CN103091133B - 一种发酵产气的收集及体积测定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于资源环境技术领域，涉及一种发酵所释放气体的收集及体积测定装置。该装置包括长方体无盖水箱，内部有3根光滑导轨，带有刻度的圆柱形集气罐，通过导轨固定，开口朝下置于水箱内，可沿导轨自由上下滑动，导轨顶端有卡扣，集气罐近底部侧面有一进气口，顶部有一通气阀门，集气罐顶部通过绳子连接挂于定滑轮上，定滑轮另一端挂有重物。收集气体时，将反应装置的出气口与集气罐的进气口紧密连接，随着气体积累，集气罐沿着导轨缓慢上浮，且集气罐本体重量与另一端重物质量相等使系统时刻处于平衡状态，罐内上部的气体压力等于大气压，可通过集气罐外侧刻度读出气体体积。与现有技术相比，本发明将有效解决当前发酵产气压强不大、排水集气且气体体积测定困难的问题。
Description
技术领域
本发明涉属于资源环境技术领域，涉及一种发酵产气的收集及体积测定装置。
背景技术
随着世界石油等资源的日益枯竭，原油价格的不断攀升，以及人们对环境质量要求的不断提高，环境压力日益加重的情况下，绿色，环保，可持续能源的开发和利用成为促进经济社会可持续发展的客观需求。生物质能是利用光能固定二氧化碳得到的生物质为底物，通过生物发酵得到的清洁能源，大大减少了二氧化碳的净排放量，加之其广泛的分布及可再生性等诸多优点，可有效减少我国对进口燃料的依赖，减少对水体和气体环境的污染，缓解温室效应的加剧。因而世界上许多发达国家，都致力于开发清洁高效的生物质资源利用技术，以达到保护矿产资源、保障国家能源安全、实现CO2减排和经济可持续发展的目的。以木质纤维素为代表的第二代生物质能源生产燃料乙醇，因其产量潜力大、材料来源广泛、成本低廉、可直接作为液体燃料或者同汽油混合使用减小对石油依赖等优点得到了更为广泛的关注和研究。发酵是木质纤维素制备燃料乙醇生产流程中的最重要环节，而在发酵过程中，生成目标产物乙醇的同时还会产生二氧化碳，且二氧化碳体积同乙醇产量存在线性关系，因而可通过对发酵所产气体的收集和体积测定，直观判断乙醇发酵情况，并可准确推断乙醇产量。
长期以来，一直缺乏一种有效的收集并测定气体体积的装置，无法方便地进行体积计算和气体成分分析。目前采用的收集方法主要是排水集气法和集气袋法。前者是利用充满水的且倒扣在水中的容器，从底部通入反应中产生的气体，通过所产气体压力排出容器内的水而使容器充满这种气体。但是这种方法普遍需要时刻人工监测以防气体集满溢出，且由于收集过程中气体压强时刻变化，需通过计算容器内气体压强后才能换算得到标准状况下的体积，其测定繁琐；另外由于收集气体需要克服所排水体的压强，当产气量较低时集气存在困难，装置灵敏度较差。后者是直接将反应产生的气体通入集气袋进行收集，但是集气袋只有收集气体的作用，不能测量气体体积，后期集气袋内内部压强过大，导致发酵所产的气体难以继续进入集气袋，甚至发生气体倒灌，而发酵罐内过高的气体压强对酵母菌的发酵性能也存在抑制作用，进而影响最终的乙醇产率。且该装置对于整个气路的密封性有着严苛要求。因此开发新的既能方便地收集气体，又能方便、直观且准确测定体积的装置具有重要的实用价值。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种集气方便、测量准确直观的发酵产气的收集及体积测定装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种发酵产气的收集及体积测定装置，其特征在于，包括水箱、集气罐、导轨、定滑轮、重物、固定支架；所述的导轨固定在水箱的底部；所述的集气罐开口朝下置于水箱底部，且能沿着导轨竖直上下滑动；所述的定滑轮设置于固定支架上，两侧通过绳子分别连接集气罐与重物。
所述的集气罐呈圆柱体状，采用有机玻璃制成并带有体积刻度，侧面下方设置有进气口，顶部设有排气阀。
所述的水箱呈长方体状，其内投加碳酸氢钠至饱和，减小CO2在水中的溶解度，保证发酵所产气体的高收集率。
所述的导轨采用三根高强度有玻璃钢管制成，硬度高，限制集气罐水平方向位移；材质光滑，减小集气罐上下滑动过程中所受阻力；顶部有卡扣，阻止集气罐过度上浮导致脱落，取下卡扣后便可方便取下集气罐。
所述的定滑轮焊接于固定支架，定滑轮系统所悬挂重物的重力抵消集气罐体本身重量，使集气装置对发酵过程影响降低，并且实现低产气量下的气体收集和体积测定目的。
采用本发明所述的装置采集发酵产气并测定体积的方法，其操作步骤如下：
第一步，集气罐开口向下置于水箱底部，扣紧导轨上端卡扣。
第二步，打开排气阀，开始向水箱注水，水箱内的水自下方流入集气罐，并逐渐向上充盈整个集气罐，而罐内残余空气由上方排气阀排出。待水充满集气罐并开始从排气阀溢出罐体后，迅速关闭排气阀，随后停止供水，使此时水箱内水面恰好覆盖集气罐顶部，并向水箱内投放碳酸氢钠至溶液饱和，接着调整重物质量，使得集气罐恰好悬浮，系统处于平衡状态。
第三步，将发酵设备的出气口与集气罐进气口相连接，随着气体积累，集气罐沿着导轨缓慢上浮，且时刻处于平衡状态，通过刻度读出气体体积，实现自动连续收集发酵气体并测定其体积的目的。
本发明具有以下的优点和效果：
(1)本发明设备和方法的主要优点在于：一是通过定滑轮系统，利用重物的重力抵消了集气罐的重量和上升过程中所受阻力，从而只需积累少量发酵气体所产生的压强增量，便可推动发酵罐向上移动，而移动后由于罐内上部气体体积增加，其压强又随之减小直至与外界平衡，从而整个过程中发酵罐始终保持悬浮平衡状态，反应灵敏、系统状态稳定；二是罐内气体压强始终等于大气压，避免传统方法中集气罐内压强过大使得发酵罐的气体无法排出而造成发酵装置内高压的情形；三是本装置无需换算可直接从集气罐刻度得出发酵所产生气体的体积，而传统方法均由于集气装置内压强时刻变化而需要将所收集气体体积换算为标准大气压下体积，因而该方法具有更为直观、方便的优势，并可直接根据收集气体的体积直接推测发酵产物乙醇的浓度；四是水箱内为碳酸氢钠饱和溶液，减少了CO2在水中溶解量，保证产气的高回收率；五是导轨顶部装有可拆卸卡扣，防止罐体因集气过量上浮过高而倾倒，装置安全可靠，另外，反应进程中可随时打开顶部通气阀转移部分所收集气体，从而保证产气收集操作可连续进行。
(2)本发明方法简单明了，设备成本低廉，原材料组成简单，可连接于发酵装置的出气口，既能方便地收集气体，又能测定体积，有效地解决了生物质乙醇生产中二氧化碳体积收集及测定困难的间题，同时也适用于其他发酵气体如甲烷等气体的收集和体积测定，实用及推广价值高。
附图说明
图1为本发明的发酵产气收集与体积测定装置的系统结构图；
图2为乙醇发酵产气收集实例的实验数据图表。
图中：1.水箱，2.集气罐，3.导轨，4.进气口，5.排气阀，6.定滑轮，7.重物，8.固定支架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本收集及体积测定装置实施的结构如图1所示，该装置包括水箱1、集气罐2、导轨3、进气口4、排气阀5、定滑轮6、重物7、固定支架8等构件；水箱1呈长方体状，其内投加碳酸氢钠至饱和，减小CO2在水中的溶解度，保证发酵所产气体的高收集率，所述的导轨3固定在长方体水箱的底部，其顶端有卡扣，阻止集气罐过度上浮导致脱落，取下卡扣后便可方便取下集气罐。所述的集气罐2呈圆柱体状，采用有机玻璃制成并带有体积刻度，开口向下置于长方体水箱1内，通过导轨3固定其位置，能沿导轨3上下自由滑动，导轨3采用三根高强度有玻璃钢管制成，硬度高，限制集气罐水平方向位移；材质光滑，减小集气罐上下滑动过程中所受阻力；集气罐2下方侧面设置进气口4，顶部有通气阀门5；所述的定滑轮6焊接于金属固定支架8两端，定滑轮系统两侧通过绳子分别连接集气罐2与重物7，使集气装置对发酵过程影响降低，并且实现低产气量下的气体收集和体积测定目的。
收集气体前，将集气罐2开口向下置于水箱1底部，扣上导轨3的卡扣，打开集气罐2的排气阀5后向水箱1进行注水，水自集气罐2下方向上流入罐体，直至水完全充满集气罐2并且从顶部排气阀5溢出，关闭通气阀5，停止向水箱1注水，使水箱1内水面恰好覆盖集气罐2顶部，最后调整重物7质量，使集气罐2处于平衡悬浮状态。按既定参数条件启动厌氧发酵反应罐进行发酵，将发酵装置的出气口与集气罐的进气口4紧密连接，开始收集发酵气体。随着反应进行，气体逐渐积累，集气罐2沿着导轨3缓慢上浮，且时刻处于平衡状态，集气罐2内上部气体压力始终等于大气压，可随时通过刻度直接读出所收集气体的体积。
发酵产气实验具体参数如表一所示：葡萄糖80g/L，pH4.0(柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液控制)，搅拌速率180r/min，发酵罐内温度35℃，室温10℃，发酵菌株Saccharomyces cerevisiae BY4742，菌体浓度2g/L，发酵液总体积2L，实验装置的水箱内投加碳酸氢钠至溶液饱和，以减少CO2的溶解损失。
发酵产气收集实验数据见说明书附图2。线性拟合方程：C＝-0.0176+1.1605V，拟合度R2＝0.9979。其中，V所收集的气体体积，L；C发酵所产乙醇浓度，g/L。
由实验数据可得，发酵所产乙醇浓度与所收集气体的体积呈线性关系，因而在收集气体同时可以通过气体的体积直观判断乙醇发酵情况并准确推测乙醇产量，且最终气体回收率达到理论值的85％以上，实现了本装置的设计目标。
表一：乙醇发酵产气收集情况表：
Claims (3)
1.一种发酵产气的收集及体积测定装置，其特征在于，包括水箱(1)、集气罐(2)、导轨(3)、定滑轮(6)、重物(7)、固定支架(8)；所述的导轨(3)固定在水箱(1)的底部；所述的集气罐(2)开口朝下置于水箱(1)底部，且能沿着导轨(3)竖直上下滑动；所述的定滑轮(6)设置于固定支架(8)上，两侧通过绳子分别连接集气罐(2)与重物(7)；
所述的导轨(3)采用三根高强度有机玻璃钢管制成，硬度高，限制集气罐(2)水平方向位移；材质光滑，减小集气罐(2)上下滑动过程中所受阻力；顶部有卡扣，阻止集气罐(2)过度上浮导致脱落，取下卡扣后便可方便取下集气罐；
所述的定滑轮(6)焊接于固定支架(8)，定滑轮系统所悬挂重物(7)的重力抵消集气罐体本身重量，使集气装置对发酵过程影响降低，并且实现低产气量下的气体收集和体积测定目的。
2.根据权利要求1所述的一种发酵产气的收集及体积测定装置，其特征在于，所述的集气罐(2)呈圆柱体状，采用有机玻璃制成并带有体积刻度，侧面下方设置有进气口(4)，顶部设有排气阀(5)。
3.根据权利要求1所述的一种发酵产气的收集及体积测定装置，其特征在于，所述的水箱(1)呈长方体状，其内投加碳酸氢钠至饱和，减小CO2在水中的溶解度，保证发酵所产气体的高收集率。
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