本實(shí)用新型屬于生物制氫反應(yīng)設(shè)備，主要涉及脈沖式功率超聲波厭氧生物發(fā)酵產(chǎn)氫裝置。

背景技術(shù)：

生物質(zhì)厭氧產(chǎn)氫發(fā)酵的理論產(chǎn)氫率為4mol—H₂/mol-glucose。但是厭氧產(chǎn)氫發(fā)酵的實(shí)際產(chǎn)氫率基本在2mol-H₂/mol-glucose以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論值。這主要是因?yàn)楫a(chǎn)氫產(chǎn)乙酸過(guò)程在氫分壓低于10^-4atm時(shí)才能自發(fā)進(jìn)行，而產(chǎn)氫發(fā)酵的實(shí)際氫分壓約為10^-1atm。此時(shí)，產(chǎn)氫過(guò)程只能進(jìn)行到水解發(fā)酵階段，優(yōu)勢(shì)微生物以Clostridium sp等水解發(fā)酵菌為主，產(chǎn)氫率不會(huì)超過(guò)2mol-H₂/mol-glucose。另外，過(guò)高的氫分壓為Acetobacteriu sp等同型產(chǎn)乙酸菌利用氫和二氧化碳進(jìn)行產(chǎn)乙酸過(guò)程創(chuàng)造較為適宜的條件，使氫氣快速消耗，進(jìn)一步降低了氫氣的產(chǎn)率。

氫分壓過(guò)高主要是因?yàn)闅湓谖⑸锞奂w內(nèi)部生成，通過(guò)聚集體內(nèi)的微孔和胞外聚合物(EPS)傳遞至聚集體表面，再通過(guò)表面邊界層進(jìn)入液相最后傳至液相主體。氫氣微生物聚集體內(nèi)部傳遞過(guò)程中傳質(zhì)效率較低，導(dǎo)致了聚集體內(nèi)部微環(huán)境氫分壓過(guò)高。氫氣進(jìn)入液相后形成微氣泡，由于產(chǎn)氫反應(yīng)器內(nèi)是典型的多相流，微氣泡所處環(huán)境中表面張力、黏滯力作用強(qiáng)于浮力，使其懸浮或吸附在反應(yīng)器內(nèi)顆粒物的表面，很難及時(shí)逸出，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)過(guò)高的氫分壓得以維持。目前，促進(jìn)厭氧產(chǎn)氫發(fā)酵氫氣釋放的常用方法是機(jī)械攪拌 和惰性氣體(N₂、Ar)或產(chǎn)物氣體(H₂/CO₂)吹脫。由于這兩種方法只能促進(jìn)氫氣微氣泡的宏觀運(yùn)移，對(duì)微生物聚集體內(nèi)部的微觀傳質(zhì)影響較小，產(chǎn)氫率仍然較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的就是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種脈沖式功率超聲波強(qiáng)化厭氧生物發(fā)酵產(chǎn)氫裝置，達(dá)到提高氫氣傳質(zhì)速率和氫氣產(chǎn)率的目的。

本實(shí)用新型的基本設(shè)計(jì)是：一種脈沖式功率超聲波強(qiáng)化厭氧生物發(fā)酵產(chǎn)氫裝置，在反應(yīng)罐體圓柱體外部上覆蓋包容的設(shè)置恒溫水套，在所述恒溫水套的上、下側(cè)部上分別設(shè)置進(jìn)水口和出水口，在所述反應(yīng)罐體的上、下側(cè)部上分別設(shè)置進(jìn)料口和出料口，在所述反應(yīng)罐體上端部上設(shè)置電機(jī)和出氣口，攪拌總成可轉(zhuǎn)動(dòng)的配置在反應(yīng)罐體內(nèi)部，且與電機(jī)連接，在所述反應(yīng)罐體下端底部上配裝超聲波換能器，導(dǎo)線將超聲波發(fā)生器與超聲波換能器連通；所述超聲波換能器發(fā)出的超聲波頻率為20—100KHz，功率密度為50—250W/L，所述恒溫水套的溫度為35℃。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：本實(shí)用新型將全混合反應(yīng)器與超聲波換能器相結(jié)合，提高了氫氣在厭氧生物發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)部的傳質(zhì)效率和氫氣的產(chǎn)率及裝置的利用率。超聲波的聲波作用可以產(chǎn)生空化效應(yīng)，對(duì)微生物聚集體產(chǎn)生剪切力使邊界層減薄、強(qiáng)化微孔擴(kuò)散；產(chǎn)生微射流沖擊固體顆粒表面增大了傳質(zhì)表面積；從而提高氫氣的傳質(zhì)速率，產(chǎn)生的氫氣能夠及時(shí)的釋放。本發(fā)明創(chuàng)造與現(xiàn)有的促進(jìn)產(chǎn)氫發(fā)酵氫氣釋放的常用方法的機(jī)械攪拌和惰性氣體或產(chǎn)物氣體吹脫相比，更能提高氫氣在發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)微生物聚集內(nèi)部的傳質(zhì)效率，同時(shí)可以避免惰性氣體吹脫帶來(lái)的氣體凈化 問(wèn)題。另外，超聲波的空化作用使水分子裂解，形成自由基提高液相中化學(xué)反應(yīng)活性。

附圖說(shuō)明

圖1是脈沖式功率超聲波強(qiáng)化厭氧生物發(fā)酵產(chǎn)氫裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中件號(hào)說(shuō)明：

1、反應(yīng)罐體、2、恒溫水套、3、進(jìn)料口、4、出料口、5、出氣口、6、攪拌總成、7、電機(jī)、8、進(jìn)水口、9、出水口、10、超聲波換能器、11、超聲波發(fā)生器、12、導(dǎo)線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型最佳實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)描述。一種脈沖式功率超聲波強(qiáng)化厭氧生物發(fā)酵產(chǎn)氫裝置，在反應(yīng)罐體1圓柱體外部上覆蓋包容的設(shè)置恒溫水套2，在所述恒溫水套2的上、下側(cè)部上分別設(shè)置進(jìn)水口8和出水口9，在所述反應(yīng)罐體1的上、下側(cè)部上分別設(shè)置進(jìn)料口3和出料口4，在所述反應(yīng)罐體1上端部上設(shè)置電機(jī)7和出氣口5，攪拌總成6可轉(zhuǎn)動(dòng)的配置在反應(yīng)罐體1內(nèi)部，且與電機(jī)7連接，在所述反應(yīng)罐體1下端底部上配裝超聲波換能器10，導(dǎo)線12將超聲波發(fā)生器11與超聲波換能器10連通；所述超聲波換能器10發(fā)出的超聲波頻率為20—100KHz，功率密度為50—250W/L，所述恒溫水套2的溫度為35℃。

使用本裝置進(jìn)行厭氧產(chǎn)氫發(fā)酵，首先將恒溫水套2內(nèi)注滿水，將恒溫控制在35℃并穩(wěn)定自循環(huán)，隨即將產(chǎn)氫接種物及發(fā)酵底物從進(jìn)料口3送入反應(yīng)罐體1內(nèi)，然后從出氣口5沖入氮?dú)獗ＷC反應(yīng)罐體1的絕對(duì)厭氧環(huán)境，開(kāi)啟攪拌總成6實(shí)現(xiàn)厭氧產(chǎn)氫發(fā)酵系統(tǒng)底物濃度的分布均勻，此時(shí)根據(jù)發(fā)酵底物的不同，利用各自優(yōu)化好的功 率密度、占空比通過(guò)超聲波發(fā)生器11和超聲波換能器10對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)酵液進(jìn)行脈沖式的超聲波作用，改變微生物聚集體的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)氫的傳質(zhì)效率。同時(shí)，超聲波在發(fā)酵液體內(nèi)產(chǎn)生的空化作用，促進(jìn)氫氣在發(fā)酵液相中的傳質(zhì)效率。與未使用功率超聲波的反應(yīng)器相比，實(shí)際產(chǎn)氫率由1.2mol—H₂/mol-glucose提升至2.5mol—H₂/mol-glucose，產(chǎn)氫速率由2.6L/L.d提升至4.8L/L.d，技術(shù)效果明顯且突出。