RU127061U1 - Устройство для получения водородсодержащего газа - Google Patents

Abstract

1. Устройство для получения водородсодержащего газа, характеризующееся тем, что оно содержит цилиндрический реактор с установленным коаксиально в его полости цилиндрическим патрубком, по оси которого установлена мешалка, и с размещенными соответственно на его нижнем торце барботером для подачи синтез-газа в полость цилиндрического патрубка и выходным патрубком для водородсодержащего газа на верхнем торце.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мешалка выполнена в виде гребного винта.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мешалка выполнена в виде шнека.

Description

Полезная модель относится к области биотехнологии, в частности, к техническим средствам производства водорода с помощью микроорганизмов.

Особенностью процессов получения водорода с помощью микроорганизмов является низкая по сравнению с термокаталитическими методами производительность, выраженная в (м³ H₂)·(м³ объема реактора)^-1·ч^-1. Типичная производительность устройств для получения водорода с помощью микроорганизмов составляет от 0,05(м³ Н₂)·(м³ объема реактора)^-1·ч^-1 для устройств в виде спиральных трубок (Sergei А. Markov and Paul F. Weaver (2008) Bioreactors for H₂ Production by Purple Nonsulfur Bacteria // Biotechnology for fuels and chemicals, ABAB Symposium, 2008, Part 2, 79-86) до 1,1(м³ Н₂)·(м³ объема реактора)^-1·ч^-1 для устройств в виде колонны с насадкой, представляющей собой стеклянные шарики диаметром 3 мм (E.J.Wolfrum and A.S.Watt (2002) Bioreactor Design Studies for a Hydrogen-Producing Bacterium // Appl Biochem Biotechnol., 98-100, 611-625).

Известно устройство для получения водорода с помощью микроорганизмов, таких как археи Thermococcus kodakaraensis (JP 2008061521, 2008), представляющее собой сосуд для культивирования указанных микроорганизмов, оснащенный насадкой для обеспечения прикрепленного роста микроорганизмов, средствами введения питательного раствора, содержащего аминокислоты и источник углерода для роста микроорганизмов (крахмал), средствами удаления отработанного питательного раствора и средствами выделения получаемого водорода.

Недостатками известного устройства являются необходимость использования питательного раствора, содержащего сравнительно дорогостоящие вещества пищевого назначения, такие как аминокислоты и крахмал, а также невозможность использования устройства для получения водорода из дешевого сырья непищевого назначения, такого как продукты газификации низкосортных углеродсодержащих топлив (синтез-газ).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для получения водородсодержащего газа с помощью микроорганизмов, (WO2010056462, 2010), состоящее из шахтного реактора глубиной от 50 до 600 м, в который подается газ, полученный из углеродсодержащего сырья в плазменном газификаторе, причем шахтный реактор оснащен разделительной стенкой, разделяющей объем реактора на части с восходящим потоком жидкости и с нисходящим потоком жидкости. Восходящий поток жидкости обеспечивается подачей перерабатываемого газа.

Недостатками указанного устройства являются низкая производительность, связанная с отсутствием перемешивающих устройств в объеме реактора, а также необходимость использования дорогостоящего оборудования для подачи перерабатываемого газа под давлением, превышающем давление столба жидкости в реакторе, поскольку заявленная глубина шахтного реактора от 50 до 600 м, что примерно соответствует давлению от 5 до 60 атм.

Задачей предлагаемой полезной модели является разработка устройства для получения водородсодержащего газа из синтез-газа с помощью микроорганизмов, обеспечивающего повышение производительности по водороду и сокращение затрат на реализацию технологии.

Поставленная задача достигается тем, устройство для получения водородсодержащего газа содержит цилиндрический реактор с установленным коаксиально в его полости цилиндрическим патрубком, по оси которого установлена мешалка, и с размещенными, соответственно, на его нижнем торце барботером для подачи синтез-газа в полость цилиндрического патрубка и выходным патрубком для водородсодержащего газа на верхнем торце.

Целесообразно мешалку выполнять в виде гребного винта или в виде шнека.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 приведены принципиальные схемы устройства.

Устройство для получения водородсодержащего газа с помощью микроорганизмов состоит из цилиндрического реактора 1, в полости которого коаксиально установлен цилиндрический патрубок 2 с образованием в реакторе внутренней полости 3 и внешней 4. На нижнем торце реактора 1 установлен барботер 5 для подачи синтез-газа в полость 3. При подаче синтез-газа обеспечивается восходящее движение культуральной жидкости с газом в полости 3 реактора 1 и нисходящее движение культуральной жидкости без газа в полости 4 реактора 1. В верхнем торце реактора 1 расположен выходной патрубок 6 для выхода переработанного газа. В полости 3 реактора 1 установлена мешалка, выполненная в виде системы перемешивающих элементов 7, закрепленных на валу 8. Перемешивающие элементы 7 предназначены для замедления восходящего потока культуральной жидкости с газом в полости 3 реактора 1 с целью увеличения времени контакта культуральной жидкости с газом и, вследствие этого, увеличения производительности реактора 1 по водороду. Мешалка может быть исполнена в различных вариантах, таких как гребной винт или шнек.

Устройство работает следующим образом.

Предварительно реактор 1 продувают инертным газом (азотом или аргоном), и помещают в него среду для культивирования микроорганизмов, обладающих свойством катализировать реакцию водяного газа. Затем помещают в реактор 1 микроорганизмы. После получения культуральной жидкости в полость 3 реактора 1 с помощью барботера 5 подают синтез-газ. Задают скорость вращения вала 8, чтобы его значение обеспечивало минимальную скорость всплытия пузырьков перерабатываемого газа. При этом число перемешивающих элементов 7 выбирают, исходя из условия обеспечения вышеуказанной скорости. Переработанный водородсодержащий газ выводят через патрубок 6 в резервуар для хранения переработанного газа с целью последующего выделения из него водорода.

Работа устройства иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. В стерилизованный паром и продутый аргоном реактор с установленными в нем внутриреакторной колонной, средствами подачи газа и перемешивающими элементами типа «гребной винт» помещают предварительно приготовленную стерильную среду для культивирования (состав указан в г/л), содержащую NH₄Cl (0,66), MgCl₂·6H₂O (0,16), СаСl₂·6Н₂O (0,10), КСl (0,33), КН₂РO₄ (0,50) в дистиллированной воде, также добавлялись растворы микроэлементов по Кевбрину-Заварзину и витаминов по Волину из расчета 1,0 мл/л, а также резазурин до розового окрашивания раствора. После кипячения и охлаждения под током азота в среду также добавлялись NaHСО₃ (0,50) и Na₂S·9H₂O (1,0), среда титровалась до рН=6,5 с помощью 6МНСl. Таким образом поучают среду для культивирования. Осуществляют засев биореактора культурой микроорганизмов Carboxydothermus hydrogenoformans DSM6008 с получением культуральной жидкости. В реактор подают порцию перерабатываемого синтез-газа из расчета 2-3 объема реактора, затем выдерживают реактор при температуре 65-70°С в течение 12 часов для обеспечения достаточной численности бактерий. Затем в непрерывном режиме производят подачу в реактор перерабатываемый синтез-газ, подбирают скорость вращения вала с перемешивающими элементами таким образом, чтобы скорость всплытия пузырьков перерабатываемого газа была минимальной. Производят анализ газа на входе и на выходе реактора методами газовой хроматографии. Из концентраций водорода на входе и на выходе реактора рассчитывают производительность реактора по водороду. Производительность реактора по водороду для описанного примера составляет 2,14 (м³ Н₂)·(м³ объема реактора)^-1·ч^-1, что на 40% превышает производительность реактора в тех же условиях без установленных перемешивающих элементов.

Пример 2. В стерилизованный паром и продутый аргоном реактор с установленными в нем внутриреакторной колонной, средствами подачи газа и перемешивающими элементами типа «архимедов винт» помещают стерильную среду для культивирования по примеру 1. Осуществляют засев биореактора культурой микроорганизмов Carboxydothermus islandicus DSM21830. В реактор подают перерабатываемый газ из расчета 2-3 объема реактора, затем выдерживают реактор при температуре 65-70°С в течение 12 часов для обеспечения достаточной численности бактерий. Затем в непрерывном режиме подают в реактор перерабатываемый газ, подбирают скорость вращения вала с перемешивающими элементами таким образом, чтобы скорость всплытия пузырьков перерабатываемого газа была минимальной. Производят анализ газа на входе и на выходе реактора методами газовой хроматографии. Из концентраций водорода на входе и на выходе реактора рассчитывают производительность реактора по водороду. Производительность реактора по водороду для описанного примера составляет 2,17 (м³ Н₂)·(м³ объема реактора)^-1·ч^-1, что на 42% превышает производительность реактора в тех же условиях без установленных перемешивающих элементов.

Таким образом, предлагаемая полезная модель обеспечивает повышенную производительность по водороду.

Claims (3)

1. Устройство для получения водородсодержащего газа, характеризующееся тем, что оно содержит цилиндрический реактор с установленным коаксиально в его полости цилиндрическим патрубком, по оси которого установлена мешалка, и с размещенными соответственно на его нижнем торце барботером для подачи синтез-газа в полость цилиндрического патрубка и выходным патрубком для водородсодержащего газа на верхнем торце.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мешалка выполнена в виде гребного винта.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мешалка выполнена в виде шнека.

Images