一种合成气厌氧发酵用塔式反应器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物反应器技术领域，具体涉及一种可较好提高合成气厌氧发酵过程中气液传质系数的塔式反应器。
【背景技术】
[0002]合成气是由化石燃料、生物质废料、日常生活有机废物气化所得的含碳、氢的混合气体，主要成分有h2、CO、co2、ch4、n2等。随着世界各国对能源的需求急剧增加，资源匮乏、能源紧缺情况逐渐严峻，人们迫切需要改善乃至解决这些问题。我国合成气资源丰富，石油石化等相关企业在生产活动中会产生大量的温室气体，每年排放的焦炉煤气及农业废弃物等均能作为合成气来源，合成气厌氧发酵既能解决环境污染问题，又能进行废物利用，产物还能用于人们日常生活，因此，作为一项极具潜力的工程，合成气厌氧发酵已得到大家广泛认同及工业推广。
[0003]然而在合成气厌氧发酵过程中还存在很多问题，比如气液传质问题、菌种单一问题、合成气组分不均匀等，其中气液传质问题尤为严重，已经成为合成气厌氧发酵中最主要的影响因素。合成气厌氧发酵过程中，生物反应器中质量传递主要是气一液传递，即合成气气体传递。在液体培养基中，合成气气泡周围的液膜阻挡了合成气的传递，成为了主要阻力，因而必须采用各种方法提高反应体系间气液体积传质系数(AZa)，提高合成气传递速率，获得更大的发酵反应效率。
[0004]近年来，合成气厌氧发酵生物反应器类型不断增多，常用的如鼓泡塔生物反应器(BCR)、填充床反应器(PBR)等，但总体而言气一液传递效率仍然较低，搅拌槽反应器(STR)中气一液传质虽然比BCR、PBR稍强，但却耗能极大，因此仍需改良和设计新的生物反应器，以期增强气一液传质系数，从而推动合成气厌氧发酵的研究进展，利于进一步的工业化推广应用。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于提供一种合成气厌氧发酵用塔式反应器，该反应器可较好提高合成气厌氧发酵过程中气液传质系数，提高产物产率，利于菌体发酵。
[0006]本发明所采取的技术方案如下。
[0007]—种合成气厌氧发酵用塔式反应器，包括发酵罐、塔板系统、合成气气控系统、发酵料液循环系统；其中塔板系统设于发酵罐内部，合成气气控系统和发酵料液循环系统分别与发酵罐连接；
所述发酵罐顶部设有固定法兰，封口法兰与固定法兰连接实现对发酵罐密封，优选设置中，封口法兰与固定法兰之间设有用于密封的垫片，封口法兰与固定法兰之间通过螺栓连接固定；发酵罐顶部穿过封口法兰设有加料口、进液口、气液凝聚器，其中气液凝聚器上设有具备止回阀和空气过滤器功能的耦合装置，气液凝聚器用于预防液体随气体排出，而耦合装置中的空气过滤器也能防止染菌；发酵罐底部设有进气口、取样口、出液口 ；优选设置中，发酵罐顶部还设有测温计和压力计，可以实现对发酵罐体内部压力和发酵液温度的实时监测；优选设置中，发酵罐罐体为透明材料制备而成，便于观察发酵罐体内发酵程度；优选设置中，发酵罐底部还设有放空阀，便于发酵罐的清洗；优选设置中，发酵罐底部外壁设有可拆卸的水平仪，便于调整发酵罐的平整度；
所述塔板系统，包括螺旋柱、气体通过塔板、液体通过塔板，气体通过塔板和液体通过塔板的中心处均设有通孔，优选设置中，通孔内设螺纹，气体通过塔板和液体通过塔板通过通孔的内设螺纹连接并间隔分布于螺旋柱上，并且固定位置可以调节；进一步优选设置结构中，液体通过塔板中心处通孔由若干条(例如3条)均匀间隔分布的辐条形成，而辐条所形成的间隔可作为液体孔，加快发酵液体流动；气体通过塔板和液体通过塔板的直径小于发酵罐内径；优选设置中，气体通过塔板的直径为发酵罐内径的5/6~6/7，而液体通过塔板直径小于发酵罐内径0.5-1.0 mm ;气体通过塔板上均勾分布有气孔，便于气体通过；一般而言，液体孔孔径应明显大于气孔孔径，气孔孔径范围为0.1-1.0 mm，液体通过塔板中中心处孔径(即包含通孔的中部所形成的最大孔孔径)为发酵罐内径的1/7~1/6 ;优选设置中，如果气体通过塔板和液体通过塔板的塔板厚度较薄，例如，厚度在2~10mm，那么气体通过塔板和液体通过塔板则需通过螺栓固定于螺旋柱上，螺栓与塔板之间需设塔板垫片；优选设置中，发酵罐下端内壁设有垫板，便于底部的气体通过塔板或液体通过塔板放置其上，从而起到支撑作用；气体通过塔板和液体通过塔板在螺旋柱上的位置及数量均可根据需要进行调节；螺旋柱竖直设于发酵罐中部；优选设置中，螺旋柱采用不锈钢材质制备而成；
所述合成气气控系统，包括合成气储罐、氮气储罐及与其分别连接的气体调节阀；合成气储罐和氮气储罐并行连接后通过气体输送管与发酵罐底部进气口连接；优选设置中，气体输送管上设有气体流量计，以便监测气体流量；另一种优选设置中，气体输送管上还设有滤膜过滤器，可对所输送气体进行过滤除杂；
所述发酵料液循环系统，包括设于料液输送管上的料液输送栗，料液输送管一端与发酵罐底部的出液口连接，另一端与发酵罐顶部的进液口连接；优选设置中，料液输送管上还设有液体流量计，可以对料液循环速度进行实时检测。
[0008]所述合成气厌氧发酵用塔式反应器，发酵罐耐温范围为121°C ~150°C，耐压范围为2~3个大气压强，发酵罐的高径比范围为2~10: 1。
[0009]所述合成气厌氧发酵用塔式反应器，螺旋柱长度为发酵罐高度的5/6~6/7，优选直径为 5~20 mm。
[0010]所述合成气厌氧发酵用塔式反应器，气液凝聚器上空气过滤器的滤径为0.2 Mffl ;气体输送管上滤膜过滤器的滤径为0.2 Mffl。
[0011]本发明的主要技术思路是:通过料液循环系统，使得微生物能够获得均匀一致的生长环境；而塔板系统为微生物与合成气的接触提供了重组的接触空间，能够更好地提高合成气的利用率；而合成气气控系统可实现对于合成气通入量的精确控制，调节反应速率，避免资源浪费。
[0012]本发明所提供的生物反应器，包括透明发酵罐、可调式塔板系统、合成气气控系统及料液回流系统；本发明将塔板装至螺旋柱上，再将螺旋柱放置于发酵罐，可根据需要任意上下调整塔板高度，可根据需要增减塔板数目；同时，利用料液回流系统向发酵罐循环流入液体培养基，达到增强气液传质的效果；通过合成气气控系统向发酵罐内补给合成气，为厌氧菌发酵提供所需的碳源与能源组分。
[0013]本发明所提供的合成气厌氧发酵用塔式反应器，其主要优点体现在:气密性好，且能促进菌体生长与发酵；反应器中通过采用连续补气方法，较好增加气液接触面积，增加气体溶解度，且培养基的循环利用较好提高了底物转化率；能显著提高气液传质速率及加强气液传质，即具有更好的气一液传质系数，更高的合成气利用效率，而实现这一优点的主要是通过改造塔板系统，使发酵液与合成气具有更大接触面积、更长接触时间来实现的；同时塔板系统具有更好的可调节性和灵活性，可根据发酵罐体积、发酵量、发酵时间等需要对塔板数量、塔板高度及塔板间距等进行灵活调节。因而总体而言，本发明具有可调节性强、适应范围广、气一液传质系数高、合成气转化效果好等优点，在生物质转化、合成利用方面具有较好的推广应用前景。
【附图说明】
[0014]图1为本发明所提供合成气厌氧发酵用塔式反应器结构示意图；
图2为本发明所提供合成气厌氧发酵用塔式反应器顶部俯视图；
图3为本发明所提供合成气厌氧发酵用塔式反应器中塔板系统中气体通过塔板俯视结构示意图；
图4为本发明所提供合成气厌氧发酵用塔式反应器中塔板系统中液体通过塔板俯视结构示意图；
附图标记说明:1_发酵罐，2-固定法兰，3-垫片，4-封□法兰，5-加料口，6-压力计，7-进液口，8-耦合装置(止回阀/空气过滤器)，9-气液凝聚器，10-料液输送管，11-取样口，12-液体流量计，13-料液输送栗，14-出液口，15-进气口，16-放空阀，17-滤膜过滤器，18-气体流量计，19-气体输送管，20-测温计，21-气体调节阀，22-氮气储罐，23-合成气储罐，24-螺旋柱，25-气体通过塔板，26-液体通过塔板，27-塔板垫片，28-气孔，29-垫板，30-通孔，31-水平仪，32-法兰螺孔，33-螺检。
【具体实施方式】
[0015]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的解释说明。
实施例
[0016]如图1~4所示，本发明所提供合成气厌氧发酵用塔式反应器，包括发酵罐1、塔板系统、合成气气控系统、发酵料液循环系统；其中塔板系统设于发酵罐1内部，合成气气控系统和发酵料液循环系统分别与发酵罐1连接；发酵罐1优选采用透明材质，便于实验员观察发酵情况。
[0017]发酵罐1顶部设有固定法兰2，封口法兰4与固定法兰2连接实现对发酵罐1密封，优选设置中，封口法兰4与固定法兰2之间设