Opis wzoru Przedmiotem wzoru uzytkowego jest komora dezintegracji do obróbki biomasy lignocelulozowej z wykorzystaniem pulsacyjnego pola elektrycznego (PEF) w celu jej przygotowania jako substrat w bio- gazowni. Jednym z procesów, wykorzystujacych biomase na cele energetyczne, które moga znalezc za- stosowanie w gospodarstwach rolnych, jest fermentacja metanowa prowadzona w biogazowniach rol- niczych. Efektem tego procesu jest mieszanina gazów, nazywana biogazem, zawierajaca wysokoener- getyczny metan. W instalacjach biogazowych wykorzystywany jest szeroki wachlarz biomasy podatnej na proces fermentacji metanowej. Dobór odpowiedniego substratu oparty jest o analize wielu czynników takich jak dostepnosc surowca na rynku lokalnym czy tez wykorzystywana technologia produkcji biogazu. Bardzo waznym czynnikiem zarówno z punktu widzenia ekonomicznego jak i technologicznego jest sposób wstepnego przygotowania substratu. Kondycjonowanie biomasy przed procesem fermentacji metanowej jest elementem niezbednym pod wzgledem zwiekszenia wydajnosci produkcji biogazu z jednostki biomasy. W celu produkcji biopaliw II generacji nie konkurujacych z produkcja zywnosci, jako substrat w procesie fermentacji wykorzystywane sa rosliny wyzsze, w sklad których wchodza kompleksy ligno- celulozowe. Jednak substraty bogate w kompleksy lignocelulozowe uwazane sa za trudno rozkladalne ze wzgledu na swoja budowe. W zwiazku z tym w ostatnim dziesiecioleciu zaobserwowac mozna zwiekszone zainteresowanie badaniami nad metodami degradacji poszczególnych struktur lignocelu- lozowych prowadzacymi do maksymalizacji wydajnosci energetycznej biomasy. Rozklad anaerobowy biomasy lignocelulozowej limitowany jest poprzez szybkosc i efektywnosc pierwszej fazy fermentacji metanowej – hydrolizy. Poprawe efektywnosci fazy hydrolitycznej mozna osiagnac poprzez zastoso- wanie wstepnej dezintegracji surowca, która za zadanie ma rozdrobnienie fazy stalej oraz uszkodzenie zwartej struktury lignocelulozy. Zabieg ten ma równiez wplynac na zmniejszenie poziomu krystalizacji i polimeryzacji celulozy oraz zwiekszenie kontaktu substratu z enzymami. Sklad polimeru jakim jest lignoceluloza charakteryzuje sie wystepowaniem trzech glównych frakcji tj. celulozy w ilosci 40–55%, hemicelulozy 24–40% oraz ligniny 18–25%. Biomasa ta wykorzystywana jest w procesie fermentacji metanowej poniewaz sa to dlugolancuchowe polisacharydy, które moga byc zhydrolizowane do cukrów prostych takich jak pentozy i heksozy. Dekompozycja substancji lignocelu- lozowych jest trudna poniewaz, skladajaca sie z mikrowlókien stabilizowanych wiazaniami wodorowymi, celuloza otoczona jest przez zlaczone wiazaniami wodorowymi i kowalencyjnymi polisacharydy hemi- celulozy. Pomimo, iz hydroliza hemicelulozy jest latwiejsza od celulozy to w budowie lignocelulozy wy- stepuje jeszcze substancja lepiszczowa – lignina. Jest ona produktem kondensacji trzech monomerycz- nych alkoholi fenolowych: trans-p-kumarylowego, trans-p-koniferylowego oraz trans-p-sinapylowego. To ta substancja jest elementem najbardziej ograniczajacym hydrolize materialów lignocelulozowych, ze wzgledu na to, iz wystepuja w niej liczne wiazania weglowe C-C i eterowe. Metody wstepnego kondycjonowania biomasy lignocelulozowej mozna podzielic na trzy glówne grupy: fizyczne, chemiczne oraz biologiczne. Chemiczna obróbke wstepna biomasy lignocelulozowej przeprowadza sie z wykorzystaniem kwa- sów badz zasad. Jedna z najpopularniejszych metod chemicznej obróbki biomasy jest hydroliza kwa- sowa. Przeprowadza sie ja przy uzyciu kwasu siarkowego badz rzadziej kwasu solnego, w stezeniach 0,5%–10% v/v. Przez caly czas prowadzenia procesu, cisnienie jest podwyzszone, a temperatura wy- nosi 140–190°C [Zhang B., Shahbazi A., 2011. Recent Developments in Pretreatment Technologies for Production of Lignocellulosic Biofuels. J. Pet. Environ. Biotechnol., 2(2), 1–8]. Podwyzszenie tempera- tury w tym procesie moze miec negatywne skutki, tj. przyczynia sie do powstawania zwiazków inhibitu- jacych pózniejszy proces fermentacji, takich jak furfural i HMF (hydroksymetylo furfural). Pod wplywem podwyzszonej temperatury moga takze powstawac kwasy chlorowe, azotowe i fosforowe. Po odpowied- nim czasie adaptacji, bakterie metanowe toleruja obecnosc tych inhibitorów. Hydroliza kwasowa stanowi atrakcyjna metode obróbki wstepnej, gdyz rozklad hemicelulozy, zachodzi z wydajnoscia 90% [Hendriks A.T.W.M., Zeeman G., 2009. Pretreatments to enhance the digestibility of lignocellulosic biomass. Bio- resour. Technol., 100, 10–18]. Oferta przedsiebiorstw oferujacych rozwiazania technologiczne w zakresie wstepnej obróbki bio- masy w wiekszosci ogranicza sie do róznego rodzaju technologii rozdrabniania substratu (Biogrider BHS; Bio-Macerator Bellin Spa; RotaCut VOGELSANG; Unihacker, Multichopper, Roterrechen firmy3 Boerger). Interesujace, oryginalne rozwiazanie oferowane przez przedsiebiorstwo EKSPERT-SITR urzadzenie Economizer SE Steam Explosion wykorzystujace zjawisko okreslane mianem autohydrolizy. W technologii tej biomasa umieszczana jest w reaktorze wypelnionym para wodna w warunkach wyso- kiej temperatury i cisnienia. Po odpowiednim czasie uwolniona zostaje para wodna i nastepuje szybkie ochlodzenie substratu, co poprawia efektywnosc hydrolizy kompleksów lignocelulozowych. Podobna technologie opierajaca sie o proces autohydrolizy proponuje Dunska firma Inbicon Biomass Refinery (Core Inbicon). Znany jest z patentu nr PL 223943 dezintegrator kawitacyjny przeznaczony do dezintegracji osa- dów sciekowych. Dezintegrator sklada sie z przeplywowego zbiornika i wirnika osadzonego na wale na- pedowym. W wirniku zawarte sa komory robocze wydrazone w walcowym korpusie, rozmieszczone sy- metrycznie na koncentrycznych wzgledem osi obrotu okregach, tarcza dolna oraz kanaly komunikacyjne, którymi przemieszcza sie poddawane obróbce medium w wyniku dzialania sily odsrodkowej. Ponizej tar- czy dolnej zamocowany jest dekiel, do którego zamocowana jest od dolu pompa slimakowa usytuowana w osi wirnika. Tarcza dolna przyslania czesciowo komory robocze, a otwory wyrzutowe usytuowane w górnej czesci komór roboczych sa wykonane w jednakowej odleglosci wzgledem osi wirnika. Zjawisko kawitacji, które prowadzi do dezintegracji osadów jest wytwarzane w komorach roboczych wirnika. Na przeplywajace medium dziala miedzy innymi sila odsrodkowa wytwarzajaca róznice cisnien pomiedzy strefami kanalów komunikacyjnych najdalszymi i najblizszymi wzgledem osi obrotu wirnika. Pecherzyki kawitacyjne powstaja w kanalach komunikacyjnych wirnika w strefie niskiego cisnienia w przestrzeniach najblizszych osi obrotu wirnika a implozje w strefach wysokiego cisnienia zredukowanego na skutek ich polozenia z otworami wyrzutowymi. Konstrukcja dezintegratora zapewnia wysoki wspólczynnik dezinte- gracji osadów przy duzej wydajnosci i zmniejszonym zuzyciu energii elektrycznej. Znany jest z patentu nr PL 199833 reaktor do elektroporacji przeznaczony do obróbki w sposób ciagly produktów w kawalkach, takich jak produkty rolne oraz produkty pochodzenia zwierzecego. Urza- dzenie sklada sie z komory, wypelnionej ciecza reakcyjna (zwykle woda), w której obraca sie beben wraz z przymocowanymi don na zewnetrznej powierzchni plaszczowej zabierakami. Zabieraki przezna- czone sa do zabierania do obróbki materialu doprowadzonego przez otwór. Nastepnie material podda- wany obróbce pozostawiony jest w trakcie zanurzenia do odgazowania, po czym przekazywany jest do wlasciwej strefy reakcji, gdzie eksponowany jest na dzialanie krótkotrwalych pól elektrycznych o wyso- kim natezeniu w taki sposób, by z wysokim prawdopodobienstwem uzyskac róznice potencjalów wyma- gana na potrzeby utworzenia porów w scianach komórkowych materialu wzdluz dluzszej osi komórki. Po obróbce material odprowadzany jest z reaktora poprzez krate, a nastepnie przekazywany jest do rynny zsypowej. Celem wzoru uzytkowego jest zwiekszenie produkcji biogazu w procesie fermentacji metanowej. Wedlug wynalazku komora dezintegracji do obróbki biomasy lignocelulozowej charakteryzuje sie tym, iz stanowi ja elektroda zewnetrzna wykonana z rury ze stali kwasoodpornej bedacej jednoczesnie zewnetrzna obudowa komory, przy czym z jednej strony elektrody zewnetrznej znajduje sie pierwszy izolator elektryczny, a z drugiej strony znajduje sie drugi izolator elektryczny, wykonane z PTFE (polite- trafluoroetylen). W pierwszym izolatorze elektrycznym znajduje sie trójramienny uchwyt mocujacy wspólosiowo do elektrody zewnetrznej elektrode wewnetrzna oraz pret laczacy elektrode wewnetrzna z generatorem impulsów wysokiego napiecia. W drugim izolatorze znajduje sie takze trójramienny uchwyt mocujacy wspólosiowo do elektrody zewnetrznej elektrode wewnetrzna. W pierwszym izolatorze znajduje sie otwór wlotowy substratu, a w drugim izolatorze znajduje sie otwór wylotowy substratu. W proponowanym rozwiazaniu wzoru uzytkowego komora dezintegracji o budowie wspólosiowej pozwala na obróbke substratów lignocelulozowych w warunkach przeplywowych z wykorzystaniem pul- sacyjnego pola elektrycznego o wysokim napieciu. Wyniki uzyskane w ramach przeprowadzonych prac badawczych zmierzajacych do oceny wplywu dezintegracji substratu lignocelulozowego z wykorzysta- niem pulsacyjnego pola elektrycznego wykazuja, iz ma ona wplyw na zwiekszenie zawartosci zwiazków organicznych w fazie cieklej substratu. Badanie skutecznosci dezintegracji poprzez analize potencjalu biogazowego równiez pokazuje, iz wstepna obróbka z wykorzystaniem pulsacyjnego pola elektrycznego ma wplyw na zwiekszenie produktywnosci biogazu z substratu lignocelulozowego. Przedmiot wzoru uzytkowego przedstawiony jest na rysunku, na którym fig. 1 to komora w prze- kroju poprzecznym fig. 2 to przekrój szczególu A-A i fig. 3 to przekrój szczególu B-B. Komora dezintegracji sklada sie z elektrody zewnetrznej 1 wykonana z rury ze stali kwasoodpor- nej bedacej jednoczesnie zewnetrzna obudowa komory. Z jednej strony elektrody zewnetrznej 1 znaj- duje sie izolator elektryczny 2, a z drugiej strony znajduje sie izolator elektryczny 3, wykonane z PTFE (politetrafluoroetylen). W izolatorze 2 znajduje sie trójramienny uchwyt 4 wykonany z PTFE mocujacy wspólosiowo do elektrody 1 elektrode wewnetrzna 5. W izolatorze 3 znajduje sie trójramienny uchwyt 7 wykonany z PTFE mocujacy wspólosiowo do elektrody 1 elektrode wewnetrzna 5. W uchwycie 4 i uchwy- cie 7 zamocowana jest elektroda wewnetrzna 5 wykonana z preta ze stali kwasoodpornej. W uchwycie mocujacym 4 znajduje sie pret 6 laczacy elektrode wewnetrzna 5 z generatorem impulsów wysokiego napiecia 8. W izolatorze 2 znajduje sie otwór wlotowy 9 substratu, a w izolatorze 3 znajduje sie otwór wylotowy 10 substratu. Elektroda wewnetrzna 5 jest podlaczona do zewnetrznego generatora impulsów wysokiego napiecia 8. Zasada dzialania Elektroda zewnetrzna 1 jest podlaczona do uziemienia. Elektroda wewnetrzna 5 jest podlaczona do zewnetrznego generatora impulsów wysokiego napiecia 8. Substrat jest dostarczany przez ze- wnetrzny uklad pompowy do komory dezintegracji poprzez otwór wlotowy 9. Substrat przeplywa przez trójramienny uchwyt mocujacy 4, który powoduje mieszanie substratu. Substrat przeplywajac przez ko- more poddawany jest oddzialywaniu wysokiego natezenia pola elektrycznego wytwarzanego pomiedzy elektroda zewnetrzna 1 a elektroda wewnetrzna 5. W komórkach biologicznych substratu w wyniku od- dzialywania pola elektrycznego dochodzi do powstawania porów dzieki czemu mozliwe jest przedosta- nie sie substancji zawartych w komórkach substratu do fazy cieklej substratu. Substrat odprowadzany jest z komory dezintegracji poprzez otwór wylotowy 10. Wprowadzony do komory dezintegracji substrat, poddawany jest ekspozycji na dzialanie pulsacyj- nych pól elektrycznych o wysokim natezeniu, które z wysokim prawdopodobienstwem pozwola na utwo- rzenie porów w scianach komórkowych substratu. Istota wykorzystania fal elektrycznych o wysokiej am- plitudzie napiecia jest plazmoliza indukowana dzialaniem pola elektrycznego. Zjawisko te nie zostalo jeszcze dobrze wyjasnione jednak okresla sie je mianem elektropermeabilizacji. Przyjmuje sie, ze zjawi- sko to jest zwiazane z elektroporacja blony komórkowej (powstawaniem lub wzrostem natywnych porów membranowych). Zachowanie komórki biologicznej jest podobne do kondensatora o niskiej wartosci sta- lej dielektrycznej, a co z tym idzie, gdy umiesci sie ja w obszarze oddzialywania pola elektrycznego jony znajdujace sie w jej wnetrzu i na zewnatrz zaczna poruszac sie zgodnie z kierunkiem przylozonego pola elektrycznego. Konsekwencja tego dzialania jest akumulacja przeciwnie naladowanych ladunków elek- trycznych po obu stronach blony komórkowej, mogacych na siebie wzajemnie oddzialywac powodujac lokalne wzrosty cisnienia. Oddzialywanie to prowadzi do zmiany grubosci blony komórkowej powodujac przerwanie jej ciaglosci. Elektropermeabilizacja wywolana przez PEF moze sie charakteryzowac zmia- nami odwracalnymi ale takze nieodwracalnymi, wtedy gdy naturalny potencjal membranowy komórki wzrosnie powyzej krytycznej. PL