Способ увеличения выхода биогаза в процессе сбраживания органических веществ

Способ увеличения выхода биогаза в процессе сбраживания органических веществ за счет инициирующего участия микроорганизмов, может быть использован в микробиологической и пищевой промышленности. Способ осуществляется в метантенке (2) с системой электродов (1), мешалкой (3) и нижней частью в форме параболы (4). Система электродов (1) имеет разные по высоте межэлектродные расстояния, что позволяет осуществлять разряды в виде бегущей волны за счет того, что вначале срабатывает одна пара электродов с меньшим расстоянием, а затем - другая с большим расстоянием. Водный раствор органического субстрата подвергают воздействию высоковольтных разрядных импульсов системой электродов (1), обеспечивающей периодическую ступенчатую электрогидравлическую обработку в процессе подготовки к анаэробному термофильному или мезофильному сбраживанию. Нижняя часть метантенка в форме параболы (4) обеспечивает направленное формирование энергии импульса. Технический результат - ускорение анаэробного процесса сбраживания органических веществ, увеличение количества метаногенных бактерий, более полное расщепление органики и увеличение выхода биогаза. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к способу получения продуктов переработки веществ органического происхождения в процессе сбраживания за счет инициирующего участия микроорганизмов, обладающих повышенной активностью и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, включая микробиологическую и пищевую промышленности.

В последнее время большое внимание уделяется процессам переработки органических веществ, включая отходы животного, бытового и растительного происхождения при получении различных целевых продуктов.

Известны способы получения биогаза и органических удобрений благодаря анаэробному разложению органических веществ метанобразующими бактериями в процессе бескислородной биологической конверсии путем термофильного и мезофильного брожения [1. Экологическая биотехнология / под ред. К.Ф.Форстера и Д.А.Дж.Вейза. Л.: Химия, 1990].

К недостаткам описанных способов следует отнести невысокий выход целевых продуктов за счет малой эффективности технологического процесса.

Известен способ получения биогаза, предусматривающий повышение активности метанового сбраживания органического субстрата с использованием стимуляторов метаногенеза в виде комплексных соединений ацетата никеля с этилендиамином или никеля с глицином [2. Патент 1838415 РФ, МКИ С12Р 5/02, С02F 11/04,1993].

Недостатком способа является необходимость использования стимуляторов метаногенеза, что оказывает влияние на чистоту выхода конечных продуктов, усложняет техпроцесс и удорожает производство.

Известен способ подготовки органического сырья для микробиологической бродильной и комбикормовой промышленности. Характерной особенностью способа является то, что каталитическую реакцию осуществляют путем электрогидравлической обработки органического сырья в смеси с водой [3. Авторское свидетельство №275028 Кл. С12N 1/00, 1968].

Недостаток известного способа заключается в том, что в процессе обработки в зону электрического разряда попадают органические вещества, которые, распадаясь под воздействием высокой температуры, образуют зольные частицы, тормозящие ход химических реакций и приводящие к загрязнению и снижению выхода целевого продукта.

Наиболее близким к описываемому изобретению является способ инициирования анаэробного сбраживания органических веществ путем воздействия высоковольтного электрического разряда в условиях аэрации [4. Патент 2207325 РФ МКИ С02F 11/04, 3/30, С02F 3/00, 2001]. Недостатком способа является малая метаболическая активность по высоте метантенка и невысокий выход биогаза.

Предлагаемый способ решает задачу ускорения анаэробного процесса сбраживания органических веществ путем активирования жидкой фазы субстрата по высоте метантенка, что способствует более полному расщеплению органики и увеличению зарождения и роста метаногенных бактерий по высоте метантенка, ответственных за выход биогаза. Ввиду того, что многие процессы химической технологии идут в водной среде, то в данном случае она служит основой составляющей для протекания биохимических процессов в живой клетке.

Сущность изобретения заключается в том, что ускорение процесса биохимического расщепления органических веществ осуществляют многоступенчатым электрогидравлическим разрядным устройством, в котором расстояния между электродами выполнены различными по величине (см. чертеж). В метантенк 2 вмонтирована система электродов 1 с изменяющимися по высоте зазорами, что позволяет осуществлять разряд в виде волны. Вначале срабатывает одна пара электродов с меньшим расстоянием, а затем - другая с большим расстоянием. Таким образом, создавая разряды в виде бегущей волны, перенос энергии происходит вдоль столба жидкого субстрата, выводя его из равновесного состояния. Кроме того, в метантенке нижняя часть имеет форму параболы 4, что способствует направлению удара волны по высоте метантенка, обеспечивая рост микроорганизмов по всей его площади. В метантенке перемешивание субстрата осуществляется с помощью мешалки 3.

Предварительная обработка повышает биоэнергетику смеси благодаря более глубокому расщеплению органической составляющей по всему объему метантенка под воздействием многоступенчатого электрогидравлического удара с изменением расстояния между электродами. Последовательное нарастание деформирующих усилий провоцирует ускоренное зарождение микроорганизмов по всей массе субстрата и увеличение скорости брожения.

Установлено, что химические реакции после такой обработки протекают при более низкой температуре и весьма быстро. Высокая скорость объясняется повышенной активностью ферментов, которая в 1,5 раза выше, чем у известного способа.

Пример (прототип) 1. Для получения микроорганизмов в условиях анаэробного сбраживания органических веществ используют жидкий субстрат (смесь воды с куриным пометом при концентрации сухого вещества 25%), который предварительно подвергают высоковольтной обработке электрическим разрядом 9 кВ, количеством импульсов 7 в течение 11 с, при одновременной подаче в зону искрового промежутка воздуха. Затем осуществляется биохимическое расщепление органики при t=45°С без доступа воздуха.

Однако известный метод не способствует увеличению выхода биогаза для метантенков с большим объемом ввиду затруднения получения высокой активности ферментов в процессе брожения в больших объемах.

Пример 2. Для получения микроорганизмов в условиях анаэробного сбраживания органических веществ используют жидкий субстрат (смесь воды с куриным пометом, при концентрации сухого вещества 25%), который подвергают обработке высоковольтным импульсным разрядом.

Электроимпульсный разряд создает активные центры по всему объему субстрата и перестраивает структуру водного раствора органических веществ, изменяя соотношение скоростей отдельных стадий сложной каталитической реакцией анаэробного сбраживания, а также усиливает электронный обмен между компонентами субстрата. Каталитическая активность дефектной структуры в 1,5 раза выше по сравнению с известным способом.

Предлагаемое техническое решение позволяет осуществить подготовку сырья к сбраживанию по всему объему метантенка путем использования многоступенчатой электрогидравлической обработки электродами, расположенными на различных межэлектродных расстояниях, и соответственно энергиями разряда. Все это приводит к усилению окислительных процессов продуктами разложения воздуха электрическим разрядом (азот, кислород, озон), воды (гидроксильных групп ОН) и активации реакции в объеме субстрата благодаря модифицированию ферментов под действием многоступенчатого электрогидравлического удара.

В конечном итоге суммарное воздействие выше перечисленных факторов стимулирует высокую скорость, которую можно объяснить многоцентровостью реакции, что в свою очередь инициирует процессы развития метаногенерирующих микроорганизмов и повышенный выход биогаза.

1. Способ увеличения выхода биогаза в процессе анаэробного сбраживания органических веществ путем воздействия высоковольтного электрического разряда, отличающийся тем, что водный органический субстрат подвергают многоступенчатой электрогидравлической обработке при разных межэлектродных расстояниях: вначале срабатывает одна пара электродов с меньшим расстоянием, а затем - другая с большим расстоянием.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что днище метантенка выполнено в форме параболы, обеспечивающей направление ударной волны и перемещение последовательно сжимаемой жидкости по высоте метантенка.