CN114032172A - 一种增强厌氧发酵电子传递的发酵装置 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种增强厌氧发酵电子传递的发酵装置，具体涉及厌氧发酵装置的技术领域。包括发酵罐，发酵罐的内壁上设有保温夹层，发酵罐的顶部中心设置有驱动电机，驱动电机上设有与发酵罐底部连接的转动轴，转动轴上沿长轴方向等距设有多块电搅拌组件，每块电搅拌组件均由不锈钢板和包覆在不锈钢板内的生物炭板组合而成，生物炭板表面均匀分布多个半球形凹腔，不锈钢板与电机共同连接有蓄电池组；发酵罐上顶部设置进料口，发酵罐的底部侧壁连通有出料口，进、出料口上均设有开关阀门。采用本发明技术方案可解决厌氧发酵过程中由于电子传递效率低而导致的物质转化效率差的问题，可用于农作物秸秆、畜禽粪污等农业废弃物的厌氧发酵工程上。

Description

一种增强厌氧发酵电子传递的发酵装置

技术领域

本发明涉及厌氧发酵装置的技术领域，特别涉及一种增强厌氧发酵电子传递的发酵装置。

背景技术

我国每年都有大量的农业废弃物产生，如农作物秸秆、畜禽粪污等。由于其得不到及时的、合理有效的回收利用，往往被抛弃在田间地头或直接点火焚烧，存在利用率低、转化率低、经济效益低、环境污染严重这“三低一重”的问题，同时也造成了严重的环境污染与巨大的资源浪费。而只有将农业废弃物高效综合利用才能有效解决上述问题，对现代农业的可持续发展起重要的作用。其中厌氧发酵技术作为能源化技术之一可以有效地处理大量的农作物秸秆、畜禽粪污的废弃问题同时又可以产生生物能源——沼气。且近年来，在中国农业农村绿色发展的推动下，秸秆利用、畜禽养殖场提升改造成效显著，规模化畜禽养殖的发展也使沼气原料更加集中、充足，保证了沼气工程能够稳定持续运行，产气质量不断提升。尽管如此，厌氧发酵仍然存在产气率低、易发生酸氨抑制等问题，因此对厌氧发酵进行强化研究意义重大。

生物炭是在缺氧或绝氧（N₂或惰性气体保护）的环境下将生物质（如农作物秸秆、畜禽粪便、污泥等）在高温（300-800℃）持续加热后得到的固态产物，具有来源广泛、一定的导电性、生物相容性高、比表面积大、孔隙度丰富、表面官能团丰富的特点。生物炭孔隙结构中包含丰富的微孔、介孔和大孔，其中大孔的占比较高有利于电子的传递，可用于电极材料的制备。有研究表明生物炭对厌氧发酵中的物质转化、微生物生长有一定的促进作用，近年来受到广大科研工作者的研究。

本发明主要构建了一种生物炭材料增强厌氧发酵电子传递的发酵装置，耦合生物化学、电化学的多重作用促进厌氧发酵过程物质转化、电子传递以及微生物转化过程的进行，以实现维持厌氧发酵系统稳定运行、最终提高产沼气效率的目的。

发明内容

本发明旨在提供一种增强厌氧发酵电子传递的发酵装置，解决厌氧发酵过程中电子传递缓慢、物质转化效率低的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种增强厌氧发酵电子传递的发酵装置，包括发酵罐，所述发酵罐的内壁上设有保温夹层，所述发酵罐的顶部中心设置有驱动电机，所述驱动电机上设有与发酵罐底部连接的转动轴，所述转动轴上沿长轴方向等距设有多块电搅拌组件，每块所述电搅拌组件均由不锈钢板和包覆在不锈钢板内的生物炭板组合而成，所述生物炭板表面均匀分布多个半球形凹腔，所述不锈钢板与电机共同连接有蓄电池组；所述发酵罐上顶部设置进料口，所述发酵罐的底部侧壁连通有出料口，所述进料口和出料口上均设有开关阀门。

进一步的，所述发酵罐外铺设有太阳能电池板，所述太阳能电池板与蓄电池组连接。

通过上述设置，借助太阳能电池板可减少装置使用过程中对传统能源的消耗，同时可实现清洁能源的利用。

进一步的，所述发酵装置的发酵方法包括如下步骤：将底物和接种物一同加入到发酵装置后，开启驱动电机利用电搅拌组件的不锈钢板对发酵装置内部的物料进行搅拌；在发酵过程中，通过电搅拌组件对厌氧发酵系统施加微弱电流并维持发酵温度在37℃；发酵完成后，加大电搅拌组件上通过的电流，直至装置内发酵液温度上升并保持在70-80℃，维持2-3小时。

与现有技术相比，本方案的有益效果：

1．本方案提供了一种生物炭的利用方式，结合生物炭自身的材料特性与不锈钢板结合构建了电搅拌组件，实现了微生物富集，设计了生物化学与电化学多重强化厌氧发酵电子传递的发酵装置。

2．本方案通过电搅拌组件内电流大小实现发酵罐内温度的调控，一方面保证厌氧发酵过程温度的恒定，另一方面实现发酵结束后对沼液中有害微生物的消杀，有利于后续沼液的达标排放。

3．本方案将厌氧发酵与太阳能光伏系统配套使用，实现了农业废弃物的清洁转化与高值利用，也为农业废弃物的高效综合利用提供了一条节能、绿色、环保的途径。

附图说明

图1是本发明一种增强厌氧发酵电子传递的发酵装置的结构示意图；

图2是本实施例中生物炭板结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：发酵罐1、进料口2、保温夹层3、驱动电机4、转动轴5、不锈钢板6、生物炭板7、凹腔8、出料口9。

实施例

如附图1和附图2所示，一种增强厌氧发酵电子传递的发酵装置，包括发酵罐1，发酵罐1的内壁上设有保温夹层3。发酵罐1的顶部中心螺栓连接有驱动电机4，驱动电机4的输出轴上同轴连接有与发酵罐1底部连接的转动轴5。转动轴5沿长轴方向由上至下等间隔分布有多块电搅拌组件，本实施例中采用三块电搅拌组件，每块电搅拌组件均由不锈钢板6和包覆在不锈钢板6内的生物炭板7组合而成，不锈钢板6的一侧开有凹槽，生物炭板7嵌设在生物炭板7的凹槽中，导电胶将不锈钢板6与生物炭板7胶结连接，电搅拌组件沿转动轴5长轴方向等距设置。其中生物炭板7是在真空下烧结成型，每块生物炭板7的一侧均匀开设有多个半球形凹腔8，厌氧发酵过程中生物炭丰富的孔隙结构可对发酵微生物进行富集，电搅拌组件与电机共同连接蓄电池组。发酵罐1的外铺设有太阳能电池板，太阳能电池板与蓄电池组连接。另外，发酵罐1的侧壁连通有出料口9，进料口2和出料口9上均安装有开关阀门。

厌氧发酵的发酵方法包括如下步骤：将底物和接种物一同加入到发酵装置后，开启驱动电机4利用电搅拌组件不锈钢板6对发酵系统内部物料进行搅拌；利用搅拌加强了物料的均匀性和传质传热性，同时不锈钢板6的包覆减小了搅拌时发酵液对生物炭板7的侵蚀。在发酵过程中，通过电搅拌组件可对厌氧发酵系统施加微弱电流，实现对微生物的电化学催化，促进发酵系统中微生物间的种间电子传递，从而提高产沼气率。同时，生物炭板7表面丰富的孔隙结构有利于沼液中微生物的富集，缩短厌氧发酵的启动时间。利用对电搅拌组件施加的电流产生的热量实现升温，维持37℃中温发酵；发酵完成后，加大电搅拌组件上通过的电流，将沼液温度控制在70-80℃，维持2-3小时，可对沼液中有害微生物进行完全消杀，有利于后续沼液的达标排放。

上述电搅拌组件的制备方法包括如下步骤：

1、将玉米秸秆粉碎至粒径1mm以下，置于烘箱中温度控制在105℃，恒温干燥24h后备用。

2、将上述玉米秸秆粉末置于管式炉中，在N₂等惰性气体的氛围下进行热解炭化。初始时，以30℃/h速率进行升温至100℃，将物料在100℃保留1h，确保玉米秸秆粉末受热均匀后再以30℃/h速率继续升温至800℃，最终在该温度下恒温炭化2h，从而获得玉米秸秆生物炭粉末。

4、对获得的生物炭粉末进行改性处理，将其浸泡在浓度为1～2 mol/L的HCl溶液中，充分搅拌12h后用超纯水边洗涤边过滤，直至洗涤液呈中性，最后将生物炭粉末干燥备用。

5、采用真空烧结法将改性后的生物炭粉末烧制为一面平坦且另一面均匀分布多个半球形凹腔8的生物炭板7，通过导电性胶体将该生物炭板7与不锈钢板6连接。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (3)

1.一种增强厌氧发酵电子传递的发酵装置，其特征在于：包括发酵罐，所述发酵罐的内壁上设有保温夹层，所述发酵罐的顶部中心设置有驱动电机，所述驱动电机上设有与发酵罐底部连接的转动轴，所述转动轴上沿长轴方向等距设有多块电搅拌组件，每块所述电搅拌组件均由不锈钢板和包覆在不锈钢板内的生物炭板组合而成，所述生物炭板表面均匀分布多个半球形凹腔，所述不锈钢板与电机共同连接有蓄电池组；所述发酵罐上顶部设置进料口，所述发酵罐的底部侧壁连通有出料口，所述进料口和出料口上均设有开关阀门。

2.根据权利要求1所述的一种增强厌氧发酵电子传递的发酵装置，其特征在于：所述发酵罐外铺设有太阳能电池板，所述太阳能电池板与蓄电池组连接。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的一种增强厌氧发酵电子传递的发酵装置，其特征在于：所述发酵装置的发酵方法包括如下步骤：将底物和接种物一同加入到发酵装置后，开启驱动电机利用电搅拌组件的不锈钢板对发酵装置内部的物料进行搅拌；在发酵过程中，通过电搅拌组件对厌氧发酵系统施加微弱电流并维持发酵温度在37℃；发酵完成后，加大电搅拌组件上通过的电流，直至装置内发酵液温度上升并保持在70-80℃，维持2-3小时。

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