Биореактори за отпадъци от хранителната индустрия
Съвременните европейски технологични концепции „waste-to-energy“ за преработка на органичните отпадъци от хранително-вкусовата промишленост (ХВП), създават възможността за получаване на възобновяем енергиен източник - биогаз, и биотор за селското стопанство. В тази статия ще разкажем за биореакторите за производство на биогаз от 1-во поколение, за периодичните и непрекъснати биореактори, за съвременните биореакторите за производство на биогаз от 2-ро поколение, както и за биоректорите, предназначени за производството на фуражни добавки и комбиниран фураж.
Текст: списание АгроБио Техника
През последните десетилетия са разработени реактори от ново поколение, които започват да се въвеждат широко в индустрията, лишени от недостатъците на конвенционалните биореактори. В съвременните конструкции за интензифициране на процеса на анаеробно разграждане и активиране на масообмена се използват специални технологични и конструктивни методи, като увеличаване на концентрацията на микробна биомаса вътре в реактора, рециркулация на ферментирала биомаса и разделяне на процеса на генериране на метан на две фази (киселинна и метаногенна). Концентрацията на микроорганизми е най-важният параметър, влияещ върху работата на реактора.
Биореактори за производство на биогаз от първо поколение
След съхранение и предварителна обработка, органичните отпадъци за производство на биогаз се подават в биореактора. Той представлява херметичен цилиндричен резервоар с конично дъно и куполна покривна конструкция. Основните му елементи са корпусът, помпената станция, разбъркващото устройство на суровината, системите за въвеждане на суровината, системите за отвеждане на вторичната биомаса и биогаза. В повечето случаи биореакторите са покрити с бетонен или стоманен покрив. Отделеният биогаз се пренася по тръбопроводи и се съхранява във външни съоръжения близо до биореактора - газхолдери. В други случаи конструкцията на покрива може да бъде херметична единична или двойна мембрана за съхраняване на произведения биогаз.
Анаеробните биореактори трябва да са топлоизолирани и подгрявани. Подгряващата система се състои от подгряващи тръбопроводи с противоточно подаване на топла вода или вградени по диагонал радиатори. Смесителната механична система служи за осигуряване на еднакви условия в апарата, ефективен масообмен между субстрата, газовите мехурчета и клетките на микроорганизмите. Използването му позволява да се предотврати образуването на кора на повърхността на субстрата, утаяване и в крайна сметка да се засили процесът на ферментация. Витлата на бавно въртящата се бъркалка са разположени спирално по оста на въртене. Скоростта на движение на субстрата по време на смесване не трябва да бъде по-висока от 0,5m/s. Нивото на запълване на биореактора трябва да достига една и съща стойност и да се поддържа до едно и също ниво чрез допълнително подаване или източване на суровината.
Обемът на биоректора може да варира от няколко кубически метра за малки биогазови инсталации, до големи промишлени инсталации от няколко биореактора с няколко хиляди кубически метра. Големите биогазови инсталации се състоят освен от основни, така и от вторични биореактори - резервоарите за съхранение на вторична биомаса. Именно те се използват и като вторични биореактори. Същите са покрити с херметична мембрана, защото отделянето на биогаз в тях продължава и при по-ниска температура. Видът на биореактора - мокър или сух, се определя от съдържанието на водата и сухото вещество в субстрата. В зависимост от подаването и извеждането на суровината, биореакторите се разделят на периодични и непрекъснати.
Периодични и непрекъснати биореактори
Биореакторите „batch reactor - BR” с периодично производство на биогаз се зареждат еднократно с партида свежа суровина. След приключване на анаеробния процес на разграждане, биогазът се отделя от биомасата. Следва зареждане с нова партида и процесът се повтаря. Важно за инсталацията с периодичен биореактор, е да има газхолдер с голям обем или няколко реактора. Целта е да се осигури непрекъснатост в доставянето на биогаза. Такива реактори са подходящи за малки инсталации. Периодичните реактори се използват за разграждане на комбинирана суха и течна насипна суровина. За целта се използват отпадна вода и филтрати в големи количества за разреждане на суровината.
Предимствата на периодичните реактори в сравнение с непрекъснатите, са по отношение на разходите за процеса и механизацията му. Недостатък са по-високите разходи за енергия и поддръжка. Непрекъснатите биореактори “Continuous Stirred Tank Reaktor-CSTR” се зареждат непрекъснато или равномерно, а вторичната биомаса се извлича периодично. Добре би било използваната суровина да бъде еднородна и в течно състояние. Материалът се придвижва през биореактора механично или от налягането на подавания нов субстрат. За разлика от периодичните реактори, непрекъснатите произвеждат биогаз без прекъсване на процеса за отвеждане на вторичната биомаса и зареждане с нова суровина.
Непрекъснатите реактори произвеждат постоянно и прогнозирано количество биогаз и вторична биомаса. Затова в днешно време те са по-често изграждани заради високата си ефективност. Същите могат да преработват и комбинирана суровина. Известни са три основни вида непрекъснати биореактори - вертикални, хоризонтални и със сложна структура на резервоара. В зависимост от начина на разбъркване на субстрата непрекъснатите биореактори се разделят на напълно размесвани и проточни. Напълно размесваните биореактори в повечето случаи са вертикални, а проточните хоризонтални.
Съвременни биореактори за производство на бигаз - 2-ро поколение
Откриването на способността на микроорганизмите, които са част от метаногенната общност, да се агрегират и гранулират при условия на възходящ поток, е послужило като основа за разработването на нови конструкции на реактори за пречистване на отпадъчни води от ХВП. В Западна Европа за ферментацията на утайките от зърнено-спиртоварска каша-джибри( или от суроватка), се прилагат ефективни съвременни реактори от типа „upflow anaerobic sludge blanket-UASB” - реактор с възходящ поток през слой от анаеробна гранулирана утайка. Гранулираната утайка има добри седиментационни свойства и метаногенна активност, не набъбва, осигурява високо съдържание на ацидогенна и метаногенна биомаса в работната зона.
Отпадните води от производството на алкохол се вкарват отдолу през разпределители и преминават нагоре през слой от гранулираната утайка на дъното на реактора. Слоят на дъното на реактора е по-плътен (sludge bed), висок 1,5–2,5m с концентрация на биомаса 50–100kg/m3, а над него е рядък (sludge blanket) с концентрация на биомаса 5–20 kg/m3. Скоростта на движение на водата в реактора - UASB, е 0,5–1,5m/h. Поради движението на течността и получените газови мехурчета се осигурява смесване вътре в слоя утайка, което допринася за интензивното протичане на процеса.
Газови мехурчета и утайката се разделят в сепариращо устройство, състоящо се от направляващи прегради-дефлектори (газоотделители), отделящи зоната на ферментация от зоната за избистряне, и пръстеновиден колектор за биогаз. Времето за престой на водата в ректора е 5–50 часа(за повечето отпадъчни води) в сравнение конвенционалните метантанкове-192-240 часа.
Понастоящем в практиката се използват основно биореактори, които принадлежат към реакторите от първо поколение - CSTR. При тях всички процеси протичат в един резервоар, бактериалните клетки са в суспензия и, докато растат, се отстраняват заедно с ферментиралата маса. Както е известно, необходимо условие за нормалното функциониране на такива реактори е равенството на скоростите на размножаване на клетките и подаването на свежа суровина в реактора. Концентрацията на органична материя в суровината не трябва да бъде по-ниска от 1,5-2%. При по-ниско съдържание е необходимо да се увеличи скоростта на потока на суровините през реактора. Това увеличава отстраняването на микрофлората от реактора, води до намаляване на плътността на бактериалните клетки в обема му и процесът на практика спира.
Лимитиращият фактор на метаногенезата е активността на бактериите, генериращи метан. Увеличаване на тази активност се осъществява чрез изкуствено увеличаване на броя на бактериите в реактора. Това се постига в реактори от второ поколение. При тях може да се създаде необходимата плътност на биомасата чрез нейното фиксиране (имобилизация) върху носители под формата на биофилм. В такива реактори „downflow stationary fixed film reactor – DSFF” - реактор с низходящ поток на субстрат и фиксиран биофилм, условията на смесване са по-добри. В такива реактори метаногенната биомаса може дългосрочно (3-4 години) да се задържа под формата на биофилм, като определя до 95% от активността на биореакторите. В тях е възможно да се ферментират субстрати с ниско съдържание на органични вещества (0,5-1% от сухото вещество) при висока скорост на преминаването им през реактора.
В тези т.нар. „anaerobic filter-АF” - анаеробни филтри, като носители се използват керамични, полиуретанови пръстени, четки от фибростъкло, естествени материали (слама, дървени стърготини), които подлежат на бавно разрушаване. Друг тип биореактори от второ поколение “upflow anaerobic filter-UAF” - анаеробен филтър с възходящ поток, са реакторите, които използват флокулирана маса. В UAF биомасата се задържа под формата на флокули, разположени в празнините на заредения материал, и биофилма, прикрепен към повърхността на носителя. Тук метаногените микроорганизми в биореактора образуват сложни пространствени структури помежду си и с други микроорганизми, като флокули и гранули. Размерът (диаметърът) на тези образувания обикновено е няколко милиметра.
В същото време, въпреки значителната загуба на мобилност, ензимната активност на бактериите е почти напълно запазена. В такива реактори се поддържа много висока концентрация на биомаса (5–40g/l), което позволява драстично намаляване на обемите на реактора и времето на престой на отпадъчни води от ХВП. С рециркулацията на част от изведената от биореактора ферментирала биомаса (течна или твърда-утайка), към свежата постъпваща за ферментация суровина, се осъществява заразяване на субстрата с микрофлора адаптирана към условията на ферментация в биореактора. Това значително активизира процеса, като намалява продължителността му и повишава производителността на биореактора 3-4 пъти. Ускоряването на метаногенния процес по време на рециркулация се постига и поради постоянното смесване.
Съвременният метод на двуетапна анаеробна обработка на органичните отпадъци в два отделни биореактора има определени предимства. Във всеки от тях е възможно да се създадат специфични условия, благоприятни за специфичните микроорганизми. В първия биореактор протича киселинната ферментация (хидролиза, ацидогенеза, ацетогенеза), а във втория - образуване на метан. Това разделение осигурява оптимални условия за протичане на всеки от етапите и увеличаване на общата скорост на ферментационния процес не по-малко от 30%.
Биоректори за производство на фуражни добавки и комбиниран фураж
Стандартните биореактори за анаеробна ферментация на органични отпадъци, могат да се използват и за получаване на фуражни добавки. Разработена е съвременна технология за преработка на смесени органични отпадъци (от зърнопреработвателната, от преработката на плодове и зеленчуци в консервната, от пивоварната, захарната, сладкарската етерично-маслената промишлености, винопроизводтвото, производството на растителни масла), растителни компоненти на селскостопански култури-стъбла от зърнени и технически култури, стъбла от слънчоглед, царевични кочани, отрезки от картофи, чрез микробиологична биоконверсия във фуражни добавки и комбиниран фураж. Технологията е екологично безопасна, няма отпадни води и вредни емисии.
Технологичната схема се състои от контейнер за насипни и мокри суровини, резервоар за течни суровини, дозиращи бункери, смесител, два биореактора, компресор, парогенератор, сушилня, мелачка, пълначка в чували. Ключов елемент от технологичната схема е биореактора, в който се осъществява процесът на микробиологична биоконверсия на отпадъците във фураж. Реакторите са универсално оборудване, позволяващи преработка на различни органични суровини и получаване различни фуражни добавки. В биореактора се зарежда мокра (55%) смес от различните изброени отпадъци. От момента на зареждане на суровините, процесът на микробиологична биоконверсия протича в рамките на 4-6 дни (в зависимост от желаните зоотехнически параметри на крайния продукт).
В резултат на това се получава мокра фуражна добавка - въглехидратно-протеинов концентрат (ВПК), който се суши до влажност 8-10% и се натрошава. Той се отличава с висока хранителна стойност (протеини 22-26%), лесна усвояемост, биологична активност, както и ензимна, витаминна и минерална стойност. Фуражната добавка ВПК може да се използва като основен компонент при производството на фуражи за животни в съотношение 1:1, като добавка към груби растителни фуражи, при производството на прости фуражни смески с натрошено фуражно зърно, трици, зърнени отпадъци и други.