CN101768540B - 一种合成气发酵生产有机酸和醇的反应装置 - Google Patents

一种合成气发酵生产有机酸和醇的反应装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种合成气发酵生产有机酸和醇的反应装置，包括有主体反应器，与主体反应器连接并为主体反应器内产生的气体提供气体循环的外部气体循环系统，主体反应器包括有反应器罐体、设置在反应器罐体内并通过支架固定的导流筒，导流筒为反应器罐体的同心圆柱体；沿导流筒内的中轴上设有叶片式的搅拌器，该搅拌器带搅拌叶片的一端靠近导流筒底端设置，搅拌器另一端连接有驱动电机；气体分布器的通气管伸入到所述导流筒内底面与搅拌叶片下方之间，另一端伸出导流筒与气体输入管道连通。外部气体循环系统采用循环气路和正常供气气路交替使用。本发明中的反应装置具有结构简单及操作简单的优点；可以获得良好的气液传质，但不需要很大的搅拌功率和通气量；既能实现连续供气，又能实现气体的循环利用，大大提高了气体底物的利用率。

Description

一种合成气发酵生产有机酸和醇的反应装置
技术领域
本发明涉及到一种合成气厌氧发酵装置，发酵产物为有机酸或醇，其特点在于能大大提高气体底物的利用率。
背景技术
合成气来自于煤、石油、生物质和有机废物的气化，是这些含碳物质部分氧化和高温分解产生的，它的主要成分为CO，H2和CO2。研究发现，合成气是一类丰富而廉价的生物加工原料，可通过厌氧发酵转化为乙酸，丁酸，乙醇和丁醇等。乙醇是一种优质的液体燃料，其比热容、辛烷值(抗爆性)、汽化潜热等均优于汽油，且不含硫和灰份等杂质，是汽油的理想替代品。乙酸、丁酸和丁醇则是重要的溶剂和化工原料。不少研究者认为，在生物质、废弃物和一些不能用于直接发酵的原料转化上，合成气发酵将发挥重要作用。
能够利用合成气生产有机酸和醇的是一类特殊的厌氧微生物，该发酵过程是一个多相的反应过程，包括气体底物、培养液和微生物细胞等气、液、固三相。气体底物需要经过多个步骤的传递才能到达细胞表面被微生物吸收利用，因而合成气发酵过程的限速步骤是气液传质，且由于CO和H2在水中的溶解度低，该传质限制显得更为突出。因此，用于合成气发酵的反应器必须有较高的传质速率。
搅拌罐式反应器在实验室规模的合成气发酵中应用非常广泛，它可以通过提高单位体积搅拌功率来提高传质速率，可是搅拌功率增加意味着能耗增加，一定程度上限制了它在工业规模上的应用。另一种常用的反应器是气升式反应器，它不设搅拌装置，但需要提高通气量来实现通气与搅拌的目的。因为合成气组分在水中的溶解度低，通入的气体底物未能充分利用就被作为废气排出，大大降低了底物的利用率。另外，发酵过程中产生的CO2还可作为发酵底物利用，直接排放很可惜。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的合成气发酵反应装置的不足，提供一种新的合成气发酵生产有机酸和醇的反应装置，该装置结合了搅拌罐式反应器与气升式反应器的优点，并增加了一个气体循环装置，在得到高的传质速率的同时能够实现气体的循环利用。
为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：一种合成气发酵生产有机酸和醇的反应装置，包括有主体反应器，与主体反应器连接并为主体反应器内产生的气体提供气体循环的外部气体循环系统，所述主体反应器包括有反应器罐体、设置在反应器罐体内并通过支架固定的导流筒，导流筒为反应器罐体的同心圆柱体；沿导流筒内的中轴上设有叶片式的搅拌器，该搅拌器带搅拌叶片的一端靠近导流筒底端设置，搅拌器另一端连接有驱动电机；还包括有气体分布器，气体分布器的通气管伸入到所述导流筒内底面与搅拌叶片下方之间，另一端伸出导流筒与气体输入管道连通。
反应器罐体内部设置气体分布器、搅拌器和导流筒，输入反应器的气体由气体分布器分散成小的气泡，搅拌器进一步将这些气泡破碎，夹带着细小气泡的培养液在导流筒内上升，导流筒外部的液体由于密度较大向下流动，即在导流筒内外形成液体循环，在这个过程中，气体组分由气相向液相传递，进而被微生物利用。由于同时采用了气体分布器和搅拌器，在较低的搅拌转速和较低的气速下，气体也能得到很好分散，且由于使用了导流筒，液体在反应器内部循环，延长了气泡的停留时间。另外，反应器是密封的，内部维持一定压力，有助于提高气体组分在水中的溶解度。发酵过程中产生的气体以及未被利用的气体排到液面上方，当反应器内部压力超过一定值时，排气阀门打开，多余的气体排放到一个气体贮罐中，储存在该贮罐中的气体最终由一个空气压缩机输送回反应器中循环利用。
所述通气管弯折成与导流筒内底面相同的圆形结构，该圆形的直径为搅拌叶片直径的0.8～0.9。
在所述通气管朝向所述搅拌叶片的方向上开设有多个通气孔。
所述导流筒内径为反应器罐体直径的1/2～2/3。
所述搅拌叶片的直径为导流筒内径的1/3～1/2。
所述外部气体循环系统包括排气阀、气体贮罐以及空气压缩机；所述排气阀一端与所述反应器罐体连接，另一端与气体贮罐的一端连接，气体贮罐另一端与空气压缩机连接，空气压缩机连通到所述气体分布器，在所述气体贮罐和空气压缩机之间的气体管路上还设有阀门。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：本发明中的反应装置具有结构简单及操作简单的优点，易于放大；可以获得良好的气液传质，但不需要很大的搅拌功率和通气量；外部气体循环系统采用循环气路和正常供气气路交替使用，既能实现连续供气，又能实现气体的循环利用，大大提高了气体底物的利用率。
附图说明
图1为本发明合成气发酵生产有机酸和醇的反应装置示意图；
附图标记说明：1-电机，2-反应器罐体，3-导流筒，4-搅拌器，41-搅拌叶片，5-气体分布器，51-通气管，52-通气孔，6-排气阀，7-气体贮罐，8-阀门，9-阀门，10-空气压缩机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
请参阅图1所示，一种合成气发酵生产有机酸和醇的反应装置，包括有主体反应器，与主体反应器连接并为主体反应器内产生的气体提供气体循环的外部气体循环系统，主体反应器包括有反应器罐体2、设置在反应器罐体2内并通过支架固定的导流筒3，反应器罐体2为圆柱形结构，高径比为2～3，罐底为椭圆形或锥形，顶盖为椭圆形并以法兰连接，内装发酵液；导流筒3为反应器罐体2的同心圆柱体；沿导流筒3内的中轴上设有叶片式的搅拌器4，该搅拌器4带搅拌叶片41的一端靠近所述导流筒3底端设置，搅拌器4另一端连接有驱动电机1，驱动电机1为搅拌器4提供动力；还包括有气体分布器5，气体分布器5的通气管51伸入到导流筒3内底面与搅拌叶片41下方之间，另一端伸出导流筒3与气体输入管道连通。
通气管51弯折成与导流筒3内底面相同的圆形结构，该圆形的直径为搅拌叶片41直径的0.8～0.9，同时在通气管51朝向搅拌叶片41的方向上开设有多个通气孔52，通气孔52的直径根据实际需要设计不同的大小，本实施例中设计为1mm的小孔。
导流筒3内径为反应器罐体2直径的1/2～2/3；搅拌器4位于导流筒3内，搅拌叶片41的直径为导流筒3内径的1/3～1/2，由于只在导流筒3内进行搅拌，搅拌体积减小，相应的搅拌功率降低；
外部气体循环系统包括排气阀6、气体贮罐7以及空气压缩机10；排气阀6一端与反应器罐体2连接，另一端与气体贮罐7的一端连接，排气阀6是一个由压力控制的阀门，当反应器内部压力超过一定值(比如0.3MP)时，阀门开启，压力低于该数值时阀门关闭，气体贮罐7另一端与空气压缩机10连接，气体贮罐7用于储存未被利用的气体及发酵过程产生的气体，贮罐内的压力≤0.2MP，空气压缩机10连通到所述气体分布器5，在气体贮罐7和空气压缩机10之间的气体管路上还设有阀门(8，9)，阀门(8，9)用于控制气路，可交替使用，阀门8开启时，进入空气压缩机10的为贮罐内气体，阀门9开启时则为新的合成气，空气压缩机10用来将气体增压后送入反应器。
具体操作如下：
阀门8关闭，阀门9开启，新的合成气经由管路进入空气压缩机10，再由空气压缩机10送入装有培养液的反应器，然后从气体分布器5通气管51的通气孔52里以气泡形式溢出。上升的气泡碰到搅拌器4的叶片41被破碎成更小的气泡，夹带着气泡的液体在导流筒3内向上流动，而导流筒3外的液体由于气泡含量较低，密度较大，向下流动，于是形成内外液体的循环，在这个过程中，气相组分逐渐向液相传递，进而被微生物利用，生成相应的产物；气泡在液体中停留时间越长，气体利用就越完全。最后，剩余的气体以及发酵过程中产生的气体都从发酵液的表面溢出，进入上层气相。当反应器上层气相压力大于0.3MP时，排气阀6打开，多余气体排放到气体贮罐7中，反应器内压力降到0.3MP以下时排气阀6关闭；气体贮罐7中的气体储存到一定量时，比如贮罐内压力达到0.2MP，阀门8开启，阀门9关闭，进行气体的循环利用，直至贮罐内气压降到一定值以下，重复上述步骤。
本实施例中使用的合成气的特征是：主要成分为CO、H2和CO2，比例不限；由煤、石油、生物质或有机废物气化制得。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.一种合成气发酵生产有机酸和醇的反应装置，包括有主体反应器，与主体反应器连接并为主体反应器内产生的气体提供气体循环的外部气体循环系统，其特征在于：所述主体反应器包括有反应器罐体(2)、设置在反应器罐体(2)内并通过支架固定的导流筒(3)，导流筒(3)为反应器罐体(2)的同心圆柱体；沿导流筒(3)内的中轴上设有叶片式的搅拌器(4)，该搅拌器(4)带搅拌叶片(41)的一端靠近导流筒(3)底端设置，搅拌器(4)另一端连接有驱动电机(1)；还包括有气体分布器(5)，气体分布器(5)的通气管(51)伸入到所述导流筒(3)内底面与搅拌叶片(41)下方之间，另一端伸出导流筒(3)与气体输入管道连通；
所述外部气体循环系统包括排气阀(6)、气体贮罐(7)以及空气压缩机(10)；所述排气阀(6)一端与所述反应器罐体(2)连接，另一端与气体贮罐(7)的一端连接，气体贮罐(7)另一端与空气压缩机(10)连接，空气压缩机(10)连通到所述气体分布器(5)，在所述气体贮罐(7)和空气压缩机(10)之间的气体管路上还设有阀门(8，9)。
2.如权利要求1所述的合成气发酵生产有机酸和醇的反应装置，其特征在于：所述通气管(51)弯折成与导流筒(3)内底面相同的圆形结构，通气管(51)的直径为搅拌器(4)直径的0.8～0.9。
3.如权利要求1所述的合成气发酵生产有机酸和醇的反应装置，其特征在于：在所述通气管(51)朝向所述搅拌叶片(41)的方向上开设有多个通气孔(52)。
4.如权利要求1所述的合成气发酵生产有机酸和醇的反应装置，其特征在于：所述导流筒(3)内径为反应器罐体(2)直径的1/2～2/3。
5.如权利要求1所述的合成气发酵生产有机酸和醇的反应装置，其特征在于：所述搅拌叶片(41)的直径为导流筒(3)内径的1/2。 
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