PL204646B1 - Sposób stabilizowania materiałów bioorganicznych i urządzenie do gotowania i stabilizowania materiałów bioorganicznych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób stabilizowania materiałów bioorganicznych i urządzenie do gotowania i stabilizowania materiałów bioorganicznych.

Wynalazek dotyczy sposobu i urządzenia do specjalnego gotowania, za pomocą ciepła i wytwarzanej lokalnie pary wodnej, materiału o właściwościach biologicznych, takiego jak biomasa, braków i odpadów z zakładów spożywczych oraz, ogólnie, materiałów zawierających lub mogących zawierać substancje o właściwościach biologicznych, w tym organizmy żywe, w celu uzyskania stabilizacji materiałów w postaci wyrobu odwodnionego, który jest stabilny przez długie okresy czasu.

Nieograniczającymi przykładami materiałów o właściwościach organicznych, nadających się do obróbki za pomocą opisanego tu procesu są ścięta trawa, pozostałości po ścince drzew, algi morskie i wodorosty, odpady z rzeźni, skórki warzyw i odpady z produkcji wyrobów spoż ywczych, odpady z przemysłu spożywczego, działalności rolniczej lub rybołówstwa, frakcje organiczne stałych odpadów miejskich, odpady medyczne zawierające materiały biologiczne oraz osad kanalizacyjny z oczyszczaczy biologicznych.

Jak wiadomo, materiały o charakterze biomasy oraz, ogólnie, materiały zawierające substancje o charakterze organicznym i biologicznym, nie są stabilne. Wynika to z obecnoś ci wody i innych związków w fazie ciekłej, które stanowią, z substancją organiczną, podłoże nadające się do rozwoju grzybów, nasion, owadów i, ogólnie, organizmów żywych, które znajdują się zarówno w samym materiale i które pochodzą ze środowiska w postaci pyłków, zarodników, mikroorganizmów, itp. Ich składowanie przed następnym użyciem lub wyrzuceniem często stanowi problem, zwłaszcza w wypadku materiałów o niskiej wartości ekonomicznej.

Sposób będący przedmiotem wynalazku jest przeznaczony do przekształcenia takich materiałów tak, aby uzyskać stabilny wyrób całkowicie wolny od cieczy, który może być przechowywany przez dłuższy okres czasu bez problemów podczas używania, na przykład w formie sztucznych lub naturalnych nawozów rolniczych, jako karma dla zwierząt albo w oczekiwaniu na usunięcie.

Sposób stabilizowania materiałów bioorganicznych, takich jak naturalna biomasa i odpady, takie jak ścięta trawa, pozostałości po ścince drzew, algi morskie i wodorosty, odpady z rzeźni, skórki i odpady roślinne z produkcji wyrobów spożywczych, odpady z przemysłu spożywczego, odpady z działalności rolniczej, rybołówstwa, frakcje organiczne stałych odpadów miejskich, odpady medyczne zawierające materiały biologiczne oraz osad kanalizacyjny z oczyszczaczy biologicznych, w którym to sposobie ogrzewa się cząstki materiału za pomocą jednego lub więcej elementów klinowych przemieszczanych z wysoką prędkością w cylindrycznej obudowie z pionową osią, w pobliżu nieruchomych elementów współdziałających i powoduje się zmiany objętości ograniczając materiał z jego sprasowaniem i odkształceniem poprzez lokalne wytwarzanie znacznych ilości ciepła, według wynalazku charakteryzuje się tym, że stosuje się nieruchome i ruchome elementy klinowe, przy czym za pomocą ruchomych elementów materiał bioorganiczny ściska się względem piłokształtnego w przekroju poprzecznym profilu nieruchomych elementów, rozmieszczonych w kolistą koronę na wewnętrznej ścianie obudowy, i powoduje się kolejne wielokrotne odkształcenia materiału bioorganicznego na naprzemiennych występach i zagłębieniach profilu piłokształtnego.

Korzystnie, elementy ruchome układu ogrzewającego unosi się za pomocą wirnika zaopatrzonego w łopatki, który napędza się obrotowo z wysoką prędkością.

Korzystnie, obróbkę stabilizującą i gotującą materiałów bioorganicznych najpierw realizuje się tak, że osusza się je, a następnie przegrzewa materiał do temperatury pomiędzy 130 a 180°C, po czym doprowadza się do niego dawkami wodę tak, że jest ona stopniowo wchłaniana do wnętrza odwodnionego materiału, z którego jest wydalana w postaci pary wodnej, i uzyskuje się warunki odpowiednie do dewitalizacji nasion, zarodników, jajeczek i mikroorganizmów.

Korzystnie, po dojściu do zaprogramowanej temperatury gotowania, reguluje się automatycznie dozowanie wody za pomocą układu regulacyjnego tak, że temperaturę materiału stopniowo obniża się, ale bez wychodzenia poza dolną wartość graniczną 100°C.

Urządzenie do gotowania i stabilizowania materiałów bioorganicznych, zawierające cylindryczną obudowę do pomieszczenia materiału,

- wirnik wewną trz obudowy, zaopatrzony w ł opatki niosą ce klinowe elementy;

- podczerwone elementy do pomiaru i regulacji temperatury usytuowane nad obudową;

- elementy do wydalania i dozowania wody, umieszczone w górnej części obudowy i regulowane za pomocą układu pomiaru i regulacji temperatury;

PL 204 646 B1

- elementy wirujące i układy do regulowania prę dkości działające z możliwością sterowania ilością wytwarzanego ciepła, według wynalazku charakteryzuje się tym, że nieruchome i ruchome elementy są klinowe, przy czym nieruchome elementy rozmieszczone są w postaci kolistej korony na wewnętrznej ścianie obudowy i mają przekrój poprzeczny o profilu piłokształtnym, zaś ruchome elementy są ukształtowane do ściskania materiału bioorganicznego względem profilu piłokształtnego.

Korzystnie, urządzenie zawiera zmechanizowane elementy doprowadzające materiał do obróbki, elementy do skraplania pary wodnej powstającej podczas fazy odwadniania i dozowania wody, oraz filtry do obróbki wydzielanych gazów i par przed ich wydaleniem z układu.

Korzystnie, elementy nieruchome są uformowane w postaci promieniowych zębów w dnie cylindrycznej obudowy.

Korzystnie, nieruchome elementy są uformowane jako poprzeczne zęby na dolnej części cylindrycznej ścianki obudowy.

Sposób będący przedmiotem wynalazku cechuje się tym, że materiał jest najpierw zmniejszany do małych cząstek, następnie poddawany powtarzalnemu prasowaniu i odkształcaniu do osiągnięcia wysokiej temperatury kasującej całą wilgoć, a następnie ogrzewany i na końcu gotowany poprzez wytwarzanie pary wodnej pochodzącej z samego materiału w wyniku wchłaniania odmierzonych ilości wody. Cechami wyróżniającymi tej procedury są warunki robocze, za pomocą których, odmierzając regulowaną ilość wody na materiał ogrzany do temperatury pomiędzy 130 a 180°, korzystnie około 160°, woda ta stopniowo wnika w postaci cieczy w głąb granulek materiału, a następnie jest przekształcana w parę wodną kosztem ciepł a wytwarzanego w materiale za pomocą zjawisk mechanicznych.

Kombinowane efekty mechaniczne i termiczne wchłaniania ciekłej wody w materiał w trakcie jego obróbki, po których następuje przekształcenie wody w parę wodną z dużą zmianą objętości, powoduje lekki rozpad materiałów białkowych oraz mechaniczne działanie na błonę komórkową. W wyniku te obróbki uzyskuje się doskonale suchy i pozbawiony życia wyrób granulowany wolny od zarodników, jajeczek, owadów, nasion i ogólnie organizmów żywych. Prędkość tej obróbki umożliwia uzyskanie tylko lekkiego rozkładu białek i dlatego dobre utrzymanie właściwości organoleptycznych materiału.

W porównaniu z innymi obróbkami wysokotemperaturowymi opisany tutaj sposób ma tę zaletę , że nie wymaga stosowania ciśnienia. Zatem jego zalety stanowią nie tylko prostota budowy i eksploatacja instalacji, ale również sprawy związane z energią, ponieważ urządzenie ciśnieniowe ma tę wadę, że znajdują się w nim duże masy metalu do ogrzania, a następnie ochłodzenia w każdym cyklu obróbki. Na końcu, w znanych sposobach gotowania ciśnieniowego stosuje się materiał obrobiony, który jest impregnowany wodą, który sam nie jest stabilny ze względu na zawartość wody. W skład tych obróbek wchodzi konieczność dalszych obróbek, takich jak dodawanie środków konserwujących lub stosowanie promieniowania jonizującego, pakowania próżniowego, itp.

W odróżnieniu od tego, na końcu cyklu obróbki, sposób formowania przedmiotu według wynalazku zapewnia uzyskanie materiału, który, ponieważ nie zawiera organizmów żywych, jest stabilny ze względu na jego całkowite wysuszenie.

Działania ściskające, które powodują powstawanie ciepła, są wywierane za pomocą elementu, który przemieszcza się z wysoką prędkością blisko nieruchomych elementów. Jednym z nieograniczających przykładów jest opisany na fig. 1, gdzie elementy nieruchome są reprezentowane przez pasek lub taśmę w postaci nieruchomej kolistej korony z naprzemiennymi występami i zagłębieniami lub komorami, o przekroju poprzecznym zębów piły, natomiast elementem ruchomym jest wirująca część o przekroju klina przechodzą cego w bliskiej odległ o ści od zę batej pł aszczyzny. W opisanym rozwi ą zaniu, część z nieruchomymi występami jest ukształtowana na ścianie, która stanowi dno pojemnika. Alternatywnie, nieruchome występy można usytuować na ścianie bocznej.

Materiał jest wyciskany wskutek wchodzenia ruchomego elementu klinowego w kolejne i powtarzalne odkształcenia, co powoduje szybkie ogrzewanie samego materiału. Oprócz wytwarzania ciepła, ruchomy element wytwarza również ciągłe mieszanie materiału.

Na fig. 1 litery (a) i (b) oznaczają, odpowiednio, nieruchomą płaszczyznę z jej piłozębnymi występami oraz ruchomy element w kształcie klina. Względny ruch powoduje powstawanie tych dwóch sił ściskających, działających przeciwległe, co powoduje ściskanie cząstek materiału oznaczonych literą (c), z odkształceniami powodującymi powstawanie ciepła wewnątrz samego materiału. Duża prędkość i powtarzanie działania ściskającego i odkształcającego prowadzi do powstawania znacznych ilości ciepła, takich, że ogrzewają masę materiału, powodują całkowite odparowanie zawartych w niej cieczy, dalsze ogrzewanie materiału do temperatury większej niż 100° oraz wydalenie pary wodnej wskutek wchłonięcia wody w przegrzany materiał.

PL 204 646 B1

Na fig. 2 pokazano różne rozwiązania dla uzyskania efektu prasowania, gdzie (a) oznacza klinowe występy umocowane do ściany.

Na fig. 3 pokazano sposób przebiegu procesu. Na wykresie przedstawiono temperaturę materiału w stopniach na skali stustopniowej w funkcji czasu w minutach. Po fazie ogrzewania i przegrzewania, oznaczonej literą (d), trwającej około 12 minut, następuje faza gotowania oznaczona (e) trwająca około 3 minut.

Materiał jest początkowo ogrzewany od temperatury otoczenia do temperatury około 100°C. Następnie, pomiędzy 100 a 110°C doprowadzone ciepło powoduje odparowanie całej wody i wszystkich cieczy znajdujących się w materiale. Następne doprowadzone ciepło powoduje przegrzanie materiału.

Chociaż temperatura przegrzewania materiału mogłaby wynosić powyżej 180°C, ograniczanie przegrzewania do 160°C eliminuje rozpoczęcie rozkładu termicznego substancji organicznych.

Można zobaczyć, że odkształcenia w wyniku ściskania powodują wytworzenie ciepła w masie poszczególnych cząstek, bezpośrednio w ich wnętrzu i dlatego w całkowicie inny sposób niż w typowym ogrzewaniu za pomocą przewodnictwa przebiegającego w wyniku rozprowadzania ciepła z zewnątrz. W tym drugim wypadku, część cząstki w wyższej temperaturze będzie częścią zewnętrzną, natomiast w procesie stanowiącym przedmiot wynalazku, w przeciwieństwie do tego, istnieje część wewnętrzna, która ma wyższą temperaturę, polegającą na tym, że ciepło, które powstaje wewnątrz niej wskutek odkształcenia pozostaje ograniczone wewnątrz ze względu na izolującą termicznie naturę materiału, aż do interwencji fazy gotowania składającej się z wchłaniania wody i powstawania pary wodnej.

Po zakończeniu fazy przegrzewania, następująca po niej faza gotowania odbywa się wskutek wywołania wchłaniania kontrolowanej ilości gorącej wody przez materiał, z równoczesnym utrzymaniem w ruchu i ogrzewaniem w wyniku mechanicznego działania ruchomego elementu.

Dodana woda jest wchłaniana na powierzchni a następnie jeszcze bardziej wnika w głąb cząstek, z których jest odprowadzane ciepło w wyniku wytwarzania pary wodnej. Na fig. 4 pokazano schematycznie cząstkę gorącego materiału podczas zaczynania fazy gotowania. Literą (w) oznaczono dodatkową ilość wody, a literą (v) oznaczono parę wodną, która jest wydalana. Stopniowo warstwa wierzchnia cząstki, w której temperatura spadła wystarczająco dla umożliwienia istnienia ciekłej wody, stopniowo staje się coraz głębsza i wskutek tego stopniowo wnika w głąb i dochodzi wskutek absorpcji do wnętrza cząstki, wytwarzając parę wodną na jeszcze większej głębokości.

Na fig. 5 pokazano schematycznie cząstkę materiału na końcu fazy gotowania. Przerwanie tej fazy następuje kiedy temperatura przegrzania masy spada do wartości nieco powyżej 100°C; na przykład do 105°C. Temperatura cząstek jest nadal większa niż 100°C, są one doskonale odwodnione, suche i sypkie. Warunki działania powodują lekki rozkład białek na powierzchniach cząstek, przebicie błon komórkowych wskutek ciśnienia wewnętrznego i koagulacji materiału komórkowego, na który działa para wodna, z równoczesną dewitalizacją nasion, jajeczek i mikroorganizmów.

Następne zalety i właściwości sposobu i urządzenia według wynalazku staną się oczywiste po zapoznaniu się z poniższym szczegółowym opisem odwołującym się do załączonych figur, będącym wyłącznie nieograniczającym przykładem wykonania, w którym urządzenie i niektóre szczegóły przebiegu procesu przedstawiono w sposób schematyczny.

Na fig. 6 pokazano schematycznie rozwiązanie urządzenia. Rama 1 umożliwia montaż elementów składowych w taki sposób, że uzyskuje się jednolite urządzenie. Główną częścią maszyny jest obudowa 2 tworząca komorę w kształcie cylindrycznym z pionową osią. Część ta, wyposażona w element wirujący 3, stanowi układ do wytwarzania ciepła za pomocą ściskania i odkształcania obrabianego materiału.

Element wirujący jest trzymany w swoim położeniu za pomocą podpory 4 i napędzany silnikiem 5 z prędkością obrotową pomiędzy 1500 a 2500 obrotów na minutę, w taki sposób, żeby uzyskać prędkość obwodową wirnika pomiędzy 30 a 70 metrów na sekundę. Prędkość obrotową elementu wirującego reguluje się za pomocą układu, który w sposób ciągły i automatyczny porównuje prędkość, z jaką materiał jest przegrzewany w różnych fazach procesu, z wartościami wzorcowymi.

Górna część obudowy łączy się z wlotem 6 do ładowania, zaopatrzonym w pokrywę 7 uruchamianą za pomocą urządzeń 8 typu hydrodynamicznego lub równoważnego. Materiał, który ma być obrobiony, jest wprowadzany w komórkę 2 w wyniku otwarcia pokrywy 7 i opróżnienia zawartości pojemnika 9 wskutek działania urządzeń hydrodynamicznych 10 lub równoważnego.

We wlocie 6 do ładowania jest zainstalowane podczerwone urządzenie pomiarowe 11 temperatury zwrócone w dół w taki sposób, żeby mierzyło dokładną temperaturę materiału w czasie rzeczywistym.

PL 204 646 B1

Na górnej części obudowy 2 znajduje się dysza 12 do dozowania wody do gotowania. Dozowanie jest regulowane za pomocą automatycznego urządzenia logicznego, które włącza się i zatrzymuje przy zadanych temperaturach.

Para wodna, która jest uwalniana z obudowy podczas procesu, jest transportowana przewodami do układu 13 w celu zassania i wydalenia. Jest to realizowane za pomocą skraplacza działającego w ten sposób, że miesza parę wodną z wodą. Skraplacz jest podłączony do zbiornika 14, w którym jest realizowane oddzielanie wody od zassanego powietrza, które to powietrze jest wydalane po przefiltrowaniu w zespole filtrującym 15, składającym się z separatora kroplistego, filtru proszkowego, filtru z węglem aktywnym i filtru absolutnego.

Dolna część obudowy, będąca dnem 16, jest przyśrubowana i wymienialna w zależności od zużycia. Urządzenie uzupełnia elektryczna konsola sterowania 17.

Na fig. 7, 8 i 9 pokazano, odpowiednio, rzut główny pionowy oraz dwa przekroje (AA i BB) dna 16 obudowy 2. Numerem identyfikacyjnym 18 oznaczono zęby dna, które mogą mieć głębokość, oznaczoną 19, od 5 mm do 20 mm.

Na fig. 10 do 11 pokazano przekrój i rzut główny pionowy rozwiązania konstrukcyjnego, gdzie system prasowania-odkształcania materiału tworzą ruchome kliny, we współpracy z zębatym dnem. Element ruchomy składa się z elementów klinowych 20, które są przymocowane do łopatek 21 wirnika 3. W wirniku znajdują się trzy dwie lub więcej łopatek.

Na fig. 12 pokazano przekrój rozwiązania konstrukcyjnego, gdzie układ prasowaniaodkształcania materiału uzyskuje się za pomocą ruchomych elementów klinowych 20 we współdziałaniu z klinowymi elementami współpracującymi 22 przymocowanymi do ściany bocznej w pobliżu dna 16 obudowy 2.

Na fig. 1,2, 3, 4 i 5 pokazano zasadę sposobu, natomiast na fig. 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 i 12 pokazano możliwe układy konstrukcyjne, które można naturalnie modyfikować biorąc pod uwagę zasadnicze cechy wynalazku.

Claims (8)

1. Sposób stabilizowania materiałów bioorganicznych, takich jak naturalna biomasa i odpady, takie jak ścięta trawa, pozostałości po ścince drzew, algi morskie i wodorosty, odpady z rzeźni, skórki i odpady roślinne z produkcji wyrobów spożywczych, odpady z przemysłu spożywczego, odpady z działalności rolniczej, rybołówstwa, frakcje organiczne stałych odpadów miejskich, odpady medyczne zawierające materiały biologiczne oraz osad kanalizacyjny z oczyszczaczy biologicznych, w którym to sposobie ogrzewa się cząstki materiału za pomocą jednego lub więcej elementów klinowych przemieszczanych z wysoką prędkością w cylindrycznej obudowie z pionową osią, w pobliżu nieruchomych elementów współdziałających i powoduje się zmiany objętości ograniczając materiał z jego sprasowaniem i odkształceniem poprzez lokalne wytwarzanie znacznych ilości ciepła, znamienny tym, że stosuje się nieruchome i ruchome elementy klinowe, przy czym za pomocą ruchomych elementów materiał bioorganiczny ściska się względem piłokształtnego w przekroju poprzecznym profilu nieruchomych elementów, rozmieszczonych w kolistą koronę na wewnętrznej ścianie obudowy, i powoduje się kolejne wielokrotne odkształcenia materiału bioorganicznego na naprzemiennych występach i zagłębieniach profilu piłokształtnego.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy ruchome układu ogrzewającego unosi się za pomocą wirnika zaopatrzonego w łopatki, który napędza się obrotowo z wysoką prędkością.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że obróbkę stabilizującą i gotującą materiałów bioorganicznych najpierw realizuje się tak, że osusza się je, a następnie przegrzewa materiał do temperatury pomiędzy 130 a 180°C, po czym doprowadza się do niego dawkami wodę tak, że jest ona stopniowo wchłaniana do wnętrza odwodnionego materiału, z którego jest wydalana w postaci pary wodnej, i uzyskuje się warunki odpowiednie do dewitalizacji nasion, zarodników, jajeczek i mikroorganizmów.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że po dojściu do zaprogramowanej temperatury gotowania, reguluje się automatycznie dozowanie wody za pomocą układu regulacyjnego tak, że temperaturę materiału stopniowo obniża się, ale bez wychodzenia poza dolną wartość graniczną 100°C.

5. Urządzenie do gotowania i stabilizowania materiałów bioorganicznych, zawierające cylindryczną obudowę do pomieszczenia materiału,

PL 204 646 B1

- wirnik wewną trz obudowy, zaopatrzony w ł opatki niosą ce klinowe elementy;

- podczerwone elementy do pomiaru i regulacji temperatury usytuowane nad obudową;

- elementy do wydalania i dozowania wody, umieszczone w górnej części obudowy i regulowane za pomocą układu pomiaru i regulacji temperatury;

- elementy wirują ce i ukł ady do regulowania prędkoś ci działają ce z moż liwością sterowania iloś cią wytwarzanego ciepła, znamienne tym, że nieruchome (22) i ruchome elementy (20) są klinowe, przy czym nieruchome (22) elementy rozmieszczone są w postaci kolistej korony na wewnętrznej ścianie obudowy (2) i mają przekrój poprzeczny o profilu piłokształtnym, zaś ruchome elementy (20) są ukształtowane do ściskania materiału bioorganicznego względem profilu piłokształtnego.

6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że zawiera zmechanizowane elementy doprowadzające materiał do obróbki, elementy do skraplania pary wodnej powstającej podczas fazy odwadniania i dozowania wody, oraz filtry (15) do obróbki wydzielanych gazów i par przed ich wydaleniem z układu.

7. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że elementy nieruchome (22) są uformowane w postaci promieniowych zębów w dnie (16) cylindrycznej obudowy (2).

8. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że nieruchome elementy są uformowane jako poprzeczne zęby na dolnej części cylindrycznej ścianki obudowy.