separacji 16, a z drugiej strony zakończony jest kanałem odpływowym 20, o średnicy 200 mm w celu odprowadzenia nadmiaru wody, która po procesie uzdatniania w oddzielnych urządzeniach powraca do zbiornika 13 i służy do wytworzenia roztworu z pożywkami mineralnymi. Stężenie pożywki jest 50-krotnie wyższa/e od zawartości pożywki w czasie hodowli glonów lub sinic w konwencjonalnych otwartych zbiornikach

PL 229 874 B1 hodowlanych. Gazy w ilości około 1000 m³ w ciągu doby po spaleniu biogazu są schładzane do temperatury 30°C i gromadzone są w zbiorniku 9 pojemności 30 m³ i okresowo, co 9 minut, przez 1 minutę są wprowadzane do dolnego segmentu obudowy urządzenia 1. Gazy spalinowe ze zbiornika 9 przepływają kanałem o średnicy 300 mm do pompy tłoczącej gaz 8, w postaci dmuchawy, o wydajności Qg = 7,0 m³/min. Wylot dmuchawy połączony jest z wlotem przewodu CO2 wykonanym w postaci dyfuzora, który przy połączeniu z obudową urządzenia 1 ma wymiary prostokąta 100 mm x 1500 mm i zamontowany jest 100 mm pod najniżej położonym rusztem perforowanym 2.

Natomiast kanał wylotowy gazów 10 z urządzenia znajduje się w zadaszeniu urządzenia w górnym segmencie, przy obudowie ze stali, i jest to rura o wysokości 0,3 m i średnicy 0,5 m, zabezpieczona od góry stalową siatką o wymiarze oczek 5 mm x 5 mm.

Podłoga obudowy urządzenia 1 wykonana jest ze stali kwasoodpornej i jest nachylona o 2% w kierunku kanału wylotowego 17, którym odpływa wyhodowana biomasa glonów lub sinic oraz wodna ciecz, zawierająca zarówno niewykorzystane substancje pożywki jak i produkty metabolizmu wytwarzane w czasie procesu fotosyntezy.

Kanał wylotowy 17 o średnicy 200 mm drugim końcem zanurzony jest w wodzie w zbiorniku separacji 16 nadmiaru biomasy glonów lub sinic o pojemności 0,5 m³, tworząc syfonowe zamknięcie, które nie pozwala na odprowadzanie tym kanałem gazów wprowadzanych do urządzenia. Zbiornik 16 zespolony jest z zaworem 18, a na jego drugim końcu zamontowany jest przewód spustowy 19, o średnicy 200 mm, którym wyprowadza się zagęszczoną biomasę glonów lub sinic i, w przykładzie wykonania, kierowana jest ona do biogazowni rolniczej o mocy około 30 kW.

Dobowa ilość biogazu produkowana w procesie fermentacji substratów organicznych w tego rodzaju instalacji wynosi około 100 m³ na dobę.

Skład jakościowy biogazu jest następujący: metan - 66% v/v,

CO2 -33% v/v, inne gazy około 1% v/v.

Biogaz jest spalany w kotle gazowym, a ilość powstających spalin kształtuje się na poziomie około 1000 m³ na dobę o 14% v/v zawartości CO2. Dobowa ilość wytwarzanego ditlenku węgla wynosi około 30 kg CO2 na dobę.

Efektywność biosekwestracji ditlenku węgla w urządzeniu według wynalazku wynosi 80%, i skutkuje usunięciem CO2 z gazów spalinowych na poziomie 24 kg CO2 na dobę. Objętość urządzenia wypełniona kapsułkami wynosi około 6 m³ przy koncentracji biomasy mikroglonów w kapsułkach na poziomie 22 kg s.m./m³.

Całkowita ilość suchej masy mikroglonów w urządzeniu wynosi około 130 kg. Efektywność przyrostu biomasy glonów w urządzeniu kształtuje się w zakresie 8,2-8,6 kg s.m./m³ x doba.

W wyniku wiązania CO2 ditlenku węgla oraz wykorzystania dostarczanych do układu technologicznego substancji pokarmowych całkowity przyrost biomasy glonów kształtuje się na poziomie koło 50 kg s.m. na dobę.

Uzyskana biomasa mikroglonów będzie stanowiła substrat dla biogazowni.

Z 50 kg suchej masy mikroglonów można uzyskać około 25 m³ biogazu o około 70% zawartości metanu, co zaspokaja potrzeby własne biogazowni na substrat organiczny w około 25% i daje moc potencjalną na poziomie 7,2kW.

Dla porównania, w typowych otwartych fotobioreaktorach koncentracja biomasy mikroglonów kształtuje się na poziomie około 3 kg s.m./m³, co jest wartością ponad 7-krotnie niższą w stosunku do prezentowanego urządzenia. Natomiast szybkość przyrostu biomasy glonów kształtuje się na poziomie około 0,25 kg s.m./m³ x dobę. Oznacza to, że uzyskanie produkcji 50 kg s.m. mikroglonów na dobę, co warunkuje usunięcie 24 kg CO2 na dobę w urządzeniu o typowej głębokości 0,3 m wymaga powierzchni wynoszącej około 600 m².

Claims

1. Fotobioreaktor do biosekwestracji CO2 z unieruchomioną biomasą glonów lub sinic unieruchomionych w kapsułkach, mający zamkniętą konstrukcję podzieloną na segmenty, znamienny tym, że do kapsułek biomasy glonów lub sinic (3) światło doprowadzane jest ze źródła światła (6) poprzez przewody świetlne (5).

PL 229 874 Β1

2. Fotobioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że do każdej kapsułki biomasy glonów lub sinic (3), ze źródła światła (6) prowadzi osobny, pojedynczy przewód świetlny (5).

3. Fotobioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że do każdej kapsułki biomasy glonów lub sinic (3) w segmencie fotobioreaktora leżą swobodnie na perforowanym ruszcie (2).

4. Fotobioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że kapsułki biomasy glonów lub sinic (3) otoczone są atmosferą gazową.