專利名稱：一種發(fā)酵產(chǎn)氣的收集及體積測定裝置的制作方法
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，原油價格的不斷攀升，以及人們對環(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)能源的開發(fā)和利用成為促進經(jīng)濟社會可持續(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(yīng)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(zhì)資源利用技術(shù)，以達到保護礦產(chǎn)資源、保障國家能源安全、實現(xiàn)CO2減排和經(jīng)濟可持續(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(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)酵過程中，生成目標產(chǎn)物乙醇的同時還會產(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，因而可通過對發(fā)酵所產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)中產(chǎn)生的氣體，通過所產(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(nèi)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(chǎn)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(yīng)產(chǎn)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(nèi)內(nèi)部壓強過大，導致發(fā)酵所產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)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(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、測量準確直觀的發(fā)酵產(chǎn)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(shù)方案來實現(xiàn):一種發(fā)酵產(chǎn)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(shè)置于固定支架上，兩側(cè)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(cè)面下方設(shè)置有進氣口，頂部設(shè)有排氣閥。所述的水箱呈長方體狀，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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(nèi)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(guān)閉排氣閥，隨后停止供水，使此時水箱內(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(shè)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(chǎn)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(nèi)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(yīng)靈敏、系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定；二是罐內(nèi)氣體壓強始終等于大氣壓，避免傳統(tǒng)方法中集氣罐內(nèi)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(nèi)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(chǎn)生氣體的體積，而傳統(tǒng)方法均由于集氣裝置內(nèi)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(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(yīng)進程中可隨時打開頂部通氣閥轉(zhuǎn)移部分所收集氣體，從而保證產(chǎn)氣收集操作可連續(xù)進行。(2)本發(fā)明方法簡單明了，設(shè)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(zhì)乙醇生產(chǎn)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(chǎn)氣收集與體積測定裝置的系統(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(jié)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(jié)構(gòu)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(gòu)件；水箱I呈長方體狀，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(nèi)，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(zhì)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(cè)面設(shè)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(cè)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(chǎn)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(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)條件啟動厭氧發(fā)酵反應(yīng)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(yīng)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(nèi)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(chǎn)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(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，實驗裝置的水箱內(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(chǎn)乙醇濃度，g/L。由實驗數(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(chǎn)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(shè)計目標。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(shè)置于固定支架(8)上，兩側(cè)通過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(cè)面下方設(shè)置有進氣口(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)氣的收集及體積測定裝置，其特征在于，所述的水箱(I)呈長方體狀，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(zhì)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(quán)利要求1所述的一種發(fā)酵產(chǎn)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(chǎn)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(shù)領(lǐng)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(nèi)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(nèi)，可沿導軌自由上下滑動，導軌頂端有卡扣，集氣罐近底部側(cè)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(yīng)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(zhì)量相等使系統(tǒng)時刻處于平衡狀態(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)明將有效解決當前發(fā)酵產(chǎn)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(quán)日2013年2月18日
發(fā)明者林燕, 張琦 申請人:上海交通大學