專利名稱：一種合成氣發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸和醇的反應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種合成氣厭氧發(fā)酵裝置，發(fā)酵產(chǎn)物為有機(jī)酸或醇，其特點(diǎn)在于能
大大提高氣體底物的利用率。
背景技術(shù)：
合成氣來自于煤、石油、生物質(zhì)和有機(jī)廢物的氣化，是這些含碳物質(zhì)部分氧化和高 溫分解產(chǎn)生的，它的主要成分為CO， 4和(1)2。研究發(fā)現(xiàn)，合成氣是一類豐富而廉價(jià)的生物 加工原料，可通過厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乙酸，丁酸，乙醇和丁醇等。乙醇是一種優(yōu)質(zhì)的液體燃料， 其比熱容、辛烷值(抗爆性)、汽化潛熱等均優(yōu)于汽油，且不含硫和灰份等雜質(zhì)，是汽油的理 想替代品。乙酸、丁酸和丁醇則是重要的溶劑和化工原料。不少研究者認(rèn)為，在生物質(zhì)、廢 棄物和一些不能用于直接發(fā)酵的原料轉(zhuǎn)化上，合成氣發(fā)酵將發(fā)揮重要作用。
能夠利用合成氣生產(chǎn)有機(jī)酸和醇的是一類特殊的厭氧微生物，該發(fā)酵過程是一個(gè) 多相的反應(yīng)過程，包括氣體底物、培養(yǎng)液和微生物細(xì)胞等氣、液、固三相。氣體底物需要經(jīng)過 多個(gè)步驟的傳遞才能到達(dá)細(xì)胞表面被微生物吸收利用，因而合成氣發(fā)酵過程的限速步驟是 氣液傳質(zhì)，且由于C0和H2在水中的溶解度低，該傳質(zhì)限制顯得更為突出。因此，用于合成 氣發(fā)酵的反應(yīng)器必須有較高的傳質(zhì)速率。 攪拌罐式反應(yīng)器在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的合成氣發(fā)酵中應(yīng)用非常廣泛，它可以通過提高單 位體積攪拌功率來提高傳質(zhì)速率，可是攪拌功率增加意味著能耗增加，一定程度上限制了 它在工業(yè)規(guī)模上的應(yīng)用。另一種常用的反應(yīng)器是氣升式反應(yīng)器，它不設(shè)攪拌裝置，但需要提 高通氣量來實(shí)現(xiàn)通氣與攪拌的目的。因?yàn)楹铣蓺饨M分在水中的溶解度低，通入的氣體底物 未能充分利用就被作為廢氣排出，大大降低了底物的利用率。另外，發(fā)酵過程中產(chǎn)生的C02 還可作為發(fā)酵底物利用，直接排放很可惜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的合成氣發(fā)酵反應(yīng)裝置的不足，提供一種新的合成氣
發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸和醇的反應(yīng)裝置，該裝置結(jié)合了攪拌罐式反應(yīng)器與氣升式反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)，
并增加了一個(gè)氣體循環(huán)裝置，在得到高的傳質(zhì)速率的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)氣體的循環(huán)利用。
為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取了以下的技術(shù)方案一種合成氣發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸和
醇的反應(yīng)裝置，包括有主體反應(yīng)器，與主體反應(yīng)器連接并為主體反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的氣體提供
氣體循環(huán)的外部氣體循環(huán)系統(tǒng)，所述主體反應(yīng)器包括有反應(yīng)器罐體、設(shè)置在反應(yīng)器罐體內(nèi)
并通過支架固定的導(dǎo)流筒，導(dǎo)流筒為反應(yīng)器罐體的同心圓柱體；沿導(dǎo)流筒內(nèi)的中軸上設(shè)有
葉片式的攪拌器，該攪拌器帶攪拌葉片的一端靠近導(dǎo)流筒底端設(shè)置，攪拌器另一端連接有
驅(qū)動(dòng)電機(jī)；還包括有氣體分布器，氣體分布器的通氣管伸入到所述導(dǎo)流筒內(nèi)底面與攪拌葉
片下方之間，另一端伸出導(dǎo)流筒與氣體輸入管道連通。 反應(yīng)器罐體內(nèi)部設(shè)置氣體分布器、攪拌器和導(dǎo)流筒，輸入反應(yīng)器的氣體由氣體分 布器分散成小的氣泡，攪拌器進(jìn)一步將這些氣泡破碎，夾帶著細(xì)小氣泡的培養(yǎng)液在導(dǎo)流筒內(nèi)上升，導(dǎo)流筒外部的液體由于密度較大向下流動(dòng)，即在導(dǎo)流筒內(nèi)外形成液體循環(huán)，在這個(gè) 過程中，氣體組分由氣相向液相傳遞，進(jìn)而被微生物利用。由于同時(shí)采用了氣體分布器和攪 拌器，在較低的攪拌轉(zhuǎn)速和較低的氣速下，氣體也能得到很好分散，且由于使用了導(dǎo)流筒， 液體在反應(yīng)器內(nèi)部循環(huán)，延長了氣泡的停留時(shí)間。另外，反應(yīng)器是密封的，內(nèi)部維持一定壓 力，有助于提高氣體組分在水中的溶解度。發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體以及未被利用的氣體排 到液面上方，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)部壓力超過一定值時(shí)，排氣閥門打開，多余的氣體排放到一個(gè)氣體 貯罐中，儲(chǔ)存在該貯罐中的氣體最終由一個(gè)空氣壓縮機(jī)輸送回反應(yīng)器中循環(huán)利用。
所述通氣管彎折成與導(dǎo)流筒內(nèi)底面相同的圓形結(jié)構(gòu)，該圓形的直徑為攪拌葉片直 徑的0. 8 0. 9。 在所述通氣管朝向所述攪拌葉片的方向上開設(shè)有多個(gè)通氣孔。
所述導(dǎo)流筒內(nèi)徑為反應(yīng)器罐體直徑的1/2 2/3。
所述攪拌葉片的直徑為導(dǎo)流筒內(nèi)徑的1/3 1/2。 所述外部氣體循環(huán)系統(tǒng)包括排氣閥、氣體貯罐以及空氣壓縮機(jī)；所述排氣閥一端 與所述反應(yīng)器罐體連接，另一端與氣體貯罐的一端連接，氣體貯罐另一端與空氣壓縮機(jī)連 接，空氣壓縮機(jī)連通到所述氣體分布器，在所述氣體貯罐和空氣壓縮機(jī)之間的氣體管路上 還設(shè)有閥門。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明中的反應(yīng)裝置具有結(jié)構(gòu)簡單及操 作簡單的優(yōu)點(diǎn)，易于放大；可以獲得良好的氣液傳質(zhì)，但不需要很大的攪拌功率和通氣量； 外部氣體循環(huán)系統(tǒng)采用循環(huán)氣路和正常供氣氣路交替使用，既能實(shí)現(xiàn)連續(xù)供氣，又能實(shí)現(xiàn) 氣體的循環(huán)利用，大大提高了氣體底物的利用率。


圖1為本發(fā)明合成氣發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸和醇的反應(yīng)裝置示意圖； 附圖標(biāo)記說明l-電機(jī)，2-反應(yīng)器罐體，3-導(dǎo)流筒，4-攪拌器，41-攪拌葉片，5-氣 體分布器，51-通氣管，52-通氣孔，6-排氣閥，7-氣體貯罐，8-閥門，9-閥門，10-空氣壓縮 機(jī)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例 請(qǐng)參閱圖1所示，一種合成氣發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸和醇的反應(yīng)裝置，包括有主體反應(yīng) 器，與主體反應(yīng)器連接并為主體反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的氣體提供氣體循環(huán)的外部氣體循環(huán)系統(tǒng)， 主體反應(yīng)器包括有反應(yīng)器罐體2、設(shè)置在反應(yīng)器罐體2內(nèi)并通過支架固定的導(dǎo)流筒3，反應(yīng) 器罐體2為圓柱形結(jié)構(gòu)，高徑比為2 3，罐底為橢圓形或錐形，頂蓋為橢圓形并以法蘭連 接，內(nèi)裝發(fā)酵液；導(dǎo)流筒3為反應(yīng)器罐體2的同心圓柱體；沿導(dǎo)流筒3內(nèi)的中軸上設(shè)有葉片 式的攪拌器4，該攪拌器4帶攪拌葉片41的一端靠近所述導(dǎo)流筒3底端設(shè)置，攪拌器4另 一端連接有驅(qū)動(dòng)電機(jī)l，驅(qū)動(dòng)電機(jī)1為攪拌器4提供動(dòng)力；還包括有氣體分布器5，氣體分布 器5的通氣管51伸入到導(dǎo)流筒3內(nèi)底面與攪拌葉片41下方之間，另一端伸出導(dǎo)流筒3與 氣體輸入管道連通。
通氣管51彎折成與導(dǎo)流筒3內(nèi)底面相同的圓形結(jié)構(gòu)，該圓形的直徑為攪拌葉片41
直徑的0. 8 0. 9，同時(shí)在通氣管51朝向攪拌葉片41的方向上開設(shè)有多個(gè)通氣孔52，通氣
孔52的直徑根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)不同的大小，本實(shí)施例中設(shè)計(jì)為lmm的小孔。 導(dǎo)流筒3內(nèi)徑為反應(yīng)器罐體2直徑的1/2 2/3 ;攪拌器4位于導(dǎo)流筒3內(nèi)，攪拌
葉片41的直徑為導(dǎo)流筒3內(nèi)徑的1/3 1/2，由于只在導(dǎo)流筒3內(nèi)進(jìn)行攪拌，攪拌體積減
小，相應(yīng)的攪拌功率降低； 外部氣體循環(huán)系統(tǒng)包括排氣閥6、氣體貯罐7以及空氣壓縮機(jī)IO ;排氣閥6—端與 反應(yīng)器罐體2連接，另一端與氣體貯罐7的一端連接，排氣閥6是一個(gè)由壓力控制的閥門， 當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)部壓力超過一定值(比如O. 3MP)時(shí)，閥門開啟，壓力低于該數(shù)值時(shí)閥門關(guān)閉，氣 體貯罐7另一端與空氣壓縮機(jī)10連接，氣體貯罐7用于儲(chǔ)存未被利用的氣體及發(fā)酵過程產(chǎn) 生的氣體，貯罐內(nèi)的壓力《0. 2MP，空氣壓縮機(jī)10連通到所述氣體分布器5，在氣體貯罐7 和空氣壓縮機(jī)10之間的氣體管路上還設(shè)有閥門(S，9)，閥門(8，9)用于控制氣路，可交替使 用，閥門8開啟時(shí)，進(jìn)入空氣壓縮機(jī)10的為貯罐內(nèi)氣體，閥門9開啟時(shí)則為新的合成氣，空 氣壓縮機(jī)10用來將氣體增壓后送入反應(yīng)器。
具體操作如下 閥門8關(guān)閉，閥門9開啟，新的合成氣經(jīng)由管路進(jìn)入空氣壓縮機(jī)IO，再由空氣壓縮 機(jī)10送入裝有培養(yǎng)液的反應(yīng)器，然后從氣體分布器5通氣管51的通氣孔52里以氣泡形式 溢出。上升的氣泡碰到攪拌器4的葉片41被破碎成更小的氣泡，夾帶著氣泡的液體在導(dǎo)流 筒3內(nèi)向上流動(dòng)，而導(dǎo)流筒3外的液體由于氣泡含量較低，密度較大，向下流動(dòng)，于是形成內(nèi) 外液體的循環(huán)，在這個(gè)過程中，氣相組分逐漸向液相傳遞，進(jìn)而被微生物利用，生成相應(yīng)的 產(chǎn)物；氣泡在液體中停留時(shí)間越長，氣體利用就越完全。最后，剩余的氣體以及發(fā)酵過程中 產(chǎn)生的氣體都從發(fā)酵液的表面溢出，進(jìn)入上層氣相。當(dāng)反應(yīng)器上層氣相壓力大于0.3MP時(shí)， 排氣閥6打開，多余氣體排放到氣體貯罐7中，反應(yīng)器內(nèi)壓力降到0. 3MP以下時(shí)排氣閥6關(guān) 閉；氣體貯罐7中的氣體儲(chǔ)存到一定量時(shí)，比如貯罐內(nèi)壓力達(dá)到0. 2MP，閥門8開啟，閥門9 關(guān)閉，進(jìn)行氣體的循環(huán)利用，直至貯罐內(nèi)氣壓降到一定值以下，重復(fù)上述步驟。
本實(shí)施例中使用的合成氣的特征是主要成分為CO、 H2和C02，比例不限；由煤、石 油、生物質(zhì)或有機(jī)廢物氣化制得。 上列詳細(xì)說明是針對(duì)本發(fā)明可行實(shí)施例的具體說明，該實(shí)施例并非用以限制本發(fā) 明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均應(yīng)包含于本案的專利范圍中。
權(quán)利要求
一種合成氣發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸和醇的反應(yīng)裝置，包括有主體反應(yīng)器，與主體反應(yīng)器連接并為主體反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的氣體提供氣體循環(huán)的外部氣體循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于所述主體反應(yīng)器包括有反應(yīng)器罐體(2)、設(shè)置在反應(yīng)器罐體(2)內(nèi)并通過支架固定的導(dǎo)流筒(3)，導(dǎo)流筒(3)為反應(yīng)器罐體(2)的同心圓柱體；沿導(dǎo)流筒(3)內(nèi)的中軸上設(shè)有葉片式的攪拌器(4)，該攪拌器(4)帶攪拌葉片(41)的一端靠近導(dǎo)流筒(3)底端設(shè)置，攪拌器(4)另一端連接有驅(qū)動(dòng)電機(jī)(1)；還包括有氣體分布器(5)，氣體分布器(5)的通氣管(51)伸入到所述導(dǎo)流筒(3)內(nèi)底面與攪拌葉片(41)下方之間，另一端伸出導(dǎo)流筒(3)與氣體輸入管道連通。
2. 如權(quán)利要求1所述的合成氣發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸和醇的反應(yīng)裝置，其特征在于所述通氣管(51)彎折成與導(dǎo)流筒(3)內(nèi)底面相同的圓形結(jié)構(gòu)，該圓形的直徑為攪拌葉片(41)直 徑的0. 8 0. 9。
3. 如權(quán)利要求1所述的合成氣發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸和醇的反應(yīng)裝置，其特征在于在所述通氣管(51)朝向所述攪拌葉片(41)的方向上開設(shè)有多個(gè)通氣孔(52)。
4. 如權(quán)利要求1所述的合成氣發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸和醇的反應(yīng)裝置，其特征在于所述導(dǎo) 流筒(3)內(nèi)徑為反應(yīng)器罐體(2)直徑的1/2 2/3。
5. 如權(quán)利要求1所述的合成氣發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸和醇的反應(yīng)裝置，其特征在于所述攪 拌葉片(41)的直徑為導(dǎo)流筒(3)內(nèi)徑的1/3 1/2。
6. 如權(quán)利要求1所述的合成氣發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸和醇的反應(yīng)裝置，其特征在于所述外 部氣體循環(huán)系統(tǒng)包括排氣閥(6)、氣體貯罐(7)以及空氣壓縮機(jī)(10);所述排氣閥(6) —端 與所述反應(yīng)器罐體(2)連接，另一端與氣體貯罐(7)的一端連接，氣體貯罐(7)另一端與空 氣壓縮機(jī)(10)連接，空氣壓縮機(jī)(10)連通到所述氣體分布器(5)，在所述氣體貯罐(7)和 空氣壓縮機(jī)(10)之間的氣體管路上還設(shè)有閥門(8，9)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種合成氣發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸和醇的反應(yīng)裝置，包括有主體反應(yīng)器，與主體反應(yīng)器連接并為主體反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的氣體提供氣體循環(huán)的外部氣體循環(huán)系統(tǒng)，主體反應(yīng)器包括有反應(yīng)器罐體、設(shè)置在反應(yīng)器罐體內(nèi)并通過支架固定的導(dǎo)流筒，導(dǎo)流筒為反應(yīng)器罐體的同心圓柱體；沿導(dǎo)流筒內(nèi)的中軸上設(shè)有葉片式的攪拌器，該攪拌器帶攪拌葉片的一端靠近導(dǎo)流筒底端設(shè)置，攪拌器另一端連接有驅(qū)動(dòng)電機(jī)；氣體分布器的通氣管伸入到所述導(dǎo)流筒內(nèi)底面與攪拌葉片下方之間，另一端伸出導(dǎo)流筒與氣體輸入管道連通。外部氣體循環(huán)系統(tǒng)采用循環(huán)氣路和正常供氣氣路交替使用。本發(fā)明中的反應(yīng)裝置具有結(jié)構(gòu)簡單及操作簡單的優(yōu)點(diǎn)；可以獲得良好的氣液傳質(zhì)，但不需要很大的攪拌功率和通氣量；既能實(shí)現(xiàn)連續(xù)供氣，又能實(shí)現(xiàn)氣體的循環(huán)利用，大大提高了氣體底物的利用率。
文檔編號(hào)C12M1/00GK101768540SQ20101011664
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2010年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月12日
發(fā)明者亓偉, 莊新姝, 徐惠娟, 梁翠誼, 袁振宏, 許敬亮 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院廣州能源研究所