Ферментатор

 

Изобретение относится к области микробной очистки фекально-бытовых производственных стоков фармхимзавода с комплексной утилизацией их биогенных компонентов и выработки белковой витаминной добавки и товарного водорода. Устройство включает ферментатор, предферментатор, центробежный микрофильтр, динамический дезинтегратор. При утилизации биогенных компонентов фекально-бытовых и производственных стоков проводят их глубокое диспергирование за счет соударения в кольцевом канале между выступами ротора и корпуса. Пульсация скоростного и статического напоров сопровождается потерей энергии напоров и нагревом стоков для последующей температурной стабилизации. После тонкой диспергации стоки проходят дальнейшую подготовку в предферментаторе с абразивной зернистой иммобилизационной насадкой в условиях автоселекции и сукцесии с частичной механической дезинграцией оболочек клеток аэробов для подготовки биогенных компонентов питания для сине-зеленых водорослей (СЗВ) в ферментаторе на насадке из полых стеклянных шариков. Для барботажа используется напорная подача водорода из катодной секции установки электролиза. В ферментаторе в условиях фотосинтеза сине-зеленые водоросли накапливают тяжелую и сверхтяжелую воду. Водород, выработанный СЗВ и из установки электролиза из верхней секции ферментатора, собирают в сборник. После отделения воды в центробежном микрофильтре (ЦМФ) биомассу подвергают дезинтеграции гидродинамическим воздействием на оболочки в центрах конденсации водяного пара при схлопывании пустот. Одновременно с динамической дезинтеграцией происходит статическая для ассоциатов молекул тяжелой и сверхтяжелой воды. Изобретение обеспечивает повышение эффективности работы ферментатора при очистке фекально-бытовых и производственных стоков фармхимзавода. 1 ил.

Изобретение относится к области микробной очистки фекально-бытовых и производственных стоков /ФБ и ПС/ фармхимзавода с комплексной утилизацией их биогенных компонентов и выработкой белково-витаминной добавки /БВД/ и товарного водорода /H₂/.

Известен ферментатор, включающий корпус с поперечными перфорированными перегородками /ППП/, образующими секции, сообщенные друг с другом по субстрату переливными трубами, верхний конец которых образует выступ для задержания на ППП иммобилизационной насадки, а нижний конец образует гидравлический затвор для газа с ППП последующей секцией ферментатора /У.Э. Виестур, А. М.Кузнецов, В.В.Савенков. Системы ферментации, Рига, "Зинатне", 1986, с.71, рис.4.19/, недостатком которого является отсутствие условий для выращивания сине-зеленых водорослей и выработки ими водорода /H₂/, что снижает эффективность его работы.

Цель изобретения - повышение эффективности работы. Это достигается тем, что корпус ферментатора выполнен со светопроницаемыми стенками и размещенными с внешней стороны стенок светильниками, а размещенная на ППП иммобилизационная насадка выполнена в виде полых стеклянных шариков, а нижняя секция сообщена с нагнетателем водорода из установки электролиза, включающей приемную камеру с полупроницаемыми перегородками, образующими анодную и катодную секции, причем нижняя секция ферментатора сообщена с центробежным микрофильтром /ЦМФ/, а по биомассе сине-зеленых водорослей /СЗВ/ с динамическим дезинтегратором /ДД/, включающим корпус с патрубками входа и выхода, установленный по оси корпуса ротор с глухими отверстиями в кольце магнитофора, взаимодействующими через кольцевой канал с отверстиями в перфорированном кольце, образующим с корпусом полость, изолированную от патрубка выхода, и сообщенную патрубком с приемной камерой установки электролиза, а кольцо магнитофора, установленного с кольцевым зазором относительно ротора, выполнено со сквозными радиальными отверстиями, размещенными между глухими отверстиями, сообщающими кольцевой канал с внутренней полостью ротора и патрубком входа ДД, а патрубок выхода ДД сообщен с верхней секцией ферментатора, которая в свою очередь сообщена с предферментатором, включающим корпус с ППП, образующим секции, сообщенные друг с другом переливными трубами, а нижняя секция сообщена с нагнетателем воздуха в смеси с кислородом из анодной секции установки электролиза, а верхняя секция предферментатора сообщена с диспергатором в виде корпуса с патрубками входа и выхода, установленного по оси корпуса ротора, с чередующимися выступами и впадинами, взаимодействующими через кольцевой канал с выступами и впадинами корпуса, патрубок входа которого сообщен со сборником ФБ и ПС фармхимзавода.

Достижение цели изобретения приведено в описании работы установки утилизации ФБ и ПС, показанной схематически на чертеже.

Ферментатор 1 включает корпус 2 с поперечными перфорированными перегородками /ППП/ 3, образующими секции 4, сообщенные друг с другом по субстрату переливными трубами 5, верхний конец которых образует выступ 6 для задержания на ППП 3 иммобилизационной насадки 7, а нижний конец 8 образует гидравлический затвор для газа с ППП 3 последующей секции 4 ферментатора 1. Корпус 2 ферментатора 1 выполнен со светопроницаемыми стенками и размещенными с внешней стороны стенок корпуса 2 светильниками 9, а расположенная на ППП 3 иммобилизационная насадка 7 выполнена в виде полых стеклянных шариков, нижняя секция 4 сообщена с нагнетателем 10 водорода из установки электролиза 11, включающей приемную камеру 12 с полупроницаемыми перегородками 13, образующими анодную 14 и катодную 15 секции, причем нижняя секция 4 ферментатора 1 сообщена с ЦМФ 16, а по биомассе сине-зеленых водорослей /СЗВ/ с динамическим дезинтегратором /ДД/ 17, включающим корпус 18 с патрубками: 19 - входа, 20 - выхода, установленный по оси корпуса 18 ротор 21 с глухими отверстиями 22 в кольце 23 магнитофора, взаимодействующими через кольцевой канал 24 с отверстиями 25 в перфорированном кольце 26, образующим с корпусом 18 полость 27, изолированную от патрубка 20 выхода и сообщенную патрубком 28 с приемной камерой 29 установки электролиза 30, а кольцо 23 магнитофора, установленного с кольцевым зазором 31 относительно ротора 21, выполнено со сквозными радиальными отверстиями 32, выходные участки которых размещены между глухими отверстиями 22, причем сквозные радиальные отверстия 32 сообщают кольцевой канал 24 с внутренней полостью 33 ротора 21 патрубком 19 входа ДД 17, а патрубок 20 выхода ДД 17 сообщен с верхней секцией 4 ферментатора 1; которая в свою очередь сообщена с предферментатором 34, включающим корпус 35 с ППП 36, образующими секции 37, сообщенные друг с другом переливными трубами 38, а нижняя секция 37 сообщена с нагнетателем 39 воздуха в смеси с кислородом из анодной секции 14 установки электролиза 11, а верхняя секция 37 предферментатора 34 сообщена с диспергатором 40 в виде корпуса 41 с патрубками: 42 входа и 43 выхода, установленного по оси корпуса 41 ротора 44, с чередующимися выступами 45 и впадинами 46, взаимодействующими через кольцевой канал 47 с выступами 48 и впадинами 49 корпуса 41, патрубок 42 входа которого сообщен со сборником 50 ФБ и ПС фармхимзавода. ЦМФ 16 по избыточной биомассе СЗВ сообщен ленточным прессфильтром /ЛПФ/ 51 и сушилкой 52 белково-витаминной добавки /БВД/. Верхняя секция 4 ферментатора 1 сообщена со сборником 53 водорода /H₂/.

Ферментатор 1 в установке утилизации ФБ и ПС фармхимзавода работает следующим образом.

Стоки фармхимзавода поступают в сборник 50 и характеризуются, значительным содержанием азотистых соединений фосфора, органических соединений и требуют подготовки, которую выполняют в диспергаторе 40, путем разрушения взвесей в кольцевом канале 47 под воздействием выступов 45 и впадин 46 и соударений с выступами 48 и впадинами 49 корпуса 41 при вращении ротора 44. При опорожнении впадин 46 и последующем их заполнении из кольцевого канала 47 происходит пульсация скоростного и статического напоров. Часть энергии напоров теряется и переходит в тепловую с нагревом стоков. Гомогенизированные стоки обрабатывают аэробами в предферментаторе 35 в абразивной зернистой иммобилизационной насадке /АЗИН/ 54, в качестве которой используют вспученный перлит, керамзит, пемзу, туф, модифицированные цеолиты. Выходу АЗИН 54 с вышележащих секций 37 на нижележащие препятствуют выступы переливных труб 38. Для интенсификации жизнедеятельности аэробов стоки в слое АЗИН 54 обрабатывают барботажем смесью воздуха с кислородом, подаваемой нагнетателем 39, прочем провалу стоков через перфорацию ППП 36 препятствует подпор газовой смеси воздуха с кислородом. За счет иммобилизации /прилипания/ аэробов к АЗИН 54 осуществляется автоселекция, т.е. продуктивные популяции выживают и размножаются, а ослабленные выносятся со стоками через переливные трубы 38. Поверхности иммобилизации обновляются за счет соударения частиц АЗИН 54. Автоселекция сопровождается сукцессией, т.е. у микрофлоры вырабатывается способность использовать в качестве биогенных элементов питания продукты жизнедеятельности /метаболиты/ микрофлоры вышележащих секций 37 микрофлорой аэробов нижележащих секций. Стоки с высоким содержанием растворенного кислорода из предферментатора 35 поступают в ферментатор 2, в котором культивируют фотосинтезирующие сине-зеленые водоросли /СЗВ/. Особенностью СЗВ является способность к фотосинтезу водорода /с.44, В.А.Легасов, Водород: надежды и проблемы, М., "Знание", 1986/. Свет от светильников 9 через светопроницаемые стенки корпуса 2 поглощается светочувствительным пигментом, белком хлорофилла. В качестве катализатора водородосинтеза используют фермент - гидрогеназу, поступающую в ферментатор 1 вместе с дезинтегратом из ДД 17. Жизнеобеспечение СЗВ кислородом обеспечивается растворенным кислородом, запасенным в предферментаторе 35. Для барботажа применяют водород из катодной секции 15 установки электролиза 11, напорно подаваемый нагнетателем 10. Для повышения глубины фотосинтеза в слое в качестве насадки используют стеклянные полые шарики, отражающие свет от светильников 9 в слой СЗВ. Особенностью стеклянных шариков является то, что они не подвержены, биологическому биообрастанию, т.е. сохраняют прозрачность длительное время. Переходу насадки 7 с вышележащих секций 4 на нижележащие препятствуют выступы 6 переливных труб 5. Выполнение шариков насадки 7 полыми обеспечивает им плавучесть, а сферическая форма - светоконтакт. Интенсификацию размножения и роста СЗВ обеспечивает поступление дезинтеграта, в том числе фермента - гидрогеназы из ДД 17. Вода со взвешенным в ней СЗВ поступает в ЦМВ, в котором биомассу отделяют и направляют в патрубок 19 входа ДД 17. СЗВ под действием центробежной силы перемещаются в полости 33 ротора 21 по сквозным радиальным отверстиям 32, при прохождении через кольцевой зазор 31 в жидкостном поршне в условиях разрежения появляются пузырьки пара. При выходе жидкостного поршня из сквозных радиальных отверстий 32 в кольцевой канал 24 происходит конденсация водяных пузырьков. Объем пара в тысячу раз больше объема конденсата и в кольцевом канале 24 появляются пустоты, которые схлопываются с гидравлическими ударами. Центрами конденсации являются СЗВ, оболочки которых разрушаются, освобождается их содержимое: нуклеиновые кислоты, витамины: микроэлементы, ферменты, в том числе фермент гидрогеназа, являющиеся биостимуляторами для жизнедеятельности СЗВ в ферментаторе 1. При перемещении жидкостного поршня из глухих отверстий 22 между днищем отверстия 22 и поршнем возникает разрежение, паровой пузырек и его конденсация в кольцевом канале 24 с дезинтеграцией оболочек клеток СЗВ. При дезинтеграции происходит ожижение биомассы, так как а.св. в клетках менее 1%, а переход нуклеиновых кислот изменяет структуру ассоциатов молекул с появлением линейных структур, приводящих к повышению скользкости воды, что повышает скорости опорожнения и заполнения глухих отверстий 22. Повышение скользкости, обусловленное ее повышением скорости перемещения воды в кольцевом канале 24 вызывает над отверстиями 25 перфорированного кольца 26 появление пузырьков пара, их конденсацию и схлопывание пустот в промежутках между отверстиями 25 в кольце 26. Дезинтеграция оболочек клеток СЗВ сопровождается освобождением тяжелой /D₂O/ и сверхтяжелой /T₂O/ воды в виде ассоциатов молекул. Плотность тяжелой воды на 10%, а сверхтяжелой воды на 33% выше легкой и в поле центробежных сил ассоциаты молекул тяжелой и сверхтяжелой воды проходят через отверстия 25 в перфорированном кольце 26 в полость 27 и накапливаются там в связи с повышенной вязкостью ассоциатов тяжелой и сверхтяжелой воды. При пульсации напоров в кольцевом канале 24 происходит нагрев воды, сопровождающийся повышением температуры. Температура кипения тяжелой воды 101,42^oC, а сверхтяжелой - 104^oC, а поэтому они хуже испаряются и быстрее конденсируются и динамическая дезинтеграция ассоциатов молекул тяжелой и сверхтяжелой воды сопровождается статической. Дезинтеграция ассоциатов тяжелой и сверхтяжелой воды не является самоцелью очистки ФБ и ПС, а проявляется как сопутствующий процесс при дезинтеграции оболочек клеток СЗВ и не приводит к дополнительному расходу энергии. Однако наличие трития, обладающего радиоактивностью, и подача его после установки 11 электролиза в ферментатор 1 способствует появлению среди СЗВ мутантных форм, интенсифицирующих продуцирования водорода. Водород из сборника 53 используют в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания /ДВС/ в смеси с бензином или в чистом виде, причем перевод ДВС на водород и в смеси его с бензином не требует коренных переделок ДВС. Перевод ДВС на чистый водород улучшает экологическую обстановку, так как выхлопом являются пары воды. Образующийся после электролиза кислый раствор /КС/, обладающий бактерицидными свойствами, используют для мойки аппаратуры, посуды, полов и т. д. Щелочной раствор /ЩР/ обладает биостимулирующими свойствами и его используют в качестве культуральной жидкости при выращивании продуцентов медицинских препаратов фармхимзавода. Избыточную биомассу СЗВ после отделения на ЦМФ и отжатия на ЛПФ 51 и термической обработки в сушилке 52 используют в качестве белково-витаминной добавки в корм скоту и птице. При расходе 1 грамм а. с. в. на 1 кг живого веса животных и птицы, за счет 50% содержания белка, расход основных кормов на 20% сокращается. Одновременно за счет наличия биостимуляторов, в том числе витамина B₁₂, повышаются яйценоскость, надои молока, привесы мяса, снижается падеж молодняка, повышается генетика родительского стада. За счет комплексной утилизации компонентов ФБ и ПС с выработкой товарной продукции в виде БВД и H₂О как горючего ДВС очистка становится рентабельной и фармхимзавод превращается в бессточное производство.

Формула изобретения

Ферментатор, включающий корпус с поперечными перфорированными перегородками, образующими секции, сообщенные друг с другом по субстрату переливными трубами, верхний конец которых выполнен с выступом для задержания на поперечных перфорированных перегородках иммобилизационной насадки, а нижний конец образует гидравлический затвор для газа с поперечными перфорированными перегородками последующей секции ферментатора, отличающийся тем, что корпус ферментатора выполнен со светопроницаемыми стенками и размещенными с внешней стороны стенок корпуса светильниками, расположенная на поперечных перфорированных перегородках иммобилизационная насадка выполнена в виде полых стеклянных шариков, а нижняя секция ферментатора сообщена с нагнетателем водорода из установки электролиза, включающей приемную камеру с полупроницаемыми перегородками, образующими анодную и катодную секции, причем нижняя секция ферментатора сообщена с центробежным микрофильтром, а по биомассе сине-зеленых водорослей - с динамическим дезинтегратором, включающим корпус с патрубками входа и выхода, установленный по оси корпуса ротор с глухими отверстиями в кольце магнитофона, взаимодействующими через кольцевой канал с отверстиями в перфорированном кольце, образующим с корпусом полость, изолированную от патрубка выхода и сообщенную патрубком с приемной камерой установки электролиза, а кольцо магнитофора, установленного с кольцевым зазором относительно ротора, выполнено со сквозными радиальными отверстиями, выходные участки которых размещены между глухими отверстиями, причем сквозные радиальные отверстия сообщают кольцевой канал с внутренней полостью ротора и патрубком входа динамического дезинтегратора, а патрубок выхода динамического интегратора сообщен с верхней секцией ферментатора, которая, в свою очередь, сообщена с предферментатором, включающим корпус с поперечными перфорированными перегородками, образующими секции, сообщенные друг с другом переливными трубами, а нижняя секция сообщена с нагнетателем воздуха в смеси с кислородом из анодной секции установки электролиза, а верхняя секция предферментатора сообщена с диспергатором в виде корпуса с патрубками входа и выхода, установленного по оси корпуса ротора, с чередующимися выступами и впадинами, взаимодействующими через кольцевой канал с выступами и впадинами корпуса, патрубок входа которого сообщен со сборником фекально-бытовых и производственных стоков фармхимзавода.

РИСУНКИ

Рисунок 1