一种利用纤维素热解液高效制乙醇的微生物电解池装置

1.本实用新型涉及微生物发酵产乙醇用的装置技术领域，更具体的说是涉及一种利用纤维素热解液高效制乙醇的微生物电解池装置。


背景技术：

2.作为主要生物质能之一的木质纤维素类生物质，如农作物秸秆、杂草、林业废弃物等，可通过物理化学或生物化学技术被转化为氢气、甲烷、生物乙醇、丁醇、生物柴油及其它高附加值的化学品等。其中，生物乙醇逐年上升的利用率减少了助燃剂甲基叔二丁醚等有毒有害污染物在燃料中的应用。此外，以木质纤维素生物质废物为原料生产乙醇，不仅可缓解因利用农作物发酵产乙醇而造成的粮食紧缺问题，同时，也可以实现农林业固体废物的资源化利用。
3.对木质纤维素类物质进行处理时，除了释放可作为可作为发酵底物的糖类物质，还会释放一些具有生物抑制毒性的物质，这些抑制物的存在是实现木质纤维素生物质向生物乙醇等清洁能源转化的一个重要障碍。因此，传统产乙醇需要先对纤维素热解液进行脱毒处理(如现有技术cn 111269947a，名称为一种酸水解液脱毒及制备纤维素乙醇的方法)后，然后再通过发酵技术将糖类转换为生物乙醇的过程，不仅原材料处理成本高，而且乙醇生产效率较低。
4.因此，如何提供一种可提高乙醇生产效率的利用纤维素热解液高效制乙醇的微生物电解池装置是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型提供了一种可提高乙醇生产效率的利用纤维素热解液高效制乙醇的微生物电解池装置。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
7.一种利用纤维素热解液高效制乙醇的微生物电解池装置，包括：
8.反应器，所述反应器的顶端连接有进料管，所述进料管上位于进料口的下方位置设有进料阀，所述反应器的一侧壁上由上至下分别连接有集气管、集液管、排液管，且所述集气管上设有集气阀、所述集液管上设有集液阀、所述排液管上设有排液阀，所述反应器的侧壁内部设有加热循环水腔，所述加热循环水腔上连接有与其均连通的循环水入管和循环水出管，所述反应器的顶端插接有伸入其内部的阴极棒和阳极棒；
9.恒温水浴锅，所述恒温水浴锅设置在所述反应器外部，且所述恒温水浴锅的进口和出口分别与所述循环水出管、所述循环水入管通过输水管连通；
10.恒压电源，所述恒压电源设置在所述反应器外部，且所述恒压电源通过导线分别与所述阴极棒和所述阳极棒电连接。
11.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种利用纤维素热解液高效制乙醇的微生物电解池装置，其中，恒压电源通过阴极棒和阳极棒对反应
器内部的反应液(发酵底物(纤维素热解液)与事先配置好的营养液及微生物菌种)进行电解，其能够提高微生物利用热解液产乙醇的能力而且也能够刺激微生物的活性，强化其传递电子的速率，提高产乙醇的效率与产量，加快反应周期，减少运行成本，促进纤维素热解液的资源化利用；而恒温水浴锅可保持反应过程中温度的恒定，保证发酵效果，若温度发生变化，只需重新设定温度，使温度恒定即可。
12.进一步的，还包括均与所述阴极棒和所述阳极棒电连接的电化学工作站。
13.采用上述技术方案产生的有益效果是，可利用循环伏安法(cv)、塔菲尔曲线(tafel)线性扫描伏安曲线(lsv)和电化学阻抗(eis)等测量方法对反应过程中微弱电流的变化进行检测，实现电流微弱变换的调控，从而提高电化学系统的稳定性。
14.进一步的，还包括设置在所述反应器内部的压力传感器。
15.进一步的，还包括设置在所述反应器内部的温度传感器。
16.进一步的，还包括设置在所述反应器内部的ph传感器。
17.采用上述技术方案产生的有益效果是，能够实时检测反应过程中反应器内部的压力、反应液的温度、反应液的ph值的参数，并及时进行调控，保证反应过程实时处于最优化的反应条件，便于保证乙醇生产的质量。
18.进一步的，还包括设置在所述反应器内部的搅拌装置。
19.进一步的，所述搅拌装置包括：
20.搅拌轴，所述搅拌轴竖向转动安装在所述反应器的顶端，所述搅拌轴一端伸入至所述反应器内部，其上安装有搅拌叶片，所述搅拌轴另一端伸出所述反应器布置；
21.搅拌电机，所述搅拌电机通过支架固定在所述反应器顶端，所述搅拌电机的输出轴与所述搅拌轴另一端固定连接。
22.采用上述技术方案产生的有益效果是，搅拌电机带动搅拌轴转动，进而使得搅拌轴上的搅拌叶片转动，搅拌叶片对反应器内部的反应液进行搅拌，可加快反应液的反应速率，提高乙醇生产效率。
23.进一步的，所述反应器外侧壁上包裹有保温棉层。
24.采用上述技术方案产生的有益效果是，避免反应内内部的温度散发到外界环境中，造成热量的丢失。
25.综上，与现有的技术相比，本实用新型具有以下优点：
26.①
通过对发酵过程额外增加电化学系统(恒压电源、阴极棒和阳极棒)，不但能够为微生物提供能量，同时也能够刺激微生物的活性，强化其传递电子的速率，大大缩短发酵时间，减少了长时间发酵所消耗的成本，显著提高了微生物产乙醇的产量与产率，后期经过液体组分的分离与纯化，微生物所产的乙醇可达工业用酒精的纯度。
27.②
与传统型发酵产乙醇相比，本实用新型能够有效提高木制纤维素热解液原料的整体利用率。传统型发酵不能直接利用纤维素热解液，因为其含有一些具有生物抑制毒性的物质。所以，传统型发酵首先对热解液进行脱毒处理，本实用新型通过使用微生物电解池技术，可促使热解液中95％的内醚糖、98％的糠醛和乙酸、67-100％的丙酸、21-57％的5-羟甲基糠醛和95％的酚类物质被转化利用，强化微生物对抑制物的抵抗或转化能力以及乙醇发酵能力，能够实现木质纤维素热解液到生物乙醇的一步式发酵，从而大大降低原料处理成本并提高乙醇生产效率。
28.③
本实用新型加入了电化学工作站，可利用循环伏安法(cv)、塔菲尔曲线(tafel)线性扫描伏安曲线(lsv)和电化学阻抗(eis)等测量方法对反应过程中微弱电流的变化进行检测，实现电流微弱变换的调控，从而提高电化学系统的稳定性。
29.④
本实用新型的能量转化率高，只需给电路提供一个很小的电压(0.2-1.0v)就能够显著提高乙醇的产量及产率。如果不记底物的能量，微生物电解池的这个特点使得其产生的乙醇的能量远大于输入其的电能。
30.⑤
本实用新型的开发可适用于大中小型微生物无菌发酵制乙醇的使用，适用范围可在0.5l-1000l，均有良好的使用效果，在生产过程中只需要已知设计参数并根据实际情况更换材料即可，可适用于不同规模的工业生产和日常使用，减少了纤维素热解液的浪费，促进了其资源化利用。
31.⑥
本实用新型增设了相应的阀门，对进料、收集、排料进行实时严格地控制，降低了操作过程的风险，保证了反应器的安全性，同时也更便于操作。并且通过热解液连续补加至反应器内，发酵后的热解液进入下游过程进行分离，可实现批次生产和连续生产的无缝转换，转换操作不需要暂停反应过程，大大减少了转换时间和降低了人工成本，且产乙醇产率仍然能够得到保证。并且增设阀门可严格控制反应器的无菌环境，保证无菌环境产乙醇的微生物时刻处于最适宜的反应条件。
附图说明
32.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
33.图1附图为本实用新型提供的一种利用纤维素热解液高效制乙醇的微生物电解池装置的结构示意图。
具体实施方式
34.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
35.参见图1，本实用新型实施例公开了一种利用纤维素热解液高效制乙醇的微生物电解池装置，包括：
36.反应器1，反应器1的顶端连接有进料管2，进料管2上位于进料口3的下方位置设有进料阀4，反应器1的一侧壁上由上至下分别连接有集气管5、集液管6、排液管7，且集气管5上设有集气阀、集液管6上设有集液阀、排液管7上设有排液阀，集气管5、集液管6、排液管7均连接有收集容器，反应器1的侧壁内部设有加热循环水腔8，加热循环水腔8上连接有与其均连通的循环水入管9和循环水出管10，反应器1的顶端插接有伸入其内部的阴极棒11和阳极棒12；
37.恒温水浴锅13，恒温水浴锅13设置在反应器1外部，且恒温水浴锅13的进口和出口
分别与循环水出管10、循环水入管9通过输水管连通；
38.恒压电源14，恒压电源14设置在反应器1外部，且恒压电源14通过导线分别与阴极棒11和阳极棒12电连接。
39.本实用新型的利用纤维素热解液高效制乙醇的微生物电解池装置，还包括均与阴极棒11和阳极棒12电连接的电化学工作站15。
40.本实用新型的利用纤维素热解液高效制乙醇的微生物电解池装置，还包括设置在反应器1内部的压力传感器16。
41.本实用新型的利用纤维素热解液高效制乙醇的微生物电解池装置，还包括设置在反应器1内部的温度传感器17。
42.本实用新型的利用纤维素热解液高效制乙醇的微生物电解池装置，还包括设置在反应器1内部的ph传感器18。
43.本实用新型的利用纤维素热解液高效制乙醇的微生物电解池装置，还包括设置在反应器1内部的搅拌装置19。
44.搅拌装置19包括：
45.搅拌轴191，搅拌轴191竖向转动安装在反应器1的顶端，搅拌轴191一端伸入至反应器1内部，其上安装有搅拌叶片，搅拌轴191另一端伸出反应器1布置；
46.搅拌电机192，搅拌电机192通过支架固定在反应器1顶端，搅拌电机192的输出轴与搅拌轴191另一端固定连接。
47.反应器1外侧壁上包裹有保温棉层20。
48.下面介绍本实用新型的具体操作过程：
49.操作者首先将反应器、温度、ph传感器、搅拌装置等需要与反应液接触的设备进行灭菌处理，保证没有其他微生物影响实验结果；接着将反应器顶端的平盖封头打开(通过螺栓连接的方式将平盖封头与反应器相连)，将反应液(发酵底物(纤维素热解液)与事先配制好的营养液及微生物菌种)加入到反应器中，接着进行密封处理(搅拌口采用密封胶处理，反应器与平盖封头之间有橡胶垫密封)；调节搅拌电机转速达到匀速稳定的状态，调节恒温水浴锅，使反应系统的温度保持在微生物最适宜的生长条件下；调节恒压电源的微电压达到反应所需的电势差，加快反应系统内电子的传递速率，降低反应周期，也增加了发酵底物的利用率；之后打开集气阀、集液阀，分别收集反应过程中产生的气体和液体；在系统反应结束后，打开排液阀，排出反应系统内的发酵液，可实现由批次实验向连续实验的无缝转换，转换过程不需要暂停实验，大大减少了转换时间，降低了人工成本，也保证了系统的安全性。
50.本实用新型制备乙醇的实例1：
51.以经过热解的废棉花作为发酵底物，大肠杆菌作为微生物来源，同时加入事先配制好的营养液，进行连续发酵。反应系统温度为37
±
1℃，调节ph为7-8，搅拌转速为150r/min，微电源提供0.6-1.0v之间的微弱电压，接入电化学工作站，使用循环伏安法检测反应过程中微弱电流的变化，用液相色谱仪检测发酵液中乙醇的含量。
52.本实用新型制备乙醇的实例2：
53.以经过热解的秸秆作为发酵底物，大肠杆菌作为微生物来源，同时加入事先配制好的营养液，进行连续发酵。反应系统温度为37
±
1℃，调节ph为6-7，搅拌转速为200r/min，
微电源提供0.7-0.9v之间的微弱电压，接入电化学工作站，使用循环伏安法检测反应过程中微弱电流的变化，用液相色谱仪检测发酵液中乙醇的含量。
54.对上述实验的测量结果进行分析，研究发现由纤维素热解液在电化学系统的辅助条件下发酵产乙醇主要经由以下步骤：
55.纤维素预处理方法
→
纤维素热解液的制备(热化学降解法)
→
微生物菌种的来源为经过适应进化的大肠杆菌
→
将大肠杆菌加入生物反应器
→
进行发酵，大肠杆菌利用热解液中的内醚糖产生生物乙醇
→
将反应结束后的发酵液收集起来，液体成分中含有乙醇
→
对发酵液进行分离提纯，得到大量纯净的乙醇。
56.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
57.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。