RU2430153C2

RU2430153C2 - Bio-reactor

Info

Publication number: RU2430153C2
Application number: RU2009139543/13A
Authority: RU
Inventors: Денис Юрьевич Суслов (RU); Денис Юрьевич Суслов; Леонид Анатольевич Кущев (RU); Леонид Анатольевич Кущев
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2011-09-27
Also published as: RU2009139543A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: bio-reactor consists of case with branches for supply of processed bio-mass (source substrate), for drainage of finished fertiliser, and for withdrawal of bio-gas, of circulation pipe positioned in centre of case and of uniformly perforated pipe in form of vertical spiral located under circulation pipe. Turns of spiral of the perforated pipe form a cone with its base up. Diametre of an upper turn of the spiral is equal to internal diametre of the circulation pipe and is located at the level of a lower cut of this pipe. The circulation pipe is made in form of a cylinder reservoir consisting of two pipes of different diametre, space between which is filled with heated water for bio-mass heating. The branches for supply of bio-mass and drainage of finished fertiliser are arranged on opposite sides of the case, also, the supply branch is set in an upper section of the case, while the drainage branch - in a lower one.

EFFECT: raised efficiency, stability and completeness of bio-chemical processes in bio-reactor due to uniform bio-mass mixing and distribution of temperature through whole volume of bio-reactor.

2 dwg

Description

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к аппаратам для выращивания микроорганизмов при переработке отходов растительного и животного происхождения, стеблей растений, навоза животных и птицы, сточных вод с целью получения биогаза и органического экологически чистого удобрения.The invention relates to biotechnology, and in particular to apparatus for growing microorganisms in the processing of waste of plant and animal origin, plant stems, animal and bird manure, sewage in order to obtain biogas and organic organic fertilizer.

Известен метантенк для анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов, содержащий вертикально установленный резервуар цилиндрической формы с коническими днищем и куполом с присоединенной к куполу снизу не доходящей до днища разделительной концентрической перегородкой в виде усеченного конуса с основанием, обращенным к днищу резервуара, делящей резервуар на внешнюю и внутреннюю камеры, мешалку сбраживаемой массы во внутренней камере, патрубки подвода разжиженных органических отходов во внешнюю камеру и вывода сброженного осадка из внутренней камеры, а также патрубки отвода биогаза из газосборника в куполе резервуара и из внешней камеры (см. RU 2226758 С1, МПК⁷А01С 3/00, C05F 3/06).Known digester for anaerobic digestion of liquefied organic waste, containing a vertically mounted tank of cylindrical shape with a conical bottom and a dome with a dividing concentric partition connected to the bottom from the bottom not reaching the bottom, in the form of a truncated cone with a base facing the bottom of the tank, dividing the tank into external and internal chambers, a mixer of the fermented mass in the inner chamber, pipes for supplying liquefied organic waste to the outer chamber and the output of the fermented sludge from the inner chamber, and outlet tubes biogas from the gas plenum into the tank dome and out of the outer chamber (see. RU 2226758 C1, MPK ⁷ A01S 3/00, C05F 3/06).

Недостатком известного метантенка является его пожароопасность, обусловленная наличием отверстий в корпусе для установки вращающегося вала перемешивающегося устройства, что ведет к утечке биогаза из корпуса через уплотнения и часто к возгоранию. Кроме того, наблюдается процесс расслоения биомассы и образование корки на ее поверхности вследствие неинтенсивного перемешивания среды по всему объему корпуса, так как мешалка расположена во внутренней камере корпуса.A disadvantage of the known digester is its fire hazard, due to the presence of holes in the housing for installing the rotating shaft of the mixing device, which leads to the leakage of biogas from the housing through the seals and often to fire. In addition, there is a process of separation of biomass and the formation of a crust on its surface due to non-intensive mixing of the medium throughout the volume of the body, since the mixer is located in the inner chamber of the body.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является барботажный аппарат для выращивания микроорганизмов (см. а.с. SU, 1708829, МПК С12М 1/04), содержащий емкость с патрубками подвода и отвода среды и подвода и отвода газа. В емкости размещены циркуляционная труба и аэратор, представляющий собой перфорированную трубу в виде вертикальной спирали, витки которой образуют конус, обращенный основанием вверх, при этом диаметр верхнего витка спирали равен внутреннему диаметру циркуляционной трубы и расположен на уровне нижнего торца этой трубы. В аппарате обеспечены условия равномерного распределения газа по всему объему и эффективное диспергирование газожидкостного потока в зоне расположения аэратора.The closest technical solution to the claimed is a bubbler apparatus for growing microorganisms (see AS SU, 1708829, IPC S12M 1/04) containing a container with pipes for supplying and discharging the medium and supplying and discharging gas. A circulation pipe and an aerator are placed in the tank, which is a perforated pipe in the form of a vertical spiral, the turns of which form a cone facing upwards, while the diameter of the upper coil of the spiral is equal to the inner diameter of the circulation pipe and is located at the lower end of this pipe. The apparatus provides the conditions for a uniform distribution of gas throughout the volume and effective dispersion of the gas-liquid flow in the area of the aerator.

Недостатками известного технического решения является несколько сниженная производительность из-за отсутствия устройства прогрева биомассы, вследствие чего не поддерживаются оптимальные параметры температуры. Кроме того, недостаточно стабильно и полно идут процессы ферментации биомассы во всем ее объеме, так как патрубки подачи и слива расположены на одном уровне, а слив отферментированного субстрата происходит при подъеме уровня среды выше сливного патрубка во время загрузки новой порции биомассы, что ведет к попаданию ее в готовое удобрение.The disadvantages of the known technical solution is a slightly reduced productivity due to the lack of a biomass heating device, as a result of which the optimum temperature parameters are not supported. In addition, the processes of biomass fermentation in its entire volume are insufficiently stable and complete, since the supply and drain pipes are at the same level, and the fermented substrate is drained when the medium level rises above the drain pipe during loading of a new portion of biomass, which leads to ingress her into finished fertilizer.

Техническим результатом заявленного технического решения является повышение интенсивности, стабильности и достижение полноты биохимических процессов за счет обеспечения оптимальных параметров температуры и полного, интенсивного перемешивания биомассы.The technical result of the claimed technical solution is to increase the intensity, stability and achieve the completeness of biochemical processes by providing optimal temperature parameters and complete, intensive mixing of biomass.

Технический результат достигается тем, что биореактор содержит корпус с патрубками для подачи перерабатываемой биомассы, слива готового удобрения, циркуляционную трубу и аэратор, представляющий собой равномерно перфорированную трубу в виде вертикальной спирали, витки которой образуют конус обращенный основанием вверх, при этом диаметр верхнего витка спирали равен внутреннему диаметру циркуляционной трубы и расположен на уровне его нижнего среза. Циркуляционная труба расположена в центре корпуса и представляет собой емкость цилиндрической формы, состоящую из двух труб различного диаметра, пространство между которыми заполнено подогреваемой водой для подогрева биомассы. Патрубки для подачи биомассы и слива готового удобрения расположены на противоположных сторонах, причем патрубок подачи биомассы расположен в верхней части корпуса, а патрубок слива - в нижней.The technical result is achieved by the fact that the bioreactor contains a housing with nozzles for feeding the processed biomass, draining the finished fertilizer, a circulation pipe and an aerator, which is a uniformly perforated pipe in the form of a vertical spiral, the turns of which form a cone with its base turned upward, while the diameter of the upper coil of the spiral is the inner diameter of the circulation pipe and is located at the level of its lower cut. The circulation pipe is located in the center of the casing and is a cylindrical tank consisting of two pipes of various diameters, the space between which is filled with heated water to heat the biomass. The nozzles for supplying biomass and draining the finished fertilizer are located on opposite sides, and the nozzle for supplying biomass is located in the upper part of the body, and the drain nozzle is in the bottom.

Выполнение корпуса биореактора с циркуляционной трубой в виде цилиндрической емкости, заполненной подогреваемой водой, с размещением патрубков подачи исходного субстрата и слива готового удобрения соответственно в верхней и нижней частях корпуса позволяет получить готовое удобрение, без попадания в него непереработанной биомассы при загрузке новой порции и обеспечивает полную и интенсивную переработку биомассы при стабильности температурного режима и интенсивном перемешивании за счет размещения циркуляционной трубы в центре корпуса и закрепления у ее основания перфорированной трубы, которые взаимодействуя создают разность плотностей сред внутри и вокруг циркуляционной трубы, приводя к циркуляции биомассы в корпусе.The implementation of the bioreactor casing with a circulation tube in the form of a cylindrical tank filled with heated water, with the placement of the supply pipes of the source substrate and draining the finished fertilizer, respectively, in the upper and lower parts of the casing allows you to get the finished fertilizer, without getting into it unprocessed biomass when loading a new portion and provides full and intensive biomass processing with temperature stability and intensive mixing due to the placement of the circulation pipe in the center of the building mustache and fixing at its base a perforated pipe, which interacting create a difference in the density of the media in and around the circulation pipe, leading to the circulation of biomass in the housing.

Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом позволяет установить наличие отличительных от прототипа признаков. Следовательно заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна».Comparison of the proposed technical solution with the prototype allows you to establish the presence of distinctive features from the prototype. Therefore, the claimed technical solution meets the criterion of "novelty."

Анализ технических решений показал, что заявленная совокупность признаков, обеспечивающая повышение интенсивности, стабильности и полноты биохимических процессов за счет полного перемешивания биомассы и обеспечения оптимальной температуры по всему объему при их совокупности с другими элементами устройства неизвестна из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию «изобретательский уровень».An analysis of technical solutions showed that the claimed combination of features, providing increased intensity, stability and completeness of biochemical processes due to complete mixing of biomass and ensuring optimal temperature throughout the volume when combined with other elements of the device is unknown from the prior art and, therefore, meets the criterion of "inventive level".

Простота изготовления и доступность использования биореактора в малых и крупных фермерских хозяйствах, а также простота обслуживания установки, заключающаяся в наблюдении за температурным режимом, подачей биогаза в газгольдер и в барботажное устройство и в выгрузке готового удобрения и загрузке биомассы один раз в сутки 1/10 части объема, позволяет его широко использовать, что доказывает соответствие его критерию «промышленная применимость».The simplicity of production and the availability of the bioreactor in small and large farms, as well as the ease of maintenance of the installation, consisting in monitoring the temperature regime, supplying biogas to the gas tank and the bubbler device and unloading the finished fertilizer and loading biomass once a day 1/10 part volume, allows it to be widely used, which proves compliance with its criterion of "industrial applicability".

На фиг.1 изображен биореактор, продольный разрез; на фиг.2 разрез А-А.Figure 1 shows a bioreactor, a longitudinal section; figure 2 section aa.

Биореактор барботажного типа содержит цилиндрический вертикальный корпус 1 с патрубком 2 для подачи перерабатываемой массы, патрубком 3 для слива готового удобрения, патрубком 4 для отвода получаемого биогаза, установленного на верхней образующей корпуса 1. В центре корпуса 1 размещена циркуляционная труба, представляющая собой цилиндрическую емкость 5, состоящую из двух труб различного диаметра, пространство между которыми заполнено водой, подогреваемой, например, с помощью ТЭНов или полученного биогаза. Кроме того, корпус 1 содержит равномерно перфорированную трубу 6 в виде вертикальной спирали, витки которой образуют конус обращенный основанием вверх, при этом диаметр верхнего витка спирали трубы 6 равен внутреннему диаметру циркуляционной трубы 5 и расположен на уровне ее нижнего среза.The bubbler bioreactor contains a cylindrical vertical body 1 with a pipe 2 for supplying the processed mass, a pipe 3 for draining the finished fertilizer, a pipe 4 for removing the biogas obtained, mounted on the upper forming part of the housing 1. In the center of the housing 1 there is a circulation pipe representing a cylindrical tank 5 , consisting of two pipes of different diameters, the space between which is filled with water, heated, for example, with the help of heating elements or obtained biogas. In addition, the housing 1 contains a uniformly perforated pipe 6 in the form of a vertical spiral, the turns of which form a cone with the base turned upward, while the diameter of the upper spiral of the pipe 6 is equal to the inner diameter of the circulation pipe 5 and is located at the level of its lower cut.

Биореактор работает следующим образом.The bioreactor operates as follows.

В корпус 1 через патрубок 2 подают перерабатываемую биомассу с влажностью 85-90%, по окончании процесса отферментированная среда выводится через патрубок 3. Циркуляционную трубу 5 заполняют водой, подогреваемой, например, ТЭНом. Вследствие этого биомасса нагревается до оптимальной температуры процесса 35-40 ^QC, выдерживается в корпусе 1 в течение 7-10 дней для ее сбраживания и полной переработки в готовое экологически чистое удобрение с получением биогаза. Биогаз собирается в верхней части корпуса 1 и через патрубок 4 поступает для дальнейшего потребления. Готовое удобрение через 7-10 дней в количестве 1/10 части по объему удаляют из корпуса 1 через патрубок 3, а в корпус 1 через патрубок 2 загружают новую порцию перерабатываемой биомассы в количестве 1/10 части по объему. Процесс выгрузки 1/10 части по объему готового удобрения и загрузки новой порции в таком же количестве перерабатываемой биомассы происходит один раз в сутки. Часть биогаза с помощью компрессора подается в перфорированную трубу 6 и через перфорацию поступает в корпус 1 внутрь циркуляционной трубы 5. Разность плотностей сред с внутренней стороны циркуляционной трубы 5 и вокруг нее приводит к циркуляции прогретой биомассы в корпусе 1. Выполнение перфорированной трубы 6 в виде конусообразной спирали с равномерно расположенными отверстиями дает возможность равномерно распределять струи и пузырьки газа по сечению циркуляционной трубы 5.The processed biomass with a moisture content of 85-90% is fed into the housing 1 through the pipe 2, at the end of the process, the fermented medium is discharged through the pipe 3. The circulation pipe 5 is filled with water heated, for example, by a heating element. As a result, the biomass is heated to the optimum process temperature of 35-40 ^Q C, kept in the housing 1 for 7-10 days for fermentation and complete processing into a ready-made environmentally friendly fertilizer to produce biogas. Biogas is collected in the upper part of the housing 1 and through the pipe 4 enters for further consumption. After 7-10 days, the finished fertilizer in the amount of 1/10 part by volume is removed from the housing 1 through the nozzle 3, and a new portion of the processed biomass in the amount of 1/10 part by volume is loaded into the housing 1 through the nozzle 2. The process of unloading 1/10 of the volume of finished fertilizer and loading a new portion in the same amount of processed biomass occurs once a day. Part of the biogas is supplied to the perforated pipe 6 by means of a compressor and through the perforation enters the housing 1 inside the circulation pipe 5. The difference in the density of the media on the inside of the circulation pipe 5 and around it leads to the circulation of the heated biomass in the housing 1. The perforated pipe 6 is made in the form of a cone-shaped spirals with evenly spaced openings makes it possible to evenly distribute jets and gas bubbles over the cross section of the circulation pipe 5.

Таким образом, интенсивное перемешивание и поддержание оптимальных параметров температуры биомассы позволит, по сравнению с прототипом, повысить интенсивность, стабильность и полноту биохимических процессов в биореакторе, а также обеспечить более высокий прирост производительности по целевому продукту (выход биогаза и экологически чистого удобрения).Thus, intensive mixing and maintaining optimal parameters of the biomass temperature will allow, in comparison with the prototype, to increase the intensity, stability and completeness of biochemical processes in the bioreactor, as well as to provide a higher increase in productivity in the target product (biogas and environmentally friendly fertilizer output).

Claims

A bioreactor comprising a casing with process pipes, a circulation pipe located in the center of the casing and a uniformly perforated pipe located below it in the form of a vertical spiral, the turns of which form a cone facing upwards, the diameter of the upper coil being equal to the inner diameter of the circulation pipe and located at the lower a cut of this pipe, characterized in that the circulation pipe is made in the form of a cylindrical tank, consisting of two pipes of different diameters, the space between which filled with heated water for heating the biomass, while the technological pipes include a pipe for supplying the processed biomass located in the upper part of the housing, and a fertilizer drain pipe located in the lower part of the housing.