CN118956564A - 一种竖式分相肠道仿生反应器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的属于生物反应器技术领域，提供一种竖式分相肠道仿生反应器及其控制方法。所述仿生反应器包括罐体、进料装置、仿生肠道装置、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仿生肠道，所述仿生肠道呈中空管状结构，在罐体内部螺旋环绕搅拌装置设置。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物的两相分离反应，对生物反应器的结构和运行方式有了新的改进和突破，大幅提高了纤维素物料的降解效率。
Description
技术领域
本发明属于生物反应器技术领域，尤其涉及一种竖式分相肠道仿生反应器及其控制方法。
背景技术
随着全球对化石燃料消耗的控制和CO2排放的减少需求成为共识，发展生物的能源化利用已经成为一项重要任务。农作物秸秆因其高生物质产量，被认为是理想的能源原料，通过将秸秆微生物厌氧发酵产甲烷实现绿色资源化处理。然而，以秸秆等纤维素物料为主要原料进行微生物厌氧发酵时，容易上浮形成浮渣层结壳，这种现象导致产气效率低。并减少了发酵罐的有效容积，使秸秆不能被彻底分解，严重影响了发酵池内固、液、气三相的传质、传热和流动性，产物积累并导致抑制生化反应。因此，亟需构建一种新的生化反应器来减少物料结壳，同时增加反应器内生化反应过程中的料液传质效果。
肠道仿生是一种在工程实践或实验室中构建动物肠道环境的体外实验装置，这种装置能够仿生胃肠道内的流动混合等生理条件，优化了流体动力学设计并减少了堵塞问题的产生，极大地提高实验研究的灵活性和有效性。申请号为CN202110696460.2的中国发明专利公开了一种仿真肠道式高含固有机物料厌氧消化反应器，该装置采用三个卧式安装筒体分层依次安装，避免了堵塞问题，然而并没有考虑固液气分离工序，可能导致沉淀物积累、反应效果下降等；申请号为CN202122485066.2的实用新型授权专利：一种多功能完全混合生物反应器，该装置在传统发酵罐内反应，搅拌存在局限性，导致物料混合不均，产气速率下降，还会在反应器上部产生泡沫、浮渣以及底部形成大量沉积固体物。
因此，目前用于进行纤维素物料微生物发酵的肠道仿生装置仍旧存在较大改进空间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的微生物发酵仿生装置存在沉淀物积累、混合不均等缺陷，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种竖式分相肠道仿生反应器及其反应方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种竖式分相肠道仿生反应器，所述仿生反应器包括进料装置、罐体、仿生肠道装置、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；
所述仿生肠道装置包括一条或多条仿生肠道，所述仿生肠道呈中空管状结构，在罐体内部螺旋环绕搅拌装置设置。
本申请设计一种竖式分相肠道仿生反应器，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仿生肠道内，保证良好的固相分离效果，较少浮渣形成，且能够避免与反应器内壁或搅拌器接触积累沉淀；物料通过肠道结构螺旋式下落，配合搅拌装置运行，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。
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，仿生肠道周围的接种泥浆保持良好的流动性，能够减少生化反应中间产物的积累，防止酸性抑制的发生，提高降解效率；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。
优选的，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。
.物料沿起始段进入螺旋段，由于螺旋段的设计以及物料在仿生肠道内的推挤作用，物料以一定速度推进；同时可以根据工艺要求进行速度调节和停留，从而控制反应时间，有利于物料的充分反应。再结合搅拌装置，进一步提高了肠道内物料与罐内液体的混合程度，增强了传质和搅拌效果，增加了产气量。此外，仿生肠道的镂空结构使得产生的气体通过镂空部分排出，避免了物料上浮的现象。
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%。
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桨叶。
通过电机带动搅拌轴旋转，加速物料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弧形，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，能够及时将反应过程中所产生的VFA，积累的氨氮溶液搅拌均匀。
更优选的，所述搅拌轴包括单螺旋桨叶和/或多螺旋桨叶。
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，并通过卡箍与仿生肠道相连，开口漏斗端圈密封；
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。
优选的，所述出料装置包括排料口和连接弯管，排料口通过连接弯管与仿生肠道；
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，本申请还提供一种竖式分相肠道仿生反应器的控制方法，包括以下步骤：
（1）向竖式分相肠道仿生反应器罐体内添加接种泥；
（2）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，培养接种泥；
（3）接种泥培养完成后，投入物料，物料与接种泥反应完成后，打开出料装置排出物料并收集。
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）中根据所述投入的物料量及物料停留时间，设定或调整有机负荷。
优选的，步骤（3）中所述排出物料并收集时，打开出料装置中的排料机构（7）排出物料，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控制方式，通过肠道仿生系统实现物料与接种物的两相分离反应，对生物反应器的结构和运行方式有了新的改进和突破；
（2）本发明仿生肠道装置在实际操作过程中，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，并且能够将产生的气体及时排出；本发明有效提高了厌氧发酵产气效率，提供了一种高效、稳定的厌氧发酵方案；
（3）通过改变桨叶布局位置，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。
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是竖式分相肠道仿生反应器的内部剖面结构示意图；
图2是竖式分相肠道仿生反应器的外部结构示意图；
图3是实施例1与对比例1的微生物发酵反应产气量对比图；
图4是实施例2中的仿生肠道结构示意图；
图5是实施例1的搅拌轴结构示意图；
图6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、仿生肠道管状表面；5、水浴夹套；6、反应器罐体；7.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；18、桨叶；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；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、2、4、5，其中，1、电机；2、进料口；3、仿生肠道；4、仿生肠道管状表面；5、水浴夹套；6反应器罐体；7.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；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，A、进料段；B、螺旋段；C：出口段。
本申请提供一种竖式分相肠道仿生反应器，包括罐体、进料装置、出料装置、搅拌装置、仿生肠道装置和温控装置。罐体包括反应器罐体6，反应器罐体6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6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，其中密封端通过卡箍21将进料导管13与仿生肠道3连接，所述仿生肠道位于反应器罐体6中的液位之下，开口漏斗端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6上端，通过联轴器8与搅拌轴10连接固定；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6最上端，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6的外壳至罐体内部，搅拌轴10伸入所述反应器罐体6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为内置设计，用螺旋刀片布局，桨叶18的叶片表面呈弧形，固定在搅拌轴10上，桨叶18采取的分布方式为平行于肠道，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，且叶片表面呈弧形，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。通过电机带动搅拌轴旋转，加速仿生肠道周围接种泥的混合，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。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6内壁，分别通过卡箍连接到进料装置和出料装置；仿生肠道管状表面4呈曲面，能够增加反应过程中与发酵液接触的比表面积；肠道孔隙能够满足小于所添加物料体积的一半。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。
物料沿起始段进入螺旋段，由于螺旋段的设计，能确保物料以一定速度下落，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。
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。
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管状结构的横截面直径为20-40mm，壁厚为1-2mm。
仿生肠道3采用金属或塑料中的至少一种。
反应罐体外部设有水浴夹套5，用于维持反应罐内的温度稳定。水浴夹套5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6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，包括排料机构7和连接弯管12，排料机构7通过连接弯管12连接至仿生肠道3，出料时，物料排出，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6上端设置有排气口22，用于排出反应过程中的产生的气体，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6中储存接种泥，反应过程中，固相和液相分离位于反应罐内，气相分离位于仿生肠道上，气相分离反应区域沿仿生肠道的镂空部分布置分布。
实施例1：
本实施例采用如图1所示的竖式分相肠道仿生反应器进行微生物反应，仿生肠道3采用镂空网状不锈钢结构，其横截面直径仿生反应器内径的1/10-1/4，仿生肠道3表面的孔隙率为50%-95%。
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%-2%；
（2）启动阶段以0.2-0.5gVSL-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；
（3）接种泥培养完成后，提升有机负荷，每次增加的幅度为0.5-1.0gVSL-1d-1，投入物料持续反应，物料沿仿生肠道装置下落，至仿生肠道装置和出料装置连接处停留，与接种泥发生反应，停留时间为8天，反应完成后，打开出料装置，收集反应后的物料。
在实验过程中，未观察到反应物料发生团聚或上浮、聚集或堵塞现象，反应物料保持均匀分布并保持稳定流动。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。
利用气体收集装置测量反应过程中收到的气体体积，其检测结果如图3中曲线所示。从图中可以看出在前期刚投入物料的一段时间内(40天内)，二者并无明显差异，随着反应的进行以及逐步的投料，仿生肠道的优势开始显现，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2-3倍，并且在整个发酵过程中，仿生肠道的产气量始终高于未添加仿生肠道罐体。正是由于上述提到的仿生肠道的诸多优势，导致其产气量远高于未添加仿生肠道罐体。
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8.37%，纤维素7.57%，木质素3.01%
表1
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。提高甲烷产率的关键是提高木质纤维素降解率，发酵过程中主要是为了反应器效能能够加速打开半纤维素、纤维素及木质素之间联结的化学键的破坏。由表中数据可知，本申请的竖式分相肠道仿生反应器微生物反应后物料中的木质纤维素降解率明显提升，说明发酵效率也有显著提升。
实施例2：
本实施例采用竖式分相肠道仿生反应器进行微生物反应，与实施例1的唯一区别为，本实施例中仿生肠道3采用如图4所示的镂空不锈钢结构，其孔径范围为20-40mm，壁厚为1-2mm，孔隙直径范围为10-15mm，该种仿生肠道由于改变了具体外形，可适用不同种类物料，提高仿生肠道厌氧生物质反应器的通用性和适用性。
本申请采用的物料为玉米秸秆，晒干一个月后打碎过筛为2-3cm块状开展试验。
反应具体包括以下步骤：
（1）预处理物料：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%-2%；
（2）每天以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微生物；
（3）接种泥培养完成后，提升有机负荷，每次增加的幅度为0.5gVSL-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：
本发明采用常规微生物反应器，所述常规微生物反应器其余部分与实施例1保持一致，唯一的区别是拆除了其中的仿生肠道结构。
该对比例将常规生物反应器与实施例1的竖式分相肠道仿生反应器进行对比实验。
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，采用机械搅拌方式使物料与接种泥在反应装置中均匀混合，反应后排出物料。
检测发酵过后物料中的木质纤维素降解情况，检测数据如表1所示。
利用气体收集装置测量反应过程中收到的气体体积，其检测结果如图3中B曲线所示。
Claims (10)
1.一种竖式分相肠道仿生反应器，其特征在于，所述仿生反应器包括进料装置、罐体、仿生肠道装置、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。
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（6），所述反应器罐体（6）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3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（6）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（6）的外壳至罐体内部，所述搅拌轴（10）伸入所述反应器罐体（6）中接种泥的液位之下，所述搅拌轴（10）上设置有一个或多个桨叶（29）。
6.如权利要求2所述的仿生反应器，其特征在于，所述桨叶（29）叶片呈扇形，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。
7.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（6）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；
所述出料装置包括排料机构（7）和连接弯管（12）；排料机构（7）通过连接弯管（12）与仿生肠道（3）连接；
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（6）外侧的水浴夹套（5）；所述反应器罐体（6）罐体上还设置有玻璃视窗（9）和支撑底座（11）。
8.一种竖式分相肠道仿生反应器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）向竖式分相肠道仿生反应器罐体内添加接种泥；
（2）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，培养接种泥；
（3）接种泥培养完成后，投入的物料沿着仿生肠道装置滑落并停留在仿生肠道装置内，滑落与停留期间与接种泥发生反应，反应完成后打开出料装置排出物料并收集。
9.如权利要求8所述的反应控制方法，其特征在于，步骤（3）中根据所述投入的物料量及物料停留时间，设定或调整有机负荷。
10.如权利要求8所述的反应控制方法，其特征在于，步骤（3）中所述排出物料并收集时，打开出料装置中的排料机构（7）排出物料，接种泥保留在仿生反应器中反复使用。
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Patent Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| CN112111393A (zh) * | 2020-09-28 | 2020-12-22 | 重庆大学 | 一种仿生肠道流自蠕动反应器系统及方法 |
| CN112608174A (zh) * | 2020-12-09 | 2021-04-06 | 南京大学 | 一种肠道仿生管式好氧堆肥设备、系统及方法 |
| CN113462536A (zh) * | 2021-06-23 | 2021-10-01 | 同济大学 | 一种仿真肠道式高含固有机物料厌氧消化反应器 |
| CN115161160A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-10-11 | 同济大学 | 一种具备实时固液分离功能的仿真肠道式高含固厌氧消化反应器 |
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