CN103952289B - 一种基于合成气发酵乙醇或丁醇的雾化生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于合成气发酵乙醇或丁醇的雾化生物反应器，包括透明菌体培养罐、培养基雾化反应罐体系统、雾化自动控制系统、合成气气控系统和醪液回收管路系统；本发明将固定化发酵菌体放置于网孔培养层上，再将网孔培养层放置于菌体培养罐内，在菌体培养罐进行发酵反应；同时，利用培养基雾化反应罐体系统向菌体培养罐内喷洒培养基，为菌体提供营养液，再利用雾化自动控制系统提高自动化控制，进行自动化营养液的按需喷洒，达到省时省力的效果；再通过合成气气控系统向菌体培养罐内充配合成气，提供厌氧发酵菌所需的碳源与能源组分，另外并可以将雾化后凝聚的液体通过醪液回收管路系统回收再利用，减少资源浪费。

Description

一种基于合成气发酵乙醇或丁醇的雾化生物反应器
技术领域
本发明涉及能源生产技术领域，尤其涉及一种基于合成气发酵乙醇或丁醇的雾化生物反应器。
背景技术
能源是现代社会生存和发展的重要物质基础，人类社会发展至今，能源已经成为当今国际政治、经济、军事、外交等关注的焦点。当前，能源问题和环境问题日益凸显，世界工业化发展加速和全球人口快速增长，这一切都加快了能源的使用和消耗。有专家统计上世纪以石油和煤炭为主要能源的消耗速率增长了17倍，石油与煤炭的开采与消耗加大了资源与能源匮乏的程度，预计50年内世界储备的石油将被耗竭，而到2050年世界人口有望突破90亿，这都使得能源需求压力越来越大。同时化石燃料的使用已造成了显著的环境问题，这就使得人们迫切寻求一种环境友好且可持续的再生能源和技术。
 合成气发酵已被全世界认为是一种极具潜力和竞争力的发酵生产技术，该技术能够利用一些厌氧微生物如C. carboxidivorans P7﹑Clostridium strain P11﹑Clostridium.ljungdahlii和C. autoethanogenum等以合成气为唯一碳源和能源进行生长并发酵制取乙醇或丁醇。乙醇是目前世界较为公认的清洁可再生的生物替换燃料，这是因为生物乙醇具有如下优点：含氧燃料，燃烧值高；成分不含有氮和硫元素，燃烧形成CO2和H2O，清洁无污染；乙醇常温状态下为液体，易于储存和运输。另外，丁醇似乎发现较乙醇更好的生物燃料，国外许多学者研究证明丁醇具有更高的燃烧值，产生更大的能量，其中较乙醇相比丁醇在储存和运输过程中腐蚀性更小。目前，合成气生物发酵产业已开始形成，其中美国Coskata公司拥有一个年产5000万～1亿加仑乙醇的生产线，已于2009年10月投产。另外，合成气气化技术现在发展相对较为成熟，合成气气化技术的应用原料较为广泛，主要包括木屑、城镇垃圾、畜禽粪便、废旧轮胎、林业废弃物、农业废弃物和工业生产废气（如钢厂锅炉废气等）等。全球每年新产生的生物质资源量可达1.7×1011t，相当于8.5×1010t标煤或者6.0×1010t石油当量。大力开发利用生物质能对于缓解能源危机可以起到非常重要的作用。生物质气化合成燃料是利用生物质能的一种有效途径。利于有效解决上述各个问题。
    然而,目前合成气厌氧发酵生产乙醇或丁醇的规模离真正实现工业化还有很大的差距，究其原因主要有三点，一是气液传质效率低，这是因为合成气的组分主要含有CO、CO2、H2、N2等，该气体均属于液体微溶性气体；二是未能实现菌体高密度发酵生产；三是合成气组分对酶具有抑制作用，研究结果显示合成气组分中的CO对氢化酶具有抑制作用，不利于菌体是生长和产乙醇或丁醇。另外，有报道指出在应用与其他领域中的雾化反应器往往存在不同程度的雾化营养液随气体排出而逃液的问题，这在一定程度上不仅降低了营养液的浓度而且增加了发酵过程中染菌的几率。同时，无论是国内还是在国外合成气发酵反应器设备的操作流程的自动化程度较低，进而导致对能量的输入要求和劳动力的需求较大。。
发明内容
 本发明的目的是提供一种基于合成气发酵乙醇或丁醇的雾化生物反应器，能够提高气液固传质速率，利于实现菌体高密度培养发酵，减低产物抑制，提高产物产率；菌体固定化，易于分离回收，可重复利用，利于下游产物分离；同时，采用自动调控的间歇喷雾作业在很大程度上达到了节能和节省劳动力的目的。
 本发明采用的技术方案为：
一种基于合成气发酵乙醇或丁醇的雾化生物反应器，包括透明菌体培养罐、培养基雾化反应罐体系统、雾化自动控制系统、合成气气控系统和醪液回收管路系统，菌体培养罐顶部设置一个封口法兰，封口法兰上端面配合连接有一个固定法兰，菌体培养罐内壁上设有支架，支架上架设有多个圆盘式网孔培养层，网孔培养层上均匀分布有固定化发酵菌体，网孔培养层中心设有中心孔，菌体培养罐外壁圆周上设有控温层；所述的培养基雾化反应罐体系统包括培养基储罐，培养基储罐的出口通过输送管及培养基输送泵连接雾化装置的液体进口，雾化装置的液体出口通过两路输送管分别连接雾化喷头，雾化喷头设于菌体培养罐内顶部、底部各一个；所述的雾化自动控制系统包括操控器，操控器的信号输出端连接光电浊度仪，光电浊度仪的信号输出端经过光电信号转换器连接电磁阀，电磁阀通过时间继电器连接雾化装置，光电浊度仪对称设于菌体培养罐外表面上部；所述的合成气气控系统包括合成气储罐，合成气储罐的出气口通过输送管依次连接气体调节阀、气体流量计、滤膜过滤器和柱体气体分布器，柱体气体分布器竖直设于菌体培养罐内，并穿设于网孔培养层中心孔；所述的醪液回收管路系统包括储液槽，储液槽的进口通过输送管连接醪液输送泵，醪液输送泵连接菌体培养罐底部设有的出液口。
所述的菌体培养罐底部还设有放空阀，菌体培养罐顶部的固定法兰上设有雾化喷头连接口、压力计插孔、气液凝聚器连接口和测温计插孔，并配合安装有顶部雾化喷头、压力计、气液凝聚器、测温计，气液凝聚器上设有止回阀和空气过滤器的耦合装置。
所述的封口法兰和固定法兰上均设有四个螺孔，并配合螺栓固定。
所述的培养基雾化反应罐体系统还包括液体过滤器31，设于输送泵和雾化装置之间。
所述的菌体培养罐耐温大于等于121℃，耐压大于等于2个大气压强，菌体培养罐的高径比范围为1／3～1／2，底部为锥形结构。
所述的支架呈环状，支架的外沿与菌体培养罐内壁固定。
所述的网孔培养层的外圆圆周垂直设有支撑筒，支撑筒呈两端开口状，支撑筒的外直径与网孔培养层的外沿并齐，网孔培养层的中心孔直径为菌体培养罐内径的3／4，网孔培养层的网孔直径范围为1μm～1mm，支撑筒筒高范围为5mm～7cm。
所述的柱体气体分布器呈柱体状，外径小于网孔培养层的中心孔直径，柱体气体分布器上均匀分布有气孔，气孔孔径范围为0.5 mm～1.0mm。
所述的滤膜过滤器和止回阀与空气过滤器耦合装置中的空气过滤器的孔径均为0.2μm。
本发明将固定化发酵菌体放置于网孔培养层上，再将网孔培养层放置于菌体培养罐内，在菌体培养罐进行发酵反应；同时，利用培养基雾化反应罐体系统向菌体培养罐内喷洒培养基，为菌体提供营养液，再利用雾化自动控制系统提高自动化控制，进行自动化营养液的按需喷洒；再通过合成气气控系统向菌体培养罐内充配合成气，并可以将雾化后凝聚的液体通过醪液回收管路系统回收再利用，减少资源浪费。
本发明具有如下优点：能够提高气液固传质速率，加强雾化营养液的分布，利于实现菌体高密度培养生长与发酵，减低产物抑制，提高产物产率，同时采用自动调控的间歇喷雾作业在很大程度上达到了节能和节省劳动力的目的；另外，菌体固定化，易于分离回收，可重复利用，利于下游产物分离；而且利用本发明还能够克服雾化营养液逃逸及其染菌问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的固定法兰俯视结构示意图；
图3为本发明的网孔培养层结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明包括透明菌体培养罐1、培养基雾化反应罐体系统、雾化自动控制系统、合成气气控系统和醪液回收管路系统，菌体培养罐1采用透明材质，便于实验员观察发酵情况。菌体培养罐1顶部设置一个封口法兰4，封口法兰4上端面配合连接有一个固定法兰3，封口法兰4通过固定法兰3将整个菌体培养罐1密封，并可以通过固定法兰3打开菌体培养罐1。菌体培养罐1内壁上设有支架5，支架5上架设有多个圆盘式网孔培养层17，网孔培养层17上均匀分布有固定化发酵菌体，网孔培养层17中心设有中心孔28，菌体培养罐1外壁圆周上设有控温层2，控温层2用于控制菌体培养罐1内部的温度，为菌体提供更优的生长环境；所述的培养基雾化反应罐体系统包括培养基储罐30，培养基储罐30的出口通过输送管及培养基输送泵29连接雾化装置11的液体进口，雾化装置11的液体出口通过两路输送管分别连接两个雾化喷头，雾化喷头分为上部雾化喷头12和下部雾化喷头13，分别设于菌体培养罐1内上部、下部各一个，雾化装置11用于将液体进行雾化处理，能够对网孔培养层17均匀喷洒，最大化提高培养基供营养的作用；所述的雾化自动控制系统包括操控器6，操控器6的信号输出端连接光电浊度仪7，光电浊度仪7的感应头有两个，对称设于菌体培养罐1外表面上部，光电浊度仪7的信号输出端经过光电信号转换器8连接电磁阀9，电磁阀9通过时间继电器10连接雾化装置11的信号输入端；所述的合成气气控系统包括合成气储罐33，合成气储罐33的出气口通过输送管依次连接气体调节阀32、气体流量计19、滤膜过滤器20和柱体气体分布器18，柱体气体分布器18竖直设于菌体培养罐1内，并穿设在网孔培养层17中心孔28；所述的醪液回收管路系统包括储液槽25，储液槽25的进口利用输送管通过醪液输送泵24连接菌体培养罐1底部设有的出液口16。
下面结合附图1至3对本发明的结构进行详细说明：
如图1所示，本发明包括透明菌体培养罐1、培养基雾化反应罐体系统、雾化自动控制系统、合成气气控系统和醪液回收管路系统。菌体培养罐1耐温强度大于等于121℃，耐压强度大于等于2个大气压强，菌体培养罐1的高径比范围为1／3～1／2，底部为锥形结构，锥形结构利于凝聚液流向罐底，方便排出，透明材料便于光电浊度仪7的检测和实验人员的观察；在菌体培养罐1内壁上设有支架5，支架5呈环状，支架5的外径与菌体培养罐1内壁固定，支架5用于支撑网孔培养层17，网孔培养层17有多个，如图3所示，网孔培养层17的外圆圆周垂直固定一个支撑筒46，支撑筒46呈两端开口状，支撑筒46的外直径与网孔培养层17的外沿并齐，多个网孔培养层17通过支撑筒46层层的叠压在一起，网孔培养层17的中心孔28直径为菌体培养罐1内径的1／4，网孔培养层17的网孔直径范围为1μm～1mm，支撑筒46筒高范围为5mm～7cm。其中，网孔培养层17的中心孔28用于穿插柱体气体分布器18，柱体气体分布器18呈柱状，外径小于网孔培养层17的中心孔28直径，柱体气体分布器18上均匀分布有气孔，气孔孔径范围为0.5 mm～1.0mm，柱体气体分布器18主要为固体化菌体提供合成气，柱体气体分布器18的高度为全部网孔培养层17叠压在一起时的高度的1-1.5倍，保证从柱体气体分布器18的气孔中发散出来的合成气能够全面的充斥在全部网孔培养层17之间，使得合成气能够最大化的为培养菌体提供所需的环境。
其中，菌体培养罐1底部还设有放空阀15，放空阀15用于清洗菌体培养罐1，如图2所示，菌体培养罐1顶部的固定法兰3上设有雾化喷头连接口39、压力计插孔40、气液凝聚器连接口42和测温计插孔43，并配合安装有上部雾化喷头12、压力计26、气液凝聚器22、测温计23，气液凝聚器22上设有耦合装置21，耦合装置21是止回阀和空气过滤器串接在一起形成的耦合结构。压力计26与合成气气控系统配合使用，压力计26用于测量菌体培养罐1内的压力，合成气气控系统根据压力计26的数值为菌体培养罐1适当地提供合成气。气液凝聚器22用于雾化营养液凝聚为液态基质来预防其随气体排出而发生逃液。测温计23用于测量菌体培养罐1内的温度值，与控温层2配合使用，控温层2根据测温计23提供的温度值，进一步进行升温、降温操作。滤膜过滤器20和止回阀与空气过滤器耦合装置21中的空气过滤器的孔径均为0.2μm。滤膜过滤器20作用是保证经管道输入发酵菌体培养罐1内的合成气为无杂菌合成气组分，耦合装置21的止回阀与空气过滤器用于在发酵过程中排气，同时使得雾化营养液形成液体基质，防止雾化营养液随气体排出逃逸，另外，空气过滤器的存在防止了染菌的可能。
如图2所示，封口法兰4和固定法兰3上均设有四个螺孔41，并配合螺栓27固定，封口法兰4用于与固定法兰3密封连接，使得菌体培养罐1形成密封体，再在固定法兰3上设置多种测量仪器，方便测量菌体培养罐1内部培养环境状况。
外部的培养基雾化反应罐体系统和雾化自动控制系统包括有雾化装置11﹑培养基储罐30、培养基输送泵29、两个雾化喷头﹑操控器6、光电浊度仪7﹑光电信号转换器8、电磁阀9﹑时间继电器10；光电浊度仪7中的两个感应头对称设置在菌体培养罐1外部上端，光电浊度仪7的信号输出端连接于光电信号转换器8；该系统的两个雾化喷头设置在菌体培养罐1内部，上部雾化喷头12和下部雾化喷头13设置高度分别是菌体培养罐1高度的1／6～1／5；所述的时间继电器10用来控制雾化装置11的工作，使其将输入的新鲜培养液雾化形成雾化营养液，雾化营养液通过两路输送管进入上下雾化喷头；在随后的发酵生产过程中光电浊度仪7将根据菌体培养罐1内部雾化营养液的浊度变化产生信号变化，进而影响时间继电器10对雾化装置11的调节作用，实现自动化控制。光电浊度仪7采用现有设备，属于现有成熟技术，在此不再赘述。
外部的合成气气控系统包括有合成气储罐33，合成气储罐33的出气口通过输送管依次连接气体调节阀32、气体流量计19、滤膜过滤器20和柱体气体分布器18，柱体气体分布器18竖直设于菌体培养罐1内，并穿设于网孔培养层17中心孔28；合成气气体流量大小根据气体流量计19经气体调节阀32控制，随后气体通过输送管经滤膜过滤器20进入菌体培养罐1内部的柱体气体分布器18，然后经柱体气体分布器18完成作业，柱体气体分布器18的气孔孔径为0.5～1.0mm。
下面具体说明本发明的工作原理：
本发明提供一种基于合成气发酵乙醇或丁醇的雾化生物反应器设备，其操作的基本原理是：生物反应器设备作为发酵制取乙醇或丁醇的主要生产平台，首先需要在无菌操作条件下，进行安放装有固定化发酵菌体的不锈钢网孔培养层17，安放完成后拧紧封口法兰4和固定法兰3。然后通过外部的合成气气控系统向菌体培养罐1内部充注合成气体，当充注一定时间后，停止通气，再开启培养基输送泵29向雾化装置11内部输入新鲜的培养基基质。雾化自动控制系统在该过程中将进行启动，起初通过操控器6对光电浊度仪7设置和输入所需参数和指令，接着由光电浊度仪7作为信号的起点和响应点进而向光电信号转换器8和电磁阀9进行信号传导，再利用时间继电器10控制雾化装置11来使得培养液基质形成雾化营养液，雾化营养液最后通过输送管经菌体培养罐1内部的顶部、底部喷头以雾化喷洒形式完成雾化作业任务。当雾化装置11工作一定时间之后，菌体培养罐1内部雾化营养液浊度达到光电浊度仪7所设定浊度值时，光电浊度仪7再次发出信号进而控制时间继电器10，从而使之雾化装置11停止运行。此刻将由外部的合成气气控系统向菌体培养罐1内部以所需流速进行再次补气，待菌体培养罐1顶部的压力计26显示数值达到所要求的压力值时，停止供气，使得菌体培养罐1进行生化发酵作用。当进行一段时间后罐体内部雾化营养液将因凝聚形成液体基质，液体基质依靠重力作用沿菌体培养罐1内壁向下流进锥形菌体培养罐1底部，随着液体基质体积不断增多，使得菌体培养罐1外部的液位计高度读数升高，读数达到一定值时，开启醪液输送泵24使输入到储液槽25内作为临时储存，以便于后期醪液处理。同时随着罐体内部雾化营养液量的减少，菌体培养罐1内部的浊度也随之降低，这将再次启动雾化自动控制系统，使之再次启动雾化装置11工作，此后反应过程以此重复。
具体操作如下：
启动电源，通过操控器6对光电浊度仪7设置所需的参数和命令，培养基输送泵29和醪液输送泵24首先需要关闭，待菌体培养罐1内部装有固定化菌体的多层不锈钢网孔培养层17填入结束后，打开合成气气控系统中的气体调节阀32使合成气沿输气管经流量计和0.2μm滤膜过滤器20进入菌体培养罐1内部的柱体气体分布器18，合成气补入到一定时间后，手动关闭气体调节阀32，结束合成气供应。同时，根据固定法兰3上设置的测温计23监控菌体培养罐1内的温度变化，依据发酵所需，通过控温层2完成温度调控。启动培养基输送泵29使新鲜培养基从培养基储罐30沿培养基输送管道经液体过滤器31输入进雾化装置11，雾化装置11行使作业（雾化装置11可以采用高频超声波雾化系统，为现有成熟技术，在此不再赘述）。将培养基雾化为雾化营养液，雾化营养液再分别经输送管道到达上雾化喷头12和下雾化喷头13完成雾化营养液喷射任务。当达到所设置菌体培养罐1内部雾化营养液分布浊度值后，由光点浊度仪监控输出光变化信号，该变化信号输入到光电信号转换器8进行电信号转换，所产生的电信号输送到电磁阀9，再由电磁阀9控制时间继电器10进而操控雾化装置11，使雾化装置11暂停工作，进而停止对菌体培养罐1内部的雾化营养液的供给。此刻将由外部的合成气气控系统向菌体培养罐1内部以所需流速进行再次补气，待菌体培养罐1顶部的压力计26显示一定数值时停止供气使之罐内进行生化发酵作用。当进行一段时间后菌体培养罐1内部雾化营养液将因凝聚形成液体基质，液体基质依靠重力作用沿内壁向下流进锥形罐体底部，随着液体基质体积不断增多使得菌体培养罐1外部的液位计高度读数升高，读数达到一定值时开启醪液输送泵24使之经出液口16沿输送管输入到储液槽25内作为临时储存，以便于后期醪液处理。而且随着菌体培养罐1内部雾化营养液量的减少，菌体培养罐1内部的浊度也随之降低，这将再次刺激雾化自动控制系统，使之再次起始雾化工作作业，此后反应过程以此重复。
本发明中所述的合成气的特征是：合成气气体混合种类和混合比例因需要而定；同时也适用于由化石燃料﹑农林业废弃生物质材料﹑日常生活产生的有机废物等气化所得的合成气或炼钢厂锅炉废气。

Claims (9)

1.一种基于合成气发酵乙醇或丁醇的雾化生物反应器，其特征在于：包括透明菌体培养罐、培养基雾化反应罐体系统、雾化自动控制系统、合成气气控系统和醪液回收管路系统，菌体培养罐顶部设置一个封口法兰，封口法兰上端面配合连接有一个固定法兰，菌体培养罐内壁上设有支架，支架上架设有多个圆盘式网孔培养层，网孔培养层上均匀分布有固定化发酵菌体，网孔培养层中心设有中心孔，菌体培养罐外壁圆周上设有控温层；所述的培养基雾化反应罐体系统包括培养基储罐，培养基储罐的出口通过输送管及培养基输送泵连接雾化装置的液体进口，雾化装置的液体出口通过两路输送管分别连接雾化喷头，雾化喷头设于菌体培养罐内顶部、底部各一个；所述的雾化自动控制系统包括操控器，操控器的信号输出端连接光电浊度仪，光电浊度仪的信号输出端经过光电信号转换器连接电磁阀，电磁阀通过时间继电器连接雾化装置，光电浊度仪对称设于菌体培养罐外表面上部；所述的合成气气控系统包括合成气储罐，合成气储罐的出气口通过输送管依次连接气体调节阀、气体流量计、滤膜过滤器和柱体气体分布器，柱体气体分布器竖直设于菌体培养罐内，并穿设于网孔培养层中心孔；所述的醪液回收管路系统包括储液槽，储液槽的进口通过输送管连接醪液输送泵，醪液输送泵连接菌体培养罐底部设有的出液口。
2.根据权利要求1所述的基于合成气发酵乙醇或丁醇的雾化生物反应器，其特征在于：所述的菌体培养罐底部还设有放空阀，菌体培养罐顶部的固定法兰上设有雾化喷头连接口、压力计插孔、气液凝聚器连接口和测温计插孔，并配合安装有顶部雾化喷头、压力计、气液凝聚器、测温计，气液凝聚器上设有止回阀和空气过滤器的耦合装置。
3.根据权利要求2所述的基于合成气发酵乙醇或丁醇的雾化生物反应器，其特征在于：所述的封口法兰和固定法兰上均设有四个螺孔，并配合螺栓固定。
4.根据权利要求3所述的基于合成气发酵乙醇或丁醇的雾化生物反应器，其特征在于：所述的培养基雾化反应罐体系统还包括液体过滤器，设于培养基输送泵和雾化装置之间。
5.根据权利要求4所述的基于合成气发酵乙醇或丁醇的雾化生物反应器，其特征在于：所述的菌体培养罐耐温大于等于121℃，耐压大于等于2个大气压强，菌体培养罐的高径比范围为1／3～1／2，底部为锥形结构。
6.根据权利要求5所述的基于合成气发酵乙醇或丁醇的雾化生物反应器，其特征在于：所述的支架呈环状，支架的外沿与菌体培养罐内壁固定。
7.根据权利要求6所述的基于合成气发酵乙醇或丁醇的雾化生物反应器，其特征在于：所述的网孔培养层的外圆圆周垂直设有支撑筒，支撑筒呈两端开口状，支撑筒的外直径与网孔培养层的外沿并齐，网孔培养层的中心孔直径为菌体培养罐内径的3／4，网孔培养层的网孔直径范围为1μm～1mm，支撑筒筒高范围为5mm～7cm。
8.根据权利要求7所述的基于合成气发酵乙醇或丁醇的雾化生物反应器，其特征在于：所述的柱体气体分布器呈柱体状，外径小于网孔培养层的中心孔直径，柱体气体分布器上均匀分布有气孔，气孔孔径范围为0.5 mm～1.0mm。
9.根据权利要求8所述的基于合成气发酵乙醇或丁醇的雾化生物反应器，其特征在于：所述的滤膜过滤器和耦合装置中的空气过滤器的孔径均为0.2μm。
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