一种CO2生物转化为甲烷的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种CO2生物转化为甲烷的装置及方法，包括物料供应系统、生物转化系统、产物分离与循环系统、物质组成分析系统，以及参数监测与调节系统。把氢气和CO2通入生物转化系统中，由产甲烷菌在合适的厌氧条件下进行转化，监测体系中的反应参数及物质组成，根据参数定期补给物料及排出顶空；气体产物经膜分离装置最终实现甲烷的分离并收集，非甲烷气体重新循环回注于转化系统。与现有技术相比，本发明专利技术有效地实现了CO2的长期连续资源转化，具有操作简便、条件温和、成本低、适用范围广等优点。

A device and method for bioconversion of CO2 into methane

The invention relates to a device and method for bioconversion of CO2 to methane, including a material supply system, a bioconversion system, a product separation and circulation system, a material composition analysis system, and a parameter monitoring and regulation system. Hydrogen and carbon dioxide are introduced into the bioconversion system, which is transformed by methanogens under appropriate anaerobic conditions, and the reaction parameters and substances in the system are monitored. According to the parameters, the materials are regularly supplied and discharged from the headspace; the gas products are eventually separated and collected by the membrane separator, and the non-methanogens are recycled. Note in the conversion system. Compared with the prior art, the invention effectively realizes the long-term continuous resource conversion of CO2, and has the advantages of simple operation, mild conditions, low cost and wide application range.

【技术实现步骤摘要】
一种CO2生物转化为甲烷的装置及方法
本专利技术属于CO2减排及资源化利用的
，尤其是涉及一种CO2生物转化为甲烷的装置及方法。
技术介绍
随着全球人口和经济的高速增长，化石燃料燃烧释放的CO2持续增加，作为大气中主要的温室气体，CO2减排问题备受关注。如何有效地减少CO2并实现资源转化已成为当今国际高度关注的问题之一。利用微生物将CO2转化为天然气(甲烷)，可有效减少CO2并再生清洁能源，具有重要的经济价值和实用价值。同时，微生物转化法既经济环保，又可以避免化学转化中反应条件苛刻、能耗高等问题，具有可行性和应用前景。产甲烷菌是一类可以厌氧转化无机或有机化合物生成甲烷的古菌，其中，氢营养型产甲烷菌可直接利用CO2和氢气产甲烷(CO2+4H2→CH4+2H2O)，且整个反应热力学上可自发进行。现有技术将CO2和氢气通入厌氧液体培养体系中，由氢营养型产甲烷菌转化产生甲烷。本专利技术(1)在无机盐培养基中添加聚丙烯酰胺(30～100ppm)，增大了反应气体在体系中的移动阻力，延长了其在体系中的停留时间；(2)采用低压通气方式，将气体反应物缓慢经由微孔装置(10～100μm)通入反应液中，大大减小了气泡体积；(3)采用螺旋/盘式布局，将微孔遍布反应液中，增大了反应液中气泡的密度，由以上措施，增大了细胞与微生物的接触面积，进而提高了微生物对反应气体的利用转化率。同时，现有技术采用一种膜将CO2分离返回生物反应器，未将氢气进一步分离利用，降低了氢气的利用率。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有效地实现了CO2的连续资源转化与分离，并通过反应参数和产物的在线监测保证转化过程的持续运行的CO2生物转化为甲烷的装置及方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种CO2生物转化为甲烷的装置，其特征在于，包括物料供应系统、生物转化系统、产物分离与循环系统、物质组成分析系统，以及参数监测与调节系统，所述的生物转化系统分别连接物料供应系统、产物分离与循环系统和物质组成分析系统。所述的物料供应系统包括供氢反应罐、CO2储罐、除氧装置和无机盐培养基及产甲烷菌液储罐，所述的氢反应罐、CO2储罐并联后通过除氧装置连接至生物转化系统；所述的无机盐培养基及产甲烷菌液储罐联通生物转化系统。该物料供应系统还包括必要的阀门和气泵。进一步地，所述的除氧装置包括内设铜丝或铜柱外壁缠绕加热带的玻璃管，该玻璃管的温度为360℃以上，以除去CO2中的氧气，另外，被氧化的铜丝或铜柱采用通入氢气的办法还原。供氢反应罐其内部采用包括但不仅限于零价金属、金属氧化物、废铁渣等与水反应制氢，氢气由气泵经阀门排出到生物转化系统；CO2储罐可使用CO2高压钢瓶或工厂捕集的CO2废气，由气泵经阀门排出到生物转化系统。所述的生物转化系统包括反应罐、通气装置和气液出入口，所述的气液出入口包括气体和液体的注入和排放口，可控温并磁力搅拌，其中，所述的通气装置为不锈钢或其他惰性材质的螺旋状气管或者多层的圆盘，气管或圆盘的壁上设有多个微小的孔洞，孔洞的直径为10～100μm，以便获得体积微小的气泡，增大液相中与微生物的接触面积。所述的产物分离与循环系统包括膜分离装置和除硫除湿装置，还包括必要的气体循环泵和阀门，其中膜分离装置包括至少一个分离箱体，分离箱体内设有至少两个高性能膜，通过二次膜分离过程，将甲烷收集，非甲烷气体由循环系统返回培养液中，继续由微生物利用转化，大大提高了氢气的利用率，加快了转化速率，降低了CO2排放；高性能膜包括不同结构的聚酰亚胺中空纤维膜、聚醚酰亚胺中空纤维膜、分子筛/碳复合膜、硅橡胶膜等。所述的除硫除湿装置内填充有吸附剂，吸附剂包括活性炭或硅胶；所述的除硫除湿装置接收从生物转化系统排出的气体，进行脱硫除湿后进入膜分离装置。所述的物质组成分析系统包括气体流量监测与控制装置、气相色谱、液质联用；针对注入生物转化系统前、进入膜分离装置前后的气体，都由气体流量监测与控制装置在线监测并控制流量，再由气相色谱在线分析气体的组成及含量；生物转化系统内的液体由液泵排出，经由液质联用进行有机物的在线定量分析，同时，排出部分液体进行微生物组成及无机组分的分析。所述的参数监测与调节系统分别连接物料供应系统、生物转化系统、产物分离与循环系统和物质组成分析系统；所述的参数监测与调节系统包括参数监测与反控装置、液罐、液泵和阀门，其中，参数监测与反控装置测量个反应参数，反应参数包括但不仅限于温度、pH、氧化还原电位，当反应参数超出允许的变化范围，启动反控装置进行调节，如果反应参数超出允许的变化范围，如温度变化>±3℃，启动控温装置调节；pH变化>±1.0，可反控液泵和阀门注入盐酸/氢氧化钠溶液；氧化还原电位变化>20mV，可反控液泵和阀门注入硫化钠溶液；根据物质组成分析结果，可反控液泵和阀门，更换无机盐培养基进行连续培养。上述装置的组成部件之间还包括必要的连接管道、阀门和泵。上述CO2生物转化为甲烷的装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)打开CO2储罐开关和除氧装置，用CO2冲扫生物转化系统、产物分离与循环系统，达到除氧的目的；(2)向生物转化系统中的反应罐注入无机盐培养基及产甲烷菌液，打开供氢反应罐和CO2储罐的阀门，经由通气装置在反应罐内的液相中泵入气体；(3)由反应罐的控温装置设置培养温度，进行培养反应；(4)打开反应罐的气体出口阀门，由气泵排出顶空的混合气体；(5)混合气体经除硫除湿装置后，被泵入膜分离装置进行分离，收集终产物甲烷于储罐，非甲烷气体重新循环进入反应罐，过程中在线监测气体的流量、组成及含量；(6)反应过程中，打开反应罐的液相出口阀门，由液质联用在线定量分析液相有机物组成，同时，取样分析微生物及无机物组成；(7)通过参数监测与调节系统在线监测反应参数，并进行系统调节。步骤(2)中所述的产甲烷菌包括但：甲烷微菌目(Methanomicrobiales)、甲烷杆菌目(Methanobacteriales)、甲烷球菌目(Methanococcales)或甲烷胞菌目(Methanocellales)。步骤(2)中所述的产甲烷菌液接种量为10～25％。步骤(2)中所述的无机盐培养基中添加聚丙烯酰胺，浓度30～100ppm。步骤(3)中所述的培养温度为25～60℃。步骤(5)中收获甲烷气体由储罐储存或直接通过管路运输。步骤(5)中的检测均为在线检测方式，步骤(7)中参数监测与调节系统监测的温度变化>±3℃，启动控温装置调节；pH变化>±1.0，可反控液泵和阀门注入盐酸/氢氧化钠溶液；氧化还原电位变化>20mV，可反控液泵和阀门注入硫化钠溶液；根据物质组成分析结果，可反控液泵和阀门，更换无机盐培养基进行连续培养。与现有技术相比，本专利技术为CO2生物转化为甲烷提供了一种有效的装置及方法，为实现CO2的长期连续资源转化与分离、在线监测与控制并行的可行性技术手段。具体来说，本专利技术进一步优化通气方式及气孔直径，采用通气方式实现转化系统中气体的供应，增加了微生物与反应物的接触面积，显著提高了反应速率；同时，针对混合气体产物，本专利技术进一步采用膜分离方式，采本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种CO2生物转化为甲烷的装置，其特征在于，包括物料供应系统、生物转化系统、产物分离与循环系统、物质组成分析系统，以及参数监测与调节系统，所述的生物转化系统分别连接物料供应系统、产物分离与循环系统和物质组成分析系统。

【技术特征摘要】
1.一种CO2生物转化为甲烷的装置，其特征在于，包括物料供应系统、生物转化系统、产物分离与循环系统、物质组成分析系统，以及参数监测与调节系统，所述的生物转化系统分别连接物料供应系统、产物分离与循环系统和物质组成分析系统。2.根据权利要求1所述的一种CO2生物转化为甲烷的装置，其特征在于，所述的物料供应系统包括供氢反应罐、CO2储罐、除氧装置和无机盐培养基及产甲烷菌液储罐，所述的氢反应罐、CO2储罐并联后通过除氧装置连接至生物转化系统；所述的无机盐培养基及产甲烷菌液储罐联通生物转化系统。3.根据权利要求2所述的一种CO2生物转化为甲烷的装置，其特征在于，所述的除氧装置包括内设铜丝或铜柱外壁缠绕加热带的玻璃管，该玻璃管的温度为360℃以上，以除去CO2中的氧气，另外，被氧化的铜丝或铜柱采用通入氢气的办法还原；所述的生物转化系统包括反应罐、通气装置和气液出入口，所述的气液出入口包括气体和液体的注入和排放口，其中，所述的通气装置为不锈钢或其他惰性材质的螺旋状气管或者多层的圆盘，气管或圆盘的壁上设有多个微小的孔洞，孔洞的直径为10～100μm。4.根据权利要求1所述的一种CO2生物转化为甲烷的装置，其特征在于，所述的产物分离与循环系统包括膜分离装置和除硫除湿装置，其中膜分离装置包括至少一个分离箱体，分离箱体内设有至少两个高性能膜，通过二次膜分离过程，获得甲烷并收集，非甲烷气体可循环使用；所述的除硫除湿装置内填充有吸附剂，吸附剂包括活性炭或硅胶；所述的除硫除湿装置接收从生物转化系统排出的气体，进行脱硫除湿后进入膜分离装置。5.根据权利要求4所述的一种CO2生物转化为甲烷的装置，其特征在于，所述的物质组成分析系统包括气体流量监测与控制装置、气相色谱、液质联用；针对注入生物转化系统前、进入膜分离装置前后的气体，都由气体流量监测与控制装置在线监测并控制流量，再由气相色谱在线分析气体的组成及含量；生物转化系统内的液体由液泵排出，经由液质联用进行有机物的在线定量分析，同时，排出部分液体进行微生物组成及无机组分的分析。6.根据权利要求1所述的一种CO2生物转化为甲烷的装置，其特征在于，所述的参数监测与调节系统分别连接物料供应系统、生物转化系统、产物分离与循环系统和物质组成分析系统；所述的参数监测与调节系统包括参数监测与反控装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：牟伯中，周蕾，刘金峰，杨世忠，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31