CN210065727U - 一种内循环式生物法固定丁醇发酵尾气中co2的反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种内循环式生物法固定丁醇发酵尾气中CO₂的反应器，属于生物工程技术领域。包括：水解罐，用于对植物纤维进行水解处理；厌氧发酵罐，用于对水解罐中得到的水解液进行发酵法制丁醇；罐体，在所述的罐体中设有中空纤维膜组件，所述的中空纤维膜组件中的膜丝内管连接于厌氧发酵罐的顶部；二氧化碳固定化反应器，用于采用藻类对CO₂进行固定；陶瓷膜组件，连接于二氧化碳固定化反应器，用于对二氧化碳固定化反应器中的反应液进行过滤。本实用新型提供的反应器可以连续地通过生物法固定丁醇发酵过程中产生的二氧化碳，藻类生长利用度高，并且可以实现二氧化碳固定后的藻类的再利用。

Description

一种内循环式生物法固定丁醇发酵尾气中CO2的反应器

技术领域

本实用新型涉及一种内循环式生物法固定丁醇发酵尾气中CO₂的反应器，属于生物工程技术领域。

背景技术

生物燃料的推广是避免CO₂排放继续增大和缓解现阶段石油能源危机的有效途径。目前使用的生物燃料主要是将生物乙醇与汽油按照不同的比例混合而成。然而，与乙醇相比，丁醇具更多的优势。首先，丁醇在水中的溶解度比乙醇小得多，因此不像乙醇那样具有腐蚀管线的倾向，可以在利用炼油厂原有设备，在厂里调合和用管道运送。其次，丁醇与燃料添加剂和润滑油配伍性更好，不必像乙醇只能在分销终端进行调合。对于用户来说，丁醇有较高的能量含量，可更方便地与汽油调合，同时可调入更高浓度，既不需要丰主购买特殊车辆，也不必改造原有车辆发动机，而且这种新型燃料更环保。所以生物丁醇相对于其他燃料具有更广阔的发展前景。

工业上生产丁醇的方法有3种：①羰基合成法。丙烯与CO、H₂在加压加温及催化剂存在下羰基合成正、异丁醛，加氢后分馏得正丁醇，这是工业上生产丁醇的主要方法。②发酵法。以淀粉等为原料，接入丙酮-丁醇菌种，进行丙酮丁醇(ABE)发酵，发酵液精馏后得产品正丁醇。③醇醛缩合法。乙醛经缩合成丁醇醛，脱水生成丁烯醛，再经加氢后得正丁醇。微生物发酵法一般以淀粉质、木薯等淀粉质农副产品、纸浆废液、糖蜜、甘蔗、甜菜等糖质产品为原料，经过物理处理得到水解液，然后利用丙酮丁醇菌自身分泌的酶，经过复杂的生物化学变化，将发酵液生成丙酮、丁醇和乙醇等产物，经过精馏即可得到丁醇。其工艺设备与酒精生产相似，原料价廉，来源广泛，设备投资较小；(2)发酵法生产条件温和，一般常温操作，不需贵重金属催化剂等。

在现有技术中，已经针对丁醇的厌氧发酵进行了较多的研究，但是由于丁醇的发酵过程中微生物会产生大量的CO₂，这些代谢产物会造成CO₂的直接排放，导致潜在的温室效应的发生。

实用新型内容

本实用新型的目的是：解决丁醇发酵过程中产生的CO₂再利用固定的问题。本实用新型提出了一种基于连续性吸收丁醇发酵过程中产生的CO₂的装置，该装置能够利用生物法固定CO₂，同时采用了中空纤维膜曝气组件鼓入CO₂，具有较好的生物利用效果；并且，在装置中也采用了在线陶瓷膜过滤器，能够将CO₂固化过程中产生的藻类实时移除并浓缩，可以用于其它的饲料、发酵等过程。

技术方案是：

一种内循环式生物法固定丁醇发酵尾气中CO₂的反应器，包括：

水解罐，用于对植物纤维进行水解处理；

厌氧发酵罐，用于对水解罐中得到的水解液进行发酵法制丁醇；

罐体，在所述的罐体中设有中空纤维膜组件，所述的中空纤维膜组件中的膜丝内管连接于厌氧发酵罐的顶部；

二氧化碳固定化反应器，用于采用藻类对CO₂进行固定；

陶瓷膜组件，连接于二氧化碳固定化反应器，用于对二氧化碳固定化反应器中的反应液进行过滤，陶瓷膜组件的渗透侧连接于二氧化碳固定化反应器，陶瓷膜组件的截留侧同时连接于二氧化碳固定化反应器和板框过滤器，板框过滤器用于对陶瓷膜组件的浓缩液进行固液分离，并且板框过滤器的渗透侧连接于陶瓷膜组件的料液入口；

罐体、供料泵和二氧化碳固定化反应器依次连接构成一个闭合循环管路。

在一个实施方式中，还包括空气进口，连接于所述的中空纤维膜组件中的膜丝内管。

在一个实施方式中，所述的供料泵是柱塞泵。

在一个实施方式中，在罐体上还设有第一排气口。

在一个实施方式中，在二氧化碳固定化反应器上还设有第二排气口。

在一个实施方式中，陶瓷膜组件中的陶瓷膜采用多通道式，并且安装有陶瓷膜的平均孔径范围是800-2000nm。

有益效果

本实用新型提供的反应器可以连续地通过生物法固定丁醇发酵过程中产生的二氧化碳，藻类生长利用度高，并且可以实现二氧化碳固定后的藻类的再利用。

附图说明

图1是本实用新型的装置图。图2是实施例1和对照例1中的生长速度曲线。图3是CO₂固定率比较。

其中，1、水解罐；2、厌氧发酵罐；3、罐体；4、中空纤维膜组件；5、二氧化碳固定化反应器；6、陶瓷膜组件；7、板框过滤器；8、供料泵；9、第一排气口；10、第二排气口；11、空气进口。

具体实施方式

本实用新型提供的装置，如图1所示：

包括：

水解罐1，用于对植物纤维进行水解处理；水解罐1可以采用常规的反应罐体，并带加热装置；这里可以采用的植物纤维可以是采用玉米秸秆、稻草秸秆等；水解反应过程可以参照常规技术进行，本实用新型不做具体限定。

厌氧发酵罐2，用于对水解罐1中得到的水解液进行发酵法制丁醇；这里的厌氧发酵过程可以采用现有技术当中的丙醇丁醇梭菌实施。发酵过程中可以采用常规的发酵培养基作为基质。

罐体3，在所述的罐体3中设有中空纤维膜组件4，所述的中空纤维膜组件4中的膜丝内管连接于厌氧发酵罐2的顶部；罐体3的作用是可以使中空纤维膜组件4中排出的气泡与藻类反应液充分地流动接触，提高藻类对二氧化碳效果。在厌氧发酵罐2中产生的二氧化碳会通过顶部排至中空纤维膜组件4中，中空纤维膜组件4中装填有中空纤维束，纤维的直径可以为0.1-1mm，材料可以采用多孔的PVDF膜，孔径可以是500-2000nm。由于纤维上具有微孔，纤维内部的二氧化碳从微孔中向纤维束外部排出，可以使得二氧化碳呈微小气泡的方式与反应液中的藻类接触，提高了接触面积，使藻类的固化效果更好

二氧化碳固定化反应器5，用于采用藻类对CO₂进行固定；这里采用的藻类可以采用现有技术中的能够对CO₂进行固定的藻类，本实用新型不作具体限定，例如可以采用小球藻等。为了提高藻类固化的效果，反应器可以可以在有充足光照的情况下进行反应。罐体3、供料泵8和二氧化碳固定化反应器5依次连接构成一个闭合循环管路，在反应器中的藻类反应液被源源不断地打入罐体3中与二氧化碳微泡接触，再反应至反应器中进行反应。

当反应进行时，二氧化碳固化定反应器5中会不断生成繁殖的藻类，在设备中还包括：陶瓷膜组件6，连接于二氧化碳固定化反应器5，用于对二氧化碳固定化反应器5中的反应液进行过滤，陶瓷膜组件6的渗透侧连接于二氧化碳固定化反应器5，用于将渗透液返回至反应器中维持反应器中的物料平衡；同时，陶瓷膜组件6的截留侧同时连接于二氧化碳固定化反应器5和板框过滤器7，连接于二氧化碳固定化反应器是将其中一部分藻类返回至反应器中继续反应，维持反应器中的微生物平衡，而将其同时连接于板框过滤器7，是用于对陶瓷膜组件6的浓缩液进行固液分离，将多余的藻类移除，防止反应器中的藻类过剩，通过板框过滤器7可以将藻类分离出，其可以用途发酵饲料、有机肥等过程，实现再次利用，并且板框过滤器7的渗透侧连接于陶瓷膜组件6的料液入口，可以维持系统中的物料平衡。

在一个实施方式中，还包括空气进口11，连接于所述的中空纤维膜组件4中的膜丝内管。为了维持藻类生长在有空气和二氧化碳的好氧条件下，最好同时对供入的二氧化碳气中再补充空气。

在一个实施方式中，所述的供料泵8是柱塞泵。

在一个实施方式中，在罐体3上还设有第一排气口9，在二氧化碳固定化反应器5上还设有第二排气口10。排气口的目的是使反应器中的气压维持合适范围，保证设备安全。

在一个实施方式中，陶瓷膜组件6中的陶瓷膜采用多通道式，并且安装有陶瓷膜的平均孔径范围是800-2000nm。

实施例1

玉米秸秆取自农田，于75℃烘干后粉碎至10目以下，在2.0MPa，150s的条件下进行高压蒸汽爆破，并于75℃烘干后备用。

在水解罐1中，称取一定量爆破后烘干的玉米秸秆，按照固液比1：8（重量）添加蒸馏水，再用10mol/L的NaOH溶液调节pH至4.8，每g 干物料中添加纤维素酶10FPU、木聚糖酶200U，48℃下150r/min搅拌进行糖化48h，过滤后即得水解液。

将玉米粉与水按照5：100重量比混合，煮沸5min并不断搅拌，将制成浆糊状的玉米醪装入18mm×180mm试管和300mL三角瓶中，121℃灭菌25min，得到5%玉米醪培养基。

以体积比10%接种量，将玉米醪培养菌转接到5%的灭菌玉米醪液体培养基试管中，在100℃沸水中热激80-120s后迅速放入凉水冷却，37℃静置培养24h。将已经充分活化后的菌种（丙酮丁醇梭菌Clostridium acetobutylicum CICC 8016）按体积比10%的接种量接种到300mL三角瓶当中，放入普通恒温培养箱37℃培养24h，得到发酵所需种子液。

将水解液加入至厌氧发酵罐2中，以10%接种量转接种子液到水解液培养基中，37℃发酵72h后，将厌氧发酵罐2中顶部的气体排入至中空纤维膜组件4中的膜丝中，中空纤维膜采用平均孔径800nm的PVDF膜，膜丝内径在0.5mm左右。

在二氧化碳固化定反应器5中加入小球藻藻液，使藻液的浓度为0.5%，小球藻藻液的培养是将小球藻40mg接种到500mL的培养基N8中，并将培养基的初始pH值调节至6.0，培养温度为25℃，使用荧光灯管提供连续光照，光照强度为5500lx，供入空气进行培养2d。在有光照的条件下，二氧化碳固化定反应器5进行藻类的对二氧化碳的固化作用，光强度范围在94μE/(m²·s)，在进行固化的同时，二氧化碳固化定反应器5中的反应液被移出至罐体3中与中空纤维膜中得到的二氧化碳微泡充分接触后再返回至二氧化碳固化定反应器5。

二氧化碳固化定反应进行了2d之后，将反应液输送至陶瓷膜组件6中，其中采用的是平均孔径为800nm的多通道陶瓷膜，滤液返回至二氧化碳固化定反应器5，陶瓷膜组件6的截留液一部分返回至陶瓷膜组件6的料液进口中，另一部分送入板框过滤器7中将其中的藻类进行固液分离，得到的藻类经过发酵之后，作为有机肥再次利用。

对照例1

与实施例1的区别在于：未采用中空纤维膜组件对二氧化碳进行曝气分布处理，而是直接将二氧化碳通入至二氧化碳固化定反应器5中进行藻类的固定反应。

固化过程：

比生长速率通过下式计算：μ=（lnN_t-lnN₀）/（t-t₀）

其中，μ是藻类比生长速度d^-1；N_t是时间t(d)的藻类细胞光密度；N₀表示时间t(0)的藻类细胞光密度；

生物量产率通过下式计算：P_x=(X_t-X₀) /（t-t₀）

式中，P_x表示藻类的生物量产率(mg/(L·d))；Xt表示时间t(d)的藻类细胞干重（mg/L）；X0表示时间t(0)的藻类细胞干重（mg/L）；

CO₂固定率通过下式计算：F_CO2=Px·C_c·（M_CO2/M_c）；

式中，F_CO2=是CO₂固定率（mg/(L·d)）；Px表示生物量产率（mg/(L·d)）；Cc表示藻类干细胞含碳量（经元素分析仪测定为0.446），M_CO2是二氧化碳的相对分子量44，M_C是碳的相对分子量12。

实施例1和对照例1中的生长速度曲线如图2所示，CO₂固定率如图3所示，可以看出，本实用新型采用中空纤维膜将反应液与二氧化碳接触之后，有效地提高了藻类的生长和对二氧化碳的固定。

Claims (6)

1.一种内循环式生物法固定丁醇发酵尾气中CO₂的反应器，其特征在于，包括：

水解罐（1），用于对植物纤维进行水解处理；

厌氧发酵罐（2），用于对水解罐（1）中得到的水解液进行发酵法制丁醇；

罐体（3），在所述的罐体（3）中设有中空纤维膜组件（4），所述的中空纤维膜组件（4）中的膜丝内管连接于厌氧发酵罐（2）的顶部；

二氧化碳固定化反应器（5），用于采用藻类对CO₂进行固定；

陶瓷膜组件（6），连接于二氧化碳固定化反应器（5），用于对二氧化碳固定化反应器（5）中的反应液进行过滤，陶瓷膜组件（6）的渗透侧连接于二氧化碳固定化反应器（5），陶瓷膜组件（6）的截留侧同时连接于二氧化碳固定化反应器（5）和板框过滤器（7），板框过滤器（7）用于对陶瓷膜组件（6）的浓缩液进行固液分离，并且板框过滤器（7）的渗透侧连接于陶瓷膜组件（6）的料液入口；

罐体（3）、供料泵（8）和二氧化碳固定化反应器（5）依次连接构成一个闭合循环管路。

2.根据权利要求1所述的内循环式生物法固定丁醇发酵尾气中CO₂的反应器，其特征在于，还包括空气进口（11），连接于所述的中空纤维膜组件（4）中的膜丝内管。

3.根据权利要求1所述的内循环式生物法固定丁醇发酵尾气中CO₂的反应器，其特征在于，所述的供料泵（8）是柱塞泵。

4.根据权利要求1所述的内循环式生物法固定丁醇发酵尾气中CO₂的反应器，其特征在于，在罐体（3）上还设有第一排气口（9）。

5.根据权利要求1所述的内循环式生物法固定丁醇发酵尾气中CO₂的反应器，其特征在于，在二氧化碳固定化反应器（5）上还设有第二排气口（10）。

6.根据权利要求1所述的内循环式生物法固定丁醇发酵尾气中CO₂的反应器，其特征在于，陶瓷膜组件（6）中的陶瓷膜采用多通道式，并且安装有陶瓷膜的平均孔径范围是800-2000nm。

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