CN118853368A - 一种球形分段进料肠道仿生反应器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的属于生物反应器技术领域，一种球形分段进料肠道仿生反应器及其控制方法，所述仿生反应器包括罐体、仿生肠道装置、球形物料容器、进料装置、出料装置和搅拌装置；所述进料装置设置在罐体上端，出料装置设置在罐体下端，仿生肠道装置核搅拌装置设置在罐体内部，所述仿生肠道装置一端连接进料装置，另一端连接出料装置；本发明设计肠道与反应器具体连接与执行方式，使得定量投加物料成为可能，排出来的物料能够方便收集和检测，并且能够减少纤维素物料浮渣问题；肠道结构与球形物料容器相配合，能够满足物料精准的水力停留时间，优化生化反应效率。

Description

一种球形分段进料肠道仿生反应器及其控制方法

技术领域

本发明属于生物反应器技术领域，尤其涉及一种球形分段进料肠道仿生反应器及其控制方法。

背景技术

随着全球对碳排放、碳减排的日益重视，发展生物质能源将其回收利用已成为一项重要任务。农业废弃物因其富含氮、磷、钾等有机质，被认为是优质的可再生生物资源。利用微生物对其进行厌氧发酵产甲烷、产氢，将发酵剩余物用于有机肥、大棚种植等，是一种助力农业绿色低碳高质量发展的处理方式。

目前，使用农业废弃物作为原料进行厌氧发酵时，固液混合在罐内共同发酵。由于微生物发酵产生的气体导致纤维素类物料上浮结壳，使得新加入的物料和罐内原始物料无法充分接触微生物进行反应，导致发酵不充分、产气效率低下。此外，随着物料逐渐堆积，排料口也可能被堵塞，进而影响反应正常进行。

因此亟需针对上述物料发酵积累堵塞、固液未分离、进出料不对应导致的数据代表性较差等问题，设计一种高效可靠的生物反应器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的生物反应器存在沉淀物积累、混合不均、无法筛选固定物料等缺陷，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种球形分段进料肠道仿生反应器及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种球形分段进料肠道仿生反应器，所述仿生反应器包括罐体、仿生肠道装置、进料装置、出料装置和搅拌装置；所述进料装置设置在罐体上端，出料装置设置在罐体下端，仿生肠道装置和搅拌装置设置在罐体内部，所述仿生肠道装置一端连接进料装置，另一端连接出料装置；

所述仿生肠道装置包括一条或多条仿生肠道，所述仿生肠道呈镂空管筒结构，在罐体内部螺旋环绕搅拌装置设置；

所述球形物料容器呈镂空球体结构，其直径小于仿生肠道装置的内径尺寸，且无法从镂空管筒结构的镂空处脱出；物料放置在球形物料容器内部，通过球形物料容器沿进料装置投入仿生反应器内。

本申请设计一种球形分段进料肠道仿生反应器，物料投入进料口后，在仿生肠道内下落的同时，与反应器中的微生物进行反应，反应过程中物料稳定在球形物料容器内，不容易分散，且能够避免与反应器内壁或搅拌器接触积累沉淀，保证良好的固相分离效果；物料通过肠道结构螺旋式下落，配合搅拌装置进行搅拌，有利于提升物料与接种泥中微生物的反应时间以及接触面积，提升反应速率，产生的沼气通过仿生肠道的外壁后进入罐内，并通过浮力溢出，再实现气相分离，极大地提升了反应速率和连续反应效率。

进一步的，本申请设计与仿生肠道相匹配的球形物料容器，该装置具备以下几个优势：

（1）承载物料，使其顺利在仿生肠道中下落，并且能够实现分段投加物料的功效；

传统反应器使用时，会存在前一天反应的物料和第二天反应的物料混淆堆积，并且发酵能力由于物料与发酵液不均而下降等问题，影响实验结果精确性等问题；本申请采用球形物料容器投加物料，不同时间段投加的物料被固定在球形装置内部，不会在反应过程中混淆，能够良好地控制反应进程，保证在物料收集阶段能够精确地对应物料反应时间；

通过将秸秆或能源作物等纤维素原料，装入球形物料容器并放入仿生肠道装置内，实现固、液、气三相分离；物料经过球形物料容器以及仿生肠道结构与接种泥中微生物进行反应，所产生气体从镂空位置逸出，能够避免物料在反应过程中团聚或者上浮在仿生肠道某段的问题；（3）仿生肠道结构与球形物料容器的设计相配合，仿生肠道结构固定球形物料容器的运行路径，能够延长球形物料容器在装置中的滑落时间，避免反应不完全的问题。

优选的，所述罐体包括反应器罐体，所述反应器罐体中储存接种泥。

在机械搅拌的作用下，罐体内的接种泥进行流动，不会在反应过程中因接种泥过粘稠而导致搅拌不动或堵塞仿生肠道装置现象，有利于将接种泥中积累的VFA、游离氨氮搅散，提高微生物活性、降解效率；这些优点共同作用，能够有效保证仿生肠道反应器的发酵过程稳定；另一方面，搅拌能够加速产生的生物气体逸出，实现气体和固液混合区域的分离。

优选地，所述仿生肠道呈螺旋状，该形状包括起始段、螺旋段和出口段；

所述起始段与进料装置相连接，与水平面的夹角的角度为40-90°；

所述螺旋段沿罐体内壁设置，螺旋段下落方向任意处与水平面的夹角为30-60°；

所述出口段与出料装置相连接，与水平面的夹角的角度为40-90°。

螺旋段靠近罐体内壁布置，可以盘绕一节、一圈或多圈，根据不同生物反应器的高径比和停留时间的需求，满足不同物料降解所需的反应时间。

球形物料容器沿起始段进入螺旋段，由于螺旋段的设计，能确保球形物料容器以一定速度下落，避免发生堵塞和卡顿；也能够缓慢下落，控制反应时间，更有利于物料充分反应。再配合搅拌装置，进一步改善了肠道内物料与罐内液体的混合程度，改善了传质与搅拌效果，增加了产气，同时因为仿生肠道的镂空结构，使得产生的气体从镂空位置排出，避免将物料上推现象发生。

优选的，所述仿生肠道的材料采用金属或塑料中的至少一种，仿生肠道的内径尺寸为仿生反应器内径的1/10-1/4。

更优选的，仿生肠道整体采用镂空设计，能够提高微生物泥与物料的混合表面积。采用金属或塑料镂空材料时，其孔隙率在50%到95%之间。

优选的，所述球形物料容器包括半球体外壳、紧固旋钮、卡扣，两个半球体外壳通过紧固旋钮连接，再通过卡扣开关。

更优选的，所述螺旋段垂直方向总高度与螺旋段在水平方向形成的圆形投影半径长度比值为2-3，所述螺旋段垂直方向总高度与罐体高度比值为18%-42%。

所述球形物料容器的材料采用金属或塑料中的至少一种；所述球形物料容器的直径比仿生肠道管内径尺寸小2-5mm。

球形物料容器中的物料能与接种泥充分接触，同时保证良好的固相分离效果，产生的沼气通过镂空处和仿生肠道的外壁后进入罐内后溢出，实现整个反应进程。球形物料容器尺寸小于仿生肠道直径，保证球形物料容器在肠道内的下落过程通畅。

优选的，所述进料装置包含一个或多个进料口，所述进料口包括进料导管，所述进料导管呈漏斗形状，具有开口漏斗端和密封端，其中所述密封端连接至所述反应器罐体中接种泥的液位之下，并与仿生肠道相连，所述开口漏斗端开口直径大于球形物料容器的球体直径，开口漏斗端采用金属卡箍与橡胶垫圈密封。

该进料装置的设计确保了进料口的有效密封和液位以下位置，以防止沼气泄露，同时允许根据实际反应罐体体积和发酵需求设置多个进料口；进料口采用金属卡箍与橡胶垫圈密封，在进料时打开，常态下密封锁紧，防止沼气泄露。开口漏斗端开口直径大于球形物料容器的球体直径，方便球形物料容器的投加和进入。

优选的，所述搅拌装置包括电机、联轴器和搅拌轴，所述电机设置在反应器罐体外侧，通过联轴器与搅拌轴连接，搅拌轴垂直穿过反应器罐体的外壳至罐体内部，所述搅拌轴伸入所述反应器罐体中接种泥的液位之下，所述搅拌轴上设置有一个或多个搅拌桨叶。

通过电机带动搅拌轴旋转，加速金属镂空球形物料容器与周围接种泥的混合，提高传热与传质速率，保持微生物群落结构的稳定，促进反应的进行。

优选的，所述桨叶叶片表面呈扇形，通过紧固轴套一和紧固轴套二连接在搅拌轴上，紧固轴套一控制桨叶的叶片与水平面的夹角角度，紧固轴套二控制桨叶的叶片高度以及叶片在搅拌轴水平方向的朝向。

桨叶的走向、数量、高度均可以在搅拌轴上进行调节，能够适配不同长度和角度的肠道结构，均匀分散局部积累的氨氮和VFA，使搅拌达到更好的效果，保持反应器内微生物群落结构的稳定，避免酸抑制。

更优选的，所述搅拌桨叶包括但不限于单螺旋桨叶和/或双螺旋桨叶。

优选的，所述进料装置包含一个或多个进料口，所述进料口呈漏斗形状，具有开口漏斗端和密封端，其中所述密封端通过进料导管连接至所述反应器罐体中的液位之下，并通过卡箍与仿生肠道相连，开口漏斗端密封；

该进料装置的设计确保了进料口的有效密封和液位以下位置，以防止沼气泄露，同时允许根据实际反应罐体体积和发酵需求设置多个进料口；进料口采用金属卡箍与橡胶垫圈密封，在进料时打开，常态下密封锁紧，防止沼气泄露。

优选的，出料装置包括一级排料机构和二级排料机构，一级排料机构和二级排料机构连接通过弯管连接；一级排料机构与仿生肠道相连接，一级排料机构与仿生肠道之间设计有抽拉挡板；

优选的，所述出料装置包括出料口和止水阀门。

优选的，所述仿生反应器还包含温控系统，所述温控系统包括设置在反应器罐体外侧的水浴夹套；

水浴夹套通过热水循环系统加热或冷却，使发酵过程在最佳温度范围内进行，确保微生物的活性和发酵效率。水浴夹套的温度控制精确，可根据发酵需求进行调整，从而提高系统的整体性能。

所述反应器罐体上还设置有玻璃视窗和支撑底座。所述玻璃视窗对应接种泥的液面进行设置，方便观察发酵液面的分布以及产气情况。

在同一个技术构思下，本申请还提供一种球形分段进料肠道仿生反应器的控制方法，包括以下步骤：

（1）向球形分段进料肠道仿生反应器罐体内添加接种泥；

（2）将物料放入球形物料容器，并通过进料装置投放入仿生肠道装置内，开启搅拌装置进行搅拌，培养接种泥；

（3）接种泥培养完成后，投入球形物料容器，物料与接种泥反应完成后，打开出料装置排出球形物料容器，并收集其中物料。

更优选的，所述接种泥在使用前应将过筛网将大于10mm的杂质滤除，接种泥中VS质量比占比为0.7%-3%；

优选的，步骤（3）中所述投入物料前，设定有机负荷，按照有机负荷定量投料；步骤（3）中所述排出球形物料容器，仅排出球形物料容器，接种泥保留在仿生反应器中反复使用。

更优选的，所述物料为包括纤维素物料、高固畜禽粪污及能源作物等底物。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明基于传统的CSTR全混合厌氧反应器及工艺，引入肠道仿生技术，并设计肠道与反应器具体连接与执行方式，通过肠道仿生系统实现物料与接种泥的两相分离反应，对生物反应器的结构和运行方式有了新的改进和突破；

（2）配合仿生肠道设计球形物料容器，方便反应器进料排料，排出来的物料能够方便收集和检测，并且能够减少物料漂浮在反应器上部导致的反应干扰；肠道结构与球形物料容器相配合，能够满足物料精准的水力停留时间，控制反应进程；

（3）本发明仿生肠道装置在实际操作过程中，可确保固体物料与接种泥分离投加的同时能够充分接触，改善传质效果，并且能够将反应产气及时排出；本发明有效提高了厌氧发酵效率和甲烷产量，提供了一种高效、稳定的微生物厌氧发酵解决方案；

（4）通过改变肠道布局，可实现对不同物料的降解，通过改变桨叶布局位置，将局部积累的氨氮和VFA均匀分散，使搅拌达到更好的效果，保持反应器内微生物群落结构的稳定，避免酸抑制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例1球形分段进料肠道仿生反应器的内部剖面结构示意图；

图2是实施例1球形分段进料肠道仿生反应器的外部结构示意图；

图3是实施例1球形分段进料肠道仿生反应器的球形物料容器结构示意图；

图4是实施例2球形分段进料肠道仿生反应器的仿生肠道结构示意图；

图5是对比例1的微生物反应器结构示意图；

图6是对比例2的微生物反应器结构示意图；

图7是实施例1和对比例1的微生物发酵反应产气量效率对比图；

图8是实施例1和对比例2的微生物发酵反应产气量效率对比图；

图9是实施例1的搅拌轴结构示意图；

图10是仿生肠道结构示意图。

其中，1、电机；2、进料口；3、仿生肠道；4、球形物料容器；5、水浴夹套；51、反应器罐体；6、一级排料机构；7.二级排料机构；8、联轴器；9、玻璃视窗；10、搅拌轴；11、支撑底座；12、连接弯管；13、进料导管；14、半球体外壳；15、卡扣；16、紧固旋钮；21、卡箍；22、排气口；23、第一取样口；24、第二取样口；25、第三取样口；26、进水口；27、出水口；28、抽拉挡板；29、桨叶；30、紧固轴套一；31、紧固轴套二；A、进料段；B、螺旋段；C：出口段。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

如图1-4和图9，1、电机；2、进料口；3、仿生肠道；4、球形物料容器；5、水浴夹套；51、反应器罐体；6、一级排料机构；7.二级排料机构；8、联轴器；9、玻璃视窗；10、搅拌轴；11、支撑底座；12、连接弯管；13、进料导管；14、半球体外壳；15、卡扣；16、紧固旋钮；21、卡箍；22、排气口；23、第一取样口；24、第二取样口；35、第三取样口；26、进水口；27、出水口；28、抽拉挡板；29、桨叶；30、紧固轴套一；31、紧固轴套二,A、进料段；B、螺旋段；C：出口段。

本申请提供一种球形分段进料肠道仿生反应器，包括罐体、进料装置、出料装置、搅拌装置、球形物料容器4、仿生肠道装置和温控装置。罐体包括反应器罐体51，反应器罐体51呈立式安装，通过螺栓连接固定在支撑底座11上，反应器罐体51上端分设置有一个或多个进料口2；进料口2呈漏斗形状，具有开口漏斗端和密封端，其中密封端通过进料导管13连接至所述反应器罐体51中的液位之下，并通过卡箍21与仿生肠道3相连，进料导管13需要与反应器上盖紧密相连，防止漏气，开口漏斗端采用金属卡箍与橡胶垫圈密封。采用金属卡箍与橡胶垫圈密封，在进料时打开，常态下密封锁紧，防止沼气泄露。

搅拌装置位于反应器罐体51内部，通过螺栓连接固定于反应器罐体51上端；搅拌装置包括电机1、联轴器8和搅拌轴10，电机1设置在反应器罐体51外侧，通过联轴器8与搅拌轴10连接，搅拌轴10垂直穿过反应器罐体51的外壳至罐体内部，搅拌轴10伸入所述反应器罐体51中的液位之下，搅拌轴10上设置有一个或多个桨叶29。

搅拌轴10结构如图9所示，用螺旋刀片布局，桨叶29的叶片表面呈扇形，通过紧固轴套一30和紧固轴套二31连接在搅拌轴10上，紧固轴套一30控制桨叶29的叶片与水平面的夹角角度，紧固轴套二31控制桨叶29的叶片高度以及叶片在搅拌轴10水平方向的朝向。桨叶分布于仿生肠道的螺旋段，可有效混合物料并促进反应。螺旋桨叶片长度满足不与肠道外壁碰撞，且叶片表面呈扇形，能够对发酵液体充分扰动，确保搅拌剪切力度而不损害微生物。叶片能够通过紧固轴套调整夹角，保证满足与肠道弯曲段走向相平行，进一步提升搅拌效果；搅拌器的旋转速度可调节，以满足不同反应条件下的搅拌需求。通过电机1带动搅拌轴10旋转，加速仿生肠道3周围接种泥的混合，提高传热与传质速率，保持微生物群落结构的稳定，促进反应的进行，减少副产物的生成等。根据不同阶段的反应情况，以维持厌氧发酵产甲烷的稳定性能。

仿生肠道装置包括仿生肠道3，呈网状镂空管筒结构，在罐体内部螺旋环绕搅拌装置设置，设置为一个或多个，靠近反应器罐体51内壁，分别通过卡箍连接到进料装置和出料装置；进料装置入口处采用敞口喇叭形态，确保物料顺利进入。

仿生肠道装置的反应区域如图6所示，模拟生物肠道设计，呈螺旋分布，该形状包括起始段A、螺旋段B和出口段C；

起始段A与进料装置相连接，与水平面的夹角的角度为40-90°；

螺旋段B沿罐体内壁设置，螺旋段下落方向任意部位与水平面的夹角为30-60°

出口段C与出料装置相连接，与水平面的夹角的角度为40-90°。

螺旋段B靠近罐体内壁布置，可以盘绕一节、一圈或多圈，根据不同生物反应器的高径比和停留时间的需求，满足不同物料降解所需的反应时间。

球形物料容器4沿起始段进入螺旋段，由于螺旋段的设计，能确保球形物料容器以一定速度下落，通过弯道时未出现卡顿现象，顺利通过并继续向下流动。弯曲角对球形物料容器流动不受限，未观察到任何异常情况，最后下落至出口段，达到设定停留时间发酵后排出物料。

仿生肠道盘旋直径、圈数与角度与罐体高径比之间的关系式为

其中h为罐体高度（仿生肠道垂直高度），n为盘旋圈数，θ为盘旋角度，盘旋角度为螺旋段与水平面夹角；d是仿生肠道直径，D是管道在圆柱内部的盘旋直径。

螺旋段垂直方向总高度与罐体直径比值在（1.7~4）：1内，当比例为4:1时，代表仿生肠道螺旋段较高，意味着更多的盘旋圈数，可用于降解秸秆等难降解物料，增加在肠道内的接触时间，使其充分降解；当比例为1.7:1时，代表仿生肠道螺旋段较矮，意味着盘旋圈数较少，可用于降解污水、畜禽粪污等易降解物料，保证其降解效率的同时，提高反应效率。

仿生肠道3的管壁上设置有镂空结构，可根据发酵物料特性进行设计和调节，能提高沼液与物料混合的接触面积。罐体中，肠道内的物料仅分布在肠道中而无法直接分散在外部液体里，防止物料漂浮在反应液表面从而抑制物料反应产生的气体溢出，进而导致物料堵住排气孔、抑制产气等问题，导致系统“失稳”。

仿生肠道3和球形物料容器4采用金属或塑料中的至少一种；

仿生肠道3管状结构的横截面直径为仿生反应器内径的1/10-1/4。

球形物料容器4的直径小于仿生肠道3直径的2-5mm。球形物料容器4包括半球体外壳14、紧固旋钮16、卡扣15，两个半球体外壳14通过紧固旋钮16连接，再通过卡扣15开关。

物料设置在球形物料容器4内部，通过球形物料容器4沿进料装置投加入仿生反应器内。

进料可以每天放置一个球形物料容器4，或根据需要半天放置一个球形物料容器4，以适配不同的进料有机负荷，实现半连续自动进料。

反应罐体外部设有水浴夹套，用于维持反应罐内的温度稳定。水浴夹套通过热水循环系统加热或冷却，热水从进水口26通入，出水口27通出，使发酵过程在最佳温度范围内进行，确保微生物的活性和发酵效率。水浴夹套的温度控制精确，可根据发酵需求进行调整，从而提高系统的整体性能。反应器罐体51上还设置有玻璃视窗9，用以观测反应器内部状况。

出料装置位于反应罐固相分离下端，包括一级排料机构6和二级排料机构7，一级排料机构6和二级排料机构7通过连接弯管12连接；一级排料机构6与仿生肠道3之间设计有抽拉挡板28，出料时，使用抽拉挡板28排出球形物料容器4，微生物泥继续留在发酵罐内，确保高效的沼气产出同时维持发酵系统的稳定性。

反应器罐体51上端设置有排气口22，用于排出反应过程中的产气，还设置有第一取样口23、第二取样口24、第三取样口25，用于收集取样。

反应器罐体51中储存接种泥，反应过程中，固相和液相分离位于反应罐下端，气相分离位于反应罐上端。

实施例1：

本实施例采用如图1-3所示的球形分段进料肠道仿生反应器，仿生肠道3采用金属镂空网状结构，其横截面直径范围为20-40mm，仿生肠道3的孔隙直径范围为5-10mm，壁厚为1-2mm。

球形物料容器呈球体结构，采用镂空金属网，其直径范围为15-35mm，孔隙直径范围为1-2mm。

本实施例使用的接种物取自某餐厨垃圾处理厂的出料口，该餐厨厂的厌氧消化温度保持在55℃，实验期间使用水浴进行温度循环。在不添加任何物质的情况下放置2天，以消除背景气体。

本实施例在某农场采集了芒草物料，采集后，在室温下自然风干30天。随后，将芒草茎杆粉碎至适合通过20目筛网的粒度，以促进粒度的减小。同时，将芒草叶片进行机械剪碎，使其物理尺寸减小到直径约1-1.5cm。所有样品都经过仔细包装，在使用前保存在4℃。

反应具体包括以下步骤：

（1）预处理接种泥：向竖式分相肠道仿生反应器罐体内添加接种泥；接种泥在使用前应将过筛网将大于10mm的杂质滤除，接种泥中VS占比（质量比）为0.7%-3%；

（2）启动阶段以0.5gVSL^-1d^-1的有机负荷将物料从进料装置投放入仿生肠道装置内，开启搅拌装置进行搅拌，物料沿仿生肠道下落，与接种泥中微生物充分混合，开始产气，提升有机负荷，富集适合发酵物料的优势有机负荷率；固体停留时间为8天；

（3）接种泥培养完成后，提升有机负荷，每次增加的幅度为0.5VSL^-1d^-1，投入物料持续反应，待物料下落至仿生肠道装置和出料装置连接处直至完成反应时，打开出料装置，收集反应后的物料。

物料下落状态：球形物料容器4先进入起始段，然后沿起始段进入螺旋段，由于螺旋段的设计，能确保球形物料容器以一定速度下落，通过弯道时未出现卡顿现象，顺利通过并继续向下流动。未观察到任何异常情况，最后下落至出口段，达到设定停留时间发酵后排出物料。

在实验过程中，未观察到反应物料发生团聚或上浮现象。反应结束后，观察到反应物料内部均匀混合，不存在未反应完全的情况。

实验结果表明反应物料在流动过程中充分混合，确保了反应的完全性和有效性。

实验结果检测：

对微生物反应中的产气效率进行检测，其检测结果如图7、8中曲线所示。

木质纤维素由木质素、纤维素和半纤维素组成，木质纤维素降解率是表征生物质经相同预处理后、相同反应时间生物降解特性的指标之一。采用半自动纤维素测定仪和纤维洗涤剂法检测发酵过后物料中的木质纤维素降解情况，检测结果如表1所示，检测方法包括：

样品脱脂：准确称取0.5g发酵物料于150mL三角瓶中，加入乙醇–乙醚(体积比为15∶1)混合液30mL，置于超声清洗仪中常温超声1h，取出后将样品转移至装有2g石英砂的G2玻璃砂芯坩埚中抽滤，并用乙醇洗涤三角瓶和残渣，再用5mL丙酮洗涤。

酸性洗涤纤维测定：将脱脂后的样品，在热浸提单元中加入约100mL2mol／L盐酸洗涤剂，加入3～5滴正辛醇，快速加热至沸，并调整功率保持微沸状态1h。加热结束后，立即进行抽滤，并用90℃以上的水冲洗管壁和剩余物，直至滤出液无泡沫。将热浸提后的试样和坩埚放在纤维分析仪的冷浸提单元上，用丙酮冲洗剩余物3次，确保剩余物与丙酮充分混和，至滤出液无色为止。抽干后将坩埚和剩余物放入(105±2)℃烘箱中烘干3～4h至恒重后称量。将坩埚和剩余物置于马弗炉中，在(510±10)℃条件下灰化3h后称量。在上述条件下得到的纤维素降解率数据如表1所示。

处理前芒草物料的木质纤维素成分按质量份为：半纤维素30.87%，纤维素39.40%，木质素10.29%

发酵过后物料中的木质纤维素成分按质量份为：半纤维素1.88%，纤维素5.93%，木质素2.32%

从图中可以明显看出，在前期有机负荷比较低的时候（OLR≦2gvs/(L*d)），两者之间并未有明显差异。而到了更高有机负荷，本申请的装置显示出了更好的产气效果，同时对于有机负荷的承载能力也有所增加，在同等高有机负荷之后，能够发现本申请的装置仍运行良好，未加球形物料承载装置的装置不能承受高有机负荷，进而导致反应系统崩溃。

表1 实施例与对比例的纤维素降解率数据

实施例2：

本实施例采用球形分段进料肠道仿生反应器，与实施例1的唯一区别为，本实施例中仿生肠道3采用的金属镂空结构如图4所示，其横截面直径范围为20-40mm，仿生肠道3的孔隙直径范围为5-10mm，壁厚为1-2mm。球形物料容器呈球体结构，采用镂空金属网，其直径范围为15-35mm，孔隙直径范围为1-2mm。

本申请采用的物料为玉米秸秆，晒干一个月后打碎过筛为3-5mm块状开展试验。

反应具体包括以下步骤：

（1）预处理接种泥：向竖式分相肠道仿生反应器罐体内添加接种泥；接种泥在使用前应将过筛网将大于10mm的杂质滤除，接种泥中VS占比（质量比）为0.7%-3%；

（2）启动阶段以0.5gVSL^-1d^-1的有机负荷将物料从进料装置投放入仿生肠道装置内，开启搅拌装置进行搅拌，物料沿仿生肠道下落，与接种泥中微生物充分混合，开始产气，提升有机负荷，富集适合发酵物料的优势有机负荷率；固体停留时间为12天；

（3）接种泥培养完成后，提升有机负荷，每次增加的幅度为0.5VSL^-1d^-1，投入物料持续反应，待物料下落至仿生肠道装置和出料装置连接处直至完成反应时，打开出料装置，收集反应后的物料。

对比例1：

本对比例采用一种不含球形物料容器的竖式分相肠道仿生反应器，其结构示意图如图5所示。除不包含球形物料承载装置外，其余部分与实施例1保持一致。

本对比例进行反应时，投加的物料与使用的接种泥与实施例1保持一致，其余情况也保持一致。

检测发酵过后物料中的木质纤维素降解情况，检测结果如表1所示。

对反应中的产气效率进行检测，其检测结果如图7所示。

对比例2：

本对比例采用一种不含球形物料承载装置和肠道结构的仿生反应器，其结构示意图如图6所示。除不包含球形物料承载装置和肠道结构外，其余部分与实施例1保持一致。

本对比例进行厌氧发酵试验，投加的物料与使用的接种泥与实施例1保持一致。

检测发酵过后物料中的木质纤维素降解情况，检测结果如表1所示。

对微生物反应中的产气效率进行检测，其检测结果如图8所示。

从图7、8中可以看出在前期刚投入物料的一段时间内，实施例1与对比例1、2的曲线并无明显差异。随着反应的进行以及逐步的投料，仿生肠道+球形物料容器的优势开始显现，产气量较未添加仿生肠道罐体而言开始增加，在120天左右时，产气量约为未添加仿生肠道罐体的2.2倍，比添加肠道后的产气略高，并且在整个发酵过程中，仿生肠道的产气量高于未添加仿生肠道罐体以及仅添加肠道罐体。而仿生肠道+球形物料装置在反应后期，能够承受更大的有机负荷而不“失稳”，体现了装置对于物料反应的优异效果。

Claims (11)

1.一种球形分段进料肠道仿生反应器，其特征在于，所述仿生反应器包括罐体、仿生肠道装置、球形物料容器（4）、进料装置、出料装置和搅拌装置；仿生肠道装置和搅拌装置设置在罐体内部，所述仿生肠道装置一端连接进料装置，另一端连接出料装置；

所述仿生肠道装置包括一条或多条仿生肠道（3），所述仿生肠道（3）呈镂空管筒结构，螺旋环绕搅拌装置设置；

所述球形物料容器（4）呈镂空球体结构，其直径小于仿生肠道装置的内径尺寸，且无法从镂空管筒结构的镂空处脱出；物料放置在球形物料容器（4）内部，通过球形物料容器（4）沿进料装置投入仿生反应器内。

2.如权利要求1所述的仿生反应器，其特征在于，所述罐体包括反应器罐体（51），所述反应器罐体（51）中储存有接种泥。

3.如权利要求2所述的仿生反应器，其特征在于，所述仿生肠道（3）呈螺旋状，所述螺旋状包括起始段、螺旋段和出口段；

所述起始段与进料装置相连接，与水平面的夹角的角度为40-90°；

所述螺旋段沿罐体内壁设置，螺旋段下落方向任意处与水平面的夹角为30-60°；

所述出口段与出料装置相连接，出口段与水平面的夹角的角度为40-90°。

4.如权利要求2所述的仿生反应器，其特征在于，所述仿生肠道（3）的材料采用金属或塑料中的至少一种，仿生肠道（3）的内径尺寸为仿生反应器内径的1/10-1/4。

5.如权利要求2所述的仿生反应器，其特征在于，所述球形物料容器（4）包括半球体外壳（14）、紧固旋钮（16）、卡扣（15），两个半球体外壳（14）通过紧固旋钮（16）连接，再通过卡扣（15）开关。

6.如权利要求5所述的仿生反应器，其特征在于，所述球形物料容器（4）的材料采用金属或塑料中的至少一种；所述球形物料容器（4）的直径比仿生肠道（3）的内径尺寸小2-5mm。

7.如权利要求2所述的仿生反应器，其特征在于，所述搅拌装置包括电机（1）、联轴器（8）和搅拌轴（10），所述电机（1）设置在反应器罐体（51）外侧，通过联轴器（8）与搅拌轴（10）连接，搅拌轴（10）垂直穿过反应器罐体（51）的外壳至罐体内部，所述搅拌轴（10）伸入所述反应器罐体（51）中接种泥的液位之下，所述搅拌轴（10）上设置有一个或多个搅拌桨叶（29）。

8.如权利要求7所述的仿生反应器，其特征在于，所述桨叶（29）叶片表面呈扇形，通过紧固轴套一（30）和紧固轴套二（31）连接在搅拌轴（10）上，紧固轴套一（30）控制桨叶（29）的叶片与水平面的夹角角度，紧固轴套二（31）控制桨叶（29）的叶片高度以及叶片在搅拌轴（10）水平方向的朝向。

9.如权利要求2所述的仿生反应器，其特征在于所述进料装置包含一个或多个进料口（2），所述进料口（2）呈漏斗形状，具有开口漏斗端和密封端，其中所述密封端通过进料导管（13）连接至所述反应器罐体（51）中接种泥的液位之下，并通过卡箍（21）与仿生肠道（3）相连，开口漏斗端密封；

所述出料装置包括一级排料机构（6）和二级排料机构（7），一级排料机构（6）和二级排料机构（7）连接通过弯管（12）连接；一级排料机构（6）与仿生肠道（3）相连接，一级排料机构（6）与仿生肠道（3）之间设计有抽拉挡板（28）；

所述仿生反应器还包含温控系统，所述温控系统包括设置在反应器罐体（51）外侧的水浴夹套（5）；所述反应器罐体（51）罐体上还设置有玻璃视窗（9）和支撑底座（11）。

10.一种球形分段进料肠道仿生反应器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）向球形分段进料肠道仿生反应器罐体内添加接种泥；

（2）将物料放入球形物料容器（4），并通过进料装置投放入仿生肠道装置内，开启搅拌装置进行搅拌，培养接种泥；

（3）接种泥培养完成后，投入球形物料容器（4），物料与接种泥反应完成后，打开出料装置排出球形物料容器（4），并收集其中物料。

11.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，步骤（3）中所述投入球形物料容器（4）前，设定有机负荷，按照有机负荷定量投料；步骤（3）中所述排出球形物料容器（4），仅排出球形物料容器（4），接种泥保留在仿生反应器中反复使用。