CN108624498B - 利用低温等离子体促进有机废物厌氧发酵制备乳酸的装置 - Google Patents

利用低温等离子体促进有机废物厌氧发酵制备乳酸的装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用低温等离子体促进有机废物厌氧发酵制备乳酸的装置，其特征在于，包括反应器，地极不锈钢板和放电极不锈钢板相对设置于反应器内，放电极不锈钢板上设有多个放电针，地极不锈钢板和放电极不锈钢板分别连接等离子体电源。本发明可稳定控制温度，控制搅拌速率，控制放电电压与频率。将高压脉冲等离子体放电技术与活性污泥厌氧发酵技术相结合，促进乳酸的产生。

Description

利用低温等离子体促进有机废物厌氧发酵制备乳酸的装置
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，涉及到一种自主研发的反应器，具体是通过将高压脉冲等离子体放电技术与活性污泥厌氧发酵技术相结合，促进乳酸的产生。
背景技术
乳酸广泛应用于医疗、食品、化工等行业。通过乳酸菌，可以从含碳水化合物及蛋白质等基质中厌氧发酵生产大量乳酸。目前，有机废物(如厨余垃圾、食品垃圾等)资源化生产乳酸的方法(见如中国专利201110425458.8；200710117684.3；200610010049.0)一般需要以下几个步骤：将厨余垃圾预处理、酶水解(糖化)、接种乳酸菌、中温发酵及固液分离。这些方法都涉及了投加菌种、酶制剂、中温发酵等复杂操作。
等离子体是具有化学反应性的，表现出与其他物质状态不同的特异性能的气体，又称为物质的第四态。一般认为等离子体是由电子、正负离子、激发态的原子、分子以及自由基等粒子组成的，并表现出集体行为的一种准中性非凝聚系统。等离子体的应用技术因其特点而异。高温等离子体技术利用等离子体的物理特性；而低温等离子体技术则利用其中的高能电子(0～10eV)参与形成的物理、化学反应过程。
等离子体通过电子传递能够促进生物活性(GreenChemistry，2017，19：928-926.)，由此推测，通过低温等离子体放电，也能促进微生物产生乳酸。通过实验已证实低温等离子体放电能促进微生物产乳酸。其作用机理有两方面：一是产生活性物质作用于发酵体系，二是放电时改善了细胞膜的通透性。
目前，还没有利用低温等离子体技术影响发酵过程，促进有机废物产乳酸方面的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种在发酵的同时进行低温等离子体脉冲放电的装置，可以控制发酵的温度，搅拌速率，放电强度及频率，可以有效地将低温等离子体脉冲放电技术和厌氧发酵技术相结合，促进乳酸的制备。
为了达到上述目的，本发明提供了一种利用低温等离子体促进有机废物厌氧发酵制备乳酸的装置，其特征在于，包括反应器，地极不锈钢板和放电极不锈钢板相对设置于反应器内，放电极不锈钢板上设有多个放电针，地极不锈钢板和放电极不锈钢板分别连接等离子体电源。
优选地，所述的地极不锈钢板设于反应器底部，地极不锈钢板连接地极公制螺丝螺母，放电极不锈钢板设于地极不锈钢板上方，放电极不锈钢板连接公制全牙螺管，公制全牙螺管和地极公制螺丝螺母分别经导线连接等离子体电源。
更优选地，所述的反应器的上方设有搅拌电机，搅拌电机的转轴穿过公制全牙螺管并与搅拌头连接。
优选地，所述的反应器的外侧设有恒温夹套，恒温夹套具有夹套进水口和夹套出水口，夹套进水口和夹套出水口与恒温设备连接。
更优选地，所述的恒温夹套的厚度与反应器内直径的比例为1∶10～1∶5；进水口距离反应器底部以及出水口距离反应器顶部的距离与容器高度的比例为1∶10，通过水浴加热的方式，使反应器内部温度处于恒定值。
优选地，所述的反应器设有容器进气口和容器出气口，容器进气口和容器出气口与氮气瓶连接。
更优选地，所述的反应器为绝缘密闭容器，其内径与高度的比为2∶1-3∶1，进气口距离反应器底部、出气口距离反应器顶部的距离与容器高度的比例皆为1∶10。
优选地，所述的反应器的顶部设有绝缘带孔盖。
更优选地，所述的绝缘带孔盖为带孔绝缘玻璃盖，公制全牙螺管穿过带孔绝缘玻璃盖中心孔，地极公制螺丝螺母穿过反应器底部。
优选地，所述的等离子体电源连接电源控制器。
优选地，所述的放电针在放电极不锈钢板上均匀分布，放电针数量为每10cm31个，放电极不锈钢板与公制全牙螺管底部的距离为反应器高度的1/10～1/5，放电针长度为反应器高度的1/8～1/5，地极不锈钢板为厚度为2mm，直径为190mm的不锈钢盘，在对应地极公制螺丝螺母的位置设圆口，直径以螺丝直径为准；放电极不锈钢板为厚度为2mm，直径为190mm的不锈钢盘，盘上有中心孔，直径以公制全牙螺管的直径为准，并均匀分布小孔，小孔直径以不锈钢的放电针直径为准，小孔数量为每10cm3一个。
优选地，所述的地极不锈钢板和放电极不锈钢板之间的距离可以上下移动调节，并通过配套螺母固定。
优选地，所述的公制全牙螺管同时可以作为搅拌头的外轴。
优选地，所述的搅拌头的直径为反应器内直径的1/8-1/4。
优选地，所述的绝缘带孔盖上设有中心对称的两个调节孔，其圆心距离中心为反应器内径的1/8-1/5，其直径为反应器内径的1/10-1/8，调节孔上设有盖板，能将调节孔完全盖住即可。
优选地，所述的地极公制螺丝螺母的中心轴距反应器内侧壁的距离为反应器内径的1/10～1/8。
优选地，所述的反应器为有机玻璃容器。
优选地，所述的搅拌头的直径为反应器内直径的1/8-1/4。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明可稳定控制温度，控制搅拌速率，控制放电电压与频率。将高压脉冲等离子体放电技术与活性污泥厌氧发酵技术相结合，促进乳酸的产生。
附图说明
图1是利用低温等离子体促进有机废物厌氧发酵制备乳酸的装置主体图；
图2是反应器盖的示意图；
图3是反应器地极的示意图；
图4是反应器放电极的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
如图1所示，本发明的利用低温等离子体促进有机废物厌氧发酵制备乳酸的装置包括反应器，反应器为有机玻璃容器。地极不锈钢板6和放电极不锈钢板2相对设置于反应器内，放电极不锈钢板2上设有30根放电针11，所述的地极不锈钢板6设于反应器底部，地极不锈钢板6连接地极公制螺丝螺母14，放电极不锈钢板2设于地极不锈钢板6上方，放电极不锈钢板2连接公制全牙螺管8，公制全牙螺管8和地极公制螺丝螺母14分别经导线连接等离子体电源。等离子体电源连接电源控制器。所述的反应器的上方设有搅拌电机1，搅拌电机1的转轴穿过公制全牙螺管8并与设于反应器内的搅拌头10连接。
所述的反应器的外侧设有恒温夹套3，恒温夹套3具有夹套进水口5和夹套出水口12，夹套进水口5和夹套出水口12与恒温设备连接。所述的恒温夹套3的厚度与反应器内直径的比例为1∶10；夹套进水口5距离反应器底部以及出水口12距离反应器顶部的距离为20mm，通过水浴加热的方式，使反应器内部温度处于恒定值。
所述的反应器设有容器进气口4和容器出气口13，容器进气口4和容器出气口13与氮气瓶连接。所述的反应器为绝缘密闭容器，其内径为400mm，高度为200mm，出气口13距离反应器底部、进气口4距离反应器顶部的距离为20mm。
如图2所示，所述的反应器的顶部设有绝缘带孔盖9。所述的绝缘带孔盖9为带孔绝缘玻璃盖，公制全牙螺管8穿过带孔绝缘玻璃盖中心孔，地极公制螺丝螺母14穿过反应器底部。所述的绝缘带孔盖9上设有中心对称的两个调节孔，其圆心距离中心为反应器内径的1/8，其直径为反应器内径的1/10，调节孔上设有盖板15，能将调节孔完全盖住即可。
公制全牙螺管8为公制M6全牙螺管，放电针11在放电极不锈钢板2上均匀分布，放电针11数量为每10cm31个，放电极不锈钢板2与公制全牙螺管8底部的距离为反应器高度的1/10，放电针11长度为反应器高度的1/8，如图3所示，地极不锈钢板6为厚度为2mm，直径为190mm的不锈钢盘，在对应地极公制螺丝螺母14的位置设圆口，直径以螺丝直径为准；如图4所示，放电极不锈钢板2为厚度为2mm，直径为190mm的不锈钢盘，盘上有中心孔，直径以公制全牙螺管8的直径8为准，并均匀分布30个小孔，小孔直径以不锈钢的放电针11直径为准，小孔数量为每10cm3一个。所述的地极不锈钢板6和放电极不锈钢板2之间的距离可以上下移动调节，并通过配套螺母固定。所述的公制全牙螺管8同时可以作为搅拌头10的外轴。所述的地极公制螺丝螺母14的中心轴距反应器内侧壁的距离为反应器内径的1/10。搅拌头10的直径为40mm。
恒温装置设置50℃，经蠕动泵抽取，进入反应器夹套进水口5，从夹套出水口12出水，再进入恒温装置中，同时调节高压脉冲等离子体电源的电压和频率。打开氮气瓶，从容器进气口4进气，从容器出气口13排空氧气。并开启搅拌电机1，设置搅拌速率进行搅拌。每日定时打开调节盖板15调节pH值，取样，添加缓冲剂等。
经过实践考察，发现整个系统运行良好。
实施例2
采用实施例1所述的利用低温等离子体促进有机废物厌氧发酵制备乳酸的装置制备乳酸，方法如下：
(1)取城市生活污水厂浓缩污泥，其VSS为16.9203g/L，含水率为99.2％；取含碳水化合物的有机废物餐厨垃圾，其VSS比例为0.3921g/g。
在反应器中混合制备的厨余垃圾及污泥；配置餐厨垃圾与污泥挥发性干重比为6，配置为1L的VSS为40g/L发酵反应混合物。
上述混合物置于电发酵反应器中进行厌氧发酵，发酵温度为50℃，搅拌速度为120rpm。每隔6h调节pH值至7，发酵6d；每隔12h进行一次放电，放电的频率为30Hz；电压为20kV；放电针11的针尖距液面高度为0.5cm；一次放电的时间为10min。
配置相同的混合液置于细口瓶中，发酵温度，搅拌速度，调节pH间隔均相同，不进行放电操作，作为空白对照。
(2)采用离心的方法，每次取出25ml反应液，在8000r/min的参数下离心10min，取10ml的上清液保存。
(3)通过HPLC高效液相色谱法测量6天的样品中乳酸含量，测得放电组乳酸浓度最大值为30.5513g/L，空白组乳酸浓度最大值25.9662g/L。
实施例3
采用实施例1所述的利用低温等离子体促进有机废物厌氧发酵制备乳酸的装置制备乳酸，方法如下：
(1)取城市生活污水厂浓缩污泥，其VSS为12.08g/L，含水率为99.2％；取含碳水化合物的有机废物厨余垃圾，其VSS比例为0.3869g/g。
在反应器中混合备制的厨余垃圾及污泥；配置餐厨垃圾与污泥挥发性干重比为6，配置为1L的发酵反应混合物，目标VSS为40g/L。
上述混合物置于电发酵反应器中进行厌氧发酵，发酵温度为50℃，搅拌速度为120rpm。每隔6h调节pH值至7，发酵6d；每隔3h进行一次放电，放电的频率为30Hz；电压为20kV；针尖距液面高度为0.5cm；一次放电的时间为10min。
配置相同的混合液置于细口瓶中，发酵温度，搅拌速度，调节pH间隔均相同，不进行放电操作，作为空白对照。
(2)采用离心的方法，每次取出25ml反应液，在8000r/min的参数下离心10min，取10ml的上清液保存。
(3)通过HPLC高效液相色谱法测量6天的样品中乳酸含量，测得空白组乳酸浓度最大值高于放电组乳酸浓度最大值。
实施例4
采用实施例1所述的利用低温等离子体促进有机废物厌氧发酵制备乳酸的装置制备乳酸，方法如下：
(1)取城市生活污水厂浓缩污泥，其VSS为9.68g/L，含水率为99.3％；取含碳水化合物的有机废物厨余垃圾，其VSS比例为0.539g/g。
在反应器中混合备制的厨余垃圾及污泥；配置餐厨垃圾与污泥挥发性干重比为6，配置为1L的VSS为40g/L发酵反应混合物。
上述混合物置于电发酵反应器中进行厌氧发酵，发酵温度为50℃，搅拌速度为120rpm。每隔6h调节pH值至7，发酵6d；每隔6h进行一次放电，放电的频率为30Hz；电压为20kV；针尖距液面高度为0.5cm；一次放电的时间为10min。
放电组设置两组平行实验，条件均相同。
配置相同的混合液置于细口瓶中，发酵温度，搅拌速度，调节pH间隔均相同，不进行放电操作，作为空白对照。
(2)采用离心的方法，每次取出25ml反应液，在8000r/min的参数下离心10min，取10ml的上清液保存。
(3)通过HPLC高效液相色谱法测量6天的样品中乳酸含量，测得放电一组乳酸浓度最大值为21.1694g/L，放电二组乳酸浓度最大值为24.4320g/L，空白组乳酸浓度最大值16.3539g/L。
实施例5
采用实施例1所述的利用低温等离子体促进有机废物厌氧发酵制备乳酸的装置制备乳酸，方法如下：
(1)取城市生活污水厂浓缩污泥，其VSS为9.19g/L，含水率为99.1％；取含碳水化合物的有机废物厨余垃圾，其VSS比例为0.38725g/g。
在反应器中混合备制的厨余垃圾及污泥；配置餐厨垃圾与污泥挥发性干重比为6，配置为1L的VSS为40g/L发酵反应混合物。
上述混合物置于电发酵反应器中进行厌氧发酵。发酵温度为室温，即11～25℃，不使用水热控温装置，搅拌速度为120rpm。发酵6d；每隔6h进行一次放电，放电的频率为30Hz；电压为20kV；针尖距液面高度为0.5cm；一次放电的时间为10min。
配置相同的混合液于相同的电发酵反应器中，发酵温度，搅拌速度均相同，不进行放电操作。
配置相同的混合液于细口瓶中，发酵温度，搅拌速度均相同，不进行放电操作，作为空白对照。
(2)采用离心的方法，每次取出25ml反应液，在8000r/min的参数下离心10min，取10ml的上清液保存。

Claims (4)

1.一种利用低温等离子体促进有机废物厌氧发酵制备乳酸的装置，其特征在于，包括反应器，地极不锈钢板(6)和放电极不锈钢板(2)相对设置于反应器内，放电极不锈钢板(2)上设有多个放电针(11)，地极不锈钢板(6)和放电极不锈钢板(2)连接等离子体电源；
所述的反应器的上方设有搅拌电机(1)，搅拌电机(1)的转轴穿过公制全牙螺管(8)并与搅拌头(10)连接；
所述的反应器的外侧设有恒温夹套(3)，恒温夹套(3)具有夹套进水口(5)和夹套出水口(12)，所述夹套进水口(5)和所述夹套出水口(12)与恒温设备连接；
所述的地极不锈钢板(6)设于反应器底部，地极不锈钢板(6)连接地极公制螺丝螺母(14)，放电极不锈钢板(2)设于地极不锈钢板(6)上方，放电极不锈钢板(2)连接公制全牙螺管(8)，公制全牙螺管(8)和地极公制螺丝螺母(14)分别经导线连接等离子体电源；
所述的反应器设有容器进气口(4)和容器出气口(13)，容器进气口(4)和容器出气口(13)与氮气瓶连接；
所述的反应器高度为200mm，且所述容器进气口(4)距离所述反应器顶部的距离为20mm，所述夹套进水口(5)距离反应器底部的距离为20mm；且所述容器进气口(4)与所述夹套进水口(5)均设置于所述反应器的同侧；
所述的反应器的顶部设有绝缘带孔盖(9)；所述的绝缘带孔盖(9)为带孔绝缘玻璃盖，公制全牙螺管(8)穿过带孔绝缘玻璃盖中心孔，地极公制螺丝螺母(14)穿过反应器底部。
2.如权利要求1所述的利用低温等离子体促进有机废物厌氧发酵制备乳酸的装置，其特征在于，所述的等离子体电源连接电源控制器。
3.如权利要求1所述的利用低温等离子体促进有机废物厌氧发酵制备乳酸的装置，其特征在于，所述的地极不锈钢板(6)和放电极不锈钢板(2)之间的距离可以上下移动调节，并通过配套螺母固定。
4.如权利要求1所述的利用低温等离子体促进有机废物厌氧发酵制备乳酸的装置，其特征在于，所述的放电针(11)在放电极不锈钢板(2)上均匀分布。
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