一种同时实现合成气发酵与分离的偶联膜设备的制作方法 【技术领域】 [0001] [0002] 本实用新型属于合成气发酵与分离【技术领域】，具体涉及一种同时实现合成气发酵 与分离的偶联膜设备。 [0004] 合成气是一种含有CO、C02、H2、CH4、N2等组分的混合气体，主要来自于煤 、石油、生物质、有机废物等的气化，还有一部分来自于炼钢厂的工业废气。随着全球人 口不断增加和工业化的不断扩大，世界各国对能源的需求剧增。据报道上世纪以石油和煤 炭为主要能源的消耗速率增长了 17倍，石油与煤炭的开采与消耗加大了资源与能源匮乏 的程度，预计50年内世界储备的石油将被耗竭，同时已造成了显著的环境问题，这就使得 人们迫切寻求一种环境友好且可持续的再生能源。燃料乙醇正是一种理想的燃料替代品， 乙醇热值高，燃烧清洁无污染，目前已得到了广泛的使用和工业生产应用。同时，利用合成 气厌氧发酵生产乙醇被认为是一项极具潜力与竞争力的工程应用技术，作用功能及意义非 凡。 [0005] 尽管合成气厌氧发酵乙醇具有多种优点及积极性，但是仍存在制约其进一步发展 的瓶颈问题，主要包括气液传质限制、低细胞密度和合成气组分对酶具有抑制作用三个方 面。其中气液传质低下已被报道成为影响合成气厌氧发酵乙醇过程中的主要限制因素，尤 其是在高菌体密度厌氧发酵乙醇中影响更为突出。反应器是微生物发酵的载体和平台，在 生物反应过程中发挥着中心作用，也是实现产业化的关键设备。在合成气厌氧发酵乙醇中， 一个良好的生物反应器不仅可以提高气液传质效率，降低乙醇产物的积累，减少产物乙醇 对发酵过程的阻滞作用及影响，还能够显著增加产量。目前，已被报道的各种类型的生物反 应器在不断增多，而对于生物反应器的选择主要集中在气液传质、底物利用和产量获得三 方面。新型生物反应器的设计和开发推动着合成气厌氧发酵向前快速发展，有利于商业化 模式的实现。另外，设计和研究开发适应于乙醇发酵生产的新技术也尤为重要，新的生产技 术能够节约材料和降低生产成本，甚至在一定程度上可以弥补发酵反应器生产应用上所产 生的不足。 [0006] 实用新型内容 [0007] 本实用新型的目的在于提供一种同时实现合成气发酵与分离的偶联膜设备，该设 备能提高气液传质速率。
[0008] 本实用新型采用以下技术方案：
[0009] -种同时实现合成气发酵与分离的偶联膜设备，包括主体反应罐，主体反应罐内 设置有中空纤维膜束，主体反应罐上部设置有培养基进口、种子液进口，下部设置有取样 口。中空纤维膜束直径为主体反应罐直径的1/2?2/3。
[0010] 培养基进口与培养基储罐连接，种子液进口与种子罐连接，取样口与膜组件连接。 培养基储罐体积为主体反应罐体积的1/3?1/2,储罐个数可根据实际需求而定。
[0011] 膜组件的乙醇出口与渗透液储槽连接，膜组件的发酵液进口返回主体反应罐。膜 组件采用硅橡胶膜，所连通的渗透液储槽体积是膜组件体积的1/3?1/2,通过渗透液储槽 底部可以抽取部分样本进行含量分析。
[0012] 种子罐上部设有接种口、气体排出口、进样口，种子罐内的底部设有气体分布器。
[0013] 中空纤维膜束的基部进口通过管道与气体储罐连接，中空纤维膜束的顶部出口与 种子罐内的气体分布器连接。
[0014] 管道上设有流量计、止回阀和滤膜过滤器。止回阀防止气体倒回。
[0015] 主体反应罐内的取样口处设置有细胞滤器；细胞滤器孔径为0. 2um，防止发酵液 携带菌体进入膜组件。
[0016] 气体储罐为多个，气体储罐的出口处设有气体分配器。气体分配器通过计算机调 控，气体可以随意调配，同时也不限制于气体的种类。
[0017] 主体反应罐和种子罐的下部均设有放空阀。种子罐高径比设计为4:1?6:1，气体 分布器的直径是种子罐直径的1/3?3/5,气体分布器表面的气孔孔径为0. 5?1. 0_。
[0018] 本实用新型在主体反应罐内设置中空纤维膜束，来自气体储罐的合成气经过滤膜 过滤器过滤后穿过中空纤维膜束进入主体反应罐内以一定速率自下而上流动；来自种子罐 的种子液进入主体反应罐内并附着在中空纤维膜束外，这样合成气自下而上经过中空纤维 膜束会充分地与微生物接触，增加菌体与气体的接触面积，当设置较低的气流速率时又可 延长气体在主体反应罐内的停留时间，利于气体传质；主体反应罐使用过程中密闭,发酵过 程中未被利用的合成气或产生的气体通过中空纤维膜束的顶部出口进入种子罐内的气体 分布器，使其再利用，同时提高菌体对合成气的适应性；主体反应罐内的发酵液经细胞滤器 过滤后由取样口进入硅橡胶膜组件，将发酵液中的乙醇分离出来并汇集到渗透液储槽，其 余部分由种子液进口返回主体反应罐内，如此同时实现对合成气发酵和乙醇分离。
[0019] 本实用新型与现有设备与技术相比，具有如下优点：一方面，通过中空纤维膜束与 膜组件分别使细胞吸附固着并从反应混合产物中及时移除产物乙醇，减少乙醇对反应的阻 滞影响，增长发酵的连续反应进行的时间利于增加产物得率，由于中空纤维膜束增大了菌 体和气体的接触面积及时间，一定程度上较强促进了气液传质；另一方面，主体反应罐尾气 可循环充入种子罐中，不仅可再次利用合成气、减少其排放，而且可提高菌体对合成气的适 应性，利于菌体较快生长和挂膜，缩短种子液在发酵培养基中的适应时间，提高乙醇发酵生 产效率。




[0021] 图1为本实用新型的结构示意图。


[0023] 如图1所示的同时实现合成气发酵与分离的偶联膜设备，包括主体反应罐17,主 体反应罐17内设置有中空纤维膜束9,主体反应罐17上部设置有培养基进口 10、种子液进 口 18,下部设置有取样口 15。中空纤维膜束9直径为主体反应罐17直径的1/2?2/3。
[0024] 培养基进口 10通过流量计、泵与培养基储罐13连接，种子液进口 18与种子罐31 的取液口 25连接，取样口 15通过泵、流量计与硅橡胶膜组件21连接。培养基储罐13体积 为主体反应罐17体积的1/3?1/2,培养基储罐13个数可根据实际需求而定。
[0025] 硅橡胶膜组件21的乙醇出口与渗透液储槽22连接，硅橡胶膜组件21的发酵液进 口返回主体反应罐17。渗透液储槽22体积是硅橡胶膜组件21体积的1/3?1/2,通过渗 透液储槽22底部可以抽取部分样本进行含量分析。
[0026] 种子罐31上部设有接种口 29、气体排出口 30、进样口 28,种子罐31内的底部设有 气体分布器26。
[0027] 中空纤维膜束9的基部进口通过设有流量计、止回阀7和滤膜过滤器8的管道与 气体储罐1连接，中空纤维膜束9的顶部出口与种子罐31内的气体分布器26连接。
[0028] 主体反应罐17内的取样口 15处设置有细胞滤器16 ;细胞滤器16孔径为0. 2um， 防止发酵液携带菌体进入硅橡胶膜组件21。
[0029] 气体储罐1为多个，气体储罐1的出口处设有气体分配器5,气体分配器5通过计 算机4调控，气体可以随意调配，同时也不限制于气体的种类。
[0030] 主体反应罐17和种子罐31的下部均设有放空阀14。种子罐31高径比设计为 4:1?6:1，气体分布器26的直径是种子罐31直径的1/3?3/5,气体分布器26表面的气 孔孔径为0. 5?1. 0_。
[0031] 具体操作如下：
[0032] 培养基进口 10与培养基储罐13之间的泵开启，培养基进口 10打开，取样口 15和 放空阀14关闭，培养基由管路通过培养基进口 10输入主体反应罐17内，当培养基高度达 到中空纤维膜束9上端基部时关闭泵。然后以一定流速将种子罐31内的种子液通过管路 经接种口 18进入主体反应罐17内部。接着，启动计算机4并运行相应程序，气体储罐1打 开，止回阀7开启，发酵早起阶段气体供应流速为正常发酵阶段气体流速的1 / 3?1 / 2， 待发酵过程进行到菌膜形成时间(依不同菌体而定)时在线将流速调至正常值。主体反应罐 17内剩余气体流经中空纤维膜束9的顶部出口进入气体分布器26,气体在气体分布器26 内形成微小气体气泡，气泡在种子罐31内向上流动和利用，剩余的废气将到达种子罐31顶 部，并通过上部设置的气体排出口 30排出。在种子罐31工作过程中可随时从取液口 25取 出种子液样本进行菌体生长状况跟踪。当发酵过程进行到一定时间，可利用相关乙醇检测 设备从主体反应罐17底部的取样口 15取样测定乙醇含量，即达到相关乙醇含量(最低抑制 反应进行的乙醇量)时打开取样口 15并开启泵，使主体反应罐17内部的发酵液通过管路流 入硅橡胶膜组件21，发酵液中的乙醇组分将在此得到分离而流入渗透液储槽22内储存，另 外分离后的发酵液将又随管路经接种口 18返回到主体反应罐17内部。乙醇产物发酵过程 接结束后即可打开放空阀14并及时进行主体反应罐17清洗。
[0033] 本实施例中实验的合成气的特征是：合成气气体种类和比例因需要而定；同时也 可使用由煤、石油、生物质、生活有机废物气化所得的合成气或工业生产废气，如钢厂废 气等。