Результат интеллектуальной деятельности: Биоферментёр для обеззараживания побочных продуктов птицеводства и животноводства

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к технологическому оборудованию для обеззараживания побочных продуктов птицеводства и животноводства (помет, навоз) по технологии биоферментации.

Известен биоферментер, взятый в качестве прототипа, применяемый для обеззараживания помета/сепарированного навоза, состоящий из теплоизолированного помещения с загрузочными воротами и встроенными в пол перфорированными вентиляционными каналами, подсоединенными к периодически включаемому с помощью системы автоматики напорному центробежному вентилятору системы подачи воздуха, а контроль за процессом биоферментации осуществляется с помощью погружных термозондов (см. Ковалев Н.Г., Барановский И.Н. Органические удобрения в XXI веке. (Биоконверсия органического сырья): Монография. - Тверь, ЧуДо, 2006. - 304 г.). Этот прототип реализован в рабочем проекте: Установка «Биоферментатор» для переработки навоза КРС, помета, торфа и другого органического сырья по технологии ВНИИМЗ. Рабочий проект 14137-ПЗ. Минсельхозпрод России. ФГУП «СЕВЗАПАГРОПРОМПРОЕТ» г. Тверь, 1999).

Указанное известное устройство позволяет эффективно обеззараживать ферментируемую массу на основе навоза, помета, торфа в условиях положительных температур наружного воздуха в течение расчетного периода (7 суток). Однако при отрицательных температурах наружного воздуха время, необходимое для достижения температуры пастеризации ферментируемой массы, которая и обеспечивает обеззараживание, возрастает, причем чем ниже температура наружного воздуха, тем больше задержка в достижении заданного результата. В связи с этим на практике для регионов, где период отрицательных температур продолжителен, а также при очень низких температурах наружного воздуха в регионах с умеренным климатом, технология биоферментации, а также и известное устройство имеют ограниченную область применения.

Целью и одновременно техническим результатом заявленного технического решения является расширение (увеличение) времени использования биоферментера и, следовательно, технологии биоферментации за счет ее применения в период отрицательных температур воздуха, характерных для большинства регионов Российской Федерации и стран с аналогичными климатическими условиями.

Указанный технический результат достигается за счет того, что биоферментер наряду с конструктивными узлами (признаками), имеющимися в прототипе, дополнительно оснащен двумя автономными контурами электроподогрева, первый из которых включается/выключается синхроннно с напорным вентилятором системы подачи наружного воздуха, а второй включается в момент начала процесса биоферментации и выключается в момент наступления мезофильной фазы созревания ферментируемой массы (компоста).

В частном случае второй контур подогрева биоферментера может быть выполнен в виде подключаемого к электросети греющего кабеля, находящегося внутри металлической пластины.

Кроме того, следует подчеркнуть, что момент включения/выключения первого контура подогрева синхронизирован с моментом включения в работу напорного вентилятора, чтобы подогревать лишь то количество воздуха, которое необходимо для развития аэробной микрофлоры внутри ферментируемой массы, т.к. дыхание микрофлоры сопровождается выделением большого количества теплоты, идущей на разогрев этой ферментируемой массы. При этом синхронизация означает опережение момента включения первого контура подогрева перед моментом включения напорного вентилятора, а выключение первого контура подогрева производится одновременно с включением напорного вентилятора.

Назначение второго контура подогрева - это выравнивание температурного поля внутри биоферментера за счет компенсации понижения температуры подаваемого воздуха по ходу протяженного вентиляционного канала, проложенного в полу биоферментера, и за счет компенсации потери теплоты через загрузочные ворота биоферментера, имеющие меньшее тепловое сопротивление по сравнению с другими ограждающими ферментер конструкциями. Привязка момента включения второго контура подогрева к моменту начала процесса обеззараживания объясняется тем, что в начальный момент после закрытия ворот ферментера воздух в каналах и сами каналы имеют самую низшую для процесса температуру, близкую к температуре наружного воздуха.

В этот момент важно запустить процесс дыхания аэробной микрофлоры (при отрицательных температурах миклофлора находится в состоянии анабиоза) вблизи концевых участков вентиляционных каналов, заканчивающихся у загрузочных ворот; привязка момента выключения второго контура подогрева к начальному моменту мезофильной фазы процесса, характеризующегося тем, что температура ферментируемой массы достигает значения 30 градусов Цельсия. Это опробовано на практике эксплуатации промышленного биоферментера, построенного по рабочему проекту 14137-ПЗ-прототипу, и объясняется тем, что уже многократно развитая к данному моменту аэробная микрофлора выделяет такое количество теплоты, которого достаточно для компенсации теплопотерь через загрузочные ворота биоферментера и равномерного разогрева всей ферментируемой массы.

Полезная модель иллюстрируется на фиг. 1-4, где на фиг. 1 изображена для сравнения конструкция биоферментера - прототипа, содержащая теплоизолированные стены 2 и кровлю 1, загрузочные ворота 3, напорный вентилятор 8, перфорированные вентиляционные каналы 5, расположенные в полу 6, вытяжное отверстие 4, систему автоматики 9. На фиг. 2 изображена конструкция биоферментера, разработанная по техническому решению заявленной полезной модели, содержащая, как и в прототипе, теплоизолированные стены 2 и кровлю 1, загрузочные ворота 3, напорный вентилятор 8, перфорированные вентиляционные каналы 5, расположенные в полу 6, вытяжное отверстие 4 и систему автоматики 9. Кроме того, такой биоферментер оснащен первым контуром подогрева 10, включающим низконапорный канальный вентилятор 11 и электрический канальный нагреватель 12, и вторым контуром подогрева 13.

На фиг. 3 показана схема подключения управляемых системой автоматики 9 канального нагревателя 12 и канального вентилятора 11 к линии подачи наружного воздуха напорным центробежным вентилятором 8 в перфорированные вентиляционные каналы 5.

На фиг. 4 показана принципиальная схема исполнения в металлической пластине 15 греющего кабеля 14, подключаемого к источнику электроснабжения с помощью вилки 16.

Принцип работы устройства заключается в следующем. После загрузки ферментируемой массы в биоферментер и закрытия загрузочных ворот 3, с помощью напорного центробежного вентилятора 8 по проложенным в полу 6 вентиляционным каналам 5 циклически подается наружный воздух. Количество подаваемого воздуха, определяемое временем работы напорного вентилятора 8, должно быть строго определенным: его, с одной стороны, должно быть достаточно для дыхания аэробной микрофлоры, а с другой стороны, его не должно быть много во избежание захолаживания ферментируемой массы. При дыхании микрофлора выделяет теплоту, которая идет на разогрев ферментируемой массы. В начале процесса (психрофильная фаза) микрофлоры мало, но с разогревом ферментируемой массы колония микрофлоры разрастается, воздуха требуется больше и при достижении температуры ферментируемой массы 30 градусов Цельсия начинается мезофильная фаза процесса, в ходе которой процесс разогрева ускоряется. При достижении температуры ферментируемой массы 45-50 градусов Цельсия начинается самая активная фаза процесса биоферментации - термофильная, в ходе которой продолжается рост температуры и колонии микрофлоры. Обеззараживание ферментируемой массы происходит путем пастеризации. Продолжительность пастеризации ферментируемой массы зависит от ее температуры, например, при температуре 70 градусов Цельсия длительность пастеризации, гарантировано обеспечивающей обеззараживание, составляет 1 час. После пастеризации всего объема ферментируемой массы процесс обеззараживания завершается. Поскольку в разные фазы процесса биоферментации, количество подаваемого воздуха должно быть различным, ввиду наличия различного количества микрофлоры, перед началом процесса задается алгоритм включения/выключения напорного вентилятора 8 с помощью системы автоматики 9. Это обычный процесс работы биоферментера, эффективно протекающий при положительных температурах подаваемого в ферментер наружного воздуха. Однако, в период стояния отрицательных температур существует проблема запуска процесса в начальный момент, когда дыхания незначительного количества микрофлоры, недостаточно для того, чтобы компенсировать количество теплоты, вносимое с подаваемым холодным воздухом. Именно поэтому для того, чтобы гарантировано завершить процесс обеззараживания в расчетный срок, устройство оснащается двумя автономными контурами подогрева. Первый контур подогрева 10, включает низконапорный канальный вентилятор 11 и электрический канальный нагреватель 12, связанные с системой автоматики 9. В зависимости от того, насколько низка температура наружного воздуха в начальный момент процесса, в алгоритм управления работой напорного вентилятора 8 задается время опережающего включения канального электронагревателя 12 и канального вентилятора 11, обеспечивающего надежную работу электронагревателя 12. Подогретый канальным нагревателем воздух подается в перфорированные вентиляционные каналы 5, обеспечивая прогрев каналов и находящегося в них воздуха. При выключении напорного вентилятора 8 одновременно выключаются канальный электронагреватель 12 и канальный вентилятор 11. Описанная схема синхронизации работы напорного вентилятора 8, канального электронагревателя 12 и канального вентилятора 11 позволяет обеспечить подачу минимально количества воздуха, необходимого для дыхания микрофлоры воздуха и роста ее колонии, тем самым, произвести обеззараживание ферментируемой массы в расчетные сроки с минимальными энергозатратами.

Второй контур подогрева наружного воздуха, выполненный в виде греющего кабеля 14, размещенного внутри металлической пластины 15, которая распределяет тепло от греющего кабеля по всей ее поверхности, включается автономно в электросеть вилкой 16, для того, чтобы нивелировать теплопотери внутри вентиляционных каналов 5 в начальной психрофильной стадии процесса, а также теплопотери через загрузочные ворота 3, имеющие более низкое тепловое сопротивление, чем теплоизолированные кровля 1 и стены 2. В начальный момент температура воздуха в перфорированных вентиляционных каналах 5 фактически близка к температуре подаваемого воздуха; поскольку по мере продвижения воздуха по каналу по направлению от напорного вентилятора 8 к загрузочным воротам 3, теплосодержание воздуха снижается, то в непосредственной близости от загрузочных ворот 3 имеет место замедление процесса биоферментации; замедление усиливается также в результате теплопотерь через загрузочные ворота. Для того, чтобы выровнять температуру ферментируемой массы во всем объеме биоферментера, в начальный момент процесса включается в электрическую сеть греющий кабель 14, мощность которого зависит от теплопотерь через загрузочные ворота 3 и температуры окружающей среды. При этом расчеты и опыт промышленной эксплуатации биоферментера - прототипа, показывает, что отключение второго контура подогрева целесообразно проводить в момент перехода к мезофильной стадии процесса, когда количество теплоты, выделяемое дышащей микрофлорой гарантировано превышает теплопотери и достаточно для разогрева ферментируемой массы. Принципиально важным является то, что греющий кабель 14 размещается внутри пластины 15, которая укладывается на пол вблизи загрузочных ворот перед их закрытием и удаляется после выгрузки обеззараженной продукции; такое исполнение распределяет тепло от греющего кабеля по всей поверхности металлической пластины и не препятствует работе фронтального погрузчика, с помощью которого осуществляются загрузка и выгрузка биоферментера.

Преимущество данного устройства заключается в том, что оно применимо в любых климатических условиях круглогодично, обеспечивая ритмичную работу сельскохозяйственных предприятий.

Новизна изобретения заключается в том, что в конструкцию биоферментера вводятся два автономных контура подогрева, каждый из которых выполняет свою строго определенную функцию, а также в модернизации системы автоматики, обеспечивающей алгоритм определения момента включения/выключения контуров подогрева в работу.