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專利名稱：一種發(fā)酵產氣的收集及體積測定裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉屬于資源環(huán)境技術領域，涉及一種發(fā)酵產氣的收集及體積測定裝置。
背景技術：
隨著世界石油等資源的日益枯竭，原油價格的不斷攀升，以及人們對環(huán)境質量要求的不斷提高，環(huán)境壓力日益加重的情況下，綠色，環(huán)保，可持續(xù)能源的開發(fā)和利用成為促進經濟社會可持續(xù)發(fā)展的客觀需求。生物質能是利用光能固定二氧化碳得到的生物質為底物，通過生物發(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，可有效減少我國對進口燃料的依賴，減少對水體和氣體環(huán)境的污染，緩解溫室效應的加劇。因而世界上許多發(fā)達國家，都致力于開發(fā)清潔高效的生物質資源利用技術，以達到保護礦產資源、保障國家能源安全、實現(xiàn)CO2減排和經濟可持續(xù)發(fā)展的目的。以木質纖維素為代表的第二代生物質能源生產燃料乙醇，因其產量潛力大、材料來源廣泛、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石油依賴等優(yōu)點得到了更為廣泛的關注和研究。發(fā)酵是木質纖維素制備燃料乙醇生產流程中的最重要環(huán)節(jié)，而在發(fā)酵過程中，生成目標產物乙醇的同時還會產生二氧化碳，且二氧化碳體積同乙醇產量存在線性關系，因而可通過對發(fā)酵所產氣體的收集和體積測定，直觀判斷乙醇發(fā)酵情況，并可準確推斷乙醇產量。長期以來，一直缺乏一種有效的收集并測定氣體體積的裝置，無法方便地進行體積計算和氣體成分分析。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，從底部通入反應中產生的氣體，通過所產氣體壓力排出容器內的水而使容器充滿這種氣體。但是這種方法普遍需要時刻人工監(jiān)測以防氣體集滿溢出，且由于收集過程中氣體壓強時刻變化，需通過計算容器內氣體壓強后才能換算得到標準狀況下的體積，其測定繁瑣；另外由于收集氣體需要克服所排水體的壓強，當產氣量較低時集氣存在困難，裝置靈敏度較差。后者是直接將反應產生的氣體通入集氣袋進行收集，但是集氣袋只有收集氣體的作用，不能測量氣體體積，后期集氣袋內內部壓強過大，導致發(fā)酵所產的氣體難以繼續(xù)進入集氣袋，甚至發(fā)生氣體倒灌，而發(fā)酵罐內過高的氣體壓強對酵母菌的發(fā)酵性能也存在抑制作用，進而影響最終的乙醇產率。且該裝置對于整個氣路的密封性有著嚴苛要求。因此開發(fā)新的既能方便地收集氣體，又能方便、直觀且準確測定體積的裝置具有重要的實用價值。

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


圖1為本發(fā)明的發(fā)酵產氣收集與體積測定裝置的系統(tǒng)結構圖；圖2為乙醇發(fā)酵產氣收集實例的實驗數(shù)據(jù)圖表。圖中:1.水箱，2.集氣罐，3.導軌，4.進氣口，5.排氣閥，6.定滑輪，7.重物，8.固定支架。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例1本收集及體積測定裝置實施的結構如圖1所示，該裝置包括水箱1、集氣罐2、導軌
3、進氣口 4、排氣閥5、定滑輪6、重物7、固定支架8等構件；水箱I呈長方體狀，其內投加碳酸氫鈉至飽和，減小CO2在水中的溶解度，保證發(fā)酵所產氣體的高收集率，所述的導軌3固定在長方體水箱的底部，其頂端有卡扣，阻止集氣罐過度上浮導致脫落，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，采用有機玻璃制成并帶有體積刻度，開口向下置于長方體水箱I內，通過導軌3固定其位置，能沿導軌3上下自由滑動，導軌3采用三根高強度有玻璃鋼管制成，硬度高，限制集氣罐水平方向位移；材質光滑，減小集氣罐上下滑動過程中所受阻力；集氣罐2下方側面設置進氣口 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)兩側通過繩子分別連接集氣罐2與重物7，使集氣裝置對發(fā)酵過程影響降低，并且實現(xiàn)低產氣量下的氣體收集和體積測定目的。收集氣體前，將集氣罐2開口向下置于水箱I底部，扣上導軌3的卡扣，打開集氣罐2的排氣閥5后向水箱I進行注水，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，關閉通氣閥5，停止向水箱I注水，使水箱I內水面恰好覆蓋集氣罐2頂部，最后調整重物7質量，使集氣罐2處于平衡懸浮狀態(tài)。按既定參數(shù)條件啟動厭氧發(fā)酵反應罐進行發(fā)酵，將發(fā)酵裝置的出氣口與集氣罐的進氣口 4緊密連接，開始收集發(fā)酵氣體。隨著反應進行，氣體逐漸積累，集氣罐2沿著導軌3緩慢上浮，且時刻處于平衡狀態(tài)，集氣罐2內上部氣體壓力始終等于大氣壓，可隨時通過刻度直接讀出所收集氣體的體積。發(fā)酵產氣實驗具體參數(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，實驗裝置的水箱內投加碳酸氫鈉至溶液飽和，以減少CO2的溶解損失。發(fā)酵產氣收集實驗數(shù)據(jù)見說明書附圖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)酵所產乙醇濃度，g/L。由實驗數(shù)據(jù)可得，發(fā)酵所產乙醇濃度與所收集氣體的體積呈線性關系，因而在收集氣體同時可以通過氣體的體積直觀判斷乙醇發(fā)酵情況并準確推測乙醇產量,且最終氣體回收率達到理論值的85%以上，實現(xiàn)了本裝置的設計目標。表一:乙醇發(fā)酵產氣收集情況表:
權利要求
1.一種發(fā)酵產氣的收集及體積測定裝置，其特征在于，包括水箱(I)、集氣罐(2)、導軌(3)、定滑輪(6)、重物(7)、固定支架⑶；所述的導軌(3)固定在水箱⑴的底部；所述的集氣罐(2)開口朝下置于水箱(I)底部，且能沿著導軌(3)豎直上下滑動；所述的定滑輪(6)設置于固定支架(8)上，兩側通過繩子分別連接集氣罐(2)與重物(7)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種發(fā)酵產氣的收集及體積測定裝置，其特征在于，所述的集氣罐(2)呈圓柱體狀，采用有機玻璃制成并帶有體積刻度，側面下方設置有進氣口(4)，頂部設有排氣閥(5)。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種發(fā)酵產氣的收集及體積測定裝置，其特征在于，所述的水箱(I)呈長方體狀，其內投加碳酸氫鈉至飽和，減小CO2在水中的溶解度，保證發(fā)酵所產氣體的高收集率。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種發(fā)酵產氣的收集及體積測定裝置，其特征在于，所述的導軌(3)采用三根高強度有玻璃鋼管制成，硬度高，限制集氣罐(2)水平方向位移；材質光滑，減小集氣罐(2)上下滑動過程中所受阻力；頂部有卡扣，阻止集氣罐(2)過度上浮導致脫落，取下卡扣后便可方便取下集氣罐。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種發(fā)酵產氣的收集及體積測定裝置，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，使集氣裝置對發(fā)酵過程影響降低，并且實現(xiàn)低產氣量下的氣體收集和體積測定目的。
全文摘要
本發(fā)明屬于資源環(huán)境技術領域，涉及一種發(fā)酵所釋放氣體的收集及體積測定裝置。該裝置包括長方體無蓋水箱，內部有3根光滑導軌，帶有刻度的圓柱形集氣罐，通過導軌固定，開口朝下置于水箱內，可沿導軌自由上下滑動，導軌頂端有卡扣，集氣罐近底部側面有一進氣口，頂部有一通氣閥門，集氣罐頂部通過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，將反應裝置的出氣口與集氣罐的進氣口緊密連接，隨著氣體積累，集氣罐沿著導軌緩慢上浮，且集氣罐本體重量與另一端重物質量相等使系統(tǒng)時刻處于平衡狀態(tài)，罐內上部的氣體壓力等于大氣壓，可通過集氣罐外側刻度讀出氣體體積。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明將有效解決當前發(fā)酵產氣壓強不大、排水集氣且氣體體積測定困難的問題。
文檔編號G01N1/22GK103091133SQ20131005263
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月18日 優(yōu)先權日2013年2月18日
發(fā)明者林燕, 張琦 申請人:上海交通大學