本实用新型涉及集成撬装式生物发酵装置。
背景技术：
生物发酵技术在现代工农业生产应用越来越广泛，可以作为发酵原料的物质，逐渐从传统的固体、液体扩展到气液固各种物质。
合成气或工厂尾气作为发酵原料具有很强的技术领先性，如合成气两段发酵制生物蛋白(如酵母)或工业用油，首先合成气通过一段厌氧发酵可以得到乙酸，然后乙酸作为二段好氧发酵的原料生产生物蛋白(如酵母)或工业用油，这种发酵工艺改变了传统化工生产气体液化冗长的转化工艺，两段生物发酵即可实现高附加产品的生产。该过程中主要涉及的化学反应方程式主要有：
合成气通过厌氧发酵转化为乙酸阶段：
2CO2+4H2＝C2H4O2+2H2O 方程式(1)
4CO+2H2O＝C2H4O2+2CO2 方程式(2)
乙酸通过好氧发酵产生生物柴油阶段：
52C2H4O2+14.5O2＝C57H104O6+47CO2 方程式(3)
C57H104O6+3H2O＝3C17H33COOH(柴油)+C3H8O3(甘油) 方程式(4)
目前已经公开的气体发酵的相关文献和专利，主要是介绍气体发酵的方法和反应器，CN104838006A涉及一种CO或CO(H2)组成的气体转化为各种燃料和化学品的方法，CN105492614A涉及到一种连续气体发酵的反应系统和方法，但已经公开的论文和方法中，关于集成撬装式生物发酵装置还未见报道。
合成气或工业尾气作为发酵原料目前还是有一定的局限性，往往存在某些特定工厂，而这些特定工厂的安全环保要求较高，场地也一般受限。另一方面，由于生物发酵技术产品的附加值较高但总产量需求不大，产品对市场反应敏感，需要较强的时效性要求。
技术实现要素：
本实用新型提供一种集成撬装式生物发酵装置，所述集成撬装式生物发酵装置包括：
(1)原料预处理模块；
(2)主发酵模块；
(3)产物后处理模块；
(4)三废处理模块；和
(5)操作及分析模块；
其中，各模块设有用于相邻模块中的设备间相互连接的标准接口。
在一个或多个实施方案中，各模块由一个或多个相同或不同规格的标准集装箱构成，集装箱设有用于相邻集装箱中的设备间互相连接的标准接口。
在一个或多个实施方案中，所述标准集装箱的规格选自：20GP、40GP、 40HQ、45HQ、20OT和40OT。
在一个或多个实施方案中，所述原料预处理模块设置有原料气处理系统和液体或固体原料存储和输送系统。
在一个或多个实施方案中，所述原料气处理系统包括压缩机、气体净化装置、储气罐和任选的气体发生器。
在一个或多个实施方案中，所述气体净化装置包括脱水设备、脱油设备、脱硫设备、脱氧设备和除尘设备中的一个或多个。
在一个或多个实施方案中，所述压缩机为空压机。
在一个或多个实施方案中，所述液体或固体原料存储和输送系统包括原料罐、配料罐和进料泵。
在一个或多个实施方案中，所述主发酵模块包括一个或数个发酵系统以及一个或数个产物分离系统。
在一个或多个实施方案中，所述发酵系统包括发酵所需的装置，如发酵罐。
在一个或多个实施方案中，所述产物分离系统包括产物分离所需的装置，如膜分离设备。
在一个或多个实施方案中，所述产物后处理模块包括对产物进行后处理的装置，选自清液罐、清液浓缩装置、重液罐、离心过滤装置、烘干系统、干料粉碎系统和深加工系统中的部分或全部设备。
在一个或多个实施方案中，所述清液浓缩装置选自板框过滤机、蝶式离心机和真空转鼓过滤机。
在一个或多个实施方案中，所述烘干系统选自真空干燥机、滚筒干燥机和喷雾干燥机。
在一个或多个实施方案中，所述干料粉碎系统包括粉碎机和/或包装机。
在一个或多个实施方案中，所述深加工系统包括破壁机和/或萃取塔。
在一个或多个实施方案中，所述三废处理模块包括处理发酵过程中产生的废气、废液和/或固体废物的设备或装置。
在一个或多个实施方案中，所述三废处理模块包括尾气处理设备、废液处理设备和存储容器中的部分或全部设备。
在一个或多个实施方案中，所述尾气处理设备包括脱酸罐或脱酸塔和脱水罐或脱水塔等设备。
在一个或多个实施方案中，所述废液处理设备包括澄清池、厌氧池、过滤池和好氧池等。
在一个或多个实施方案中，所述操作及分析模块分为操作区和分析区。
在一个或多个实施方案中，所述操作区设置有操作系统，分析区设置有分析台和工作台。
在一个或多个实施方案中，分析区设有发酵过程中用到的材料或获得的产物的检测和分析设备。
在一个或多个实施方案中，所述分析区设有超净工作台和/或厌氧操作台、分光光度计、显微镜、离心机、电子天平、磁力搅拌器、气相色谱仪和/或液相色谱仪中的一种或多种设备。
在一个或多个实施方案中，在所述操作及分析模块中，分析仪器及配套管路采用标准接口。
在一个或多个实施方案中，所述操作系统用于实现发酵过程的自动化控制，控制系统根据需求可以是DCS控制或PLC控制。
在一个或多个实施方案中，所述集成撬装式生物发酵装置中：
所述原料预处理模块设有(a)原料气处理系统和(b)液体或固体原料存储和输送系统；
所述主发酵模块设有一个或数个发酵系统以及一个或数个产物分离系统；
所述产物后处理模块设有选自清液罐、清液浓缩装置、重液罐、离心过滤装置、烘干系统、干料粉碎系统和深加工系统中的部分或全部设备；
所述三废处理模块设有处理发酵过程中产生的废气、废液和/或固体废物的设备或装置；和
所述操作及分析模块分为操作区和分析区，所述操作区设置有操作系统，所述分析区设置有发酵过程中用到的材料或获得的产物的检测和分析设备。
在一个或多个实施方案中，所述集成撬装式生物发酵装置包括：
(1)设置在原料预处理模块中的压缩机、气体净化器和储气罐；
(2)设置在主发酵模块中的主发酵装置和产物分离系统；
(3)设置在产物后处理模块中的选自清液罐、清液浓缩装置、重液罐、离心过滤装置、烘干系统、干料粉碎系统和深加工系统的部分或全部设备；
(4)设置在三废处理模块中的脱酸罐或脱酸塔、脱水罐或脱水塔、澄清池、厌氧池、过滤池和好氧池；
(5)设置在操作及分析模块中的操作系统和发酵过程中用到的材料或获得的产物的检测和分析设备。
在一个或多个实施方案中，所述集成撬装式生物发酵装置包括：
(1)1个或多个所述原料预处理模块；
(2)1个或多个所述主发酵模块；
(3)1个或多个所述产物后处理模块；
(4)1个或多个所述三废处理模块；和
(5)1个所述操作及分析模块。
附图说明
图1：集成撬装式生物发酵装置模块图。
图2：集成撬装式生物发酵装置实例。
图3：集成撬装式生物发酵装置实例。
图4：集成撬装式生物发酵装置实例。
具体实施方式
应理解，在本实用新型范围内，本实用新型的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成优选的技术方案。
本实用新型提供一种集成撬装式生物发酵装置，可以在加工厂模块化生产，通过集装箱运到现场后，快速组装，方便拆卸，实现小试、中试及工业化发酵装置的生产或实验。
本实用新型的集成撬装式生物发酵装置可由不同的模块构成，主要模块有：
(1)原料预处理模块；
(2)主发酵模块；
(3)产物后处理模块；
(4)三废处理模块；和
(5)操作及分析模块；
各模块设有用于相邻模块中的设备间相互连接的标准接口。
每个模块根据工艺和现场生产需要，可由一个或多个不同规格的标准集装箱构成，集装箱之间配置适于相邻集装箱内的设备相互连接的标准接口，可以实现模块间的灵活、快速组装。适用于本实用新型的集装箱可以是20GP、40GP、40HQ、45HQ、20OT、40OT等不同规格的标准集装箱。
本实用新型中，原料预处理模块的主要功能是对原料的处理及净化，为主发酵模块提供原料。原料预处理模块可由一个或多个不同规格的标准集装箱构成。集装箱之间配置标准接口，用于连接相邻集装箱内的设备。
原料可以是气体原料(即本文所述的原料气)，也可以是固体原料或液体原料。
原料气的来源可为自制或由界区外提供。提供至原料预处理模块的原料气体首先进行加压，然后进行净化。净化包括脱水、脱油、脱硫、脱氧、除尘等净化流程。原料气经过加压、净化后进入储气罐备用。原料气根据工艺系统要求通过调节阀进行调节流量。压缩机可以为空压机，以满足好氧发酵需要。因此，原料预处理模块包括原料气处理系统，该原料预处理系统可包括产生原料气的设备以及对原料气体进行加压、净化和存储所需的各种装置或设备，包括原料气发生器、压缩机、气体净化设备或气体净化器和储气罐等。本文中，气体净化设备或气体净化器包括脱水设备、脱油设备、脱硫设备、脱氧设备和除尘设备中的一个或多个，可根据原料气的情况设置不同的气体净化器。
液体原料(即本文所述的原料液)可包括培养基、酸、碱、消泡剂等，可存储在原料罐内。若使用固体原料(例如固态的发酵液中所需的盐，尤其是发酵液中用量相对较少的成分)，则通常通过料斗将固体原料加到配料罐内，溶解形成液体原料。发酵时，可通过输送系统(如进料泵)将原料罐和配料罐内的液体原料输送入主发酵模块中。可根据工艺系统要求通过计量泵或调节阀调节液体原料的进液量。因此，原料预处理模块还可包括液体或固体原料存储和输送系统，该系统可包括配料罐、原料罐和进料泵等设备。在某些实施方案中，液体或固体原料存储和输送系统还可包括料斗等设备。
因此，在某些实施方案中，本实用新型的原料预处理模块中通常可设置有原料气处理系统(如压缩机、气体净化装置和储气罐等)和液体或固体原料存储和输送系统(如原料罐、配料罐和进料泵等设备)。可根据模块的规模，由一个或多个集装箱组成该原料预处理模块。例如，可在一个集装箱中设置原料气处理系统，在其它集装箱中设置液体或固体原料存储和输送系统。在某些实施方案中，一个原料预处理模块可包括一个或多个设置有原料气处理系统的集装箱以及一个或多个设置有液体或固体原料存储和输送系统的集装箱。各集装箱之间配置有标准接口。或者，可在一个集装箱中同时设置原料气处理系统和液体或固体原料存储和输送系统，并在整个集成撬装式生物发酵装置中设置1 个或多个这样的集装箱。
主发酵模块的主要功能是进行发酵，得到发酵产品，并可实现发酵产品的粗分离。主发酵模块可由一个或多个不同规格的标准集装箱构成，集装箱之间配置标准接口。
主发酵模块可包括一个或数个发酵系统以及一个或数个产物分离系统。可根据模块的规模，由一个或多个集装箱组成主发酵模块。每个集装箱配置一个或数个发酵系统以及一个或数个产物分离系统，在各个集装箱之间采用标准接口，用以连接相邻集装箱内的设备。发酵系统包括发酵所需的各种装置，例如发酵罐。产物分离系统则包括产物分离所需的装置，如膜分离模块，具体可包括如膜分离设备。
产物后处理模块的主要功能是对发酵产品进行后处理，得到最终发酵产品。因此，产物后处理模块可设有对产物进行后处理的各种装置。这些装置包括但不限于清液罐、清液浓缩装置、重液罐、离心过滤装置、烘干系统、干料粉碎系统和深加工系统中的部分或全部设备等。清液罐和重液罐分别用于存放清液和重液。清液浓缩装置可以为板框过滤机、蝶式离心机、真空转鼓过滤机等浓缩设备。烘干系统包括真空干燥机、滚筒干燥机、喷雾干燥机等设备。干料粉碎系统主要包括粉碎机和/或包装机等设备。深加工系统可以包括破壁机和/或萃取塔等设备，可提取高端产品。
产物后处理模块中产生的清液既可以作为产品，又可以作为培养基返回发酵模块重复利用；重液则可通过干燥、破壁、粉碎等后处理操作，得到固体产品或液体产品。
产品后处理模块可由一个或多个不同规格的标准集装箱构成，集装箱之间配置标准接口，用以连接相邻集装箱内的设备。
三废处理模块的主要功能是对发酵过程中产生的三废，即废气、废液和固体废物进行处理。三废符合国家标准后，统一排放。废气主要是发酵过程中产生的尾气；废液和固体废物主要是发酵过程中产生的废液和固体废弃物。因此，三废处理模块主要包括处理发酵过程中产生的废气、废液和/或固体废物的设备或装置，包括但不限于尾气处理设备、废液处理设备和存储容器。废气可通过尾气处理设备如脱酸罐(塔)和/或脱水罐(塔)等设备达到国家排放标准后进行排放。废液通过废液处理设备如澄清池、厌氧池、过滤池和好氧池等处理，达到排放标准后统一排放到污水处理区。固体废物则可直接运输到专门的固体废物处理机构进行处理。因此，三废处理模块通常可包括尾气处理设备、废液处理设备和存储容器等部分或全部设备。
三废处理模块可由一个或多个不同规格的标准集装箱构成，集装箱之间配置有用于连接相邻集装箱内的设备的标准接口。
操作及分析模块的主要功能是对发酵过程进行操作控制，并实现产品及中间品进行中控分析。操作及分析模块可分为操作区和分析区，操作及分析模块主要包括操作系统、分析台和工作台等。根据模块规模、操作要求、分析要求可由一个或多个集装箱组成，集装箱之间配置有用于连接相邻集装箱内的设备标准接口。分析区可设置有发酵过程使用的材料到或获得的产物(包括原料气、原料液、发酵过程中的样品、废气、废液和固体废物等)的检测和分析设备。例如，所述分析区可设有超净工作台和/或厌氧操作台、分光光度计、显微镜、离心机、电子天平、磁力搅拌器、气相色谱仪和/或液相色谱仪等。
在操作及分析模块中，集装箱内分析仪器及配套管路采用标准接口，可作为标准的移动分析站。分析台及工作台等进行产品及中间产品的分析，根据需要可以配置所需的各种分析仪器，保证系统按照工艺要求完成生产或实验。操作系统主要为实现发酵过程的自动化控制，控制系统根据需求可以是DCS控制或PLC控制。
应理解的是，本实用新型的集成撬装式生物发酵装置中，模块与模块之间、同一模块内不同集装箱之间以及同一集装箱内的不同设备之间的配套管路均采用标准接口。此外，根据设备的属性，各模块所含的设备或装置可固定在相应的集装箱内；或者，各集装箱内可设置相应的固定结构，以方便相应的设备可拆卸地安装到该集装箱的相应位置上并可从该固定结构上拆卸下来。
图1示出了本实用新型集成撬装式生物发酵装置各模块的示意图。如图1 所示，本实用新型的集成撬装式生物发酵装置包括原料预处理模块100、主发酵模块200、产物后处理模块300、三废处理模块400和操作及分析模块500。
原料预处理模块100中设置有原料气处理系统和液体或固体原料存储和输送系统。如图1所示，该原料预处理模块100的原料气处理系统设置有压缩机 101、气体净化器102和储气罐103。在某些实施方案中，该气体净化器102可以是脱水设备、脱油设备、脱硫设备、脱氧设备、除尘设备等净化设备中的一个或多个，可根据实际的情况设置。该原料预处理模块100的液体或固体原料存储和输送系统设置有原料罐104、配料罐105和进料泵106。主发酵模块200 包括主发酵装置201和产物分离系统202。产物分离系统可以是例如膜分离模块。产物后处理模块300包括清液罐301、清液浓缩装置302、重液罐303、离心过滤装置304、烘干系统305、干料粉碎系统306和深加工系统306。三废处理模块400包括尾气处理设备401、澄清池402、厌氧池403、过滤池404和好氧池405。尾气处理设备401可以是脱酸罐或脱酸塔和/或脱水罐或脱水塔。操作及分析模块500包括操作区501和分析区502。
可根据实际的生产情况，例如原料的情况、生产规模等设置不同数量的不同模块。例如，对于普通的生产或实验，本实用新型的集成撬装式生物发酵装置可包括1个原料预处理模块、1个主发酵模块、1个产物后处理模块、1个三废处理模块和1个操作及分析模块，每个模块由一个集装箱组成。对于原料较为干净并需要较大产能的情况，本实用新型的集成撬装式生物发酵装置可包括 1个原料预处理模块、2个以上主发酵模块、2个以上产物后处理模块、2个以上三废处理模块和1个操作及分析模块，每个模块由一个集装箱组成，模块之间采取标准接口。对于原料比较复杂，产能较大，三废很少的情况，可设置集成撬装式生物发酵装置，使其包括2个以上原料预处理模块、2个以上主发酵模块、2个以上产物后处理模块、2个以上三废处理模块和1个操作及分析模块，每个模块由一个集装箱组成，模块之间采取标准接口。
因此，通常，本实用新型的集成撬装式生物发酵装置中，原料预处理模块的数量可为1个或多个，例如1～4个；主发酵模块可为1个或多个，例如1～ 4个；产物后处理模块可为1个或多个，例如1～4个；三废处理模块可为1个或多个，例如1～4个。操作及分析模块通常为1个。每一个模块可设置有1 个或多个集装箱，每个模块的每个集装箱中的设备可相同或不同。例如，原料预处理模块可设置2个集装箱，其中一个集装箱可设为进行原料气体处理，而另一个集装箱则设为进行液体或固体处理。通常，在本文中，“多个”指2个以上，例如2到4个，甚至更多个。
采用本实用新型的集成撬装式生物发酵装置进行发酵的大致流程可如下所示：
(1)原料气预处理；例如，原料气通过原料气发生器产生后，通过原料气净化装置脱水、脱油、脱硫、脱氧后进入储气罐；
(2)使用输送系统将原料罐和配料罐中的原料液输送到主发酵模块的主发酵装置中，灭菌后接入种子液，然后从储气罐中通入通过压缩机压缩的发酵气进行发酵；
(3)发酵产物利用主发酵模块的产物分离系统进行分离，例如利用膜分离系统进行分离；
(4)分离产物可作为下一级发酵的原料进入后续发酵模块，或直接进入产物后处理系统进行后处理，得到固体和液体产品；发酵尾气则进入三废处理模块进行处理。
整个发酵过程可由操作及分析模块中的操作系统自动化控制完成。上述流程中所产生的各种产物，例如原料气、原料液、发酵产物、尾气等的分析工作可在操作及分析模块中的分析区完成。
下文将以具体实施例的方式产生本实用新型。应理解，这些实施例仅仅是阐述性的，并非限制本实用新型的范围。应理解的是，本文所述的“系统”通常指设备。
实施例1
图2示出了本实用新型的一个集成撬装式生物发酵装置，包括一个原料预处理模块、一个主发酵模块、一个产物后处理模块、一个三废处理模块和一个操作及分析模块，主要应用于普通生产或实验。每个模块由一个集装箱组成，模块之间采取标准接口用以连接相邻模块内的设备。
此原料预处理模块包括原料气发生器、气体净化器、压缩机和储气罐。原料气通过原料气发生器产生后，通过原料气净化器脱水、脱油、脱硫、脱氧后进入储气罐，储气罐的气体通过压缩机进入主发酵模块。原料预处理模块与主发酵模块中的设备通过标准接口进行连接。原料预处理模块还包括原料罐、配料罐和进料泵。
主发酵模块包括主发酵罐和产物分离系统。原料液经过进料泵输送到主发酵罐后灭菌，然后加入种子，将储气罐中的原料气通入发酵罐进行发酵。发酵产物经过产物分离系统的膜分离系统进行产物分离，分离产物进入产物后处理模块，发酵尾气进入三废处理模块进行处理。主发酵模块与产物后处理模块及三废处理模块中的设备均通过标准接口进行连接。
产物后处理模块包括清液罐、清液提纯装置、重液罐、离心过滤装置、烘干机、干料粉碎系统和深加工系统中的部分或全部设备，经过后处理得到固体和液体产品。
三废处理模块包括尾气处理设备(如脱酸罐/塔，脱水罐/塔)和废液处理设备如澄清池、厌氧池、过滤池和好氧池，三废经过处理达到国家排放标准后进行排放。
操作及分析模块设有操作区和分析区，分别包括操作系统及分析设备。操作系统主要为实现发酵过程的自动化控制，控制系统为DCS控制或PLC控制。分析设备包括所需的各种分析仪器，主要实现产品及中间产品的分析，保证系统按照工艺要求完成生产或实验。
实施例2
图3示出了本实用新型另一种集成撬装式生物发酵装置，包括1个原料预处理模块、3个主发酵模块、3个产物后处理模块、2个三废处理模块和1个操作及分析模块，主要应用于原料较为干净并需要较大产能的情况。每个模块由一个集装箱组成，模块之间采取标准接口连接各模块内的设备。
原料经过简单的预处理进入3个主发酵模块，3个主发酵模块可以提供较大的产能，主发酵模块内的流程与实施例1基本类似，3个主发酵模块生产的粗产物分别进入3个产物后处理模块。产物后处理模块流程基本跟实施例1类似，但可根据产品需求，调整产品比例；主发酵模块及产物后处理模块产生的三废进入2个三废处理模块进行处理，一个三废处理模块为用于废气处理，另一个三废处理模块用于废液处理。操作及分析模块基本跟实施例1类似。
实施例3
图4示出了本实用新型另一种集成撬装式生物发酵装置，包括4个原料预处理模块、3个主发酵模块、3个产物后处理模块、2个三废处理模块和1个操作及分析模块，主要应用于原料比较复杂，产能较大，三废很少的情况。每个模块由一个集装箱组成，模块之间采取标准接口连接各模块内的设备。
本实施例中各原料预处理模块、主发酵模块、产物后处理模块、三废处理模块和操作及分析模块的设备与实施例1中的每个相应模快基本相同。
由于原料气比较复杂，需要多步处理，经过4个原料预处理模块除杂净化加压，模块里主要包含脱油、脱尘、脱水、脱氧、脱杂等设备，经过预处理的原料气进入3个主发酵模块，3个主发酵模块可以提供较大的产能，发酵模块内流程与实施例1基本类似，3个发酵模块生产的粗产物分别进入3个产物后处理模块，产物后处理模块流程基本跟实施例1类似，但可根据产品需求，调整产品比例。由于三废较少，经过1个三废处理模块的处理，即可达到排放要求。操作及分析模块基本跟实施例1类似。