CN101768539B - 一种适用于甜高粱杆固态厌氧发酵乙醇丁醇的反应器 - Google Patents

一种适用于甜高粱杆固态厌氧发酵乙醇丁醇的反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于甜高粱杆固态厌氧发酵乙醇丁醇的反应器，其结构特征为：反应器内部安装的竖排弹簧钢管在曲轴连杆的带动下作周期性伸缩运动，曲轴连杆的转动频率由反应器外部的电机控制。本反应器利用弹簧伸缩运动对反应器内固体物料进行挤压释放，增加物料的搅动作用，从而强化了物料在发酵过程的传质传热，提高了固态发酵的效率。本反应器为甜高粱杆固态发酵规模化应用提供了平台。

Description

一种适用于甜高粱杆固态厌氧发酵乙醇丁醇的反应器
技术领域
本发明属于甜高粱资源利用领域，特别涉及一种甜高粱杆固态厌氧发酵乙醇丁醇的反应器。 
背景技术
随着化石能源的日益枯竭以及环境保护的重视，利用植物原料生产绿色生物能源受到世界各国的重视。其中，燃料乙醇和燃料丁醇是生物能源的研究热点。目前，我国燃料乙醇和丁醇生产主要以玉米、陈化粮为原料，其成本达到4000～8000元/t以上，远高于汽油价格，难以满足社会的需要，更不能适应市场的发展，同时也存在粮食安全问题。因此，寻求“不与粮食争地”的廉价原料作为发酵原料是降低生物燃料成本的有效途径。 
甜高粱是一种具有较高生物产量和糖含量的作物品种，其中茎秆中汁液的糖锤度高达17％～28％，且可以直接被酵母利用转化为乙醇或者被丙酮丁醇梭菌利用生产丁醇。另外，甜高粱栽培容易，亩产量大。因此，甜高粱作为高能作物替代传统的粮食发酵原料制备生物燃料具有广阔的前景。 
目前，甜高粱的利用主要是将其富含糖分的茎杆切碎，榨汁处理后进行液体发酵。然而，液体发酵不可避免的产生大量废水，增加环境负担，同时榨汁处理也增加了甜高梁处理的能耗。固态发酵具有节水节能的特点，但是固体基质的传质传热是限制固态发酵效率的关键因素。因此，在固态发酵反应过程中，除了优化发酵条件外，更重要的要强化固态发酵反应器的传质传热效果。针对甜高粱固体发酵系统，专利CN 101033476A和专利CN 101085995A均采用了转鼓式固态发酵罐来实现搅拌发酵和连续生产，然而当转鼓的转动速率增大时，产生的剪切力会严重影响菌丝体的生长；专利CN200610112613.X的优点是将甜高粱粉碎、灭菌、接种、发酵和产物回收一体化，但物料在该装置中仍然为静止状态，没有实现搅动的作用。为了强化固态发酵反应的内部搅拌作用，专利CN 100510048C在反应器内部设计了柔性壁，通过其蠕动来增加物料的传质传热，但该反应器内部 结构比较复杂，不利于放大生产。此外，为了降低搅拌产生的剪切力对菌丝体的破坏作用，专利CN 1434113A发明了气相双动态固态发酵技术，将发酵的固体物料置于压力脉动及循环流动空气的双动态环境中进行固态发酵，对反应器的气相压力施以周期脉动力，有利于固体基质保持疏松，强化了颗粒间的传质。然而，甜高梁发酵乙醇和丁醇的过程均属于厌氧发酵过程，若采用气体压力脉动的方式强化物料基质内部的传质传热过程，需要严格控制氧气进入反应器，不利于生产操作。 
本发明基于微生物在差异性外源周期作用力下可以诱导合成特异性蛋白，从而提高发酵产量的实验结果，设计了新型甜高粱固体厌氧发酵反应器。该设备通过竖排弹簧钢管伸缩运动来实现甜高粱杆固态物料均匀搅拌，强化了固体物料在反应器内的传质传热过程；弹簧钢管的运动周期和强度可根据微生物生长情况进行调整，实现了对机械搅动的有效控制。该设备为甜高梁固态发酵规模化应用提供了平台。 
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于甜高梁杆固态厌氧发酵乙醇丁醇的反应器，增加固态物料在发酵过程中的传质传热，调控微生物的生长代谢，从而提高甜高粱杆固体发酵乙醇丁醇的效率。 
本发明的技术方案：本发明的基本构造如附图1： 
反应器主体结构为罐体1，反应器中的物料从进料口2进入，发酵结束后从出料口3排出，反应器内部的弹簧钢管4与曲轴连杆6相连接，并由反应器外部电机5带动曲轴连杆6旋转对弹簧钢管4做平行于罐体1的上下伸缩运动，弹簧钢管4的伸缩频率和距离由曲轴连杆6控制，曲轴连杆6的转动频率由电机5控制，反应器的控温由反应器外部夹套7实现。 
本发明具有以下特点和优势： 
1.反应器内部采用多个竖排弹簧钢管伸缩运动，物料在此过程中受到挤压和释放，实现了物料的充分搅动，强化了物料的传质传热； 
2.反应器中的弹簧钢管的运动周期和强度可根据微生物实际生长情况进行调整，实现了对机械搅动的有效控制，提高了发酵效率。 
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明。 
实施例1 
将新收获的甜高梁杆切成1-2cm块状(其中甜高梁杆的含水量为70～80％)灭菌后接入15％(m/m)活化的酵母种子液，0.2％(m/m)硫酸铵和0.2％(m/m)的硫酸钙，搅拌均匀后通过进料口2投入到反应器1中，反应器体积为5m3，装料系数为0.6。装料前调节加热套中7中的水温为35℃，进料时打开电机5使曲轴连杆6带动弹簧4伸缩运动，避免物料堆积压实。发酵反应进程为36h。发酵前6h，调节弹簧4的运动周期为60min/次；发酵6～18h，调节弹簧4的运动周期为20min/次；发酵18～24h，调节弹簧4的运动周期为30min/次；发酵24～26h，调节弹簧4的运动周期为60min/次。发酵结束后，物料从出料口3排出。测定发酵料中的乙醇得率为10～12g/100g干料。 
实施例2 
将新收获的甜高梁杆切成1-2cm块状(其中甜高粱杆的含水量为70～80％)，灭菌后接入15％(m/m)C.acetobutylicum种子液(C.acetobutylicum的种子液由6％的玉米醪组成)，加入0.2％(m/m)硫酸铵，0.1％(m/m)的酵母提取物，0.15％(m/m)的硫酸二氢钾和0.05％(m/m)的磷酸氢二钾，搅拌均匀后通过进料口2投入到反应器1中，反应器体积为5m3，装料系数为0.6。装料前调节加热套中7中的水温为37℃，进料时打开电机5使曲轴连杆6带动弹簧4伸缩运动，避免物料堆积压实。发酵反应进程为72h。发酵前6h，调节弹簧4的运动周期为60min/次；发酵6～24h，调节弹簧4的运动周期为20min/次；发酵24～56h，调节弹簧4的运动周期为30min/次；发酵56～72h，调节弹簧的运动周期为120min/次。发酵结束后，物料从出料口3排出。测定发酵料中的丁醇得率为4～8g/100g干料。 

Claims (6)

1.一种适用于甜高粱杆固态厌氧发酵乙醇丁醇的反应器，其特征在于反应器内部安装的竖排弹簧钢管在曲轴连杆的带动下作周期性伸缩运动。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的弹簧钢管(4)的直径与反应器罐体(1)的直径的比例为1∶10～1∶200。
3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的曲轴连杆(6)由电机(5)带动下做周期性运动，其运动周期为10～200min。
4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的弹簧钢管(4)在曲轴连杆(6)的电动下做上下伸缩运动，其运动距离与反应器高度的比例为1∶1～1∶20。
5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的反应器外壁有夹套(7)用于控制反应器温度。
6.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的反应器适用于以甜高粱杆为原料厌氧发酵乙醇、丁醇。
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