无泡供气－固液分离一体式膜生物膜反应器制造技术

本实用新型专利技术提供了一种无泡供气－固液分离一体式膜生物膜反应器。布气管、无泡供气中空纤维膜组件、布水管、固液离膜组件置于反应器罐体内，无泡供气中空纤维膜组件和固液分离膜组件的顶端低于罐体内液面：无泡供气中空纤维膜组件通过布气管连通到原料气贮罐，布水管经过进料泵连通到培养基贮罐，固液分离膜组件经过抽吸泵连通液体产物出口；罐体上还设有循环水出口、气体产物出口、补料口、温度计、ｐＨ计和压力表；中空纤维膜膜腔内气体分压低于起泡点压力，以保证无泡供气中空纤维膜组件实现无泡供气。本实用新型专利技术反应器具有较高的发酵反应速率和产物浓度，能够提高合成气发酵乃至其它难溶气体发酵的经济可行性，适用于各种难溶气体为原料的生物发酵过程。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及生物
，更具体地说，本技术涉及一种以难溶气体为 发酵原料的无泡供气-固液分离一体式膜生物膜反应器。
技术介绍
难溶气体指在水中溶解度较低的气体，例如一氧化碳(CO)和氢气(H2)。下面以 合成气发酵和一氧化碳发酵制氢为例介绍难溶性气体发酵。关于合成气(主要为0)、压和 CO2)发酵生产乙醇、乙酸、丁醇和丁酸等化工品或液体燃料以及一氧化碳发酵制氢的研究 已有10多年的历史，其生化反应见式(1-9)。6C0+3H20 — CH3CH20H+4C02(1)2C02+6H2 — CH2CH20H+3H20(2)4C0+2H20 — CH3C00H+2C02(3)4H2+2C02 — CH3C00H+2H20(4)10C0+4H20 — CH3CH2CH2C00H+6C02(5)12C0+5H20 — CH3CH2CH2CH20H+86C02(6)10H2+4C02 — CH3CH2CH2C00H+6H20(7)12H2+4C02 — CH3CH2CH2CH20H+7H20(8)C0+H20 — H2+C02(9)然而，较慢的发酵反应速率和较低的产物浓度限制了该技术的商业化运行。究其 原因，造成较慢反应速率和较低产物浓度的原因主要为以下三个(1)较低的气液传质速率。以气体原料为底物的发酵过程涉及以下步骤气体扩 散到气液界面、气体在气液界面传质、气体在液相中扩散到微生物细胞膜、气体穿过细胞膜 并被微生物利用。对于难溶气体，因其气液传质系数极低，气液传质是整个生物发酵过程 的限速步骤。虽然采用增加气液流速、提高搅拌速度以及增加气体压力等措施可以提高气 液传质系数，但是不能从根本上避免气液传质步骤，因此，发酵反应速率的提高幅度很有 限。因此，提高效率的一种方式是把原料气体直接传递到微生物细胞上，从根本上避 免气液传质步骤。(2)较低的气体利用效率。对于传统的反应器，例如连续搅拌槽式反应器(CSTR)， 通过淹没式气泡扩散器向反应器提供气体原料，扩散的气泡进入主体溶液(含悬浮细胞的 培养基溶液)，一部分气体被微生物细胞吸收利用生成产物，而一部分气体由于气泡的浮力 作用上升逃离主体溶液进入上部气相，且气泡越大，上升速率越快，气液接触时间越短。实 际上，80%左右的气体还来不及传递到微生物细胞上就通过气泡的形式逃离主体溶液进入 上部气相，气体的利用效率较低。因此，提高效率的另一种方式是把原料气体在不形成气泡的情况下进行传递，即 无泡供气，避免原料气体以气泡的形式逃离主体溶液，从而提高气体利用效率。(3)较低的微生物细胞浓度。由于进行气体发酵的微生物大部分属于自养 细菌，如发酵合成气生产乙酸和乙醇的Clostridium 1 jungdahlii、发酵合成气生成 乙酸、乙醇、丁酸和丁醇的Clostridium carboxidivorans以及一氧化碳发酵制氢的 Carboxydothermushydrogenoformans等细菌，它们利用C0、C02和H2作为碳源、电子供体和 能源进行生长时，均属于自养细菌。一般来讲，自养细菌在聚能效率方面不如异养细菌，因 而生长繁殖较慢，造成反应器中的微生物浓度较低。另外，对于像常见的连续搅拌槽式反应 器(CSTR)，微生物细胞处于悬浮状态，当出料时，微生物细胞和产物溶液一起流出反应器， 其固体(微生物)停留时间和水力停留时间不能有效分离，微生物细胞流失严重。因此，反 应器不能在较高的微生物细胞浓度条件下运行，也就不可能获得较高的发酵反应速率和产 物浓度。采用固定化生物膜系统和微生物膜分离系统能够避免微生物细胞流失，提高反应 器中的微生物细胞浓度。因此，克服以上三种不足，开发具有较快发酵反应速率的高效反应器，是合成气发 酵乃至其它难溶气体发酵实现商业化应用的关键。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有难溶气体发酵技术中的不足，即较低的气液传质 速率、较低的气体利用效率和较低的微生物细胞浓度，提供一种无泡供气_固液分离一体 式膜生物膜反应器，以提高难溶气体为原料的发酵反应速率，为合成气发酵乃至其它难溶 气体发酵实现商业化应用奠定基础。为实现以上目的，本技术采取以下的技术方案一种无泡供气_固液分离一体式膜生物膜反应器，包括反应器罐体，布气管、无泡 供气中空纤维膜组件、布水管、固液分离膜组件置于反应器罐体内，且无泡供气中空纤维膜 组件和固液分离膜组件的顶端低于反应器罐体内液面无泡供气中空纤维膜组件通过布气 管连通到原料气贮罐，布水管经过进料泵连通到培养基贮罐，固液分离膜组件经过抽吸泵 连通液体产物出口，反应器罐体底部设有循环水出口，循环水出口通过循环泵连通布水管， 反应器罐体顶部设置有气体产物出口，反应器罐体上安装有温度计、PH计和压力表，便于监 测和调整反应器的相关运行参数，反应器罐体上还安装有补料口，便于添加接种物或其它 溶液。所述的无泡供气中空纤维膜组件可以是帘式中空纤维膜组件，也可以是筒式中空 纤维膜组件，由于中空纤维膜组件与其它形式的膜组件相比，具有最大的面积/体积比，因 此，选择中空纤维膜组件。所述的帘式中空纤维膜组件由若干根并列的中空纤维膜、两根连接杆、一根进气 管、一根膜封闭管和一个挂钩组成，两根连接杆分别连接平行的进气管和膜封闭管，构成一 个矩形框架，中空纤维膜并列地布置于框架内，其中一端穿设于进气管并用环氧树脂固定， 另一端埋入膜封闭管并用环氧树脂密封固定，使气体只能从中空纤维膜一端进入且不能从 另一端流出，挂钩将帘式中空纤维膜组件固定于反应器罐体内。所述的筒式中空纤维膜组件由若干根并列的中空纤维膜、进气口、进气端、膜封闭 板、支撑架组成，进气口置于圆形进气端顶部中央位置，中空纤维膜的一端穿设于进气端并用环氧树脂固定，另一端埋入圆形的膜封闭板并用环氧树脂密封固定，使气体只能从中空 纤维膜一端进入且不能从另一端流出，支撑架将筒式中空纤维膜组件固定于反应器罐体 内。所述的帘式中空纤维膜组件和筒式中空纤维膜组件，均为死端中空纤维膜组件， 气体只能从中空纤维膜一端进入且不能从另一端流出，进入膜腔的气体只能从膜孔中扩散 传递出去。所述的帘式中空纤维膜组件和筒式中空纤维膜组件，可根据处理能力或反应器罐 体大小，设置单个或多个组件进行并联，且单个组件的中空纤维膜的数量也可根据需要进 行选择和调整，优选的中空纤维膜的数量为30 10000根。所述的中空纤维膜为聚砜、聚乙烯、聚丙烯或聚四氟乙烯材料制成的微孔疏水透 气薄膜，中空纤维膜的外径为0. 015 4. 5mm,膜壁厚0. 005 0. 8mm,膜孔径为0. 07 0. 45 μ m0所述的中空纤维膜具有如下特征中空纤维膜的透气性膜壁作为在膜/液界面上 生物膜生长的支撑介质，透气性膜壁外侧会形成一层厚度为10 2000 μ m的生物膜，生物 膜是一种包括微生物细胞、细胞产生的高聚物、截获的非生物固体、基质、代谢物和内部孔 道的复杂集合体，透气性膜壁为气体的传递和生物膜的形成提供了一个较大的表面积，附 着生长有生物膜的中空纤维膜膜壁与气体接触紧密，气体可以通过透气性膜壁以最近的距 离直接传递到生物膜内的固定微生物上，避免了气液传质步骤，且在此传递过程中不会形 成气泡，在气体传递过程中绝大部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无泡供气－固液分离一体式膜生物膜反应器，包括反应器罐体，其特征在于：布气管、无泡供气中空纤维膜组件、布水管、固液分离膜组件置于反应器罐体内，无泡供气中空纤维膜组件和固液分离膜组件的顶端低于反应器罐体内液面：无泡供气中空纤维膜组件通过布气管连通到原料气贮罐，布水管经过进料泵连通到培养基贮罐，固液分离膜组件经过抽吸泵连通液体产物出口；反应器罐体底部设有循环水出口，循环水出口通过循环泵连通布水管；反应器罐体顶部设置有气体产物出口，反应器罐体上安装有温度计、ｐＨ计和压力表，反应器罐体上还安装有补料口；中空纤维膜膜腔内气体分压低于起泡点压力，以保证无泡供气中空纤维膜组件实现无泡供气。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李东，袁振宏，孙永明，孔晓英，李连华，许敬亮，徐惠娟，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，
类型：实用新型
国别省市：81[]