Что такое биореактор и как он работает

Биореактор – что это?

Биореактор, или ферментер, представляет собой сложноустроенный аппарат или даже сооружение, основной целью которого является создание оптимальных условий для развития определенных микроорганизмов. Такие камеры используют во многих видах деятельности, от производства кисломолочной продукции до фармакологии и медицинских исследований.

Принцип работы биореактора достаточно прост, а его устройство и методики сочетания необходимых условий, наоборот, сложны. До помещения в ферментер исходный рабочий продукт – необходимую биологическую культуру – хранят в специальных условиях, так сказать, в неактивном состоянии – например, замораживают. Для культивации небольшую пробу микроорганизмов наращивают в лабораторных условиях до состояния «рабочей порции»- достаточного для динамичной культивации количества. После данного асептического этапа культуру помещают в биореактор, предварительно его поверхность, воздух в камере и все соединительные отверстия стерилизуют, используя для этого водяной пар и вентиляцию. После очистки начинается этап инокуляции – когда помещенные внутрь ферментера культуры начинают активно размножаться и расти, благодаря тому что для них создают оптимальные условия и питательную среду. Конечным продуктом подобных процессов является необходимое количество биомассы или полезные метаболиты микроорганизмов.

Обращение с биореактором требует не только соответствующего специализированного обучения, но и определенных практических навыков, тренировок, опыта. Далеко не каждый оператор и лабораторный работник, обладающий только теоретическими знаниями, может справиться со всеми обслуживающими процессами. Именно по этой причине сегодня большой популярностью пользуется биореактор для обучения и исследований. Подобные устройства производятся профессиональными компаниями, такими как Sartorius. Хотя профильная марка BIOSTAT® насчитывает множество различных ферментеров для промышленных и научных целей, учебные биореакторы данной компании очень востребованы. Это полноценные небольшие аппараты, оснащенные средствами для создания всех необходимых условий для любой биологической культуры. Их используют в университетах, исследовательских лабораториях, на кафедрах и т. д. Небольшие ферментеры отлично подходят для использования в городских и региональных медицинских учреждениях, в промышленных лабораториях. Так же как и большие камеры для культивации биомассы, обучающие ферментеры изготавливаются из специальных материалов, оборудуются различными датчиками, полноценной системой аэрации, удобным интерфейсом, электронным дисплеем контроля процессов, специализированным программным обеспечением.

Биореакторы BIOSTAT® от немецкой компании Sartorius Stedim Biotech GmbH считаются одними из самых качественных и надежных в мире, их повсеместно используют в промышленности, фармакологии, медицине и научных исследованиях во многих странах.

Источник

Биореактор

Биореактор — прибор, осуществляющий перемешивание культуральной среды в процессе микробиологического синтеза.

Применяется в биотехнологической промышленности при производстве лекарственных и ветеринарных препаратов, вакцин, метана, продуктов пищевой промышленности (ферменты, пищевые добавки, глюкозные сиропы), а также при биоконверсии крахмала и производстве полисахаридов и нефтедеструкторов.

Различают механические, аэрлифтные и газо-вихревые биореакторы, а также аэробные (с подачей воздуха или газовых смесей с кислородом), анаэробные (без подачи кислорода) и комбинированные — аэробно-анаэробные. В последнем случае в комбинированном биореакторе проводят культивирование как аэробных, так и анаэробных культур одновременно. Обычно это применяется для получения биогаза, когда тепловыделения в аэробном процессе используют для подогрева анаэробной культуры.

Принцип действия биореактора

Назначением всякого биореактора является создание оптимальных условий для жизнедеятельности культивируемых в нём клеток и микроорганизмов, а именно обеспечивать дыхание, подвод питания и отвод метаболитов путём равномерного перемешивания газовой и жидкой составляющих содержимого биореактора. При этом нежелательно подвергать клетки тепловому или механическому воздействию.

В механическом биореакторе перемешивание осуществляется механической мешалкой, что приводит к недостаточно равномерному перемешиванию с одной стороны, и к гибели микроорганизмов с другой.

В аэрлифтном биореакторе перемешивание осуществляется за счёт продувки газовой фазы через жидкость (барботажное перемешивание), что не всегда обеспечивает достаточно интенсивное перемешивание и приводит к нежелательному пенообразованию.

В биореакторе газо-вихревого типа перемешивание осуществляется квазистационарным потоком с осевым противотоком, который создаётся аэрирующим газовым вихрем за счёт перепада давления над поверхностью и силы трения воздушного потока о поверхность суспензии.

Источник

Биореактор

Что представляют собой сточные воды

Для понимания, какую угрозу могут представлять для здоровья и экологии сточные воды, необходимо дать четкое определение понятию. Стоками именуются все виды воды, прошедшие полный или неполный цикл бытового, промышленного использования.

Сточные воды и их краткая характеристика

Виды загрязнений

Среди основных видов загрязнений выделяют следующие варианты:

К категории сточной жидкости отнесены также отходы, попадающие в ливневую канализацию в результате выпадения осадков любого типа (дождь, растаявший снег). Поскольку они содержат в себе большое количество реактивов и прочих химических включений, используемых городскими коммунальными службами. А также примеси попадающие из осевших выхлопных газов, от машин и т. п.

Эффективность очистки сточных вод достигается за счет использования правильного метода, соответствующего типу конкретного загрязнения.

Исходя из видов загрязнений, выделяют 3 основных типа сточных вод.

Сточные воды, содержащие в себе большое количество примесей, имеющих неорганическое происхождение, именуют минеральными. Чаще всего такая вода вступала в контакт с частицами грунта, солями и другими вещества неорганических групп.

Если есть примеси органического происхождения, сточные воды попадают в одноименную категорию. В такой воде присутствует большое количество продуктов, результата жизнедеятельности растительного и животного мира в целом.

Существуют и биологические сточные воды. Примеси в такой воде связаны с другими элементами, они питаются и размножаются во влажной среде.

Крафт править править код

Интерфейс

Виды топлива

Использование биотоплива гораздо выгоднее, чем биомассы. В этом можно убедиться, сделав простые расчёты (1.7.10) :

Для получения 1000 мВ биомассы в бродильном аппарате потребуется ровно 336 000 RF (21 уголь в двигателе Стирлинга). Следовательно, из 3000 мВ биомассы в биогенераторе мы получим 12 000 еЭ, так как 1000 мВ биомассы — 4000 еЭ, и потратим на это 336 000 × 3 = 1 008 000 RF.

В дистилляторе 1000 мВ биомассы перерабатывается в 300 мВ биотоплива, и тратится на это 80 000 RF. 10 вёдер биомассы равны 3 вёдрам биотоплива при затратах в 800 000 RF. Поэтому, для создания 10 вёдер биомассы мы должны потратить 336 000 × 10 = 3 360 000 RF, а также ещё 800 000 RF на переработку в биотопливо. В итоге, для создания 3000 мВ биотоплива мы потратим 4 160 000 RF и получим в биогенераторе 64 000 × 3 = 192 000 еЭ

3000 мВ биомассы — 1 008 000 RF — 12 000 еЭ

3000 мВ биотоплива — 4 160 000 RF — 192 000 еЭ.

Биотопливо выгоднее, чем биомасса, хотя ранее при других расценках еЭ было наоборот.

The Bio Generator is used to convert Biomass or Biofuel into EU. It Produces 8,000 EU at 8 EU/t when running on Biomass or 128,000 EU at 16 EU/t when running on Biofuel (per bucket). It stores 10 buckets worth of fuel and can store up to 30,000 EU of excess energy.

The Bio Generator will only accept Biomass and Biofuel from Pipes, Cans, and Capsules. It does not accept the Biomass Cell or Bio Diesel Cell, meaning that you must send your plant matter through a Fermenter, and cannot simply place it in a cell.

It’s worth noting that while a Biogas Engine takes 10,000 ticks, or 8 minutes and 20 seconds, to use a bucket of Biomass, the Bio Generator will use up the same amount of fuel in just 50 seconds. Similarly, a Combustion Engine takes 40,000 ticks or 33 minutes 20 seconds to use a bucket of Biofuel, while a Bio Generator burns it in 1 minute 40 seconds. Thus, if you have a setup that uses Biomass or Biofuel to power engines, and you connect a Bio Generator to the same fuel pipe, you should expect it to starve your engines.

Специфика получения биогаза

Биогаз образуется в результате брожения биологического субстрата. Его разлагают гидролизные, кислото- и метанообразующие бактерии. Смесь вырабатываемых бактериями газов получается горючей, т.к. содержит большой процент метана.

По своим свойствам она практически не отличается от природного газа, который используется для промышленных и бытовых нужд.

Биогаз – экологически чистое топливо, а технология его получения не оказывает особого влияния на окружающую среду. Более того, в качестве сырья для биогаза используют отходы жизнедеятельности, которые нуждаются в утилизации.

Их помещают в биореактор, где происходит переработка:

Биогазовая установка выгодна для владельца частного дома только в том случае, если у него есть постоянный доступ к отходам животноводческих ферм. В среднем из 1 м.куб. субстрата можно получить 70-80 м.куб. биогаза, но выработка газа идет неравномерно и зависит от многих факторов, в т.ч. температуры биомассы. Это осложняет расчеты.

Чтобы процесс получения газа был стабильным и непрерывным, лучше всего строить несколько биогазовых установок, а субстрат в ферментаторы закладывать с разницей во времени. Такие установки работают параллельно, а сырье в них загружают последовательно.

Это гарантирует постоянную выработку газа, благодаря чему можно добиться его непрерывного поступления к бытовым приборам.

Самодельное биогазовое оборудование, собранное из подручных материалов, обходится гораздо дешевле установок промышленного производства. Его эффективность ниже, но вполне соответствует вложенным средствам. Если есть доступ к навозу и желание приложить собственные усилия для сборки и обслуживания конструкции, это очень выгодно.

Расчет рентабельности установки

В качестве сырья для производства биогаза обычно используют коровий навоз. Одна взрослая корова может дать его столько, чтобы обеспечить 1.5 м.куб. топлива; свинья – 0.2 м.куб.; курица или кроль (в зависимости от массы тела) – 0.01-0.02 м.куб. Чтобы понять, много это или мало, можно сравнить с более привычными видами ресурсов.

1 м.куб. биогаза обеспечивает такое же количество тепловой энергии, как:

Если знать примерный вес сельскохозяйственных отходов, которые будут доступны в течение ближайших лет, и количество необходимой энергии, можно просчитать рентабельность биогазовой установки.

Для закладки в биореактор готовят субстрат, в который входят несколько компонентов в таких пропорциях:

Расчет субстрата сделан для одной закладки на полгода, если исходить из умеренного потребления газа. Примерно через 10-15 дней процесс ферментации даст первые результаты: газ появится в небольших количествах и начнет заполнять хранилище. Через 30 дней можно ожидать полноценной выработки топлива.

Если установка работает правильно, объем биогаза постепенно будет увеличиваться, пока субстрат не перегниет. Производительность конструкции напрямую зависит от скорости брожения биомассы, которая в свою очередь связана с температурой и влажностью субстрата.

Взаимодействие с трубами

Принимает по трубе:

Извлечь ничего нельзя.

Инструкция по самостоятельному строительству

Если нет опыта в сборке сложных систем, имеет смысл подобрать в сети или разработать самый простой чертеж биогазовой установки для частного дома.

Чем проще конструкция, тем она надежнее и долговечнее. Позже, когда появятся навыки строительства и обращения с системой, можно будет переделать оборудование или смонтировать дополнительную установку.

При расчете объема ферментатора стоит ориентироваться на 5 м.куб. Такая установка позволяет получить количество газа, необходимое для обогрева частного дома площадью 50 м.кв., если в качестве источника тепла используют газовый котел или печь.

Это усредненный показатель, т.к. калорийность биогаза обычно не выше 6000 ккал/м.куб.

Строительство биогазовой установки можно разделить на несколько этапов.

Этап 1 – подготовка ямы под биореактор

Практически вся биогазовая установка находится под землей, поэтому многое зависит от того, как была вырыта и отделана яма. Есть несколько вариантов укрепления стенок и герметизации ямы – пластик, бетон, полимерные кольца.

Оптимальное решение – покупка готовых полимерных колец с глухим дном. Они обойдутся дороже подручных материалов, зато не потребуется дополнительная герметизация. Полимеры чувствительны к механическим нагрузкам, зато не боятся влаги и химически агрессивных веществ. Они не подлежат ремонту, но при необходимости их легко будет заменить.

Этап 2 – обустройство газового дренажа

Покупка и монтаж специальных мешалок для биогазовых установок – дорогое удовольствие. Систему можно удешевить, обустроив газовый дренаж. Он представляет собой вертикально установленные полимерные канализационные трубы, в которых проделано множество отверстий.

При расчете длины труб дренажа следует ориентироваться на запланированную глубину заполнения биореактора. Верхние части труб должны быть выше этого уровня.

В готовый биореактор можно сразу загрузить субстрат. Его накрывают пленкой, чтобы выделяющийся в процессе ферментации газ находился под небольшим давлением. Когда будет готов купол, это обеспечит нормальную подачу биометана по отводящей трубе.

Этап 3 – монтаж купола и труб

Завершающий этап сборки простейшей биогазовой установки – это монтаж купольной верхней части. В самой высокой точке купола устанавливают газоотводящую трубу и протягивают ее к газгольдеру, без которого не обойтись.

Емкость биореактора закрывают плотной крышкой. Чтобы предотвратить смешивание биометана с воздухом, обустраивают гидрозатвор. Также он служит для очистки газа. Нужно предусмотреть спусковой клапан, который сработает, если давление в ферментаторе будет слишком высоким.

Более подробно отом, как сделать биогаз из навоза читайте в этом материале.

Преимущества и недостатки системы

Биогазовые установки имеют немало преимуществ, но и недостатков хватает, поэтому перед началом проектирования и строительства следует все взвесить:

У биогаза есть и недостатки. Хотя это относительно чистое топливо, оно все же загрязняет атмосферу. Также могут возникать проблемы с поставками растительной биомассы.

Безответственные владельцы установок нередко заготавливают ее так, что истощают землю и нарушают экологический баланс.

Особенности эксплуатация мембранных биореакторов

Чтобы восстановить первоначальный важный показатель уровня проницаемости мембран биореактора, производится обработка растворами различных реагентов. Чаще всего такая химическая промывка подразумевает использование окислителей.

В большинстве случаев независимо от конкретной модели оборудования, для этого процесса применяются следующие вещества:

Гипохлорит натрия

В качестве дополнения к вышеуказанным реагентам, для достижения лучшего результата, могут быть использованы соляная кислота, едкий натр и прочие вещества из категории детергентов или же комплексообразователей.

Проводить процедуру очистки с использованием расширенного состава разумно не чаще 1 раза за 2–3 месяца. А при использовании гипохлорита процедуру можно повторять до 2 раз за 1 месяц.

Для осуществления промывки напорного модуля, используется технология циркуляции раствора, подаваемого подключенным насосом из специальной емкости, в которую погружной вариант оборудования помещается целиком. Что в первом и во втором случае время для промывки составляет от 2 до 3 часов.

При сильных загрязнениях и неэффективности указанных выше методов, производится отбор мембран, и промывка происходит механическим путем за счет подачи струи воды, избавляющей поверхность от отложений.

Трудности в процессе эксплуатации биореактора

Есть несколько проблемных вопросов, связанных с применением на практике мембранного биореактора.

Схема очистки сточных вод

Довольно быстрое загрязнение основных очищающих элементов, а именно мембран и фильтров. Связанное с необходимостью осуществления контроля за процессом предочистки, и полноценным удалением таких элементов, как волосы, обрывки волокнистых материалов и т. п.

Повреждение пропускающих мембран в процессе эксплуатации или очистки.

Частые сбои в работе линии связи, расположенной в системе автоматизации, и выход из строя системы отвечающей за процесс обдувки.

Загрязнение решеток, сеток, требующее дополнительных временных и финансовых затрат для очистки.

Возможный отказ работы аэраторов и воздуходувок означающий дорогостоящий и длительный ремонт аппарата. Чем хуже условия аэрации, тем скорее происходит процесс снижения уровня проницаемости мембран и повышается скорость образования осадка. При этом такая проблема до определенного времени не оказывает существенного влияния на качество степени очистки.

Отказ системы отвечающей за рециркуляцию, автоматически останавливающий работу биореактора и т. п.

Следует помнить о том, чем больше производительность биореактора и соответственно этому количество очищаемых сточных вод в сутки, тем выше финансовые затраты на приобретение и последующее обслуживание.

Видео: Мембранная очистка сточных вод

Технология получения биогаза

Принцип работы биогазовой установки базируется на брожении биосубстрата. Он разлагается под воздействием гидролизных, метано- и кислотообразующих микроорганизмов. Вырабатывается горючий газ, содержащий высокий объем метана.

Газ фактически не уступает природному, использующемуся в быту и промышленности. Есть готовые установки. Но, их стоимость достаточно высока, срок окупаемости достигает 10 лет.

Для работы биогазовой установки можно применять доступное сырье – утилизируемые отходы. Они перерабатываются следующим образом:

Газ может применяться аналогично природному. Его можно использовать в качестве топлива для котлов, печей, газовых плит и т. д. Отработанное сырье нужно своевременно извлекать из установки. Отходы можно применять в качестве удобрения.

Рачительный хозяин мечтает о дешевых энергоресурсах, эффективной утилизации отходов и получении удобрений. Домашняя биогазовая установка своими руками – это недорогой способ воплощения мечты в реальность.

Самостоятельная сборка такого оборудования обойдется в разумные деньги, а вырабатываемый газ станет хорошим подспорьем в хозяйстве: его можно использовать для приготовления пищи, отопления дома и других нужд.

Давайте попробуем разобраться в специфике работы этого оборудования, его преимуществах и недостатках. А также в том, возможно ли самостоятельно построить биогазовую установку и будет ли она эффективна.

Ферментер

Ферментер представляет собой готовый комплекс для культивирования микроорганизмов с дозированием питательных веществ в автоматическом режиме.

В процессе выращивания микробиологических культур должны соблюдаться основные требования: климатические факторы внешней среды, параметры давления, скорость и интенсивность перемешивания, должен быть организован отвод побочных продуктов (углекислого/сернистого газа).

Классификация микробиологических процессов с точки зрения технологического оформления

Любой микробиологический процесс может быть классифицирован с точки зрения:

Широкое распространение в промышленной сфере получил процесс глубинного культивирования микроорганизмов в жидкообразной питательной среде. Такой процесс имеет ряд отличительных особенностей: он протекает в несколько этапов и сводится к преобразованию “газ – жидкость – твердотельный состав (клетки)”.

В качестве подобной твердотельной субстанции может выступать и нерастворимый в жидкости источник углерода (например, н-парафин).

Культивирование микроорганизмов неизбежно связано с выделением теплоты. Это также касается случаев, когда выращивание производится в лабораторных условиях. При небольших объемах культивации и с использованием специальной химической посуды тепловой эффект невелик, однако в больших установках при значительном количестве вещества происходит обильное тепловыделение.

Чрезвычайно важно в процессе выращивания поддерживать одинаковую температурную фазу во всем объеме в течение длительного промежутка времени.

Классификация ферментеров в зависимости от объема вещества

В зависимости от общего объема культивируемого вещества биореакторы классифицируются на ферментеры лабораторные и ферментеры промышленные:

1. Основная область практического применения ферментера лабораторного – воспроизведение и выращивание микробиологических образцов в лабораторных масштабах, а также для разведения инновационных культур, грибов, ферментов и микроорганизмов.

Одна или несколько реакторных ёмкостей и блок обеспечения – основные составляющие лабораторного ферментатора.
Основная функция блока обеспечения – поддержание жизнедеятельности и размножения микроорганизмов. В состав такого модуля могут входить

Ферментер, в том числе, лабораторный от компании BioRus имеет ряд преимуществ:

2. Промышленный ферментер используют в пищевой, фармацевтической и микробиологической промышленности для производства грибов, бактерий и дрожжей, а так же для производства белков, биоактивных веществ, антибиотиков и других препаратов, необходимых человеку в разных сферах жизнедеятельности и медицины.

В качестве контролирующих устройств выступают интегрированные системные модули или лабораторные биореакторы, подключаемые к персональному компьютеру и функционирующие на базе специального программного обеспечения.

Стоимость оборудования данного класса напрямую зависит от объемов культивируемого вещества и мульти функциональности системного блока.

Как сделать биогенератор

Крафт его очень простой. Достаточно иметь 6 слитков золота, 2 стекла и прочную машину. С этим набором ресурсов вы сможете без проблем скрафтить биогенератор.

Так же нужно обязательно сказать пару слов о том как с ним работать. Биоренератор, как вы уже помните очень растратное средство получения энергии. Вам лучше несколько раз подумать прежде чем решить использовать именно его в плане выработки энергии.

Для чего вообще может понадобиться электричество? Мы знаем что для многого. Ну я могу привести самый крайний и самый крутой пример. Например, вам нужно снабдить энергией весь город. Если у вас есть город который вы построили — это очень даже интересный момент применения биогенератора. Если вы не хотите строить город собственоручно можете найти minecraft моды на уже готовый город. Если это так тогда вам понадобится очень много биогенераторов и соответственно очень много полей.

Действует лигравитация
Складываемый

Выводы и полезное видео по теме

Хотя в сборке и обустройстве биогазового оборудования нет ничего сложного, нужно быть предельно внимательным к деталям. Ошибки недопустимы, т.к. могут привести к взрывам и разрушениям. Предлагаем видеоинструкции, которые помогут разобраться в устройстве установок, правильно их собрать и дополнить полезными приспособлениями для более удобного использования биогаза.

В видеоролике рассказано, как устроена и работает стандартная биогазовая установка:

Пример самодельной биогазовой установки. Видеоурок по обустройству системы своими руками:

Видеоинструкция по сборке биогазовой установки из бочки:

Описание процесса изготовления мешалок для субстрата:

Подробное описание работы самодельного газового хранилища:

Какой бы простой ни была биогазовая установка, выбранная для частного дома, не стоит на ней экономить. Если есть возможность, лучше купить разборный биореактор промышленного производства.

Если нет – изготовить из качественных и устойчивых материалов: полимеров, бетона или нержавеющей стали. Это позволит создать по-настоящему надежную и безопасную систему газоснабжения дома.

Появились вопросы по теме статьи, нашли недочеты или есть ценная информация, которой вы можете поделиться с нашими читателями? Пожалуйста, оставляйте свои комментарии, задавайте вопросы, делитесь опытом.

В статье о получении биогаза приводились теоретические основы производства газа метана из биомассы путем анаэробного сбраживания.

Была объяснена роль бактерий в поэтапном преобразовании органических веществ с описанием необходимых условий для наиболее интенсивного получения биогаза. В данной статье будут приведены практические реализации биогазовых установок, с описанием некоторых самодельных конструкций.

Поскольку цены на энергоносители растут, и у многих собственников животноводческих ферм и малых хозяйств существуют проблемы с утилизацией отходов, появились в продаже промышленные комплексы по производству биогаза и небольшие биогазовые установки для частного дома. Пользуясь поисковиками, пользователь сети Интернет сможет легко найти доступное готовое решение, чтобы биогазовая установка и цена на нее соответствовали запросам, выйти на связь с поставщиками оборудования и договориться о постройке биогазового генератора у себя дома или на хозяйстве.

Промышленный комплекс по производству биогаза

Источник