本发明专利技术公开了一种用于合成气转化的微界面强化高效生物反应器及其应用，包括依次连接的合成气气瓶、微气泡发生器、鼓泡式生物反应器、鼓泡式厌氧生物发酵罐、气液分离器、菌体分离器、循环泵和产物收集罐等。利用除菌后的合成气进入微气泡发生器，形成微米级气泡体系，之后自发酵罐底部进入反应腔内，在微生物的催化作用下将合成气转变为乙醇等产物。本发明专利技术的反应装置和方法具有合成气反应压力超低、气液比小、气液传质面积大，反应速率快，能耗低，工艺灵活和生产安全性高等优点。艺灵活和生产安全性高等优点。艺灵活和生产安全性高等优点。
【技术实现步骤摘要】
一种用于合成气转化的微界面强化高效生物反应器及其应用
[0001]本专利技术涉及微生物发酵领域，具体涉及一种用于合成气转化的微界面强化高效生物反应器及其应用。
技术介绍
[0002]燃料乙醇作为绿色可持续能源已经得到越来越多的重视，近年来，我国大力推进煤制乙醇技术，受甲醇行业持续低迷、乙醇市场行情走高导致消毒酒精紧缺及煤基乙醇技术认知度不断提高等因素提振，目前，煤制乙醇工业项目在建产能已达到200万t/a，然而，煤炭资源的不可再生性进一步限制了煤制乙醇技术的大规模转化应用。相反地，生物质的可再生性使得生物质乙醇比煤制乙醇更能获得更大的应用市场空间。
[0003]生物质乙醇的制备方法主要是合成气生物发酵法，首先以生物质为原料，通过气化过程获得粗合成气，其主要成分包括H2、CO和CO2等，粗合成气再经过净化处理后通入发酵设备中，产乙醇微生物进一步通过厌氧发酵过程将合成气转化为乙醇。其中，CO是厌氧发酵生产乙醇的较优底物，比CO2更易被微生物吸收转化为乙醇和乙酸，而H2在厌氧发酵过程中又作为还原剂，使CO和CO2能得到最大程度的利用，合成气只有溶解到发酵液中才能被菌体吸收和利用，但实际上CO和H2在水性介质中溶解度较低，气液传质阻力大，导致微生物对气体底物的吸收低，无法有效利用气体组分，最终导致生产力低下，因此，气液传质的限制是合成气发酵生产乙醇的主要挑战之一。
技术实现思路
[0004]专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对合成气制备乙醇过程中合成气溶解度低、气液传质受限等问题，提出一种用于合成气转化的微界面强化高效生物反应器，通过制备合成气微米气泡来实现合成气在制备乙醇过程中的高效气液传质，从而进一步将微米气泡体系拓展至无氧体系。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0006]一种用于合成气转化的微界面强化高效生物反应器，包括微气泡发生单元、种子罐、鼓泡式生物反应器、鼓泡式厌氧生物发酵罐、配料罐、气液分离器、菌体分离器以及产物收集罐。
[0007]其中，所述微气泡发生单元和种子罐分别连接至鼓泡式生物反应器中，将种子液送入鼓泡式生物反应器内与产生的微气泡进行充分混合。
[0008]所述鼓泡式生物反应器、鼓泡式厌氧生物发酵罐、气液分离器、菌体分离器以及产物收集罐通过管道连接；所述配料罐与鼓泡式厌氧生物发酵罐通过进料管连接，向鼓泡式厌氧生物发酵罐中输送原料，与鼓泡式生物反应器输送来的种子气泡液进行厌氧发酵反应，产物依次经气液分离器和菌体分离器后，收集于产物收集罐中。
[0009]具体地，所述微气泡发生单元包括依次通过气体管道连接的合成气气瓶、气体过滤器和微气泡发生器；所述微气泡发生器输出端通过管道连接至鼓泡式生物反应器内的气
体分布器上，且该管道上还设有抽气泵。
[0010]具体地，所述鼓泡式生物反应器内设置有水平多孔隔板和气体分布器；所述种子罐通过管道连接至鼓泡式生物反应器的底部进料口；所述微气泡发生单元通过管道连接至位于鼓泡式生物反应器侧面的气体分布器接口上，所述气体分布器位于水平多孔隔板的下方；所述鼓泡式生物反应器的上方侧面排料口通过管道连接至鼓泡式厌氧生物发酵罐，且该管道上还设有第一提水泵。
[0011]具体地，所述鼓泡式厌氧生物发酵罐底部一侧进气口与鼓泡式生物反应器连接，底部另一侧出料口通过管道与气液分离器连接；鼓泡式厌氧生物发酵罐的顶部进料口与配料罐通过管道连接，且该管道上设有进料泵。
[0012]所述鼓泡式厌氧生物发酵罐的侧面外壁上设置有夹套式换热器，用于对罐内发酵反应温度进行控制。
[0013]具体地，所述气液分离器内距离罐体顶部高度1/2
‑
2/3处设有微孔过滤器；气液分离器顶部一侧进料口与鼓泡式厌氧生物发酵罐连接，且该管道上还设有气相平衡管；气液分离器的底部排料口通过管道连接至菌体分离器；气液分离器的侧面位于微孔过滤器上方开有出气口，其通过一回路管道连接至微气泡发生单元，将反应气体循环利用，且该回路管道上设有循环泵。
[0014]具体地，所述菌体分离器内设有分离膜，距离罐顶1/3
‑
1/2处；菌体分离器的顶部一侧进料口通过管道与气液分离器连接，顶部另一侧排料口通过循环管道连接至气液分离器内，用于发酵液中菌体和产物的循环分离，且该循环管道上设有第二提水泵；菌体分离器的底部排料口通过管道连接至产物收集罐内。
[0015]优选地，所述微气泡发生器为气动式微气泡发生器、液动式微气泡发生器或气液联动式微气泡发生器；
[0016]进一步地优选地，微气泡发生器为至少三个；其通过串联和/或并联方式连接形成微气泡发生器组后，再连接至鼓泡式生物反应器。
[0017]优选地，所述分离膜为微孔分离膜、陶瓷分离膜或微滤装置。
[0018]进一步地，本专利技术还要求保护上述生物反应器用于厌氧发酵制备乙醇的应用。
[0019]具体地，上述生物反应器用于厌氧发酵制备乙醇包括如下步骤：
[0020](1)首先，分别对种子罐、配料罐中的物料和鼓泡式厌氧生物发酵罐进行蒸汽灭菌待用；
[0021](2)接着，配置好比例的合成气经过滤除菌后与活化后的种子液同时流入鼓泡式生物反应器中，包裹着细胞的合成气微气泡形成后，进一步通入鼓泡式厌氧生物发酵罐进行乙醇的合成；其中，合成气气体流量控制在6～8L/min，种子液液体流量控制为 2～3m3/h；形成的合成气微气泡尺寸不高于450nm，存在时间在300s以上；
[0022](3)待发酵结束后，气液分离器和菌体分离器对发酵液中的菌体和产物进行多次循环分离，粗乙醇最终流入产物收集罐中。
[0023]最终，合成气微气泡的形成可将乙醇产量提升16％以上，乙醇产率提升58％以上，进一步循环使用可使存在时间延长15％以上。
[0024]有益效果：
[0025](1)将微气泡反应器应用于合成气制备乙醇的过程，一方面增强了原料的利用度，
另一方面增强了合成气在发酵液中的溶解度，从根本上增强了气体的传质效率，有助于乙醇的高效合成。
[0026](2)微气泡发生器与鼓泡式生物反应器的联用促进了合成气在溶液中的二次分散，延长了合成气在发酵液中的存在时间，气液传质面积更大。
[0027](3)气液分离器和菌体分离器的联用，减少了产物在分离过程中的损失，并且缩短了发酵液在容器中的停留时间。
[0028](4)将微气泡应用于合成气制备乙醇，不仅有助于解决合成气气液传质受限等问题，还进一步拓展了微气泡在无氧体系、厌氧发酵等方面的应用。
附图说明
[0029]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做更进一步的具体说明，本专利技术的上述和/ 或其他方面的优点将会变得更加清楚。
[0030]图1是本专利技术生物反应器的整体结构示意图。
[0031]其中，各附图标记分别代表：
[0032]1、合成气气瓶，2、气体过滤器，3、微气泡发生器，4、种子罐，5、抽气泵，6本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于合成气转化的微界面强化高效生物反应器，其特征在于，包括微气泡发生单元、种子罐(4)、鼓泡式生物反应器(7)、鼓泡式厌氧生物发酵罐(11)、配料罐(20)、气液分离器(14)、菌体分离器(17)以及产物收集罐(18)；所述微气泡发生单元和种子罐(4)分别连接至鼓泡式生物反应器(7)中，将种子液送入鼓泡式生物反应器(7)内与产生的微气泡进行充分混合；所述鼓泡式生物反应器(7)、鼓泡式厌氧生物发酵罐(11)、气液分离器(14)、菌体分离器(17)以及产物收集罐(18)通过管道连接；所述配料罐(20)与鼓泡式厌氧生物发酵罐(11)通过进料管连接，向鼓泡式厌氧生物发酵罐(11)中输送原料，与鼓泡式生物反应器(7)输送来的种子气泡液进行厌氧发酵反应，产物依次经气液分离器(14)和菌体分离器(17)后，收集于产物收集罐(18)中。2.根据权利要求1所述的用于合成气转化的微界面强化高效生物反应器，其特征在于，所述微气泡发生单元包括依次通过气体管道连接的合成气气瓶(1)、气体过滤器(2)和微气泡发生器(3)；所述微气泡发生器(3)输出端通过管道连接至鼓泡式生物反应器(7)内的气体分布器(8)上，且该管道上还设有抽气泵(5)。3.根据权利要求1所述的用于合成气转化的微界面强化高效生物反应器，其特征在于，所述鼓泡式生物反应器(7)内设置有水平多孔隔板(6)和气体分布器(8)；所述种子罐(4)通过管道连接至鼓泡式生物反应器(7)的底部进料口；所述微气泡发生单元通过管道连接至位于鼓泡式生物反应器(7)侧面的气体分布器(8)接口上，所述气体分布器(8)位于水平多孔隔板(6)的下方；所述鼓泡式生物反应器(7)的上方侧面排料口通过管道连接至鼓泡式厌氧生物发酵罐(11)，且该管道上还设有第一提水泵(9)。4.根据权利要求1所述的用于合成气转化的微界面强化高效生物反应器，其特征在于，所述鼓泡式厌氧生物发酵罐(11)底部一侧进气口与鼓泡式生物反应器(7)连接，底部另一侧出料口通过管道与气液分离器(14)连接；鼓泡式厌氧生物发酵罐(11)的顶部进料口与配料罐(20)通过管道连接，且该管道上设有进料泵(19)；所述鼓泡式厌氧生物发酵罐(11)的侧面外壁上设置有夹套式换热器(10)，用于对罐内发酵反应温度进行控制。5.根据权利要求1所述的用于合成气转化的微界面强化高效生物反应器，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：庄伟，沙宇，应汉杰，陈勇，柳东，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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