CN108786434B - 一种高效的生物工程尾气处理设备及其处理方法、发酵罐 - Google Patents

一种高效的生物工程尾气处理设备及其处理方法、发酵罐 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物工程技术尾气处理设备技术领域，公开了一种高效的生物工程尾气处理设备及其处理方法、发酵罐，设置有：进气管、反应室、导管、一级生物反应器、二级生物反应器、出气管、活性炭吸附块、三元催化剂、可替换卡槽、菌体过滤网、冷凝回流管、液面监视窗、气体过滤器、防倒吸孔。进气管插接于反应器。可替换卡槽和菌体过滤网卡接于出气管，冷凝回流管胶接于出气管，液面监视窗开于一级和二级生物反应器，气体过滤器嵌装于进气管口，防倒吸孔开于导管。本发明提供的一种高效的生物工程尾气处理设备及其处理方法，其能使尾气与微生物处理试剂接触时间更长，从而使处理更充分彻底，大大提高了对尾气的处理效率。

Description

一种高效的生物工程尾气处理设备及其处理方法、发酵罐
技术领域
本发明属于生物工程技术尾气处理设备技术领域，尤其涉及一种高效的生物工程尾气处理设备及其处理方法、发酵罐。
背景技术
目前，随着以基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程为代表的现代生物技术迅猛发展，生物发酵制品已成为21世纪投资最为活跃的产业之一。生物发酵生产过程中，生物菌在发酵罐内进行生产代谢时，会产生大量尾气，并伴有特殊难闻气体，同时尾气在排出过程中会带出活菌和水分，若直接排放至大气中会对环境造成严重的污染，因此必须对生物菌产生的尾气进行处理后排放。目前，对发酵尾气的处理方式一般是将发酵尾气直接通过喷淋吸收塔进行喷淋吸收处理后直接排入大气中，而采用这种处理方式十分粗放，尾气处理效果十分不理想，处理后的尾气仍有较大异味，且其中的有害成分未被完全杀灭，对环境造成较大的污染。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)处理后的尾气异味较大，会对环境造成较大污染，其次，尾气中的氧氮化合物处理不干净，容易造成光化学烟雾污染，无法满足消费者的需要。
(2)现有的尾气的气体过滤器的过滤误差较大，造成尾气处理效果较差。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高效的生物工程尾气处理设备及其处理方法、发酵罐。
本发明是这样实现的，一种高效的生物工程尾气处理方法，所述高效的生物工程尾气处理方法包括：
(1)尾气通过进气管中的气体过滤器初步过滤，气体过滤器通过数学模型计算压力损失；进入到一级生物反应器内，尾气与内部的硝化细菌微生物培养菌处理液充分混合反应，通过导管进入到二级生物反应器中再次进行反应，通过液面监视窗进行监视液面情况；
所述数学模型为：
Figure GDA0002859012150000021
式中，p为管道入口的总压力，Pa；A为管道内流体的流动面积，m2；ρ为管内流体密度，kg/m3；u为管道来流速度，m/s；dz为沿管道轴向方向上的微分；Cf为导致压力下降的管道内摩擦因数；D为管道直径，mm；Cp为由于管道锥度、弯曲度等几何原因所导致压降的几何系数；β为面体比的传热系数，m-1；
(2)经过硝化作用的尾气中的氮氧化物转化成硝酸盐溶解到培养菌处理液内，从二级生物反应器处理后的尾气通过出气管过程中经过菌体过滤网将其中的菌体过滤掉，冷凝回流管有效收集冷凝液体，收集到二级生物反应器中，通过生物降解动力学模型得到二级生物反应器的降解参数；
所述生物降解动力学模型基于Monod方程为代表的微生物X生长动力学方程，对应的底物S降解方程及产率系数Y，分别为：
Figure GDA0002859012150000022
Figure GDA0002859012150000023
Figure GDA0002859012150000024
其中μmax为微生物最大比生长速率；Ks为底物亲和系数；X0和S0分别为微生物和底物的初始值，求解微分方程得到：
Figure GDA0002859012150000031
Figure GDA0002859012150000032
(3)尾气经过可替换卡槽内的蜂窝状吸附物进行进一步吸附，经过活性炭吸附块以及三元催化剂进行吸附和进一步转化为无污染的气体。
进一步，所述三元催化剂使用PtRuCo/C催化剂，活性炭Vulcan XC-72在90℃5mol·L-1HNO3溶液中强力搅拌反应5h，冷却至室温，过滤，水洗，130℃真空干燥6h，活性炭研磨200目筛分，密封保存；
将处理后的活性炭Vulcan XC-72加入水溶液中，加热至50℃，搅拌0.5h形成碳浆，再加入H2PtCl6、RuCl3、CoCl2n(Pt)/n(Ru)/n(Co)＝6∶3∶1，金属的碳载量为20％(w)，搅拌1h后加入柠檬酸三钠，柠檬酸三钠和金属摩尔比为1∶1，在水浴中超声震荡0.5h，滴加0.1mol·L-1NaOH水溶液调节溶液的pH值，滴加10mL 0.1mol·L-1NaBH4的水溶液作为还原剂，反应3h，抽滤，水洗至滤液中无氯离子，80℃真空干燥12h。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述高效的生物工程尾气处理方法的高效的生物工程尾气处理设备，所述高效的生物工程尾气处理设备设置有：进气管、反应室、导管、一级生物反应器、二级生物反应器、出气管、活性炭吸附块、三元催化剂、可替换卡槽、菌体过滤网、冷凝回流管、液面监视窗、气体过滤器、防倒吸孔；
所述进气管插接于所述反应室，所述一级生物反应器通过螺丝固定于所述反应室，所述二级生物反应器通过螺丝固定于所述反应室，所述导管插接于所述一级生物反应器和二级生物反应器，所述出气管插接于所述反应室和二级生物反应器，所述活性炭吸附块卡接于所述出气管；
所述三元催化剂放置于所述出气管内壁，所述可替换卡槽和所述菌体过滤网卡接于所述出气管，冷凝回流管胶接于所述出气管，所述液面监视窗开于所述一级和二级生物反应器，所述气体过滤器嵌装于所述进气管口，所述防倒吸孔开于所述导管。
进一步，所述进气管管口插入到一级生物反应器内部液面以下。
进一步，所述导管连接于一级生物反应器和二级生物反应器，导管左边位于一级生物反应器液面以上。
进一步，所述三元催化剂放置于出气管内壁，并且通过网格包裹。
进一步，所述一级生物反应器和二级生物反应器内部盛放有硝化细菌微生物培养菌处理液。
进一步，所述可替换卡槽内置蜂窝状吸附物。
进一步，所述液面监视窗通过螺丝固定于所述一级和二级生物反应器，所用材料为钢化玻璃。
本发明的另一目的在于提供一种使用所述高效的生物工程尾气处理方法的发酵罐。
本发明提供的一种高效的生物工程尾气处理设备及其处理方法，其能使尾气与微生物处理试剂接触时间更长，从而使处理更充分彻底，大大提高了对尾气的处理效率。本发明通过试验对模型进行验证，最大误差在3％以内；模型模拟了微观、宏观结构参数及气体参数对干净过滤体压降的影响，得出了参数影响试验用过滤体压降的拐点：微孔径为15μm，孔隙率为50％，孔密度为1600cell/cm2，过滤体长度为200mm，其他参数的影响没有明显的拐点。本发明有效地估计较大范围变化的微生物降解动力学参数，估计了积分形式的Monod模型参数，结果表明估计精度较高。本发明用柠檬酸三钠作为稳定剂，浸渍还原法制备了PtRuCo/C三元合金催化剂，不同pH值下合成的催化剂的电化学活性；合成的催化剂具有均匀的颗粒分散性，很少出现团聚现象；XRD结果表明形成了三元合金；随着pH值的增加，催化剂的活性和稳定性逐渐增强，当pH值为8时，制备的催化剂具有最高的催化活性和最好的稳定性，同时具有很强的吸附能力。
附图说明
图1是本发明实施例提供的高效的生物工程尾气处理设备结构示意图；
图2是本发明实施例提供的高效的生物工程尾气处理设备出气管内部结构示意图；
图中：1、进气管；2、反应室；3、导管；4、一级生物反应器；5、二级生物反应器；6、出气管；13、活性炭吸附块；14、三元催化剂；7、可替换卡槽；8、菌体过滤网；8、冷凝回流管；10、液面监视窗；11、气体过滤器；12、防倒吸孔。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图1和图2所示，本发明实施例所述的高效的生物工程尾气处理设备包括：进气管1、反应室2、导管3、一级生物反应器4、二级生物反应器5、出气管6、活性炭吸附块13、三元催化剂14、可替换卡槽7、菌体过滤网8、冷凝回流管9、液面监视窗10、气体过滤器11、防倒吸孔12。
所述进气管1插接于所述反应室2，所述一级生物反应器4通过螺丝固定于所述反应室2，所述二级生物反应器5通过螺丝固定于所述反应室2，所述导管3插接于所述一级生物反应器4和二级生物反应器5。所述出气管6插接于所述反应室2和二级生物反应器5，所述活性炭吸附块13卡接于所述出气管6。
所述三元催化剂14放置于所述出气管6内壁。所述可替换卡槽7和所述菌体过滤网8卡接于所述出气管6，冷凝回流管9胶接于所述出气管6，所述液面监视窗10开于所述一级和二级生物反应器5，所述气体过滤器11嵌装于所述进气管6口，所述防倒吸孔12开于所述导管3。
进一步，所述进气管6管口插入到一级生物反应器4内部液面以下。
进一步，所述导管3连接于一级生物反应器4和二级生物反应器5，导管3左边位于一级生物反应器4液面以上。
进一步，所述三元催化剂14放置于出气管6内壁，并且通过网格包裹。
进一步，所述一级生物反应器4和二级生物反应器5内部盛放有硝化细菌等微生物培养菌处理液。
进一步，所述可替换卡槽7内置蜂窝状吸附剂。
进一步，所述液面监视窗10通过螺丝固定于所述一级和二级生物反应器5，所用材料为钢化玻璃。
本发明工作原理：提供的一种高效的生物工程尾气处理设备及其处理方法，尾气通过进气管1中的气体过滤器初步过滤，然后进入到一级生物反应器4内，尾气与内部的硝化细菌等微生物培养菌处理液充分混合反应，通过导管3进入到二级生物反应器5中再次进行反应，通过液面监视窗10进行监视液面情况，导管3中间设置有防倒吸孔12，能够有效防止倒吸，最后经过硝化作用的尾气中的氮氧化物转化成硝酸盐溶解到培养菌处理液内，尾气通过出气管6过程中经过菌体过滤网8将为其中的菌体过滤掉，防止堵塞，冷凝回流管9的设置能够有效收集冷凝液体，收集到二级生物反应器5中，尾气经过可替换卡槽内的蜂窝状吸附物进行进一步吸附，经过活性炭吸附块13以及三元催化剂14进行吸附和进一步转化为无污染的气体，其中一级和二级生物反应器5联动能使尾气与微生物处理试剂接触时间更长，从而使处理更充分彻底，大大提高了对尾气的处理效率。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
本发明实施例提供的高效的生物工程尾气处理方法包括：
(1)尾气通过进气管中的气体过滤器初步过滤，气体过滤器通过数学模型计算压力损失；进入到一级生物反应器内，尾气与内部的硝化细菌微生物培养菌处理液充分混合反应，通过导管进入到二级生物反应器中再次进行循环，通过液面监视窗进行监视液面情况；
所述数学模型为：
Figure GDA0002859012150000071
式中，p为管道入口的总压力，Pa；A为管道内流体的流动面积，m2；ρ为管内流体密度，kg/m3；u为管道来流速度，m/s；dz为沿管道轴向方向上的微分；Cf为导致压力下降的管道内摩擦因数；D为管道直径，mm；Cp为由于管道锥度、弯曲度等几何原因所导致压降的几何系数；β为面体比的传热系数，m-1；
(2)经过硝化作用的尾气中的氮氧化物转化成硝酸盐溶解到培养菌处理液内，尾气通过出气管过程中经过菌体过滤网将为其中的菌体过滤掉，冷凝回流管有效收集冷凝液体，收集到二级生物反应器中，通过生物降解动力学模型得到第二生物反应器的降解参数；
所述生物降解动力学模型基于Monod方程为代表的微生物X生长动力学方程，对应的底物S降解方程及产率系数Y，分别为：
Figure GDA0002859012150000072
Figure GDA0002859012150000073
Figure GDA0002859012150000074
其中μmax为微生物最大比生长速率；Ks为底物亲和系数；X0和S0分别为微生物和底物的初始值，求解微分方程得到：
Figure GDA0002859012150000075
Figure GDA0002859012150000081
(3)尾气经过可替换卡槽内的蜂窝状吸附物进行进一步吸附，经过活性炭吸附块以及三元催化剂进行吸附和进一步转化为无污染的气体。
进一步，所述三元催化剂使用PtRuCo/C催化剂，活性炭Vulcan XC-72在90℃5mol·L-1HNO3溶液中强力搅拌反应5h，冷却至室温，过滤，水洗，130℃真空干燥6h，活性炭研磨200目筛分，密封保存；
将处理后的活性炭Vulcan XC-72加入水溶液中，加热至50℃，搅拌0.5h形成碳浆，再加入H2PtCl6、RuCl3、CoCl2(n(Pt)/n(Ru)/n(Co)＝6∶3∶1，金属的碳载量为20％(w)，搅拌1h后加入柠檬酸三钠，柠檬酸三钠和金属摩尔比为1∶1，在水浴中超声震荡0.5h，滴加0.1mol·L-1NaOH水溶液调节溶液的pH值，滴加10mL 0.1mol·L-1NaBH4的水溶液作为还原剂，反应3h，抽滤，水洗至滤液中无氯离子，80℃真空干燥12h。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种高效的生物工程尾气处理方法，其特征在于，所述高效的生物工程尾气处理方法包括：
(1)尾气通过进气管中的气体过滤器初步过滤，气体过滤器通过数学模型计算压力损失；进入到一级生物反应器内，尾气与内部的硝化细菌微生物培养菌处理液充分混合反应，通过导管进入到二级生物反应器中再次进行反应，通过液面监视窗进行监视液面情况；
所述数学模型为：
Figure FDA0002859012140000011
式中，p为管道入口的总压力，Pa；A为管道内流体的流动面积，m2；ρ为管内流体密度，kg/m3；u为管道来流速度，m/s；dz为沿管道轴向方向上的微分；Cf为导致压力下降的管道内摩擦因数；D为管道直径，mm；Cp为由于管道锥度、弯曲度等几何原因所导致压降的几何系数；β为面体比的传热系数，m-1；
(2)经过硝化作用的尾气中的氮氧化物转化成硝酸盐溶解到培养菌处理液内，从二级生物反应器处理后的尾气通过出气管过程中经过菌体过滤网将其中的菌体过滤掉，冷凝回流管有效收集冷凝液体，收集到二级生物反应器中，通过生物降解动力学模型得到二级生物反应器的降解参数；
所述生物降解动力学模型基于Monod方程为代表的微生物X生长动力学方程，对应的底物S降解方程及产率系数Y，分别为：
Figure FDA0002859012140000012
Figure FDA0002859012140000013
Figure FDA0002859012140000014
其中μmax为微生物最大比生长速率；Ks为底物亲和系数；X0和S0分别为微生物和底物的初始值，求解微分方程得到：
Figure FDA0002859012140000021
Figure FDA0002859012140000022
(3)尾气经过可替换卡槽内的蜂窝状吸附物进行进一步吸附，经过活性炭吸附块以及三元催化剂进行吸附和进一步转化为无污染的气体。
2.如权利要求1所述的高效的生物工程尾气处理方法，其特征在于，所述三元催化剂使用PtRuCo/C催化剂，活性炭Vulcan XC-72在90℃5mol·L-1HNO3溶液中强力搅拌反应5h，冷却至室温，过滤，水洗，130℃真空干燥6h，活性炭研磨200目筛分，密封保存；
将处理后的活性炭Vulcan XC-72加入水溶液中，加热至50℃，搅拌0.5h形成碳浆，再加入H2PtCl6、RuCl3、CoCl2n(Pt)/n(Ru)/n(Co)＝6∶3∶1，金属的碳载量为20％(w)，搅拌1h后加入柠檬酸三钠，柠檬酸三钠和金属摩尔比为1∶1，在水浴中超声震荡0.5h，滴加0.1mol·L-1NaOH水溶液调节溶液的pH值，滴加10mL 0.1mol·L-1 NaBH4的水溶液作为还原剂，反应3h，抽滤，水洗至滤液中无氯离子，80℃真空干燥12h。
3.一种应用权利要求1所述高效的生物工程尾气处理方法的高效的生物工程尾气处理设备，其特征在于，所述高效的生物工程尾气处理设备设置有：进气管、反应室、导管、一级生物反应器、二级生物反应器、出气管、活性炭吸附块、三元催化剂、可替换卡槽、菌体过滤网、冷凝回流管、液面监视窗、气体过滤器、防倒吸孔；
所述进气管插接于所述反应室，所述一级生物反应器通过螺丝固定于所述反应室，所述二级生物反应器通过螺丝固定于所述反应室，所述导管插接于所述一级生物反应器和二级生物反应器，所述出气管插接于所述反应室和二级生物反应器，所述活性炭吸附块卡接于所述出气管；
所述三元催化剂放置于所述出气管内壁，所述可替换卡槽和所述菌体过滤网卡接于所述出气管，冷凝回流管胶接于所述出气管，所述液面监视窗开于所述一级和二级生物反应器，所述气体过滤器嵌装于所述进气管口，所述防倒吸孔开于所述导管。
4.如权利要求3所述的高效的生物工程尾气处理设备，其特征在于，所述进气管管口插入到一级生物反应器内部液面以下。
5.如权利要求3所述的高效的生物工程尾气处理设备，其特征在于，所述导管连接于一级生物反应器和二级生物反应器，导管左边位于一级生物反应器液面以上。
6.如权利要求3所述的高效的生物工程尾气处理设备，其特征在于，所述三元催化剂放置于出气管内壁，并且通过网格包裹。
7.如权利要求3所述的高效的生物工程尾气处理设备，其特征在于，所述一级生物反应器和二级生物反应器内部盛放有硝化细菌微生物培养菌处理液。
8.如权利要求3所述的高效的生物工程尾气处理设备，其特征在于，所述可替换卡槽内置蜂窝状吸附物。
9.如权利要求3所述的高效的生物工程尾气处理设备，其特征在于，所述液面监视窗通过螺丝固定于所述一级和二级生物反应器，所用材料为钢化玻璃。
10.一种使用权利要求1～2任意一项所述高效的生物工程尾气处理方法的发酵罐。
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