《一種生物質發酵反應裝置及套用》是南開大學和天津市塘沽鑫宇環保科技有限公司於2011年7月13日申請的專利，該專利的申請號為2011101952732，公布號為CN102286361A，授權公布日為2011年12月21日，發明人是李維尊、鞠美庭、張德強、劉樂、李鐵龍、王雁南。
一種生物質發酵反應裝置，由發酵反應器、加液管道、加熱裝置、攪拌裝置、測溫裝置、測濕裝置和支架組成，發酵反應器包括上層發酵反應器和下層發酵反應器，發酵反應器為長方體箱式結構並呈疊層狀固定於支架上；利用該反應裝置採用一次加入菌液和兩步發酵法進行生物質發酵反應。該發明的優點是：該反應裝置具有能耗低、成本低、易於操作、安全可靠的特點；在攪拌裝置定期往復攪拌下，可實現物料的充分翻動，達到好氧的目的；該裝置通過精確的熱電偶控溫並結合太陽能技術極大節約能源消耗；雙層反應器的設計提高物料處理能力的同時，根據反應的不同階段特性，使物料分處於上層反應器與下層反應器中，實現反應物的分別處理，提高發酵效率。
2016年12月7日，《一種生物質發酵反應裝置及套用》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種生物質發酵反應裝置及套用》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種生物質發酵反應裝置及套用
- 公布號：CN102286361A
- 授權日：2011年12月21日
- 申請號：2011101952732
- 申請日：2011年7月13日
- 申請人：南開大學、天津市塘沽鑫宇環保科技有限公司
- 地址：天津市南開區衛津路94號
- 發明人：李維尊、鞠美庭、張德強、劉樂、李鐵龍、王雁南
- Int.Cl.：C12M1/00(2006.01)I、C12M1/36(2006.01)I、C12M1/34(2006.01)I、C12M1/02(2006.01)I、C12P1/04(2006.01)I等
- 代理機構：天津佳盟智慧財產權代理有限公司
- 代理人：侯力
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著農業科技的進步，農產品產量大幅提升，另外隨著人民生活水平的提高，城市綠化率亦不斷增長，因此越來越多的農業廢棄物及園林綠化垃圾隨之產生，這些廢棄物不僅與人爭地，同時影響城市形象。為了解決這一問題，垃圾填埋和焚燒成為常規處理手段。由於廢棄物中含有大量的生物質垃圾，在填埋過程中降解緩慢，另外其腐敗酸化後會產生滲濾液和沼氣，不但污染地表水和地下水資源，而且容易導致火災乃至爆炸的危險，嚴重危害周圍人民的生命財產。另一方面，填埋需要大量土地，2011年7月前中國大部分城市已經被垃圾填埋場所包圍，對環境的影響極大。露天垃圾焚燒污染大氣環境，影響交通運輸。通過垃圾焚燒設備處理，由於熱值低，不便於利用，造成資源的浪費。這些垃圾中含有豐富的碳源、氮源等可被微生物利用的資源，因此，微生物降解技術是解決廢棄物的首選方法。
當前生物質微生物處理主要通過發酵槽來實現。該方法具有操作簡單的特點，但是發酵槽占地大、能耗高、發酵效率低，限制其套用。另外發酵罐也是常用的設備，但是其處理能力低和占地面積大是制約其套用的主要問題。該裝置採用一次投入菌劑，兩步法發酵反應；利用高效太陽能技術提供反應所需熱源。該裝置包括：物料傳送器、雙層反應器、攪拌裝置、溫度感應裝置、進料口、出料口。每層反應器均設定濕度控制裝置和排風裝置。通過噴頭，使得加入的水分能夠在反應器中與物料均勻接觸。排風裝置能夠維持反應器中氧氣濃度，減少因好養發酵而產生的濃度波動。該裝置通過PLC程式控制實現攪拌、菌劑加入、控溫、調節濕度、進料與出料等一系列自動化操作。該反應裝置具有結構簡單、成本低、處理量大、節約能源、自動化程度高、易於操作、安全可靠等特點。
發明內容
專利目的
《一種生物質發酵反應裝置及套用》目的在於克服2011年7月前發酵裝置的不足，提供一種高效生物質發酵反應裝置劑套用，與2011年7月前設備相比，可以有效提高微生物發酵效率，節約菌液用量，節約能源消耗，實現批量化生產，降低發酵成本。
技術方案
一種生物質發酵反應裝置，由發酵反應器、加液管道、加熱裝置、攪拌裝置、測溫裝置、測濕裝置和支架組成，發酵反應器包括上層發酵反應器和下層發酵反應器，發酵反應器為長方體箱式結構並呈疊層狀固定於支架上，上層發酵反應器和下層發酵反應器的結構和大小完全相同，發酵反應器的前壁和後壁為夾層結構，發酵反應器分別設有物料入口和出口、加液管道進口、加熱管道進口和出口、排風扇，排風扇鑲嵌於反應器蓋上；加液管道分別設有閥門用於控制在同一管道分別添加菌液和水，加液管道進入發酵反應器後在液體出口分別設有霧化噴頭；加熱裝置為太陽能熱水器，太陽能熱水器的兩個換熱器分別設於上、下層發酵反應器前壁和後壁的夾層內並通過管道從發酵反應器的加熱管道進口和出口連線；攪拌裝置包括電機、傳動皮帶和兩個螺旋式攪拌器，電機固定於支架上，兩個螺旋式攪拌器結構相同，每個螺旋式攪拌器的螺旋攪拌葉自轉動軸中心為界對稱分布且方向相反，兩個螺旋式攪拌器的轉動軸分別通過位於發酵反應器兩面側板中心的軸承座固定於兩個發酵反應器內，電機與兩個螺旋式攪拌器的皮帶輪通過傳動皮帶連線；兩套測溫裝置感測器探頭和兩套測濕裝置的感測器探頭分別位於兩個發酵反應器內並通過導線與控制室的測溫儀和測濕儀連線。
《一種生物質發酵反應裝置及套用》採用一次加入菌液和兩步發酵法進行生物質發酵反應，步驟如下：
1）將粉碎後的生物質加入上層發酵反應器，啟動攪拌器和排風扇；
2）攪拌狀態下通過加液管道向上層發酵反應器分別加入菌液和水並繼續攪拌3-8分鐘，加菌液時加液管道的噴頭孔徑為3毫米，加水時加液管道的噴頭孔徑為1毫米；
3）關閉攪拌器和排風扇，通過測溫計和測濕計顯示物料的溫度和濕度，利用太陽能加熱器為上層發酵反應器供熱使溫度保持在40-50℃，利用加液管道補水使濕度保持在35-55%；
4）發酵反應過程中，攪拌器每12小時攪拌一次，攪拌時間持續15分鐘，包括正向攪拌10分鐘後、逆向攪拌5分鐘，攪拌器的轉速為5-18轉每分，同時開啟排風扇直至攪拌結束；
5）發酵反應3-6天后，將上層發酵反應器中的腐熟料全部排入下層發酵反應器中，關閉上層發酵反應器物料出口後重新向上層發酵反應器裝入原料並重複2）-4）的發酵反應過程；
6）下層發酵反應器進料後，發酵反應過程與上層發酵反應器的步驟3）-4）完全相同；
7）下層發酵反應器發酵反應2-4天，即可排出最終發酵產品。
所述生物質為秸稈、花生殼、樹枝、樹葉、米糠、草或麥麩子，粉碎後的生物質粒度為2-5毫米。
所述攪拌器的轉速為5-18轉每分。
所述菌液由枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和白色鏈黴菌和培養基組成，其培養基為LB培養基，菌液濃度為4億/毫升，其中枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌與白色鏈黴菌的數量百分比為26%:46%:28%；菌液的加入量為每100千克生物質10-20升。
有益效果
生物質發酵反應裝置具有能耗低、成本低、易於操作、安全可靠的特點，通過風機保證裝置內的氧氣濃度，以避免波動；在攪拌裝置定期往復攪拌下，可實現物料的充分翻動，達到好氧的目的；該裝置通過精確的熱電偶控溫並結合太陽能技術極大節約能源消耗；雙層反應器的設計提高物料處理能力的同時，根據反應的不同階段特性，使物料分處於上層反應器與下層反應器中，實現反應物的分別處理，提高發酵效率。
附圖說明
圖1為反應裝置正視結構示意圖。
圖2為反應裝置左視結構示意圖。
圖3為反應裝置俯視結構示意圖。
圖中：1-Ⅰ、1-Ⅱ.發酵反應器，2-Ⅰ、2-Ⅱ.加液管道，3.支架，4-Ⅰ、4-Ⅱ.物料入口，5-Ⅰ、5-Ⅱ.物料出口，6-Ⅰ、6-Ⅱ.加液管道進口，7-Ⅰ、7-Ⅱ.加熱管道進口，8-Ⅰ、8-Ⅱ.加熱管道出口，9-Ⅰ、9-Ⅱ.閥門，10-Ⅰ、10-Ⅱ.霧化噴頭，11-Ⅰ、11-Ⅱ.換熱器，12.電機，13.傳動皮帶，14-Ⅰ、14-Ⅱ.螺旋式攪拌器，15-Ⅰ、15-Ⅱ.測溫裝置感測器探頭，16-Ⅰ、16-Ⅱ.測濕裝置感測器探頭，17-I、17-II.排風扇。
技術領域
《一種生物質發酵反應裝置及套用》涉及微生物發酵技術，特別是一種生物質發酵反應裝置及套用。
權利要求
1.一種生物質發酵反應裝置，其特徵在於：由發酵反應器、加液管道、加熱裝置、攪拌裝置、測溫裝置、測濕裝置和支架組成，發酵反應器包括上層發酵反應器和下層發酵反應器，發酵反應器為長方體箱式結構並呈疊層狀固定於支架上，上層發酵反應器和下層發酵反應器的結構和大小完全相同，發酵反應器的前壁和後壁為夾層結構，發酵反應器分別設有物料入口和出口、加液管道進口、加熱管道進口和出口、排風扇，排風扇鑲嵌於反應器蓋上；加液管道分別設有閥門用於控制在同一管道分別添加菌液和水，加液管道進入發酵反應器後在液體出口分別設有霧化噴頭；加熱裝置為太陽能熱水器，太陽能熱水器的兩個換熱器分別設於上、下層發酵反應器前壁和後壁的夾層內並通過管道從發酵反應器的加熱管道進口和出口連線；攪拌裝置包括電機、傳動皮帶和兩個螺旋式攪拌器，電機固定於支架上，兩個螺旋式攪拌器結構相同，每個螺旋式攪拌器的螺旋攪拌葉自轉動軸中心為界對稱分布且方向相反，兩個螺旋式攪拌器的轉動軸分別通過位於發酵反應器兩面側板中心的軸承座固定於兩個發酵反應器內，電機與兩個螺旋式攪拌器的皮帶輪通過傳動皮帶連線；兩套測溫裝置感測器探頭和兩套測濕裝置的感測器探頭分別位於兩個發酵反應器內並通過導線與控制室的測溫儀和測濕儀連線。
2.一種如權利要求1所述生物質發酵反應裝置的套用，其特徵在於採用一次加入菌液和兩步發酵法進行生物質發酵反應，步驟如下：
1）將粉碎後的生物質加入上層發酵反應器，啟動攪拌器和排風扇；
2）攪拌狀態下通過加液管道向上層發酵反應器分別加入菌液和水並繼續攪拌3-8分鐘，加菌液時加液管道的噴頭孔徑為3毫米，加水時加液管道的噴頭孔徑為1毫米；
3）關閉攪拌器和排風扇，通過測溫計和測濕計顯示物料的溫度和濕度，利用太陽能加熱器為上層發酵反應器供熱使溫度保持在40-50℃，利用加液管道補水使濕度保持在35-55%；
4）發酵反應過程中，攪拌器每12小時攪拌一次，攪拌時間持續15分鐘，包括正向攪拌10分鐘後、逆向攪拌5分鐘，攪拌器的轉速為5-18轉每分，同時開啟排風扇直至攪拌結束；
5）發酵反應3-6天后，將上層發酵反應器中的腐熟料全部排入下層發酵反應器中，關閉上層發酵反應器物料出口後重新向上層發酵反應器裝入原料並重複2）-4）的發酵反應過程；
6）下層發酵反應器進料後，發酵反應過程與上層發酵反應器的步驟3）-4）完全相同；
7）下層發酵反應器發酵反應2-4天，即可排出最終發酵產品。
3.根據權利要求2所述生物質發酵反應裝置的套用，其特徵在於：所述生物質為秸稈、花生殼、樹枝、樹葉、米糠、草或麥麩子，粉碎後的生物質粒度為2-5毫米。
4.根據權利要求2所述生物質發酵反應裝置的套用，其特徵在於：所述攪拌器的轉速為5-18轉每分。
5.根據權利要求2所述生物質發酵反應裝置的套用，其特徵在於：所述菌液由枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和白色鏈黴菌和培養基組成，其培養基為LB培養基，菌液濃度為4億/毫升，其中枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌與白色鏈黴菌的數量百分比為26%:46%:28%；菌液的加入量為每100千克生物質10-20升。
實施方式
- 實施例1
一種生物質發酵反應裝置，由發酵反應器1-Ⅰ、1-Ⅱ、加液管道2-Ⅰ、2-Ⅱ、加熱裝置、攪拌裝置、測溫裝置、測濕裝置和支架3組成，發酵反應器包括上層發酵反應器1-Ⅰ和下層發酵反應器1-Ⅱ，發酵反應器為長方體箱式結構並呈疊層狀固定於支架上，上層發酵反應器1-Ⅰ和下層發酵反應器1-Ⅱ的結構和大小完全相同，發酵反應器1-Ⅰ、1-Ⅱ的前壁和後壁為夾層結構，發酵反應器1-Ⅰ、1-Ⅱ分別設有物料入口4-Ⅰ、4-Ⅱ和出口5-Ⅰ和5-Ⅱ、加液管道進口6-Ⅰ和6-Ⅱ、加熱管道進口7-Ⅰ、7-Ⅱ和出口8-Ⅰ、8-Ⅱ；加液管道2-Ⅰ和2-Ⅱ分別設有閥門9-Ⅰ和9-Ⅱ用於控制在同一管道分別添加菌液和水，加液管道2-Ⅰ和2-Ⅱ進入發酵反應器後在液體出口分別設有霧化噴頭10-Ⅰ和10-Ⅱ；加熱裝置為太陽能熱水器，太陽能熱水器的兩個換熱器11-Ⅰ和11-Ⅱ分別設於上、下層發酵反應器前壁和後壁的夾層內並通過管道從發酵反應器的加熱管道進口7-Ⅰ、7-Ⅱ和出口8-Ⅰ、8-Ⅱ連線；攪拌裝置包括電機12、傳動皮帶13和兩個螺旋式攪拌器14-Ⅰ、14-Ⅱ，電機12固定於支架3上，兩個螺旋式攪拌器14-Ⅰ、14-Ⅱ結構相同，每個螺旋式攪拌器14-Ⅰ、14-Ⅱ的螺旋攪拌葉自轉動軸中心為界對稱分布且方向相反，兩個螺旋式攪拌器14-Ⅰ、14-Ⅱ的轉動軸分別通過位於發酵反應器兩面側板中心的軸承座固定於兩個發酵反應器內，電機12與兩個螺旋式攪拌器14-Ⅰ、14-Ⅱ的皮帶輪通過傳動皮帶13連線；兩套測溫裝置的感測器探頭15-Ⅰ、15-Ⅱ和兩套測濕裝置的感測器探頭16-Ⅰ、16-Ⅱ分別位於兩個發酵反應器內並通過導線與控制室的測溫儀和測濕儀連線。
該實施例中，發酵反應器的尺寸為長8米、寬3米、高7米，其生物質裝填量為200千克；排風扇採用型號為FA-30，杭州德爾風機設備有限公司產品；加液管路末端的霧化器採用宜興市億潤環保設備有限公司產品；加熱裝置採用皇明太陽能熱水器；螺旋式攪拌器的結構參數為：螺旋角60度、螺距1.5米、外徑1.4米，攪拌用電機為JXJE74浙江永嘉調速機廠產品；測溫裝置的控溫熱電偶為型號WRE，江蘇金湖儀表電器設備廠產品；測濕裝置的長探針濕度計為型號XSD-1，上海昌吉地質儀器有限公司產品。
以下實施例為利用上述發酵反應器進行生物質發酵。
- 實施例2
一種上述生物質發酵反應裝置的套用，採用一次加入菌液和兩步發酵法進行生物質發酵反應，步驟如下：
1）將粉碎後的粒徑為2毫米的樹葉30立方米加入上層發酵反應器，啟動攪拌器和排風扇；
2）攪拌狀態下通過加液管道向上層發酵反應器分別加入菌液10升和水50升並繼續攪拌4分鐘，加菌液時加液管道的噴頭孔徑為3毫米，加水時加液管道的噴頭孔徑為1毫米；
3）關閉攪拌器和排風扇，通過測溫計和測濕計顯示物料的溫度和濕度，利用太陽能加熱器為上層發酵反應器供熱使溫度保持在40℃，利用加液管道補水使濕度保持在45%；
4）發酵反應過程中，攪拌器每12小時攪拌一次，攪拌時間持續15分鐘，包括正向攪拌10分鐘後、逆向攪拌5分鐘，攪拌器的轉速為8轉每分，同時開啟排風扇直至攪拌結束；
5）發酵反應3天后，將上層發酵反應器中的腐熟料全部排入下層發酵反應器中，關閉上層發酵反應器物料出口後重新向上層發酵反應器裝入原料並重複2）-4）的發酵反應過程，其中下層發酵反應器溫度設定為35℃，濕度檢測裝置設定為40%；
6）下層發酵反應器進料後，發酵反應過程與上層發酵反應器的步驟3）-4）完全相同；
7）下層發酵反應器發酵反應2天，即可排出最終發酵產品—有機肥。
該裝置的使用，使有機肥生產時間縮短到5天，能耗降低約18%，用水量減少約25%。
- 實施例3
一種上述生物質發酵反應裝置的套用，採用一次加入菌液和兩步發酵法進行生物質發酵反應，步驟如下：
1）將粉碎後的粒徑為3毫米的麥秸稈25立方米加入上層發酵反應器，啟動攪拌器和排風扇；
2）攪拌狀態下通過加液管道向上層發酵反應器分別加入菌液9升和水40升並繼續攪拌4分鐘，加菌液時加液管道的噴頭孔徑為3毫米，加水時加液管道的噴頭孔徑為1毫米；
3）關閉攪拌器和排風扇，通過測溫計和測濕計顯示物料的溫度和濕度，利用太陽能加熱器為上層發酵反應器供熱使溫度保持在55℃，利用加液管道補水使濕度保持在50%；
4）發酵反應過程中，攪拌器每12小時攪拌一次，攪拌時間持續15分鐘，包括正向攪拌10分鐘後、逆向攪拌5分鐘，攪拌器的轉速為12轉每分，同時開啟排風扇直至攪拌結束；
5）發酵反應4天后，將上層發酵反應器中的腐熟料全部排入下層發酵反應器中，關閉上層發酵反應器物料出口後重新向上層發酵反應器裝入原料並重複2）-4）的發酵反應過程，其中下層發酵反應器溫度設定為30℃，濕度檢測裝置設定為35%；
6）下層發酵反應器進料後，發酵反應過程與上層發酵反應器的步驟3）-4）完全相同；
7）下層發酵反應器發酵反應6天，即可排出最終發酵產品—飼料。
該裝置的使用，使有機肥生產時間縮短到10天，能耗降低約22%，用水量減少約28%。
榮譽表彰
2016年12月7日，《一種生物質發酵反應裝置及套用》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
