CN215593073U - 一种以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统，包括依次串联连接的厌氧酸化模块、膜分离回收模块、PHA合成发酵模块和PHA分离纯化模块。猪粪在厌氧酸化模块快速酸化转化为高浓度有机酸后，经膜分离回收模块回收制备无菌酸化液，无菌酸化液流加至PHA合成发酵模块转化合成PHA，最后在PHA分离纯化模块的作用下分离纯化得到PHA产品。所述以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统提供了一种全新的猪粪处理模式，提高了猪粪废弃物的资源化利用效率，降低了PHA合成的成本。
Description
技术领域
本实用新型属于猪粪处理技术领域，特别涉及一种以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统。
背景技术
我国是世界上第一养猪大国，每年产生大量的猪粪污，其具有高含水、高氨氮、高有机质等特点，若处理不当，会对环境造成严重的污染。常规的还田、堆肥等处理方式不仅无法充分利用猪粪中的有机质资源，还会不可避免地带来其他二次污染，如臭气、渗滤液污染等。因此，在大规模养殖场中，多以厌氧发酵制备沼气的方法来处理猪粪，但其产品种类单一、附加值低。
传统石油基塑料制品造成的“白色污染”问题日益严峻，亟需开发替代性的生物可降解塑料制品。其中，聚羟基脂肪酸酯(PHA)是一类完全可生物降解的塑料材料，由羟基脂肪酸(HA)单体首尾相接聚合而成，目前已逐步成为当今研究的热点。在众多PHA产品中，由3-羟基丁酸(HB)聚合而成的聚羟基丁酸(PHB)以及由HB和3-羟基戊酸(HV)聚合而成的聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)拥有良好的生物可降解性、生物相容性、压电性和力学性能，因而备受关注。尤其是PHBV，由于HV单体的加入，其力学性能得到进一步改善，且HV组分含量不同可制备不同的生物可降解塑料产品。但其制造成本过高，已成为制约其未来发展的瓶颈。
厌氧发酵技术主要分为产酸阶段与产甲烷阶段。产酸阶段时，有机废弃物在水解酸化菌的作用下转化为有机酸，随后有机酸在产甲烷菌的作用下转化为甲烷。若能抑制猪粪厌氧发酵的产甲烷过程，积累大量有机酸，并通过条件调控，合成不同的PHB和PHBV产品，实现利用猪粪定向酸化制备生物可降解塑料的目标，提高附加值，实现环境效益与经济效益的双赢。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统，将猪粪转化为有机酸后合成制备PHA，以同时解决猪粪污染与塑料“白色污染”问题。
一种以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统，包括：依次串联的厌氧酸化模块，膜分离回收模块，PHA合成发酵模块和PHA分离纯化模块，其中：
所述厌氧酸化模块包括用于发酵产酸的厌氧酸化反应器、用于搅拌物料的第一搅拌单元、用于控制温度的第一温度控制器、用于监测排气量的气体流量计和用于收集气体的气体收集装置；所述厌氧酸化反应器上设置有用于进料的进料口、用于出料的出料口、用于取样的取样口和用于排气的排气口；所述厌氧酸化反应器还设有用于保温的第一保温层，所述保温层与第一温度控制器连接以维持反应器内温度恒定；
所述膜分离回收模块包括依次串联连接的用于固液分离的过滤装置和用于除去杂菌的膜分离装置；
所述厌氧酸化模块与膜分离回收模块之间设置依次串联连接的用于收集厌氧酸化出料液的第一储液装置和用于去除酸化液中杂质的絮凝沉淀池，所述第一储液装置前接厌氧酸化模块，后接所述絮凝沉淀池；
所述膜分离回收模块与PHA合成发酵模块之间还设置有用于收集无菌酸化液的第二储液装置。
优选地，所述PHA合成发酵模块包括用于生产合成PHA的PHA合成反应器，用于测定pH、氧化还原电位和温度的pH探头、ORP探头、温度传感器，用于搅拌物料的第二搅拌单元，用于给PHA反应器曝气的空气泵，用于控制温度的第二温度控制器；所述PHA合成反应器还配备有用于通气、回气、进料、抽料、调节pH的管路，用于保温的第二保温层，所述第二保温层与第二温度控制器连接以维持反应器内温度恒定。
优选地，所述通气管路直达PHA合成反应器底部，管路末端与PHA合成反应器底面平行，管路下方开有多个小孔用于曝气时气体的扩散。
优选地，所述空气泵与通气管路之间配备用于控制流量的转子流量计和用于给空气过滤除菌的无菌过滤膜，所述转子流量计和无菌过滤膜依次连接。
优选地，所述的PHA分离纯化模块包括用于分离PHA细菌的固液分离装置、用于干燥PHA合成细菌的干燥装置和用于分离纯化PHA的提取装置。
优选地，所述厌氧酸化模块之前还设置有并联连接的用于预处理厌氧发酵接种物的预处理装置和用于储存猪粪原料的原料储存装置。
优选地，所述以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统还包括用于各个反应单元之间物料运输的多个泵。
与现有技术相比，本实用新型具有如下积极有益的效果：
本实用新型提供的耦合系统，改变了传统厌氧发酵处理猪粪的产物模式，可用于定向制备不同的高浓度有机酸，并利用有机酸合成PHA产品，提高了产物的附加值，实现了猪粪废弃物资源的综合利用，可有效解决猪粪带来的环境污染，达到了环保、减排、无污染、经济等多方面共赢的目标。
附图说明
图1为本实用新型提供的实施例1的以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的耦合工艺的示意图；
图2为本实用新型提供的实施例2的以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的耦合工艺的示意图；
图3为本实用新型提供的实施例3的以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的耦合工艺的示意图；
图4为本实用新型中的厌氧酸化反应器的侧视示意图；
图5为本实用新型中的PHA合成反应器的侧视示意图；
图6为本实用新型中的PHA合成反应器的俯视示意图；
图标记说明：：
1-厌氧酸化模块；10-厌氧酸化反应器；11-出料口；12-出料口；13-排气口；14-第一保温层；15-第一搅拌单元；
2-膜分离回收模块；
3-PHA合成发酵模块；30-PHA合成反应器；31-pH/ORP探头；32-温度传感器；33-第二搅拌单元；34-通气口；35-回气口；36-第二保温层；
4-PHA分离纯化模块；
5-原料储存装置；6-预处理装置；7-第一储液装置；8-絮凝沉淀池；9-第二储液装置。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合实施例对本实用新型提供的一种以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统进行详细描述。以下实施例仅用于说明本实用新型而非用于限制本实用新型的范围。
实施例1
本实施例提供的以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统，包括用于将猪粪快速酸化的厌氧酸化模块1、用于分离回收酸化液的膜分离回收模块2、用于合成制备PHA的PHA合成发酵模块3和用于PHA分离纯化的PHA分离纯化模块4。如图1所示，厌氧酸化模块1、膜分离回收模块2、PHA合成发酵模块3和PHA分离纯化模块4通过泵与管路依次串联连通。
厌氧酸化模块1包括用于发酵产酸的厌氧酸化反应器10、用于搅拌物料的第一搅拌单元15、用于控制温度的第一温度控制器、用于监测排气量的气体流量计和用于收集气体的气体收集装置。
厌氧酸化反应器上设置有用于进料的进料口11、用于出料的出料口12、用于取样的取样口和用于排气的排气口13；所述厌氧酸化反应器还设有用于保温的第一保温层14，其中，第一保温层14与第一温度控制器连接，以维持反应器内温度恒定；所述厌氧酸化反应器10还配备用于控制第一搅拌单元15的直流搅拌电机，保证反应模块中物料均匀混合。
膜分离回收模块2包括用于固液分离的过滤装置和用于除去杂菌的膜分离装置，过滤装置和所述膜分离装置依次串联连接。
PHA合成发酵模块3包括用于生产合成PHA的PHA合成反应器30，用于测定pH、氧化还原电位和温度的pH探头31、ORP探头31、温度传感器32，用于搅拌物料的第二搅拌单元33，用于实时监控pH、ORP、温度和搅拌速转速的集成显示控制器，用于给PHA反应器曝气的空气泵，用于控制温度的第二温度控制器。
PHA合成反应器还配备有用于通气34、回气35、进料、抽料、调节pH的各种管路，其中，进、抽料管路与pH调节管路可混合使用；用于保温的第二保温层36，所述第二保温层36与第二温度控制器连接，以维持反应器内温度恒定。
通气管路34直达PHA合成反应器30底部，管路34末端与PHA合成反应器30底面平行，管路下方开有多个小孔，有利于曝气时气体的扩散。此外，空气泵与通气管路之间配备用于控制流量的转子流量计和用于给空气过滤除菌的无菌过滤膜，所述转子流量计和无菌过滤膜依次连接。
PHA分离纯化模块4包括分离PHA细菌的固液分离装置、用于干燥PHA合成细菌的干燥装置和用于分离纯化PHA的提取装置。
以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统还应包括多个泵，用于各个反应单元之间物料的运输。
上述以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统的工作原理：
运行厌氧酸化反应器10，向厌氧酸化反应器10中一次性加入猪粪原料与接种物，进行快速酸化，转化为高浓度有机酸，产生的有机酸经膜分离回收模块2除杂除菌后，流加至PHA合成反应器30中，为PHA合成细菌提供碳源与氮源，随后调控其他营养均衡，在有氧环境下合成制备PHA，富含PHA的细菌经PHA分离纯化模块4处理后，提取得到PHA产品。其中，厌氧酸化反应器10的温度为37℃，反应器转速60r/min，酸化周期10天；PHA合成反应器30的温度为30℃，反应器转速40r/min，曝气量2L/min，周期48h。
实施例2
如图2所示，在实施例1的基础上，为提高猪粪的酸化效率，制备更高浓度的有机酸，以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统还包括用于预处理厌氧发酵接种物的预处理装置5和用于储存猪粪原料的原料储存装置6，预处理装置5和原料储存装置6并联连接，连接出口与所述的厌氧酸化模块1进料口11连通。
上述以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统的工作原理：
利用热激法预处理接种物，随后将猪粪原料与预处理后的接种物一次性加入厌氧酸化反应器10中进行快速酸化，转化为更高浓度的有机酸，产生的有机酸经膜分离回收模块2除杂除菌后，流加至PHA合成反应器30中，为PHA合成细菌提供碳源与氮源，随后调控其他营养均衡，在有氧环境下合成制备PHA，富含PHA的细菌经PHA分离纯化模块4处理后，提取得到PHA产品。其中，厌氧酸化反应器10的温度为50℃，反应器转速60r/min，酸化周期8天；PHA合成反应器30的温度为30℃，反应器转速20r/min，曝气量2.5L/min，周期42h。
实施例3
如图3所示，在实施例2的基础上，为提高膜分离效率，优选地，所述厌氧酸化模块和膜分离回收模块之间还设有用于收集厌氧酸化出料液的第一储液装置7和用于去除酸化液中杂质的絮凝沉淀池8，所述第一储液装置7和絮凝沉淀池8串联连接。其中，第一储液装置7与厌氧酸化模块连通，絮凝沉淀池8的出液口与膜分离回收模块2连通。优选地，膜分离回收模块2与PHA合成发酵模块3之间还设有用于收集无菌酸化液的第二储液装置9。
上述以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统的工作原理：
利用热激法预处理接种物，随后将猪粪原料与预处理后的接种物一次性加入厌氧酸化反应器10中进行快速酸化，酸化转化为更高浓度的有机酸，酸化液出料后收集于第一储液装置7中，经絮凝沉淀池8后去除部分杂质，然后进入膜分离回收模块2中进一步除杂除菌，得到的无菌酸化液流加至PHA合成反应器30中，为PHA合成细菌提供碳源与氮源，随后其他调控营养均衡，在有氧环境下合成制备PHA，富含PHA的细菌经PHA分离纯化模块4处理后，提取得到PHA产品。其中，厌氧酸化反应器10的温度为55℃，反应器转速60r/min，酸化周期8天；PHA合成反应器30的温度为30℃，反应器转速30r/min，曝气量3L/min，周期42h。
上面结合实施例对本实用新型的实例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出的各种变化，也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统，其特征在于，包括：依次串联的厌氧酸化模块，膜分离回收模块，PHA合成发酵模块和PHA分离纯化模块，其中：
所述厌氧酸化模块包括用于发酵产酸的厌氧酸化反应器、用于搅拌物料的第一搅拌单元、用于控制温度的第一温度控制器、用于监测排气量的气体流量计和用于收集气体的气体收集装置；所述厌氧酸化反应器上设置有用于进料的进料口、用于出料的出料口、用于取样的取样口和用于排气的排气口；所述厌氧酸化反应器还设有用于保温的第一保温层，所述保温层与第一温度控制器连接以维持反应器内温度恒定；
所述膜分离回收模块包括依次串联连接的用于固液分离的过滤装置和用于除去杂菌的膜分离装置；
所述厌氧酸化模块与膜分离回收模块之间设置依次串联连接的用于收集厌氧酸化出料液的第一储液装置和用于去除酸化液中杂质的絮凝沉淀池，所述第一储液装置前接厌氧酸化模块，后接所述絮凝沉淀池；
所述膜分离回收模块与PHA合成发酵模块之间还设置有用于收集无菌酸化液的第二储液装置。
2.根据权利要求1所述的以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统，其特征在于，所述PHA合成发酵模块包括用于生产合成PHA的PHA合成反应器，用于测定pH、氧化还原电位和温度的pH探头、ORP探头、温度传感器，用于搅拌物料的第二搅拌单元，用于给PHA反应器曝气的空气泵，用于控制温度的第二温度控制器；所述PHA合成反应器还配备有用于通气、回气、进料、抽料、调节pH的管路，用于保温的第二保温层，所述第二保温层与第二温度控制器连接以维持反应器内温度恒定。
3.根据权利要求2所述的以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统，其特征在于，所述通气管路直达PHA合成反应器底部，管路末端与PHA合成反应器底面平行，管路下方开有多个小孔用于曝气时气体的扩散。
4.根据权利要求3所述的以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统，其特征在于，所述空气泵与通气管路之间配备用于控制流量的转子流量计和用于给空气过滤除菌的无菌过滤膜，所述转子流量计和无菌过滤膜依次连接。
5.根据权利要求4所述的以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统，其特征在于，所述的PHA分离纯化模块包括用于分离PHA细菌的固液分离装置、用于干燥PHA合成细菌的干燥装置和用于分离纯化PHA的提取装置。
6.根据权利要求5所述的以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统，其特征在于，所述厌氧酸化模块之前还设置有并联连接的用于预处理厌氧发酵接种物的预处理装置和用于储存猪粪原料的原料储存装置。
7.根据权利要求6所述的以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统，其特征在于，所述以猪粪为原料制备聚羟基脂肪酸酯的系统还包括用于各个反应单元之间物料运输的多个泵。
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