CN105602841B - 一种生物质连续发酵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质连续发酵系统，尤其是以农业秸秆为碳源的厌氧连续发酵系统。其技术法案在于生物质及培养基在储料罐内配置完毕，通过固液比可控的无轴螺旋送料装置送入，厌氧发酵罐内发酵。厌氧发酵罐为柔性结构，受外力挤压实现物料混合，由于生物质为颗粒状态，为提高发酵效率，在发酵中间生物质被送入研磨装置，研磨后重新进入发酵罐，发酵结束，大部分剩余物会被挤压出罐体，少部分留在罐底，作为种子，新的基质会被送料器送入罐内，实现了高效连续的生物质发酵。

Description

一种生物质连续发酵系统

技术领域

本发明提出一种生物质连续发酵系统，尤其是以农业秸秆为碳源的厌氧连续发酵系统，属于生物过程工程设备领域。

背景技术

以秸秆类生物质为碳源的设备，进行发酵，由于受到秸秆颗粒状态的影响只能进行非连续批次发酵，发酵底物和剩余物进出不能实现自动化，发酵过程代谢产物不能原位分离，产生拮抗作用。由于上述原因限制生物质的生物利用，本发明将实现生物质的连续，高效和低能耗的发酵，为以秸秆为碳源的生物质的生物技术开发提供设备方面的解决方案。

发明内容

为解决生物质连续发酵所需设备技术方面的不足，本发明的技术方案是提出一种生物质连续发酵系统及相关设备设计，尤其是以农业秸秆为碳源的厌氧连续发酵系统，其实质特征是生物质及培养基在储料罐内配置完毕，通过固液比可控的无轴螺旋送料装置送入，厌氧发酵罐内发酵。厌氧发酵罐为柔性结构，受外力挤压实现物料混合，由于生物质为颗粒状态，为提高发酵效率，在发酵过程中间生物质被送入研磨装置，研磨后重新进入发酵罐，发酵结束，大部分剩余物会被挤压出罐体，少部分留在罐底，作为种子，新的基质会被送料器送入罐内，实现了高效连续的生物质发酵。

按照技术方案提供的一种生物质连续发酵系统，由储料罐，送料器和发酵罐系组成在控制系统控制下，实现连续发酵过程，其实质性特点是所述生物质及培养基在储料罐内配置完毕，通过固液比比可控的无轴螺旋送料装置送入，厌氧发酵罐内发酵。厌氧发酵罐为柔性结构，受外力挤压实现物料混合，由于生物质为颗粒状态，为提高发酵效率，在发酵过程中间生物质被送入研磨装置，研磨后重新进入发酵罐，发酵结束，大部分剩余物会被挤压出罐体，少部分留在罐底，作为种子，新的基质会被送料器送入罐内，实现了高效连续的生物质发酵。

按照技术方案提供的一种生物质连续发酵系统，其实质性特点是所述发酵罐罐体为球体结构，由柔性材料制成，具有顶部进料口和中上部出料口两个接口，进料口上部向上依次具有气动截止阀，往复式研磨器，球形三通，气动截止阀，接送料器进料口，出料口依次接通气动截止阀，球形三通，发酵罐罐体下半部分由半球形螺旋管状结构支撑，螺旋管有入口和出口，通过介质温度控制，调节罐体温度，半球螺旋状结构之间增强结构固定并与悬挂装置固定连接，悬挂装置再通过弹簧与罐体固定支架连接，重力计替代一组弹簧实现罐体重量控制。

按照技术方案提供的一种生物质连续发酵系统，其实质性特点是所述储料罐为椭球结构，为生物质和培养基预处理设备，能够满足发酵前的全部条件要求，生物质废碎成3~8毫米颗粒，通过固体注入口，注入储料罐，培养基通过液体注入口注入储料罐，液体培养基和生物质的重量配比为15:1，浸泡后培养基祛除生物质内部氧气，氧化还原点位，pH值控制在微生物生长所需条件，为实现上述条件，还需要注液口，注气口，排气口，排渣口。

按照技术方案提供的一种生物质连续发酵系统，其实质性特点是所述送料器为无轴螺旋结构，送料器中间部分为一定螺距的类弹簧的螺旋结构，送料螺旋叶片固定在螺旋结构上，无轴螺旋与具有摩擦条的送料管接触，送料管由可调节高度结构支撑，无轴螺旋送料器进料口深入储料罐，无轴螺旋送料器出料口连接发酵罐进料口，无轴送料器末端与驱动电机轴连接，通过调节驱动电机转速和送料管高度实现生物质与培养基比例可控。

按照技术方案提供的一种生物质连续发酵系统，其实质性特点是所述罐体挤压变形机构固定端固定在螺旋结构上，挤压机构运动端收到控制信号，协同动作挤压柔性罐体实现罐体内物料混合。

按照技术方案提供的一种生物质连续发酵系统，其实质性特点是所述发酵罐体内壁为膜分离层，膜分离层与柔性罐体材料交错连接，微流道收集膜过滤后，通过滤液出口接负压装置进入滤液分离系统。

按照技术方案提供的一种生物质连续发酵系统，其实质性特点是所述菌种或酶制剂通过出料口的接口注入罐内，罐体挤压机构按照控制工艺挤压罐体，实现混料，由于生物质内部难降解，发酵过程中，生物质可以被挤压装置同时运动压入出料口，到达出料球形三通，驱动电机启动，通过离合器连接另外一套无轴送料系统送入进料球形三通，再通过往复研磨装置重新进入发酵罐内，再次发酵。

按照技术方案提供的一种生物质连续发酵系统，其实质性特点是所述发酵过程结束后，挤压装置一同动作，实现产物通过截止阀进入出料口，到达出料球形三通，气动截止阀开通从排料口排出，降解物料排出时，进料口，出料口截止阀关闭，保证发酵条件。

按照技术方案提供的一种生物质连续发酵系统，其实质性特点是所述大部分生物质排出罐体后，关闭出料口截止阀，剩余的未排除部分，可以作为种子留在发酵罐内，送料器启动送入新的培养基，进行下一周期发酵，实现了连续发酵。

按照技术方案提供的一种生物质连续发酵系统，其实质性特点是所述截止阀均为气动截止阀，物料通过柔性软管进出发酵罐，气动装置推动挤压结构实现软管截止和开通。

本发明的有益效果是：实现一个无死角，可以原位分离的以生物质为碳源的发酵系统；由储料罐，送料器和发酵罐在控制系统控制下可以连续发酵。发酵微生物所需的底物在储料罐内调控完成，达到发酵基本条件如pH值，温度，氧化还原电位，水分和所需微量元素含量等。送料器实现固液比可控生物质传送。发酵罐内无搅拌球形罐体设计，由柔性硅橡胶材料制备，尽量减少开口，管口多种功能复用，传感器尽量不安装在罐体内，或者只进行罐体内表面安装，达到罐体无死角的效果， 其次是动力学系统，采用一种机械结构模拟蠕动，作用于柔性发酵罐外壁， 通过局部罐体外壁挤压变性， 作用于罐体内部物料实现混合作用，代替传统搅拌方式，达到不污染内环境，不切削菌丝，混料柔和。由于罐内具有膜分离装置，分离代谢产物，使底物降解效率更高，对于共培养微生物，代谢产物被及时分离出，不易出现竞争关系，容易实现目标产物导向的共生培养。由于蠕动消除内壁膜的负压带来的膜污染和浓差极化现象的多重效果。生物质以颗粒形式发酵，不用完全研磨，发酵中期发酵过的秸秆颗粒重新研磨后再次进入发酵罐。发酵后期大部分底物排出发酵罐外，部分留在罐体内充当种子，实现连续发酵。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1一种生物质连续发酵系统设备简图；

图2一种生物质连续发酵系统发酵罐简图；

图3一种生物质连续发酵系统无轴螺旋送料器简图；

图4一种生物质连续发酵系统截止阀简图，

其中储料罐1，送料器2，发酵罐3，椭球结构4，固体注入口5，液体注入口6，注液口7，注气口8，排气口9，排渣口10，球体结构11，顶部进料口12，中上部出料口13，气动截止阀14，往复式研磨器15，球形三通16，气动截止阀17，送料器进料口18，气动截止阀19，球形三通20，螺旋管状结构支撑21，螺旋管入口22，螺旋管出口23，增强结构24，悬挂装置25固定连接，弹簧26，罐体固定支架27，重力计28，膜分离层29，滤液出口30；出料口的接口31，罐体挤压机构32，驱动电机33，离合器34，无轴送料系统35气动截止阀36，排料口37；无轴螺旋结构38，螺旋叶片39，摩擦条40，结构支撑41，送料器进料口42送料器出料口43；气动装置44，挤压结构45。

具体实施方式

下面结合图1~4，介绍一种生物质连续发酵系统的优选实施例，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的优选的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种生物质连续发酵系统，由储料罐1，送料器2和发酵罐3组成在控制系统控制下，实现连续发酵过程，生物质及培养基在储料罐内配置完毕，通过固液比比可控的无轴螺旋送料装置送入，厌氧发酵罐内发酵。厌氧发酵罐为柔性结构，受外力挤压实现物料混合，由于生物质为颗粒状态，为提高发酵效率，在发酵过程中间生物质被送入研磨装置，研磨后重新进入发酵罐，发酵结束，大部分剩余物会被挤压出罐体，少部分留在罐底，作为种子，新的基质会被送料器送入罐内，实现了高效连续的生物质发酵。

如图2所示，发酵罐罐体为球体结构11，由柔性材料制成，具有顶部进料口12和中上部出料口13两个接口，进料口上部向上依次具有气动截止阀14，往复式研磨器15，球形三通16，气动截止阀17，接送料器进料口18，出料口依次接通气动截止阀19，球形三通20，发酵罐罐体下半部分由半球形螺旋管状结构支撑21，螺旋管有入口22和出口23，通过介质温度控制，调节罐体温度，半球螺旋状结构之间增强结构24固定并与悬挂装置25固定连接，悬挂装置再通过弹簧26与罐体固定支架27连接，重力计28替代一组弹簧实现罐体重量控制。

如图1所示，所述储料罐为椭球结构4，为生物质和培养基预处理设备，能够满足发酵前的全部条件要求，生物质废碎成3-8毫米颗粒，通过固体注入口5，注入储料罐，培养基通过液体注入口6注入储料罐，液体培养基和生物质的重量配比为15:1，浸泡后培养基祛除生物质内部氧气，氧化还原电位，pH值控制在微生物生长所需条件，为实现上述条件，还需要注液口7，注气口8，排气口9，排渣口10。

如图3所示，所述送料器为无轴螺旋结构38，送料器中间部分为一定螺距的类弹簧的螺旋结构，送料螺旋叶片39固定在螺旋结构上，无轴螺旋与具有摩擦条40的送料管接触，送料管由可调节高度结构支撑41，无轴螺旋送料器进料口42深入储料罐，无轴螺旋送料器出料口43连接发酵罐进料口，无轴送料器末端与驱动电机轴连接，通过调节驱动电机转速和送料管高度实现生物质与培养基比例可控。

如图3所示，所述罐体挤压变形机构固定端固定在螺旋结构上，挤压机构运动端收到控制信号，协同动作挤压柔性罐体实现罐体内物料混合。

如图2所示，所述发酵罐体内壁为膜分离层29，膜分离层与柔性罐体材料交错连接，微流道收集膜过滤后，通过滤液出口30接负压装置进入滤液分离系统。

如图2所示，所述菌种或酶制剂通过出料口的接口31注入罐内，罐体挤压机构32按照控制工艺挤压罐体，实现混料，由于生物质内部难降解，发酵过程中，生物质可以被挤压装置同时运动压入出料口，到达出料球形三通，驱动电机33启动，通过离合器34连接另外一套无轴送料系统35送入进料球形三通，再通过往复研磨装置重新进入发酵罐内，再次发酵。

如图2所示，所述发酵过程结束后，挤压装置一同动作，实现产物通过截止阀进入出料口，到达出料球形三通，气动截止阀36开通从排料口37排出，降解物料排出时，进料口，出料口截止阀关闭，保证发酵条件。

如图2所示，所述大部分生物质排出罐体后，关闭出料口截止阀，剩余的未排除部分，可以作为种子留在发酵罐内，送料器启动送入新的培养基，进行下一周期发酵，实现了连续发酵。

如图4所示，所述截止阀均为气动截止阀，物料通过柔性软管进出发酵罐，气动装置44推动挤压结构45实现软管截止和开通。

实施方案1：一种10升的生物质连续发酵系统，由20升储料罐，送料器和10升发酵罐系组成，在控制系统控制下，实现连续发酵过程，生物质及培养基在储料罐内配置完毕，通过固液比比可控的无轴螺旋送料装置送入，厌氧发酵罐内发酵。厌氧发酵罐为柔性结构，受外力挤压实现物料混合，所述罐体挤压变形机构固定端固定在螺旋结构上，挤压机构运动端收到控制信号，协同动作挤压柔性罐体实现罐体内物料混合。

发酵罐体内壁为高分子聚偏氟乙烯膜分离层，膜分离层与柔性罐体材料交错连接，微流道收集膜过滤后，通过滤液出口接负压装置进入滤液分离系统。

由于生物质为颗粒状态，为提高发酵效率，在发酵过程中间生物质被送入研磨装置，研磨后重新进入发酵罐，发酵结束，大部分剩余物会被挤压出罐体，少部分留在罐底，作为种子，新的基质会被送料器送入罐内，实现了高效连续的生物质发酵。

3 个 10升发酵系统并联发酵，经过 24 小时将罐体上部发酵完成的秸秆排除罐外，然后补料连续发酵，三个罐体分时段启动，当一个罐体出现问题可以通过其他罐体引种。

实施方案2：一种100升的生物质连续发酵系统，由200升储料罐，送料器和100升发酵罐系组成，在控制系统控制下，实现连续发酵过程，生物质及培养基在储料罐内配置完毕，通过固液比比可控的无轴螺旋送料装置送入，厌氧发酵罐内发酵。厌氧发酵罐为柔性结构，受外力挤压实现物料混合，所述罐体挤压变形机构固定端固定在螺旋结构上，挤压机构运动端收到控制信号，协同动作挤压柔性罐体实现罐体内物料混合。

发酵罐体内壁为陶瓷膜替代平板膜的分离层，膜分离层与柔性罐体材料交错连接，微流道收集膜过滤后，通过滤液出口接负压装置进入滤液分离系统。

由于生物质为颗粒状态，为提高发酵效率，在发酵过程中间生物质被送入研磨装置，研磨后重新进入发酵罐，发酵结束，大部分剩余物会被挤压出罐体，少部分留在罐底，作为种子，新的基质会被送料器送入罐内，实现了高效连续的生物质发酵。

3 个 100升发酵系统并联发酵，经过 24 小时将罐体上部发酵完成的秸秆排除罐外，然后补料连续发酵，三个罐体分时段启动，当一个罐体出现问题可以通过其他罐体引种。

实施方案3：一种100立方米的生物质连续发酵系统，由150立方米储料罐，送料器和100立方米发酵罐系组成，在控制系统控制下，实现连续发酵过程，生物质及培养基在储料罐内配置完毕，通过固液比比可控的无轴螺旋送料装置送入，厌氧发酵罐内发酵。厌氧发酵罐为柔性结构，受外力挤压实现物料混合，所述罐体挤压变形机构固定端固定在螺旋结构上，挤压机构运动端收到控制信号，协同动作挤压柔性罐体实现罐体内物料混合。

发酵罐体内壁为柱状陶瓷膜替代平板陶瓷膜的分离层，膜分离层与柔性罐体材料交错连接，微流道收集膜过滤后，通过滤液出口接负压装置进入滤液分离系统。

由于生物质为颗粒状态，为提高发酵效率，在发酵过程中间生物质被送入研磨装置，研磨后重新进入发酵罐，发酵罐内添加磨球提高研磨效果，发酵结束，大部分剩余物会被挤压出罐体，少部分留在罐底，作为种子，新的基质会被送料器送入罐内，实现了高效连续的生物质发酵。

3 个 100立方米发酵系统并联发酵，经过 24 小时将罐体上部发酵完成的秸秆排除罐外，然后补料连续发酵，三个罐体分时段启动，当一个罐体出现问题可以通过其他罐体引种。

Claims (7)

1.一种生物质连续发酵系统，由储料罐，送料器和厌氧发酵罐组成，在控制系统控制下，实现连续发酵过程，其特征在于：生物质及培养基在储料罐内配置完毕，通过固液比可控的无轴螺旋送料装置送入厌氧发酵罐内发酵，厌氧发酵罐为柔性结构，受外力挤压实现物料混合，在发酵过程中间生物质被送入研磨装置，研磨后重新进入厌氧发酵罐，发酵结束，大部分剩余物会被挤压出罐体，少部分留在罐底，作为种子，新的基质会被送料器送入罐内，实现高效连续的生物质发酵；所述发酵罐罐体为球体结构，由柔性材料制成，具有顶部进料口和中上部出料口两个接口，进料口上部向上依次具有气动截止阀，往复式研磨器，球形三通，气动截止阀，接送料器进料口，出料口依次接通气动截止阀，球形三通，发酵罐罐体下半部分由半球形螺旋管状结构支撑，螺旋管有入口和出口，通过介质温度控制，调节罐体温度，半球形螺旋管状结构之间增强结构固定并与悬挂装置固定连接，悬挂装置再通过弹簧与罐体固定支架连接，重力计替代一组弹簧实现罐体重量控制；所述储料罐为椭球结构，为生物质和培养基预处理设备，能够满足发酵前的全部条件要求，生物质废碎成3-8毫米颗粒，通过固体注入口，注入储料罐，培养基通过液体注入口注入储料罐，液体培养基和生物质的重量配比为15:1，浸泡后培养基去除生物质内部氧气，氧化还原电位和pH值控制在微生物生长所需条件，为实现上述条件，还需要注液口，注气口，排气口，排渣口；所述送料器为无轴螺旋结构，送料器中间部分为一定螺距的类弹簧的螺旋结构，送料螺旋叶片固定在螺旋结构上，无轴螺旋与具有摩擦条的送料管接触，送料管由可调节高度结构支撑，无轴螺旋送料器进料口深入储料罐，无轴螺旋送料器出料口连接发酵罐进料口，无轴送料器末端与驱动电机轴连接，通过调节驱动电机转速和送料管高度实现生物质与培养基比例可控。

2.按照权利要求1所述的生物质连续发酵系统，其特征在于：所述罐体挤压变形机构固定端固定在螺旋结构上，挤压机构运动端收到控制信号，协同动作挤压柔性罐体实现罐体内物料混合。

3.按照权利要求1所述的生物质连续发酵系统，其特征在于：所述发酵罐体内壁为膜分离层，膜分离层与柔性罐体材料交错连接，微流道收集膜过滤后，通过滤液出口接负压装置进入滤液分离系统。

4.按照权利要求1或2所述的生物质连续发酵系统，其特征在于：所述菌种或酶制剂通过出料口的接口注入罐内，罐体挤压机构按照控制工艺挤压罐体，实现混料，由于生物质内部难降解，发酵过程中，生物质被挤压装置同时运动压入出料口，到达出料球形三通，驱动电机启动，通过离合器连接另外一套无轴送料系统送入进料球形三通，再通过往复研磨装置重新进入发酵罐内，再次发酵。

5.按照权利要求1或2所述的生物质连续发酵系统，其特征在于：所述发酵过程结束后，挤压装置一同动作，实现产物通过截止阀进入出料口，到达出料球形三通，气动截止阀开通从排料口排出，降解物料排出时，进料口，出料口截止阀关闭，保证发酵条件。

6.按照权利要求1所述的生物质连续发酵系统，其特征在于：所述大部分生物质排出罐体后，关闭出料口截止阀，剩余的未排除部分，作为种子留在发酵罐内，送料器启动送入新的培养基，进行下一周期发酵，实现连续发酵。

7.按照权利要求1所述的生物质连续发酵系统，其特征在于：所述截止阀均为气动截止阀，物料通过柔性软管进出发酵罐，气动装置推动挤压结构实现软管截止和开通。