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專利名稱：一種發(fā)酵產(chǎn)氣的收集及體積測(cè)定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉屬于資源環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種發(fā)酵產(chǎn)氣的收集及體積測(cè)定裝置。
背景技術(shù)：
隨著世界石油等資源的日益枯竭，原油價(jià)格的不斷攀升，以及人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高，環(huán)境壓力日益加重的情況下，綠色，環(huán)保，可持續(xù)能源的開(kāi)發(fā)和利用成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的客觀需求。生物質(zhì)能是利用光能固定二氧化碳得到的生物質(zhì)為底物，通過(guò)生物發(fā)酵得到的清潔能源，大大減少了二氧化碳的凈排放量，加之其廣泛的分布及可再生性等諸多優(yōu)點(diǎn)，可有效減少我國(guó)對(duì)進(jìn)口燃料的依賴，減少對(duì)水體和氣體環(huán)境的污染，緩解溫室效應(yīng)的加劇。因而世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家，都致力于開(kāi)發(fā)清潔高效的生物質(zhì)資源利用技術(shù)，以達(dá)到保護(hù)礦產(chǎn)資源、保障國(guó)家能源安全、實(shí)現(xiàn)CO2減排和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的目的。以木質(zhì)纖維素為代表的第二代生物質(zhì)能源生產(chǎn)燃料乙醇，因其產(chǎn)量潛力大、材料來(lái)源廣泛、成本低廉、可直接作為液體燃料或者同汽油混合使用減小對(duì)石油依賴等優(yōu)點(diǎn)得到了更為廣泛的關(guān)注和研究。發(fā)酵是木質(zhì)纖維素制備燃料乙醇生產(chǎn)流程中的最重要環(huán)節(jié)，而在發(fā)酵過(guò)程中，生成目標(biāo)產(chǎn)物乙醇的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，且二氧化碳體積同乙醇產(chǎn)量存在線性關(guān)系，因而可通過(guò)對(duì)發(fā)酵所產(chǎn)氣體的收集和體積測(cè)定，直觀判斷乙醇發(fā)酵情況，并可準(zhǔn)確推斷乙醇產(chǎn)量。長(zhǎng)期以來(lái)，一直缺乏一種有效的收集并測(cè)定氣體體積的裝置，無(wú)法方便地進(jìn)行體積計(jì)算和氣體成分分析。目前采用的收集方法主要是排水集氣法和集氣袋法。前者是利用充滿水的且倒扣在水中的容器，從底部通入反應(yīng)中產(chǎn)生的氣體，通過(guò)所產(chǎn)氣體壓力排出容器內(nèi)的水而使容器充滿這種氣體。但是這種方法普遍需要時(shí)刻人工監(jiān)測(cè)以防氣體集滿溢出，且由于收集過(guò)程中氣體壓強(qiáng)時(shí)刻變化，需通過(guò)計(jì)算容器內(nèi)氣體壓強(qiáng)后才能換算得到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積，其測(cè)定繁瑣；另外由于收集氣體需要克服所排水體的壓強(qiáng)，當(dāng)產(chǎn)氣量較低時(shí)集氣存在困難，裝置靈敏度較差。后者是直接將反應(yīng)產(chǎn)生的氣體通入集氣袋進(jìn)行收集，但是集氣袋只有收集氣體的作用，不能測(cè)量氣體體積，后期集氣袋內(nèi)內(nèi)部壓強(qiáng)過(guò)大，導(dǎo)致發(fā)酵所產(chǎn)的氣體難以繼續(xù)進(jìn)入集氣袋，甚至發(fā)生氣體倒灌，而發(fā)酵罐內(nèi)過(guò)高的氣體壓強(qiáng)對(duì)酵母菌的發(fā)酵性能也存在抑制作用，進(jìn)而影響最終的乙醇產(chǎn)率。且該裝置對(duì)于整個(gè)氣路的密封性有著嚴(yán)苛要求。因此開(kāi)發(fā)新的既能方便地收集氣體，又能方便、直觀且準(zhǔn)確測(cè)定體積的裝置具有重要的實(shí)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種集氣方便、測(cè)量準(zhǔn)確直觀的發(fā)酵產(chǎn)氣的收集及體積測(cè)定裝置。本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):一種發(fā)酵產(chǎn)氣的收集及體積測(cè)定裝置，其特征在于，包括水箱、集氣罐、導(dǎo)軌、定滑輪、重物、固定支架；所述的導(dǎo)軌固定在水箱的底部；所述的集氣罐開(kāi)口朝下置于水箱底部，且能沿著導(dǎo)軌豎直上下滑動(dòng)；所述的定滑輪設(shè)置于固定支架上，兩側(cè)通過(guò)繩子分別連接集氣罐與重物。所述的集氣罐呈圓柱體狀，采用有機(jī)玻璃制成并帶有體積刻度，側(cè)面下方設(shè)置有進(jìn)氣口，頂部設(shè)有排氣閥。所述的水箱呈長(zhǎng)方體狀，其內(nèi)投加碳酸氫鈉至飽和，減小CO2在水中的溶解度，保證發(fā)酵所產(chǎn)氣體的高收集率。所述的導(dǎo)軌采用三根高強(qiáng)度有玻璃鋼管制成，硬度高，限制集氣罐水平方向位移；材質(zhì)光滑，減小集氣罐上下滑動(dòng)過(guò)程中所受阻力；頂部有卡扣，阻止集氣罐過(guò)度上浮導(dǎo)致脫落，取下卡扣后便可方便取下集氣罐。所述的定滑輪焊接于固定支架，定滑輪系統(tǒng)所懸掛重物的重力抵消集氣罐體本身重量，使集氣裝置對(duì)發(fā)酵過(guò)程影響降低，并且實(shí)現(xiàn)低產(chǎn)氣量下的氣體收集和體積測(cè)定目的。采用本發(fā)明所述的裝置采集發(fā)酵產(chǎn)氣并測(cè)定體積的方法，其操作步驟如下: 第一步，集氣罐開(kāi)口向下置于水箱底部，扣緊導(dǎo)軌上端卡扣。第二步，打開(kāi)排氣閥，開(kāi)始向水箱注水，水箱內(nèi)的水自下方流入集氣罐，并逐漸向上充盈整個(gè)集氣罐，而罐內(nèi)殘余空氣由上方排氣閥排出。待水充滿集氣罐并開(kāi)始從排氣閥溢出罐體后，迅速關(guān)閉排氣閥，隨后停止供水，使此時(shí)水箱內(nèi)水面恰好覆蓋集氣罐頂部，并向水箱內(nèi)投放碳酸氫鈉至溶液飽和，接著調(diào)整重物質(zhì)量，使得集氣罐恰好懸浮，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。第三步，將發(fā)酵設(shè)備的出氣口與集氣罐進(jìn)氣口相連接，隨著氣體積累，集氣罐沿著導(dǎo)軌緩慢上浮，且時(shí)刻處于平衡狀態(tài)，通過(guò)刻度讀出氣體體積，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)收集發(fā)酵氣體并測(cè)定其體積的目的。本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn)和效果:(I)本發(fā)明設(shè)備和方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于:一是通過(guò)定滑輪系統(tǒng)，利用重物的重力抵消了集氣罐的重量和上升過(guò)程中所受阻力，從而只需積累少量發(fā)酵氣體所產(chǎn)生的壓強(qiáng)增量，便可推動(dòng)發(fā)酵罐向上移動(dòng)，而移動(dòng)后由于罐內(nèi)上部氣體體積增加，其壓強(qiáng)又隨之減小直至與外界平衡，從而整個(gè)過(guò)程中發(fā)酵罐始終保持懸浮平衡狀態(tài)，反應(yīng)靈敏、系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定；二是罐內(nèi)氣體壓強(qiáng)始終等于大氣壓，避免傳統(tǒng)方法中集氣罐內(nèi)壓強(qiáng)過(guò)大使得發(fā)酵罐的氣體無(wú)法排出而造成發(fā)酵裝置內(nèi)高壓的情形；三是本裝置無(wú)需換算可直接從集氣罐刻度得出發(fā)酵所產(chǎn)生氣體的體積，而傳統(tǒng)方法均由于集氣裝置內(nèi)壓強(qiáng)時(shí)刻變化而需要將所收集氣體體積換算為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下體積，因而該方法具有更為直觀、方便的優(yōu)勢(shì)，并可直接根據(jù)收集氣體的體積直接推測(cè)發(fā)酵產(chǎn)物乙醇的濃度；四是水箱內(nèi)為碳酸氫鈉飽和溶液，減少了 CO2在水中溶解量，保證產(chǎn)氣的高回收率；五是導(dǎo)軌頂部裝有可拆卸卡扣，防止罐體因集氣過(guò)量上浮過(guò)高而傾倒，裝置安全可靠，另外，反應(yīng)進(jìn)程中可隨時(shí)打開(kāi)頂部通氣閥轉(zhuǎn)移部分所收集氣體，從而保證產(chǎn)氣收集操作可連續(xù)進(jìn)行。(2)本發(fā)明方法簡(jiǎn)單明了，設(shè)備成本低廉，原材料組成簡(jiǎn)單，可連接于發(fā)酵裝置的出氣口，既能方便地收集氣體，又能測(cè)定體積，有效地解決了生物質(zhì)乙醇生產(chǎn)中二氧化碳體積收集及測(cè)定困難的間題，同時(shí)也適用于其他發(fā)酵氣體如甲烷等氣體的收集和體積測(cè)定，實(shí)用及推廣價(jià)值高。


圖1為本發(fā)明的發(fā)酵產(chǎn)氣收集與體積測(cè)定裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為乙醇發(fā)酵產(chǎn)氣收集實(shí)例的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖表。圖中:1.水箱，2.集氣罐，3.導(dǎo)軌，4.進(jìn)氣口，5.排氣閥，6.定滑輪，7.重物，8.固定支架。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1本收集及體積測(cè)定裝置實(shí)施的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置包括水箱1、集氣罐2、導(dǎo)軌
3、進(jìn)氣口 4、排氣閥5、定滑輪6、重物7、固定支架8等構(gòu)件；水箱I呈長(zhǎng)方體狀，其內(nèi)投加碳酸氫鈉至飽和，減小CO2在水中的溶解度，保證發(fā)酵所產(chǎn)氣體的高收集率，所述的導(dǎo)軌3固定在長(zhǎng)方體水箱的底部，其頂端有卡扣，阻止集氣罐過(guò)度上浮導(dǎo)致脫落，取下卡扣后便可方便取下集氣罐。所述的集氣罐2呈圓柱體狀，采用有機(jī)玻璃制成并帶有體積刻度，開(kāi)口向下置于長(zhǎng)方體水箱I內(nèi)，通過(guò)導(dǎo)軌3固定其位置，能沿導(dǎo)軌3上下自由滑動(dòng)，導(dǎo)軌3采用三根高強(qiáng)度有玻璃鋼管制成，硬度高，限制集氣罐水平方向位移；材質(zhì)光滑，減小集氣罐上下滑動(dòng)過(guò)程中所受阻力；集氣罐2下方側(cè)面設(shè)置進(jìn)氣口 4，頂部有通氣閥門5 ;所述的定滑輪6焊接于金屬固定支架8兩端，定滑輪系統(tǒng)兩側(cè)通過(guò)繩子分別連接集氣罐2與重物7，使集氣裝置對(duì)發(fā)酵過(guò)程影響降低，并且實(shí)現(xiàn)低產(chǎn)氣量下的氣體收集和體積測(cè)定目的。收集氣體前，將集氣罐2開(kāi)口向下置于水箱I底部，扣上導(dǎo)軌3的卡扣，打開(kāi)集氣罐2的排氣閥5后向水箱I進(jìn)行注水，水自集氣罐2下方向上流入罐體，直至水完全充滿集氣罐2并且從頂部排氣閥5溢出，關(guān)閉通氣閥5，停止向水箱I注水，使水箱I內(nèi)水面恰好覆蓋集氣罐2頂部，最后調(diào)整重物7質(zhì)量，使集氣罐2處于平衡懸浮狀態(tài)。按既定參數(shù)條件啟動(dòng)厭氧發(fā)酵反應(yīng)罐進(jìn)行發(fā)酵，將發(fā)酵裝置的出氣口與集氣罐的進(jìn)氣口 4緊密連接，開(kāi)始收集發(fā)酵氣體。隨著反應(yīng)進(jìn)行，氣體逐漸積累，集氣罐2沿著導(dǎo)軌3緩慢上浮，且時(shí)刻處于平衡狀態(tài)，集氣罐2內(nèi)上部氣體壓力始終等于大氣壓，可隨時(shí)通過(guò)刻度直接讀出所收集氣體的體積。發(fā)酵產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)具體參數(shù)如表一所示:葡萄糖80g/L，pH4.0(檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液控制)，攪拌速率180r/min,發(fā)酵罐內(nèi)溫度35°C,室溫10°C,發(fā)酵菌株Saccharomycescerevisiae BY4742,菌體濃度2g/L，發(fā)酵液總體積2L，實(shí)驗(yàn)裝置的水箱內(nèi)投加碳酸氫鈉至溶液飽和，以減少CO2的溶解損失。發(fā)酵產(chǎn)氣收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)說(shuō)明書(shū)附圖2。線性擬合方程:C = -0.0176+1.1605V,擬合度R2 = 0.9979。其中，V所收集的氣體體積，L ；C發(fā)酵所產(chǎn)乙醇濃度，g/L。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，發(fā)酵所產(chǎn)乙醇濃度與所收集氣體的體積呈線性關(guān)系，因而在收集氣體同時(shí)可以通過(guò)氣體的體積直觀判斷乙醇發(fā)酵情況并準(zhǔn)確推測(cè)乙醇產(chǎn)量,且最終氣體回收率達(dá)到理論值的85%以上，實(shí)現(xiàn)了本裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)。表一:乙醇發(fā)酵產(chǎn)氣收集情況表:
權(quán)利要求
1.一種發(fā)酵產(chǎn)氣的收集及體積測(cè)定裝置，其特征在于，包括水箱(I)、集氣罐(2)、導(dǎo)軌(3)、定滑輪(6)、重物(7)、固定支架⑶；所述的導(dǎo)軌(3)固定在水箱⑴的底部；所述的集氣罐(2)開(kāi)口朝下置于水箱(I)底部，且能沿著導(dǎo)軌(3)豎直上下滑動(dòng)；所述的定滑輪(6)設(shè)置于固定支架(8)上，兩側(cè)通過(guò)繩子分別連接集氣罐(2)與重物(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種發(fā)酵產(chǎn)氣的收集及體積測(cè)定裝置，其特征在于，所述的集氣罐(2)呈圓柱體狀，采用有機(jī)玻璃制成并帶有體積刻度，側(cè)面下方設(shè)置有進(jìn)氣口(4)，頂部設(shè)有排氣閥(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種發(fā)酵產(chǎn)氣的收集及體積測(cè)定裝置，其特征在于，所述的水箱(I)呈長(zhǎng)方體狀，其內(nèi)投加碳酸氫鈉至飽和，減小CO2在水中的溶解度，保證發(fā)酵所產(chǎn)氣體的高收集率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種發(fā)酵產(chǎn)氣的收集及體積測(cè)定裝置，其特征在于，所述的導(dǎo)軌(3)采用三根高強(qiáng)度有玻璃鋼管制成，硬度高，限制集氣罐(2)水平方向位移；材質(zhì)光滑，減小集氣罐(2)上下滑動(dòng)過(guò)程中所受阻力；頂部有卡扣，阻止集氣罐(2)過(guò)度上浮導(dǎo)致脫落，取下卡扣后便可方便取下集氣罐。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種發(fā)酵產(chǎn)氣的收集及體積測(cè)定裝置，其特征在于，所述的定滑輪(6)焊接于固定支架(8)，定滑輪系統(tǒng)所懸掛重物(7)的重力抵消集氣罐體本身重量，使集氣裝置對(duì)發(fā)酵過(guò)程影響降低，并且實(shí)現(xiàn)低產(chǎn)氣量下的氣體收集和體積測(cè)定目的。
全文摘要
本發(fā)明屬于資源環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種發(fā)酵所釋放氣體的收集及體積測(cè)定裝置。該裝置包括長(zhǎng)方體無(wú)蓋水箱，內(nèi)部有3根光滑導(dǎo)軌，帶有刻度的圓柱形集氣罐，通過(guò)導(dǎo)軌固定，開(kāi)口朝下置于水箱內(nèi)，可沿導(dǎo)軌自由上下滑動(dòng)，導(dǎo)軌頂端有卡扣，集氣罐近底部側(cè)面有一進(jìn)氣口，頂部有一通氣閥門，集氣罐頂部通過(guò)繩子連接掛于定滑輪上，定滑輪另一端掛有重物。收集氣體時(shí)，將反應(yīng)裝置的出氣口與集氣罐的進(jìn)氣口緊密連接，隨著氣體積累，集氣罐沿著導(dǎo)軌緩慢上浮，且集氣罐本體重量與另一端重物質(zhì)量相等使系統(tǒng)時(shí)刻處于平衡狀態(tài)，罐內(nèi)上部的氣體壓力等于大氣壓，可通過(guò)集氣罐外側(cè)刻度讀出氣體體積。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將有效解決當(dāng)前發(fā)酵產(chǎn)氣壓強(qiáng)不大、排水集氣且氣體體積測(cè)定困難的問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01N1/22GK103091133SQ20131005263
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月18日
發(fā)明者林燕, 張琦 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)