CN112111393A - 一种仿生肠道流自蠕动反应器系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿生肠道自蠕动反应器系统及方法，一种仿生肠道流自蠕动反应器系统，包括蠕动驱动装置、仿生肠道流自蠕动反应器、调压装置、进出料装置、控制系统和循环管路；其特征在于：所述仿生肠道流自蠕动反应器包括若干蠕动段；所有蠕动段串联连接形成仿生肠道；所述仿生肠道的前端连接蠕动驱动装置，仿生肠道内流体的脉动流动特性由蠕动驱动装置提供，蠕动驱动装置为管内流体提供脉动压力，以实现流体的周期性脉动流动；仿生肠道的尾端通过调压装置与进出料装置连接；进出料装置通过循环管路连接蠕动驱动装置；所述蠕动驱动装置由控制系统控制；本发明可广泛应用于传热、化工和食品等领域。

Description

一种仿生肠道流自蠕动反应器系统及方法
技术领域
本发明涉及反应器技术领域，特别涉及一种仿生肠道自蠕动反应器系统及方法。
背景技术
木质纤维素类生物质能作为一种高效无污染的可再生能源，具有显著的节能减排效益，有望成为未来化石燃料的重要替代途径。我国作为一个幅员辽阔的农业大国，农业废弃物、林业废弃物等木质纤维生物质资源种类众多，储量巨大，合理开发及利用这些资源已成为我国经济可持续发展的重要战略选择。
木质纤维素生物质的转化利用主要包括五个步骤：木质纤维素生物质的选取、预处理、酶解糖化、发酵、后期产物分离及提纯等。其中，预处理和酶解糖化是两个关键步骤。在这两个过程中，木质纤维素生物质主要是以浆液的形式存在的，为使后期发酵制生物燃气经济可行，通常需要固相负载量在20％以上，而含固率超过15％即认为是高含固率生物质浆液。高含固率生物质浆液具有高粘性的特点，其流动特性与传统的牛顿流体具有很大的区别。科研人员研究发现高固体含量生物质浆液是一种高粘度的非牛顿流体，在酶解反应过程中浆液的不溶固体会减少，料液性质从非牛顿流体逐渐向牛顿流体过渡。对高浓度(5％以上)微藻浆液流动性能的研究也得到相似结论。此外，由于生物质浆液中含有大量固态生物质，因此其也是一种复杂的固液两相流体，在反应器内呈现不同的对流传质特性。
高含固率生物质浆液因粘度高，在生物反应器中存在着传质受限、微生物和酶的活性过低、产物积累抑制催化反应等一些缺点，而现有的机械搅拌方式不仅对高粘度的木质纤维素浆液搅拌效果差，还会由于剪切作用造成酶失活等。因此，亟需构建一种新的生化反应器来强化传质，增加反应器内生物催化反应过程中的料液传质效果。
大自然一直是技术思想、工程哲学及重大发明的源头，模仿自然界的生物系统构建新的生化反应器已成为人们研究的热点。近年来，科研人员曾根据反刍动物瘤胃设计了一种蠕动发酵罐，由柔性内囊产生蠕动混合物料。根据人体肠道分节推进功能仿生设计的柔性反应器可以在低能耗条件下实现高粘度非牛顿流体的高效混合传质，其中变截面柔性肠道的蠕动行为对高效传质具有重要的影响。
仿生学为解决实际工程应用中的难题提供了丰富的解决方法，被认为是生物、化学工程领域的重要分支。自然界中哺乳动物肠道的蠕动可分为混合型蠕动及推进型蠕动，混合型蠕动是通过肌肉的间隔环形收缩舒张实现不同食节之间的有效混合，推进型蠕动则是通过肌肉的依次收缩舒张实现食物向后输运。哺乳动物的消化道，包括十二指肠、小肠和大肠等可以被看作是一系列特殊的混合反应器。与传统的刚式反应器相比，它们内部没有额外的混合装置，可以看作是一种柔性反应器，通过柔性壁面的运动实现食团的有效混合和运输。
分析总结现有生化反应器存在的问题,本发明专利从仿生的角度,将生物科学与工程技术科学融合起来,设计一种新型处理仿生酶解木质纤维素原料的反应器系统,强化高固浆液的有效混合，进而提高酶解后产糖浓度,有望在纤维素高固浆液酶解过程中形成新的突破，为后期发酵工业提供高浓度糖平台。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种仿生肠道流自蠕动反应器系统及方法，以克服针对纤维素高固浆液酶解过程中采用传统刚式反应器存在传质受限、能耗高等问题或者采用传统搅拌方式造成剪切力使酶失活等问题。
本发明的技术方案是：一种仿生肠道流自蠕动反应器系统，包括蠕动驱动装置、仿生肠道流自蠕动反应器、调压装置、进出料装置、控制系统和循环管路；其特征在于：所述仿生肠道流自蠕动反应器包括若干蠕动段；所有蠕动段串联连接形成仿生肠道；所述仿生肠道的前端连接蠕动驱动装置，仿生肠道内流体的脉动流动特性由蠕动驱动装置提供，以实现流体的周期性脉动流动；仿生肠道的尾端通过调压装置与进出料装置连接；进出料装置通过循环管路连接蠕动驱动装置；所述蠕动驱动装置由控制系统控制；
每一段蠕动段均由具有一定拉伸比的弹性软管制成，该弹性软管内流体的脉动流动特性使弹性软管的柔弹性管壁产生周期性蠕动；每一段弹性软管外表面套设硬质套管，所述硬质套管用于限制弹性软管的最大蠕动幅度；各段蠕动段之间通过刚性连接部件刚性连接；刚性连接部件与蠕动段之间通过卡箍固接；通过调节硬质套管管径及调压装置来调节蠕动幅度；通过控制系统调节蠕动驱动装置的脉动频率来调节蠕动周期；所述硬质套管及刚性连接部件分别由第一固定装置和第二固定装置固定。
本发明利用仿生原理，利用仿生肠道自蠕动反应器来强化高粘液体混合特性及高粘生化反应传质特性，通过管内流体的脉动流动特性使弹性软管管壁产生周期性蠕动，实现对高粘液体的径向混合，强化传质效果，消除混合死区及底物沉积等问题。并通过调压装置调节脉动压力峰值的大小，结合硬质外套管不同管径实现对蠕动幅度的调节。
根据本发明所述的一种仿生肠道流自蠕动反应器系统的优选方案，在蠕动驱动装置与仿生肠道流自蠕动反应器之间设置有测量系统，该测量系统用于测量流体的脉动压力。
根据本发明所述的一种仿生肠道流自蠕动反应器系统的优选方案，所述仿生肠道流自蠕动反应器还通过安全阀与进出料装置连接，当流体的脉动压力大于安全阀开启压力时，安全阀开启，仿生肠道流自蠕动反应器内的流体还通过安全阀流入进出料装置。
根据本发明所述的一种仿生肠道流自蠕动反应器系统的优选方案，所述第一固定装置和第二固定装置的底部均设置有凹槽，滑轨嵌入固定装置底部的凹槽内，调节固定装置在滑轨上的位置用以调节不同的蠕动段长度。
根据本发明所述的一种仿生肠道流自蠕动反应器系统的优选方案，所述第一固定装置和第二固定装置均由水平杆、垂直杆和滑块组成；水平杆一端与需要固定的硬质套管或刚性连接部件固定连接，水平杆另一端与垂直杆连接，垂直杆底部固定在滑块上，滑块的底部设置有凹槽，滑轨嵌入滑块底部的凹槽内。
根据本发明所述的一种仿生肠道流自蠕动反应器系统的优选方案，所述蠕动驱动装置为柱塞泵或隔膜泵，蠕动驱动装置由泵基座固定。
本发明的第二个技术方案是，利用仿生肠道流自蠕动反应器系统进行浆液酶解的方法，包括如下步骤：
步骤一、将高固木质纤维素浆液及酶液加入进出料装置；
步骤二、启动控制系统，开启蠕动驱动装置，将进出料装置中的浆液泵入仿生肠道流自蠕动反应器，该仿生肠道流自蠕动反应器内流体的脉动流动特性使弹性软管的柔弹性管壁产生周期性蠕动，以实现浆液与酶液的混合并发生酶解反应，流体再从仿生肠道流自蠕动反应器流进进出料装置；并根据浆液浓度调节蠕动驱动装置的脉动频率至合适范围；
步骤三、调节调压装置，使仿生肠道内流体的蠕动幅度达到合适膨胀程度；
步骤四、系统运行一定时间到酶解反应结束后，关闭蠕动驱动装置，将酶解产物从进出料装置取出，即完成整个循环蠕动酶解过程。
本发明所述的一种仿生肠道自蠕动反应器的有益效果是:本发明利用仿生原理来强化高粘液体混合特性及高粘生化反应传质特性，通过管内流体的脉动流动特性使弹性软管的管壁产生周期性蠕动，实现对高粘液体的径向混合，强化传质效果，消除混合死区及剪切力使酶失活等等问题；柔弹性管壁蠕动还可以消除管壁沉积等问题；实现了高固木质纤维素浆液的连续酶解，消除底物抑制等影响；无需外加复杂机械装置，维修方便，操作简单，能耗低，便于工业放大，可广泛应用在传热、化工和食品等领域。
附图说明
图1是一种仿生肠道自蠕动反应器系统的结构示意图。
图2是仿生肠道流自蠕动反应器3蠕动段连接示意图。
图3是固定装置与刚性连接部件34的连接示意图。
图4是固定装置与硬质套管32的连接示意图。
具体实施方法
参见图1至图4，一种仿生肠道流自蠕动反应器系统，包括蠕动驱动装置1、仿生肠道流自蠕动反应器3、调压装置4、进出料装置5、控制系统6和循环管路8；所述仿生肠道流自蠕动反应器3包括若干蠕动段31；所有蠕动段串联连接形成仿生肠道；所述仿生肠道的前端连接蠕动驱动装置1，仿生肠道内流体的脉动流动特性由蠕动驱动装置1提供，蠕动驱动装置1为管内流体提供脉动压力，以实现流体的周期性脉动流动；仿生肠道的尾端通过调压装置4与进出料装置5连接；进出料装置5通过循环管路8连接蠕动驱动装置1；所述蠕动驱动装置1由控制系统6控制。
每一段蠕动段均由具有一定拉伸比的弹性软管制成，该弹性软管内流体的脉动流动特性使弹性软管的柔弹性管壁产生周期性蠕动；每一段弹性软管外表面套设硬质套管32，所述硬质套管用于限制弹性软管的最大蠕动幅度；各段蠕动段之间通过刚性连接部件34刚性连接；刚性连接部件34与蠕动段之间通过卡箍33固接；通过调节硬质套管32管径及调压装置4开度来调节蠕动幅度；通过控制系统6调节蠕动驱动装置1的脉动频率来调节蠕动周期；所述硬质套管及刚性连接部件分别由第一固定装置35和第二固定装置36固定。
在具体实施例中，在蠕动驱动装置1与仿生肠道流自蠕动反应器3之间设置有测量系统2，该测量系统设置有测压仪表21和测温仪表22，用于测量流体的脉动压力和温度。测量系统2与计算机相连，将测量数据输出到计算机7。
所述仿生肠道流自蠕动反应器3还通过安全阀9与进出料装置5连接，当流体的脉动压力大于安全阀9开启压力时，安全阀9开启，仿生肠道流自蠕动反应器3内的流体还通过安全阀9流入进出料装置5。
在具体实施例中，所述第一固定装置35和第二固定装置36的底部均设置有凹槽，滑轨7嵌入固定装置底部的凹槽内，调节固定装置在滑轨上的位置用以调节不同的蠕动段长度。具体每段蠕动段长度可根据液体粘度及实际需求进行调节，以达到最适混合效果。
所述第一固定装置35和第二固定装置36均由水平杆11、垂直杆12和滑块13组成；水平杆11一端与需要固定的硬质套管32或刚性连接部件34固定连接，水平杆11另一端与垂直杆12连接，垂直杆12底部固定在滑块13上，滑块13的底部设置有凹槽，滑轨7嵌入滑块底部的凹槽内。
所述蠕动驱动装置1为柱塞泵或隔膜泵，蠕动驱动装置1由泵基座固定。
利用一种仿生肠道流自蠕动反应器系统进行浆液酶解的方法，包括如下步骤：
步骤一、将高固木质纤维素浆液及酶液加入进出料装置5；高含固率生物质浆液的固相负载里在40％以内，按照固液比w/v，g/ml1:5～15加入稀释酶液。
步骤二、启动控制系统6，开启蠕动驱动装置1，将进出料装置5中的浆液泵入仿生肠道流自蠕动反应器3，该仿生肠道流自蠕动反应器3内流体的脉动流动特性使弹性软管的柔弹性管壁产生周期性蠕动，以实现浆液与酶液的混合并发生酶解反应；混合后的流体再从仿生肠道流自蠕动反应器3流进进出料装置5；并根据浆液浓度调节蠕动驱动装置1的脉动频率至合适范围1～50Hz。
步骤三、调节调压装置的阀门开度，使仿生肠道内流体的蠕动幅度达到合适膨胀程度。
步骤四、系统运行一定时间酶解反应结束后，关闭蠕动驱动装置1，将酶解产物从进出料装置取出，即完成整个循环蠕动酶解过程。
在具体实施例中，硬质套管32为硬质聚氯乙烯管或金属管，蠕动段采用精密定制乳胶管，最大膨胀可达到1:7；每段蠕动段长5cm；弹性软管的管径与硬质套管管径之比可在1：2～1:6之间。调压装置采用针形阀。
本发明利用弹性软管具有良好的韧性和弹性，通过将高粘物料泵入蠕动段内，随着蠕动段管壁蠕动即可实现高粘物料的有效混合。本发明通过蠕动驱动装置1提供的压力驱动实现推进型蠕动，并推动物料向后运输。通过弹性软管的柔性管壁的脉动膨胀及收缩来实现混合型蠕动，以强化径向混合。
本发明可处理粘度在0～5000mPa·s之间的液相流体以及固体负载量在40％以内的液固两相流体。通过与传统刚式反应器的流场分析对比，混合死区完全消除，混合强度提升明显。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种仿生肠道流自蠕动反应器系统，包括蠕动驱动装置(1)、仿生肠道流自蠕动反应器(3)、调压装置(4)、进出料装置(5)、控制系统(6)和循环管路(8)；其特征在于：所述仿生肠道流自蠕动反应器(3)包括若干蠕动段(31)；所有蠕动段串联连接形成仿生肠道；所述仿生肠道的前端连接蠕动驱动装置(1)，仿生肠道内流体的脉动流动特性由蠕动驱动装置(1)提供，以实现流体的周期性脉动流动；仿生肠道的尾端通过调压装置(4)与进出料装置(5)连接；进出料装置(5)通过循环管路(8)连接蠕动驱动装置(1)；所述蠕动驱动装置(1)由控制系统(6)控制；
每一段蠕动段均由具有一定拉伸比的弹性软管制成，该弹性软管内流体的脉动流动特性使弹性软管的柔弹性管壁产生周期性蠕动；每一段弹性软管外表面套设硬质套管(32)，所述硬质套管用于限制弹性软管的最大蠕动幅度；各段蠕动段之间通过刚性连接部件(34)刚性连接；刚性连接部件(34)与蠕动段之间通过卡箍(33)固接；通过调节硬质套管(32)管径及调压装置(4)开度来调节蠕动幅度；通过控制系统(6)调节蠕动驱动装置(1)的脉动频率来调节蠕动周期；所述硬质套管及刚性连接部件分别由第一固定装置(35)和第二固定装置(36)固定。
2.根据权利要求1所述的一种仿生肠道流自蠕动反应器系统，其特征在于：在蠕动驱动装置(1)与仿生肠道流自蠕动反应器(3)之间设置有测量系统，该测量系统用于测量流体的脉动压力。
3.根据权利要求1所述的一种仿生肠道流自蠕动反应器系统，其特征在于：所述仿生肠道流自蠕动反应器(3)还通过安全阀(9)与进出料装置(5)连接，当流体的脉动压力大于安全阀(9)开启压力时，安全阀(9)开启，仿生肠道流自蠕动反应器(3)内的流体还通过安全阀(9)流入进出料装置(5)。
4.根据权利要求1或2所述的一种仿生肠道流自蠕动反应器系统，其特征在于：所述第一固定装置(35)和第二固定装置(36)的底部均设置有凹槽，滑轨(7)嵌入固定装置底部的凹槽内，调节固定装置在滑轨上的位置用以调节不同的蠕动段长度。
5.根据权利要求3所述的一种仿生肠道流自蠕动反应器系统，其特征在于：所述第一固定装置(35)和第二固定装置(36)均由水平杆(11)、垂直杆(12)和滑块(13)组成；水平杆(11)一端与需要固定的硬质套管(32)或刚性连接部件(34)固定连接，水平杆(11)另一端与垂直杆(12)连接，垂直杆(12)底部固定在滑块(13)上，滑块(13)的底部设置有凹槽，滑轨(7)嵌入滑块底部的凹槽内。
6.根据权利要求1或2所述的一种仿生肠道流自蠕动反应器系统，其特征在于：所述蠕动驱动装置(1)为柱塞泵或隔膜泵，蠕动驱动装置(1)由泵基座固定。
7.利用权利要求1至6中任一种仿生肠道流自蠕动反应器系统进行浆液酶解的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将高固木质纤维素浆液及酶液加入进出料装置(5)；
步骤二、启动控制系统(6)，开启蠕动驱动装置(1)，将进出料装置(5)中的浆液泵入仿生肠道流自蠕动反应器(3)，该仿生肠道流自蠕动反应器(3)内流体的脉动流动特性使弹性软管的柔弹性管壁产生周期性蠕动，流体再从仿生肠道流自蠕动反应器(3)流进进出料装置(5)；并根据浆液浓度调节蠕动驱动装置(1)的脉动频率至合适范围；
步骤三、调节调压装置的阀门开度，使仿生肠道内流体的蠕动幅度达到合适膨胀程度；
步骤四、系统运行一定时间酶解反应结束后，关闭蠕动驱动装置(1)，将酶解产物从进出料装置取出，即完成整个循环蠕动酶解过程。
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