SK500022022A3

SK500022022A3 - Bioreactor for continuous production of biogas from liquid biosubstrate

Info

Publication number: SK500022022A3
Application number: SK500022022A
Authority: SK
Inventors: Dr. h. c. mult. prof. Ing. Badida Miroslav PhD; Ing. Dzuro Tibor PhD; doc. Ing. Šebo Juraj PhD; Mgr. Ing Badidová Miroslava
Original assignee: Technická Univerzita V Košiciach
Priority date: 2022-01-26
Filing date: 2022-01-26
Publication date: 2022-08-10

Abstract

Opísaný je bioreaktor na kontinuálnu výrobu bioplynu pozostávajúci z hermetizovanej nádoby (28), ktorá stojí na pevnej nadzemnej základovej konštrukcii (29), zvrchu ju zakrýva kužeľová kupola (27) a zboku je do nej zapustený násypný lievik (1) a výpustný lievik (7) s hrdlom a výpustom s fekálnou koncovkou (14). Na dne nádoby (28) je cez hriadeľ (21) s elektromotorom (18) osadená stierka (15) s odkaľovacím potrubím (17) a fekálnou pákovou koncovkou (16). Pod kužeľovou kupolou (27) je umiestnený výpustný plynový ventil (3) s poistným ventilom (2) pretlaku.A bioreactor for the continuous production of biogas is described, consisting of a hermetic container (28), which stands on a solid above-ground foundation structure (29), is covered on top by a conical dome (27), and a hopper (1) and a discharge funnel (7) are embedded in it from the side. ) with a neck and outlet with fecal end (14). At the bottom of the container (28) a squeegee (15) with a sludge drain pipe (17) and a faecal lever end (16) is mounted through a shaft (21) with an electric motor (18). Under the conical dome (27) there is a gas outlet valve (3) with an overpressure safety valve (2).

Description

Oblasť technikyThe field of technology

Bioreaktor na kontinuálnu výrobu bioplynu z kvapalného biosubstrátu je zariadenie na využívanie biologicky rozložiteľného odpadu ako obnoviteľného zdroja energie. Vynález sa týka zariadenia na kontinuálnu výrobu bioplynu z kvapalného biosubstrátu v reaktore s riadiacimi prvkami, snímačmi zloženia plynu a biologického zloženia biosubstrátu a následne sofistikovanou úpravou zloženia biosubstrátu inokuláciou vhodnými baktériami a prísadami enzýmov a živín, a tým urýchliť a intenzifikovať proces plynofikácie. Celý proces je kontinuálny, riadený počítačom s unikátnym softvérom, ktorý kombinuje a dávkuje príslušné ingridienty. Vynález patrí do oblasti alternatívnych zdrojov energie.A bioreactor for the continuous production of biogas from a liquid biosubstrate is a device for using biodegradable waste as a renewable energy source. The invention relates to a device for the continuous production of biogas from a liquid biosubstrate in a reactor with control elements, sensors of the gas composition and the biological composition of the biosubstrate and, subsequently, a sophisticated adjustment of the composition of the biosubstrate by inoculation with suitable bacteria and additives of enzymes and nutrients, thereby speeding up and intensifying the gasification process. The whole process is continuous, controlled by a computer with unique software that combines and doses the relevant ingredients. The invention belongs to the field of alternative energy sources.

Doterajší stav technikyCurrent state of the art

Výroba bioplynu z biologicky rozložiteľných látok je známa niekoľko tisícročí, známe sú nálezy jamových reaktorov bioplynu v Číne z historického obdobia, kde sa zvieracie aj ľudské exkrementy trubkami vpúšťali do jamy s utesneným vekom, z ktorého bol potrubný vývod bioplynu k horákom.The production of biogas from biodegradable substances has been known for several millennia, there are known finds of biogas pit reactors in China from the historical period, where animal and human excrement were piped into a pit with a sealed lid, from which the biogas was piped to the burners.

V súčasnosti začínajú byť v realizácii domáce bioplynové stanice (HomeBiogas). Ide o malý bioplynový systém, ktorý je veľkostne určený pre domácnosti. Tento systém transformuje organický odpad akéhokoľvek pôvodu na bioplyn, ktorý možno využiť napríklad na varenie. Táto domáca bioplynová stanica tiež z odpadu produkuje kvalitné tekuté hnojivo, ktoré možno použiť na prihnojovanie v záhradke. Každý deň dokáže vyrobiť 5-8 litrov tekutého organického hnojiva a bioplyn, ktorý kapacitne stačí na 2 - 4 hodiny varenia.Currently, home biogas stations (HomeBiogas) are starting to be implemented. It is a small biogas system designed for households. This system transforms organic waste of any origin into biogas, which can be used, for example, for cooking. This domestic biogas station also produces high-quality liquid fertilizer from waste, which can be used to fertilize the garden. Every day it can produce 5-8 liters of liquid organic fertilizer and biogas, which is enough for 2-4 hours of cooking.

Známe sú tiež malé poľnohospodárske bioplynové stanice ako samostatné jednotky, spracovávajúce anaeróbne stabilizáciou organický odpad, vznikajúci na farme. V prevažnej miere sa jedná o hnojovicu, hydinový trus, alebo slamový hnoj z chovu hospodárskych zvierat. Menšiu časť predstavujú organické odpady z domácnosti. Z hľadiska ekonomiky prevádzky bioplynovej stanice je účelné spracovávať aj iné vhodné odpady. Praxou preverené je napríklad spracovanie kuchynského odpadu, hlavne tukové odpady. V tomto prípade sa dosiahne dvojitého efektu, zvýši sa produkcia bioplynu a získa sa finančná úhrada za likvidáciu odpadov od producenta, jedální, reštaurácií a pod.Small agricultural biogas stations are also known as separate units, processing organic waste generated on the farm through anaerobic stabilization. It is mostly manure, poultry droppings, or straw manure from livestock farming. A smaller part is represented by organic household waste. From the point of view of the economy of the operation of the biogas station, it is expedient to process other suitable wastes as well. For example, the processing of kitchen waste, especially fatty waste, is proven by practice. In this case, a double effect will be achieved, biogas production will increase and financial compensation will be obtained for the disposal of waste from the producer, canteens, restaurants, etc.

Bioplyn vznikajúci pri anaeróbnej fermentácii je využívaný predovšetkým na produkciu elektrickej energie a tepla v kogeneračnej jednotke. Prípadný prebytok elektrickej energie sa dodáva do verejnej siete. Veľkosť poľnohospodárskych bioplynových staníc závisí na veľkosti a zamerania farmy. Väčšinou sa v Európe pohybuje v rozmedzí 30 - 400 ekvivalentných obyvateľov.Biogas produced during anaerobic fermentation is primarily used for the production of electricity and heat in a cogeneration unit. Any excess electricity is supplied to the public grid. The size of agricultural biogas plants depends on the size and focus of the farm. Mostly in Europe it is in the range of 30-400 equivalent inhabitants.

V praxi sa používa horizontálne prietokový reaktor (Darmstadt systém), reaktor je oceľová alebo plastová, tepelne izolovaná valcová nádrž v priemere spravidla 2 - 3 m, dĺžky podľa potrebnej kapacity reaktora. Vzhľadom k možnosti transportu sa takéto reaktory používajú v objemov 50 - 100 m³. Často sa využívajú použité zásobníky na naftu. Nádrž je uložená na betónových podstavcoch tak, aby jej sklon bol 3 - 5 %. Hnoj sa čerpá do vyššie položenej časti, premiešavanie obsahu reaktora a pohyb zmesi smerom k druhému nižšie položenému koncu je zabezpečené lopatkami, umiestnenými na hriadeli prechádzajúcom horizontálnou osou reaktora. Rýchlosť miešania je pomalá, 1-3 otáčky za minútu. Tomu zodpovedá aj nízka spotreba energie na miešanie, 700 - 900 wattový motor je dostatočný pre miešanie 100 m³ hnojovice obsahujúce slamu. Vznikajúci bioplyn sa hromadí v hornej časti reaktora, odkiaľje odvádzaný do plynojemu. V spodnej časti, v najnižšom bode reaktora, je jeden alebo viac odkalovacích ventilov. Vykurovanie je riešené rozvodom trubiek vnútri reaktora. Bežné je aj umiestnenie v dvojitej stene reaktora, alebo je vykurovanie integrované s miešaním a je umiestnené v dutej hriadeli miešadla. Vzhľadom k pomerne veľkým investičným nákladom, sa tento typ reaktora využíva hlavne k fermentácii „hustejších odpadov ako je hydinový trus, domový odpad alebo kal s vyšším obsahom slamy, kedy sa využíva vhodnosť tohto typu riešenia.In practice, a horizontal flow reactor (Darmstadt system) is used, the reactor is a steel or plastic, thermally insulated cylindrical tank with a diameter of usually 2-3 m, length according to the required capacity of the reactor. Due to the possibility of transport, such reactors are used in volumes of 50-100 m ³ . Used diesel tanks are often used. The tank is placed on concrete bases so that its slope is 3-5%. The manure is pumped into the higher part, the mixing of the contents of the reactor and the movement of the mixture towards the other, lower end is provided by paddles located on a shaft passing through the horizontal axis of the reactor. The mixing speed is slow, 1-3 revolutions per minute. This also corresponds to the low energy consumption for mixing, a 700-900 watt motor is sufficient for mixing 100 m ^{3 of} manure containing straw. The resulting biogas accumulates in the upper part of the reactor, from where it is discharged into the gas reservoir. At the bottom, at the lowest point of the reactor, there are one or more blowdown valves. Heating is solved by the distribution of pipes inside the reactor. It is also common to place it in a double wall reactor, or the heating is integrated with the stirring and is placed in the hollow shaft of the stirrer. Due to the relatively large investment costs, this type of reactor is mainly used for the fermentation of denser waste such as poultry droppings, household waste or sludge with a higher straw content, when the suitability of this type of solution is used.

Vertikálne reaktory vychádzajú zo štandardných, oceľových, alebo betónových, uskladňovacích nádrží na hnojovicu, prípadne obilia. Prestavanie takejto nádrže na reaktor, vyžaduje zabezpečiť jej plynotesnosť a tepelnú izoláciu. K zabezpečeniu plynotesnosti stačí kvalitná betónová konštrukcia nádrže a strechy, prípadne doplnená hermeticky tesná fóliou. K tepelnej izolácii sa používajú bežné izolačné materiály, ako je polystyrén, alebo sklená vata.Vertical reactors are based on standard steel or concrete storage tanks for manure or grain. Converting such a tank to a reactor requires ensuring its gas tightness and thermal insulation. To ensure gas tightness, a high-quality concrete structure of the tank and roof, or supplemented with a hermetically sealed foil, is sufficient. Common insulating materials such as polystyrene or glass wool are used for thermal insulation.

V niektorých prípadoch sú nádrže umiestnené pod úrovňou terénu. Nádrže sú vyrábané sériovo, čo sa prejavuje v nižšej cene za jednotku objemu. Používané objemy sa pohybujú v rozmedzí 250 - 600 m³, aj keď existujú reaktory s objemami až 1200 m³. Hĺbka reaktorov býva 3 - 6 m a priemer 8 -18 m. Tieto reaktory sú často používané ako dvojúčelové, kedy v priebehu roka pracujú s rôznym harmonogramom dávkovania. V lete a na jeseň sú naplnené len do úrovne zabezpečujúca minimálnu dobu zdržania 20 - 30 dní. Tým sa pripravuje rezerva na uskladnenie niekoľko sto m³ hnojovice na zimné a jarné obdobie, kedy sa nemôže aleboIn some cases, the tanks are located below ground level. The tanks are produced in series, which is reflected in a lower price per unit of volume. The volumes used are in the range of 250-600 m ³ , although there are reactors with volumes of up to 1200 m ³ . The depth of the reactors is usually 3-6 m and the diameter is 8-18 m. These reactors are often used as dual-purpose reactors, where they work with different dosing schedules during the year. In summer and autumn, they are filled only to a level ensuring a minimum retention time of 20-30 days. This prepares a reserve for the storage of several hundred m ³ of manure for the winter and spring periods, when it cannot or

SK 50002-2022 A3 nesmie hnojovica aplikovať na pole. Pri naplnenom reaktora je doba zdržania cez 60 dní, čo zaručuje dostatočnú produkciu bioplynu a stabilný chod fermentora aj v zimnom období. Približne 1/3 bioplynových staníc v Nemecku používa plynotesné nádrže na uskladnenie stabilizovanej hnojovice a súčasne ako zásobníky bioplynu. V niektorých prípadoch nádrže s hermeticky tesnou membránovou strechou slúži aj ako fermentor. Často sa používajú dvojité membrány, kedy sa do membránového medzipriestoru ventilátorom vháňa vzduch pod tlakom 200 - 300 Pa, ktorým sa nafúkne vonkajšia membrána slúžiaca ako strecha a tlak vzduchu pôsobiaci na vnútornú membránu, oddeľujúcu bioplyn, zabezpečuje dostatočný pretlak bioplynu pre ďalšie využitie (napr.: Viessmann).SK 50002-2022 A3 manure must not be applied to the field. When the reactor is full, the retention time is over 60 days, which guarantees sufficient biogas production and stable operation of the fermenter even in winter. About 1/3 of the biogas plants in Germany use gas-tight tanks for the storage of stabilized manure and at the same time as biogas reservoirs. In some cases, a tank with a hermetically sealed membrane roof also serves as a fermenter. Double membranes are often used, when air under a pressure of 200-300 Pa is blown into the membrane space by a fan, which inflates the outer membrane serving as a roof, and the air pressure acting on the inner membrane, which separates the biogas, ensures sufficient overpressure of the biogas for further use (e.g. : Viessmann).

Zo zverejnených údajov vyplýva, že v súčasnosti je na Slovensku pripojených 111 bioplynových staníc s úhrnným výkonom 103 MW a plánovanou ročnou výrobou 810 526 MWh elektrickej energie. Na rastúcom slovenskom trhu s obnoviteľnými zdrojmi energie sa do roku 2013 významnejšie presadzovali aj investície do bioplynových staníc. V roku 2014 však nastal zásadný útlm v ich inštalovaní. V nasledujúcom prehľade uvádzame pripojených elektrární z bioplynu v SR podľa informácií od Úradu pre reguláciu sieťových odvetví z júla 2015, spolu s opisom celkového inštalovaného výkonu, lokalizácie bioplynovej stanice a technológie.It follows from the published data that currently 111 biogas stations are connected in Slovakia with a total output of 103 MW and a planned annual production of 810,526 MWh of electricity. In the growing Slovak market for renewable energy sources, by 2013, investments in biogas stations were also more prominent. In 2014, however, there was a fundamental slowdown in their installation. In the following overview, we present connected biogas power plants in the Slovak Republic according to information from the Office for the Regulation of Network Industries from July 2015, together with a description of the total installed capacity, location of the biogas station and technology.

Demonštračné bioplynové zariadenie na Slovensku je vybudované vo Vysokoškolskom poľnohospodárskom podniku (VPP) SPU v Kolíňanoch pri Nitre. Do prevádzky bolo uvedené už v roku 2000. Je naprojektované na využitie exkrementov od 80 veľkých dobytčích jednotiek (VDJ) k produkcii bioplynu a následne na kogeneračnú výrobu elektrickej (22 kWel) a tepelnej energie (45 kWt).The demonstration biogas plant in Slovakia is built in the University Agricultural Enterprise (VPP) of SPU in Kolínany near Nitra. It was put into operation already in 2000. It is designed to use excrement from 80 large cattle units (VDJ) for the production of biogas and subsequently for the cogeneration production of electricity (22 kWel) and thermal energy (45 kWt).

V Čechách je to napr. bioplynová stanica Knežice má v súčasnosti jeden anaeróbny reaktor (fermentor) s objemom kalovej časti približne 2 500 m³, nad ktorého hladinou je beztlakový plynojem bioplynu s objemom 800 m³, zakrytú homogenizačnú zbernú nádrž s objemom približne 200 m³ na premiešavanie vstupných spracovávaných surovín a odpadov pred ich prečerpaním do fermentora, hygienizačnú linku na tepelnú hygienizáciu rizikových odpadov, drviacu linku na rozomletie tuhých rizikových odpadov a dve uskladňovacie nádrže na vyfermentovaný kal s celkovým objemom 2 x6 300 m³. Hygienizačná linka s príjmovou drviacou linkou a kogeneračná jednotka sú umiestnené v halách v prevádzkovej budove bioplynovej stanice. Ostatné zariadenia a nádrže patria medzi vonkajšie objekty. Na trhu sú v súčasnosti známe napr. prípravky APD BIO GAS, čo je zmes bakteriálnych kultúr, enzýmov a živín potrebných pre činnosť mikroorganizmov podporujúcich metánogenéziu, anaeróbny proces prebiehajúci prostredníctvom mikroorganizmov. Ich vplyvom je organická hmota intenzívnejšie degradovaná za vzniku metánu, oxidu uhličitého alebo dikarbonátu. Výsledkom pôsobenia prípravkov v bioplynových staniciach je lepší, účinnejší a rýchlejší rozklad biomasy (exkrementy zvierat, dendromasa, biomasa, tekutý kal z biologických čistiarní odpadových vôd a pod., ale tiež odpady zo spracovateľského a potravinárskeho priemyslu). Dávkovaním prípravku APD BIO GAS dochádza k účinnejšej metánogenézií a ku navýšeniu množstva produkovaného bioplynu, nie je ale presne stanovené ich množstvo, doba použitia a predovšetkým vhodnosť použitia pre konkrétne zloženie substrátu.In the Czech Republic it is e.g. the Knežice biogas station currently has one anaerobic reactor (fermenter) with a volume of the sludge part of approximately 2,500 m ³ , above which there is a pressureless biogas gas tank with a volume of 800 m ³ , a covered homogenization collection tank with a volume of approximately 200 m ³ for mixing the input processed raw materials and waste before they are pumped into the fermenter, a sanitation line for thermal sanitation of hazardous waste, a crushing line for grinding solid hazardous waste and two storage tanks for fermented sludge with a total volume of 2 x 6,300 m ³ . The sanitization line with the incoming crushing line and the cogeneration unit are located in the halls in the operating building of the biogas station. Other equipment and tanks belong to external objects. Currently known on the market are e.g. APD BIO GAS preparations, which is a mixture of bacterial cultures, enzymes and nutrients necessary for the activity of microorganisms supporting methanogenesis, an anaerobic process taking place through microorganisms. Due to their influence, the organic matter is more intensively degraded with the formation of methane, carbon dioxide or bicarbonate. The result of the action of preparations in biogas stations is a better, more efficient and faster decomposition of biomass (animal excrement, dendromass, biomass, liquid sludge from biological wastewater treatment plants, etc., but also waste from the processing and food industry). By dosing the preparation APD BIO GAS, more effective methanogenesis and an increase in the amount of produced biogas occur, but their amount, duration of use and, above all, the suitability of use for the specific composition of the substrate are not precisely determined.

K 2. 10. 2020 je podľa spracovanej analýzy na Slovensku 113 bioplynových staníc, z toho 94 na kukuričnú siláž, pričom zvyšok tvoria čističky odpadových vôd (9) a skládky odpadu (10). Ich priemerný výkon je 1 MW, celkový inštalovaný výkon je 115 MW, čo dáva technický priestor na nové riešenie sofistikovaných bioreaktorov.As of October 2, 2020, according to the processed analysis, there are 113 biogas stations in Slovakia, of which 94 are for corn silage, while the rest are wastewater treatment plants (9) and waste landfills (10). Their average power is 1 MW, the total installed power is 115 MW, which gives technical space for a new solution of sophisticated bioreactors.

Známe sú tiež niektoré patentované riešenia bioreaktorov.Some patented bioreactor solutions are also known.

DE10164458 A1 (FRAUNHOFER GES FORSCHUNG) 10. júl 2003, opisuje bioreaktor na kultiváciu mikroorganizmov s podporou toku plynu, ktorý však nie je použiteľný na výrobu bioplynu.DE10164458 A1 (FRAUNHOFER GES FORSCHUNG) July 10, 2003, describes a bioreactor for the cultivation of microorganisms with gas flow support, but which is not applicable for the production of biogas.

EP2379694 A1 (BAYER TECHNOLOGY SERVICES GMBH) 26. október 2011, sa týka bioreaktora, použitia bioreaktora na kultiváciu mikroorganizmov alebo bunkových kultúr a tiež spôsobu kultivácie mikroorganizmov alebo bunkových kultúr, nie na výrobu bioplynu kontinuálnym spôsobom.EP2379694 A1 (BAYER TECHNOLOGY SERVICES GMBH) October 26, 2011, relates to a bioreactor, the use of a bioreactor for cultivating microorganisms or cell cultures, and also a method for cultivating microorganisms or cell cultures, not for the production of biogas in a continuous manner.

EP1685233 A1 (SAROKO ENERGY SYSTEMS LTD) 02. august 2006, opisuje bioreaktor, ktorý je konštruovaný na kontinuálne alebo v podstate kontinuálne anaeróbne štiepenie organických látok. Bioreaktorom je samostatná jednotka malého rozsahu, ktorá je vhodná pre malé priemyselné alebo domáce použitie. Bioreaktor obsahuje hlavnú reakčnú komoru a viacero reakčných komôr. Komory sú usporiadané tak, aby organické látky mohli gravitačné prechádzať zo vstupu, cez komory a do hlavnej reakčnej komory. Dodatočnú organickú hmotu je možné zaviesť do bioreaktora vstupom do prvej protikomory bez toho, aby to podstatne ovplyvnilo hladinu kyslíka v hlavnej reakčnej komore, čím sa zachová účinnosť rýchlosti produkcie metánu počas digescie v hlavnej komore. Bioreaktor môže byť napojený na odtok splaškov z domáceho obydlia. Uvedené riešenie neobsahuje možnosti pridávania prísad do procesu, ultrazvukové extrakčné zariadenie, ani multifunkčné snímače bioplynu a biosubstrátu.EP1685233 A1 (SAROKO ENERGY SYSTEMS LTD) 02 August 2006 describes a bioreactor which is designed for continuous or substantially continuous anaerobic digestion of organic substances. A bioreactor is a self-contained, small-scale unit that is suitable for small industrial or domestic use. The bioreactor contains a main reaction chamber and several reaction chambers. The chambers are arranged in such a way that organic substances can pass by gravity from the inlet, through the chambers and into the main reaction chamber. Additional organic matter can be introduced into the bioreactor by entering the first counter chamber without significantly affecting the oxygen level in the main reaction chamber, thereby maintaining the efficiency of the methane production rate during digestion in the main chamber. The bioreactor can be connected to the domestic sewage drain. The mentioned solution does not include the possibility of adding additives to the process, ultrasonic extraction equipment, or multifunctional biogas and biosubstrate sensors.

US2018214831 A1 (LIFE TECHNOLOGIES CORP) 02. august 2018, opisuje konštrukciu bioreaktora, ktorý obsahuje nosnú nádobu s aktívnym vnútorným povrchom, pričom podperné puzdro má bočnú stenu s otvorom, cez ktorý prechádza komunikačné vedenie. Konštrukcia tiež obsahuje miešacie prvky na hriadeľochUS2018214831 A1 (LIFE TECHNOLOGIES CORP) 02 Aug 2018, describes the construction of a bioreactor that includes a support vessel with an active interior surface, the support housing having a side wall with an opening through which a communication line passes. The design also includes mixing elements on the shafts

SK 50002-2022 A3 a konkrétnejšie bioreaktorových systémov s nosičmi pre skúmavky a sondy. Obsahuje niekoľko obrázkov a je zrejmé, že tieto výkresy zobrazujú iba typické uskutočnenia vynálezu, a preto ich nemožno považovať za obmedzujúce jeho rozsah. Vynález nie je určený na výrobu bioplynu.SK 50002-2022 A3 and more specifically bioreactor systems with carriers for test tubes and probes. Several figures are included and it is understood that these drawings show only typical embodiments of the invention and therefore should not be considered as limiting its scope. The invention is not intended for the production of biogas.

SK287581 B6 (GFE PATENT AS) 04. marec 2011, v spôsobe organický materiál spracováva tlakovým varením s vápnom, je v ňom schematicky a slovne opísané zariadenie na vykonávanie tohto spôsobu, s dodatkom, že navyše produkuje bioplyn. Uvedené riešenie nepredstavuje konštrukčnú inováciu, v nárokoch podrobne rieši biochemické procesy.SK287581 B6 (GFE PATENT AS) 04 March 2011, in the method of processing organic material by pressure cooking with lime, it schematically and verbally describes the device for carrying out this method, with the addition that it also produces biogas. The mentioned solution does not represent a design innovation, the claims address biochemical processes in detail.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Podstatou vynálezu je hermetizovaná nádoba o objeme 50 až 100 m³ z tepelnoizolačného materiálu s vystužením špirálovými ohrevnými/chladiacimi rúrami, na pevnej nadzemnej konštrukcii. Zvrchu Bioreaktor zakrýva kužeľová kupola s priehľadnou montážnou prírubou. Na jeho kontinuálne plnenie kvapalným biosubstrátom slúži zapustený lievik s hrdlom a výpusťou pod hladinou biosubstrátu, kontrolovanej hladinomerom. Pod kupolou reaktora (nad hladinou flotátu) je priestor- plynojem. Pod hladinou sú najmenej dve vrtuľové elektrické miešadla, stierka na dne reaktora a biosubstrát sa extrahuje ultrazvukom extrakčnou tyčou do jednoduchších organických molekúl. Teplotný režim je určený riadiacim systémom v rozmedzí 30 až 75 °C. Vstupy do riadiaceho systému, informácie o zložení bioplynu a biosubstrátu sú importované z multifunkčných snímačov - teploty, pH, chemických prvkov, organických látok a mikrobiologických pochodov ako vstup pre softvér na dávkovanie ingrediencií cez lieviky prísad, osadených poklopom s násypným otvorom a dávkovacou klapkou s elektromotorom.The essence of the invention is a sealed container with a volume of 50 to 100 m ³ made of heat-insulating material reinforced with spiral heating/cooling pipes, on a fixed above-ground structure. The top of the Bioreactor is covered by a conical dome with a transparent mounting flange. A recessed funnel with a neck and outlet below the level of the biosubstrate, controlled by a level meter, is used to continuously fill it with liquid biosubstrate. Under the dome of the reactor (above the surface of the float) there is a gas reservoir. Below the surface there are at least two propeller electric stirrers, a scraper at the bottom of the reactor, and the biosubstrate is extracted ultrasonically with an extraction rod into simpler organic molecules. The temperature regime is determined by the control system in the range of 30 to 75 °C. Inputs to the control system, information on the composition of biogas and biosubstrate are imported from multifunctional sensors - temperature, pH, chemical elements, organic substances and microbiological processes as an input for the software for dosing ingredients through additive funnels, fitted with a lid with a filling hole and a dosing valve with an electric motor .

Flotát z povrchu hladiny je odvádzaný lievikom na ďalšie spracovanie. Kal na dne reaktora je rotačnou škrabkou s pohonom elektromotorom cez hriadeľ vháňaný do odkaľovacieho potrubia na ďalšie spracovanie a využitie. Bioplyn je odvádzaný pretlakom do úžitkového potrubia cez detektor bioplynu a pretlak je istený poistným ventilom.The float from the water surface is removed through a funnel for further processing. Sludge at the bottom of the reactor is driven by a rotary scraper driven by an electric motor through a shaft into the sludge pipe for further processing and use. The biogas is removed by overpressure into the utility pipe through the biogas detector and the overpressure is secured by a safety valve.

Technické komponenty bioreaktora sú montážna príruba, elektroinštalačná rozvodná skrinka, vstupy, výstupy a potrubie chladiaceho/ohrevného média so štandardnými koncovkami, ďalej rebrík a dvere.The technical components of the bioreactor are the mounting flange, wiring distribution box, inlets, outlets and piping of the cooling/heating medium with standard terminals, as well as a ladder and a door.

Výhodou bioreaktora je predovšetkým kontinuálne, hermetizované plnenie a výpúšťanie biosubstrátu po fermentácii, nevzniká pritom degistát. Výhodou je vysoká výťažnosť bioplynu, ale tiež možnosť prepojenia na ďalšie technické zariadenia, ako vykurovací systém obce, kogeneračná jednotka, tiež spracovanie odvodneného flotátu a kalu sáčkovaním a následnú expedíciou hnojiva.The advantage of the bioreactor is primarily the continuous, hermetically sealed filling and discharge of the biosubstrate after fermentation, no degassing occurs. The advantage is the high yield of biogas, but also the possibility of connection to other technical equipment, such as the village's heating system, cogeneration unit, as well as processing of dewatered float and sludge by bagging and subsequent shipment of fertilizer.

Prehľad obrázkov na výkresochOverview of images on drawings

Na obr. 1 je znázornený v priečnom reze Bioreaktor na výrobu bioplynu z kvapalného biosubstrátu.In fig. 1 shows a cross-section of a bioreactor for the production of biogas from a liquid biosubstrate.

Na obr. 2 je znázornený v pohľade zhora Bioreaktor na výrobu bioplynu z kvapalného biosubstrátu.In fig. 2 shows a top view of a bioreactor for the production of biogas from a liquid biosubstrate.

Na obr. 3 je znázornený pohľad v smere A na Bioreaktor na výrobu bioplynu z kvapalného biosubstrátu.In fig. 3 shows a view in direction A of the Bioreactor for the production of biogas from a liquid biosubstrate.

Na obr. 4 je znázornený pohľad v smere B na Bioreaktor na výrobu bioplynu z kvapalného biosubstrátu.In fig. 4 shows a view in direction B of the Bioreactor for the production of biogas from a liquid biosubstrate.

Na obr. 5 je znázornený pohľad v smere C na Bioreaktor na výrobu bioplynu z kvapalného biosubstrátu.In fig. 5 shows a view in direction C of the Bioreactor for the production of biogas from a liquid biosubstrate.

Príklady uskutočnenia vynálezuExamples of implementation of the invention

Bioreaktor na kontinuálnu výrobu bioplynu z kvapalného biosubstrátu pozostáva z hermetizovanej nádoby 28 o objeme 50 až 100 m³ z tepelnoizolačného materiálu, vystuženom špirálovým ohrevným/chladiacim potrubím 11, s vyvedenými vstupmi 9 a výstupmi 12 na napojenie chladiaceho/ohrevného média, soľanky, a ktorá stojí na pevnej nadzemnej základovej konštrukcii 29. Zvrchu bioreaktor zakrýva kužeľová kupola 27 s priehľadnou montážnou prírubou 4. Na jeho plnenie kvapalným biosubstrátom slúži zapustený násypný lievik 1 s hrdlom a s výpusťou pod hladinou biosubstrátu, kontrolovanej hladinomerom 6. Pod kupolou reaktora (nad hladinou flotátu) je priestor - plynojem, osadený detektorom 30 bioplynu. Bioplyn je odvádzaný pretlakom do úžitkového potrubia cez výpustný plynový ventil 3 a pretlak je istený poistným ventilom 2. Vrtuľové elektrické miešadlá 13 sú upevnené tangenciálne na vnútornom plášti nádoby, kde je tiež upevnená ultrazvuková extrakčná tyč 20 v šikmom, dostredivom smere.The bioreactor for the continuous production of biogas from a liquid biosubstrate consists of a hermetic container 28 with a volume of 50 to 100 m ³ made of heat-insulating material, a reinforced spiral heating/cooling pipe 11, with inlets 9 and outlets 12 for connecting the cooling/heating medium, brine, and which it stands on a solid above-ground foundation structure 29. The top of the bioreactor is covered by a conical dome 27 with a transparent mounting flange 4. It is filled with liquid biosubstrate by a sunken hopper 1 with a mouth and outlet below the level of the biosubstrate, controlled by a level gauge 6. Under the reactor dome (above the float level) is a space - a gas reservoir, fitted with a 30 biogas detector. The biogas is discharged by excess pressure into the utility pipe through the discharge gas valve 3 and the excess pressure is ensured by the safety valve 2. The propeller electric stirrers 13 are fixed tangentially on the inner shell of the container, where the ultrasonic extraction rod 20 is also fixed in an oblique, centripetal direction.

SK 50002-2022 A3SK 50002-2022 A3

Inovatívnym konštrukčným prvkom bioreaktora sú hermeticky osadené lieviky 10 prísad, najmenej v počte tri, s poklopmi 26, uzatváracou dávkovacou klapkou 25 s elektromotorom, ktoré na základe informácií z detektora 30 bioplynu, multifunkčného snímača 8 dávkujú ingridiencie do procesu fermentácie.The innovative design element of the bioreactor is hermetically fitted funnels 10 ingredients, at least three in number, with lids 26, a closing dosing flap 25 with an electric motor, which, based on information from the biogas detector 30, multifunctional sensor 8, dose the ingredients into the fermentation process.

Flotát z hladiny biosubstrátu je po fermentácii odvádzaný zvrchu výpustným lievikom 7, s osadenou fekálnou koncovkou 14, vhodnou na odvoz fekálnymi vozidlami na ďalšie využitie. Druhým výstupom z bioreaktora je kal, ktorý je stierkou 15 vháňaný do odkaľovacieho potrubia 17, ukončeného fekálnou pákovou koncovkou 16, na výpust' aj priamo do pripravených nádob. Pohyb stierky 15 je zabezpečený mechanizmom s hriadeľom 21 a elektromotorom 18. Ku konštrukčným prvkom bioreaktora patria ešte rebrík 22 umiestnený zboku nádoby 28, ďalej dvere 23 na vchode do priestoru pod nádobou a v tom priestore elektrická ovládacia skrinka 19 na umiestnenie ističov elektrických rozvodov a tiež rozvodná skrinka 5 riadiaceho systému 24.After fermentation, the floatate from the surface of the biosubstrate is removed from the top through a discharge funnel 7, with a fitted fecal terminal 14, suitable for removal by fecal vehicles for further use. The second output from the bioreactor is sludge, which is driven by the squeegee 15 into the dewatering pipe 17, terminated by the faecal lever terminal 16, for discharge and directly into the prepared containers. The movement of the squeegee 15 is ensured by a mechanism with a shaft 21 and an electric motor 18. The structural elements of the bioreactor also include a ladder 22 located on the side of the vessel 28, a door 23 at the entrance to the space under the vessel, and in that space an electrical control box 19 for placing circuit breakers and also a distribution box 5 of the control system 24.

Priemyselná využiteľnosťIndustrial applicability

Bioreaktor na kontinuálnu výrobu bioplynu z kvapalného substrátu sa dá výhodne použiť tam, kde nie je čistiareň odpadových vôd a kde je potrebné vyvážať domové a firemné komunálne odpadové vody zo žúmp na veľké vzdialenosti k zneškodňovaniu, ale predovšetkým tekutý odpad z gastroprevádzok, potravinárskeho a spracovateľského priemyslu, ale tiež odpadové oleje. Rozkladný proces bioodpadu v takom zložení je v rôznom štádiu, je ho preto potrebné miešaním, tiež ultrazvukom homogenizovať, analyzovať a nastaviť fermentačný proces tak, aby bol vyťažený bioplyn v optimálnom množstve. K tomu účelu slúžia multifunkčné snímače teploty, pH, chemických prvkov, organických látok a mikrobiologických pochodov a v procese fermentácie, ako mastné kyseliny (mravčia, octová, propiónová, mliečna, valérová a pod.), zaťaženie fermentorov FOS/TAC, biogenné prvky (fosfor, dusík, draslík, vápnik, sodík, horčík a pod.) v nastavení podľa zloženia biosubstrátu. Tomuto zloženiu a podmienkam slúži softvér na dávkovanie ingrediencií, čo sú predovšetkým metanofilné baktérie v širokom spektre (rad Methanobacteriales, rad Methanococcales, rad Methanomicrobiales a pod.) a živiny v kyslom a zásaditom prostredí.A bioreactor for the continuous production of biogas from a liquid substrate can be advantageously used where there is no wastewater treatment plant and where it is necessary to export domestic and corporate municipal wastewater from cesspools over long distances for disposal, but above all liquid waste from catering establishments, the food and processing industry , but also waste oils. The decomposition process of bio-waste in such a composition is in different stages, therefore it is necessary to homogenize it by mixing and ultrasound, analyze and adjust the fermentation process so that the biogas is extracted in an optimal amount. For this purpose, multifunctional sensors of temperature, pH, chemical elements, organic substances and microbiological processes and in the fermentation process, such as fatty acids (formic, acetic, propionic, lactic, valeric, etc.), load of FOS/TAC fermenters, biogenic elements (phosphorus , nitrogen, potassium, calcium, sodium, magnesium, etc.) in settings according to the composition of the biosubstrate. This composition and conditions are served by the software for dosing the ingredients, which are mainly methanophilic bacteria in a wide spectrum (order Methanobacteriales, order Methanococcales, order Methanomicrobiales, etc.) and nutrients in acidic and alkaline environments.

Na ohrev biosubstrátu na teplotu stanovenú riadiacim systémom v optimálnom rozmedzí, slúži tiež vyprodukovaný bioplyn. Vypustený flotát a kal po odvodnení slúži ako kvalitné hnojivo a voda sa vráti späť do reaktora ako kvalitná inokulačná ingrediencia.The produced biogas is also used to heat the biosubstrate to the temperature determined by the control system in the optimal range. The discharged float and sludge after dewatering serves as a high-quality fertilizer, and the water is returned to the reactor as a high-quality inoculation ingredient.

Spracovaním biomasy v bioreaktore môže byť účelne zužitkované veľké množstvo odpadu z malých zdrojov, ktorý by inak znamenal záťaž pre životné prostredie. Výroba bioplynu v bioreaktore navyše neprodukuje vlastný odpad, pretože všetky výstupy sú environmentálne prijateľné pre ďalšie využitie.By processing biomass in a bioreactor, a large amount of waste from small sources, which would otherwise be a burden on the environment, can be efficiently utilized. In addition, the production of biogas in a bioreactor does not produce its own waste, because all outputs are environmentally acceptable for further use.

SK 50002-2022 A3SK 50002-2022 A3

Zoznam vzťahových značiekList of relationship tags

- násypný lievik- hopper

- poistný ventil plynu- gas safety valve

- plynový ventil výpustný- gas valve discharge

4 - montážna príruba4 - mounting flange

- rozvodná skrinka- distribution box

-hladinomer- level gauge

-výpustný lievik- discharge funnel

- multifunkčný snímač- multifunctional sensor

9 -vstup chladiaceho/ohrevného média9 - cooling/heating medium inlet

- lieviky prísad- ingredient funnels

- potrubie chladenia/ohrevu- cooling/heating pipes

- výstup chladiaceho/ohrevného média- output of the cooling/heating medium

- vrtuľové elektrické miešadlá- propeller electric mixers

14-fekálna koncovka14-fecal terminal

- základová konštrukcia- basic construction

- detektor bioplynu- biogas detector

- stierka- squeegee

-fekálna páková koncovka- fecal lever terminal

- odkaľovacie potrubie- sewage pipe

- elektromotor- electric motor

- elektrická ovládacia skrinka- electric control box

- ultrazvuková extrakčná tyč- ultrasonic extraction rod

- hriadeľ- the shaft

- rebrík- ladder

- dvere- door

- riadiaci systém- control system

- klapka s elektromotorom- damper with electric motor

- poklop s násypným otvorom- lid with a filling hole

- kupola- dome

- nádoba- container

Claims

1. A bioreactor for the continuous production of biogas from a liquid biosubstrate, characterized by the fact that it consists of a sealed vessel (28) with a volume of 50 to 100 m ³ made of heat-insulating material, which stands on a fixed above-ground foundation structure (29) and is covered by a conical dome on top (27) and a sealing funnel (1) and a discharge funnel (7) with a neck and outlet with fecal end (14) are embedded in it on the side, and a squeegee (15) is mounted on its bottom through a shaft (21) with an electric motor (18) ) with a sewage pipe (17) at the end with a faecal lever end (16), while a gas discharge valve (3) with an overpressure safety valve (2) is located under the conical dome (27).

2. A bioreactor for the continuous production of biogas from a liquid biosubstrate according to claim 1, characterized in that spiral heating/cooling pipes (11) are laid around the perimeter of the hermetic container (28), with inlets (9) and outlets (12) for connection. cooling/heating medium.

3. A bioreactor for the continuous production of biogas from a liquid biosubstrate according to claim 1 and 2, characterized by the fact that electric propeller stirrers (13) are placed in the tangential direction, a level gauge (6) is placed on the surface of the biosubstrate, and an ultrasonic extraction rod (20) is used for biochemical treatment of the substrate ) immersed in the biosubstrate.

4. A bioreactor for the continuous production of biogas from a liquid biosubstrate according to claims 1 to 3, characterized by the fact that at least three funnels (10) of ingredients with lids (26), a closing dosing valve (25) are hermetically mounted on the side of the hermetically sealed container (28). with an electric motor for dosing ingredients into the fermentation process based on information from the biogas detector (30) located under the dome (27) and from the multifunctional sensor (8) immersed in the biosubstrate.

5. A bioreactor for the continuous production of biogas from a liquid biosubstrate according to claims 1 to 4, characterized in that it includes an externally located control system (24) for dosing ingredients.

6. A bioreactor for the continuous production of biogas from a liquid biosubstrate according to claims 1 to 5, characterized in that its technical equipment includes a ladder (22) that is located outside the container (28), a mounting flange (4) covering the top of the dome ( 27), the door (23) locking the entrance to the space of the base structure (29), where the distribution box (5) and the electrical control box (19) are stored.