CN114873724B - 一种使用3d打印反刍仿生部件的沼气反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用3D反刍仿生部件的沼气反应器，包括：反应器，所述反应器包括用于发酵的反应部分；至少一个仿生部件，所述仿生部件安装在所述反应部分；所述仿生部件为根据反刍动物的消化器官的内部结构而仿造形成的结构；所述仿生部件采用具有生物亲和力的柔性材料通过3D打印方式制造而成。本发明将仿生部件设置在反应器内，通过仿生厌氧消化天然场所即反刍动物的胃的生理生态结构，可以实现延长微生物停留时间、增强微生物活性、提高发酵体系抗冲击能力、提升降解率和发酵产气效率、缩短发酵周期、降低发酵残渣量、减少二次污染的目标。

Description

一种使用3D打印反刍仿生部件的沼气反应器

技术领域

本发明涉及沼气发酵领域，尤其涉及一种使用3D打印反刍仿生部件的沼气反应器。

背景技术

在沼气发酵工程领域，依据自然条件中厌氧消化反应场所的形态进行人工反应场所的建构，从而改进人工沼气发酵体系、提高***效率，是一种具有可行性的提高沼气发酵生产效率和稳定性的方法。最早的厌氧生物处理构筑物是化粪池，随着塑料行业的蓬勃，形式各异的塑料生物载体得以出现，其形状、密度等可根据实际要求定制，满足各种污水处理工艺的要求，近年开发的有厌氧生物滤池、厌氧接触法、升流式厌氧反应器(UASB反应器)、推流式反应器等。

3D打印技术快速发展，新型打印材料不断发明。新型的具有生物亲和力的柔性材料可以作为3D打印墨水制成丝状或薄片状，增加生物亲和力、延长微生物停留时间、优化传热传质作用和微生物生长微生态。再者，可将其应用至不同的生物厌氧发酵装置当中，进而提高各个发酵装置的发酵效率。

反刍动物的胃部环境是一个典型的厌氧消化场所。反刍胃分为瘤胃、网胃、瓣胃和皱胃，其中瘤胃是最主要的厌氧微生物产酸产甲烷场所。其瘤胃上的微小结构称为瘤胃粘膜***，其正常的发育需要沼气发酵过程中产生的挥发性脂肪酸(VFA)、氨等因素的刺激。与其他沼气发酵体系一致，生物质大分子在瘤胃中先产酸再产甲烷，是一个持续的动态平衡过程。当反刍动物以干草等粗饲料为食时，产酸种类中乙酸含量占60％-70％，丙酸为15％-20％，丁酸为10％-15％。此外，还有为量不多的C4-支链脂肪酸异构体和C5-直链脂肪酸异构体。瘤胃饲喂后产气量为25-35L/h，CO2和CH4含量为70％和30％左右，比沼气工程中CH4的含量低一些。因为CO2除了来源于微生物发酵，主要来源于唾液和瘤胃壁深入的HCO3-。氢营养型产甲烷为主要的产甲烷反应。

反刍动物快速进食后，食物首先进入瘤胃暂存软化后，重新进入口腔咀嚼，而后再次到达瘤胃进行厌氧消化分解过程，在此，糖类，蛋白质，脂肪等大分子逐步分解产酸产气。消化好的食团先经过网胃而后到达瓣胃。网胃中消化活动与瘤胃相似，而瓣胃中比较干燥，不适合微生物进行生物消化。反刍胃部消化后的食团经皱胃进入小肠进行吸收。

因此，本领域技术人员致力于开发一种使用3D打印反刍仿生部件的沼气反应器，通过模拟反刍胃部形态结构对发酵场所的构型进行改进，可以有效固定厌氧消化微生物菌群并实现定向扩增，由此促进沼气生产稳定性和生产效率。通过科学的排布与安装模拟反刍胃部形态结构的仿生部件，提高载体负载微生物与发酵内环境间的传热传质效率、改善和稳定微生物生活微生态环境、对发酵有益菌进行原位选择或靶向扩增，从而形成运行稳定、产气高效、发酵周期短、废液排放少的新型沼气发酵***。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种使用3D反刍仿生部件的沼气反应器，包括：

反应器，所述反应器包括用于发酵的反应部分；

至少一个仿生部件，所述仿生部件安装在所述反应部分；所述仿生部件为根据反刍动物的消化器官的内部结构而仿造形成的结构；所述仿生部件采用具有生物亲和力的柔性材料通过3D打印方式制造而成。

进一步地，所述反应部分包括圆柱形套筒，所述仿生部件粘贴在所述圆柱形套筒的内壁上。

进一步地，所述圆柱形套筒的底部设置有卡槽，所述反应器的底部设置有与所述卡槽配合的卡扣，通过将所述卡扣卡入所述卡槽以安装所述圆柱形套筒。

进一步地，所述反应部分为利用所述仿生部件制作而成的空心圆柱形。

进一步地，所述反应器内设置有搅拌桨，所述仿生部件设置在所述搅拌桨的两侧。

进一步地，所述仿生部件的数量为多个，多个所述仿生部件分别为根据所述反刍动物的不同消化器官的内部结构而仿造形成的结构。

进一步地，所述仿生部件包括：根据所述反刍动物的瘤胃的内部结构仿造形成的第一仿生部件，根据所述反刍动物的网胃的内部结构仿造形成的第二仿生部件，根据所述反刍动物的瓣胃的内部结构仿造形成的第三仿生部件。

进一步地，所述第一仿生部件、所述第二仿生部件、所述第三仿生部件按照从上到下的方式排列，其中，所述第一仿生部件、所述第二仿生部件、所述第三仿生部件的长度分别为所述仿生部件总长度的三分之一。

进一步地，所述沼气反应器为全混式连续搅拌罐反应器(CSTR)，其中，所述反应器还包括水浴部分，所述反应部分位于所述反应器中间，所述水浴部分在所述反应部分的外部并将所述反应部分完全包裹在内；所述反应部分的底部设置有出泥口，所述水浴部分的底部设置有出水口；

密封盖，所述密封盖设置在所述反应部分的上端，所述密封盖的两侧分别设置有出气口和进料口；

联轴器，所述联轴器贯穿所述密封盖的中部，所述联轴器的上端连接有电机；

所述搅拌浆连接至所述联轴器的下端，所述搅拌桨伸入到所述反应部分内。

进一步地，所述沼气反应器为升流式厌氧反应器反应器，所述升流式厌氧反应器的所述反应器包括位于上部的第一部分和位于下部的第二部分，所述第一部分直径大于所述第二部分的直径，所述仿生部件设置在所述第二部分内；所述第一部分内设置有漏斗形的集气罩，所述集气罩上较小的开口伸出在所述第一部分之外形成集气口，所述第一部分的侧壁上设置有出水口；所述第二部分的下端呈锥形，所述锥形的尖端处往所述第二部分内***管道，所述管道的一个开口伸出在所述第二部分之外形成进水口，所述第二部分的侧壁上设置有取样口。

本发明具有以下有益的技术效果：

1.本发明通过仿生厌氧消化天然场所(反刍动物的胃)的生理生态结构，利用结构优化达到改进功能、提升性能的效果，相比原有的微生物固定化技术，可以进一步实现延长微生物停留时间、增强微生物活性、提高发酵体系抗冲击能力、提升降解率和发酵产气效率、缩短发酵周期、降低发酵残渣量、减少二次污染的目标。

2.本发明将仿生部件安装于套筒上，可以反复使用；并且可以通过安装具有成熟微生物区系的高活生物膜的仿生部件，实现反应器的接种，缩短反应器启动时间。同时，仿生部分采用粘贴在套筒内的方式放置于反应器中，既能将仿生部件固定在不同反应器中，不因为搅拌器的搅拌而四处浮动，同时套筒可灵活安放的卡槽设计也使得仿生部件的安装与替换更加方便。

3.本发明通过将仿生部件的排列顺序依照反刍胃部消化过程进行排列，贴近真实厌氧消化天然场所(反刍动物瘤胃)的生理结构，在不同部位依照生理代谢活性的活跃类型富集不同种群类型的微生物，提高发酵稳定性和效率。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的CSTR反应器结构示意图；

图2是CSTR反应器未安装仿生部件时的结构示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的圆柱形套筒的主视图；

图4是图3的左视图；

图5是图3的仰视图；

图6是图3的俯视图；

图7是本发明的一个较佳实施例的仿生部件为瓣胃状结构的示意图；

图8是图1的A-A截面图；

图9是仿生部件为小肠绒毛状结构的示意图；

图10是图3的A-A截面图；

图11是图3的B-B截面图；

图12是仿生部件为第一种网胃状结构的示意图；

图13是图6的A-A截面图；

图14是图6的B-B截面图；

图15是本发明的另一个使用3D打印反刍仿生部件的沼气反应器。

其中，1-反应部分，2-水浴部分，3-密封盖，4-联轴器，5-电机，6-进料口，7-法兰螺栓，8-出气口，9-搅拌桨，10-出泥口，11-出水口，12-圆柱形套筒，13-仿生部件，121-槽；100-基底，110-瓣状结构；111-片状结构，120-毛状结构，121-毛状凸起，130-蜂窝形网状结构，200-反应容器，201-集气罩，202-集气口，203-第一部分，204-出水口，205-第二部分，206-取样口，207-仿生部件，208-进水口，209-管道。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

反刍动物的胃部环境是一个典型的厌氧消化场所。反刍胃分为瘤胃、网胃、瓣胃和皱胃。在本发明中，通过仿生技术，根据反刍动物的消化器官，诸如瘤胃、网胃、瓣胃等的内部微观结构，设计和制造仿生部件，然后将仿生部件安装在沼气反应器的反应部分。该仿生部件可以为仿造瘤胃、网胃、瓣胃的任意一种的形状。可以在沼气反应器反应部分安装一个仿生部件；也可以在沼气反应器的反应部分安装多个仿生部件，每个仿生部件分别仿造瘤胃、网胃、瓣胃的形状。仿生部件的制造，可以采用3D打印技术，利用具有亲和力的柔性材料制造而成，该柔性材料可以选用柔性硅胶或者其他合理的、无生物毒性的柔性材料。应当理解，制造仿生部件的方式，可以为现有技术中已知的任意一种基于3D打印的技术，例如，使用具有亲和力的柔性材料通过3D打印方式直接打印仿生部件，或者使用3D打印方式制造倒模，然后在倒模中注入材料后脱模形成仿生部件。该仿生部件具有富集性能，可以安装至不同类型的厌氧发酵装置中。通过设置不同的仿生方式安装，可以适应不同情况下厌氧发酵的需求，优化仿生部件的仿生性能。在一些实施方式中，图7-14显示了根据反刍胃的内部结构仿造的仿生部件的实施例，例如，图7-8为基于瘤胃及小肠环形皱襞形态仿生的毛状结构，包括基底100和设置在基底100上的毛状结构120，毛状结构120可以包括多个毛状凸起121；图9-11为基于瓣胃形态仿生的瓣状结构，包括基底100和设置在基底100上的瓣状结构110，该瓣状结构110可包括多个矩形片状结构111；图12-14为基于网胃形态仿生的蜂窝形网状结构，包括基底100和设置在基底100上的蜂窝形网状结构130。本发明的仿生部件的结构不仅限于以上图示的三种方式。

本发明提供了一种使用3D打印反刍仿生部件的沼气反应器。该沼气反应器可以是全混式连续搅拌罐反应器(CSTR)、升流式厌氧反应器(UASB)、两相厌氧式反应器，或者其他类型的沼气发酵反应器。如图1和图2所示，本发明以CSTR反应器为例详细描述。

CSTR反应器的原理是：在一个密闭罐体内完成料液的发酵、沼气产生的过程。反应器内安装有搅拌装置，使发酵原料和微生物处于完全混合状态。投料方式采用恒温连续投料或半连续投料运行，新进入的原料由于搅拌作用很快与反应器内的全部发酵液菌种混合，使发酵底物浓度始终保持相对较低状态。反应器顶部安装法兰，电机、联轴器及四氟乙烯搅拌桨。在本发明中，CSTR反应器的设计参数如表1-3所示。

表1 2LCSTR反应器基本数据

反应器	体积	形状	高度	内径	厚度
						CSTR	2L	圆形	220mm	110mm	8mm

表2反应器其他部件数据

表3水浴箱数据

如图1和图2所示，CSTR反应器分为反应部分1和水浴部分2。反应器中间圆柱体部分为反应部分1，其上端设有密封盖3，密封盖3的两侧分别设置有出气口8以及进料口6。反应部分1用于进行发酵反应，有机物材料在反应部分进行发酵。后期反应过程中所产生的气体将通过出气口8上连接的导管排出进行收集。密封盖3中心部分贯穿设置有联轴器4，联轴器4的上端设置有电机5，下端与四氟乙烯搅拌桨9相连。联轴器4与密封盖3之间通过法兰螺栓7进行固定，同样密封盖3与反应器也通过法兰螺栓7进行固定。密封盖3起到密封作用，同时在反应部分1的取出与安放也通过密封盖3部分进行。反应部分1的底端设置有出泥口10，以方便及时排出废物，反应结束后排料也通过此处进行。反应器内，中心反应部分1以外的部分即为水浴部分2，水浴部分2将反应部分1完全包裹在内，以便为反应提供适当的温度，保证反应最高效的进行。水浴部分2的底部设置有出水口11，以便及时更换水。

本发明中，为了方便将仿生部件安装至CSTR反应器，在CSTR反应器内设置一个可活动的圆柱形套筒12。圆柱形套筒12的结构如图3、图4、图5和图6所示。圆柱形套筒12底部设置卡槽结构，其底部对向开设2-10个卡槽121，每个卡槽121的为宽10-30mm，深为10-30mm。在反应器底部按照圆柱形套筒12的开槽的排列方式，制作2-10个对应的卡扣，利用卡槽121和卡扣的物理作用，将套筒12固定安装于CSTR反应器中。较佳地，卡槽121数量为2个，每个卡槽121宽10mm，深10mm。此外，还可以设置小长方块，用于横向固定圆柱形套筒12。较佳地，小长方块长10mm，宽8mm，高8mm，粘贴于反应器底部，用于圆柱形套筒12横向固定，卡入圆柱形套筒12的卡槽121内以保证圆柱形套筒12的稳定。应当理解，圆柱形套筒12也可以采用其他方式固定在反应器内，不仅限于卡槽结构。

制作圆柱形套筒12的材料可以为亚克力有机玻璃或相似材料。圆柱形套筒12的尺寸依据CSTR反应器尺寸设计，圆柱形套筒12外径为CSTR反应器内径的80％-95％；安装好仿生部件的圆柱形套筒12内径为搅拌桨运动直径的110％-150％；套筒高度为反应器工作状态发酵液液面高度的90％-100％。其参数如表4、5所示。

表4圆形套筒基本数据

表5圆形套筒卡槽及方块数据

可以将仿生部件13粘贴在圆柱形套筒12的内部壁面上。较佳地，采用交联剂(3M双面胶带9119-50以及快干胶PR100)将仿生部件13贴合于圆柱形套筒12的内壁，将圆柱形套筒12固定于反应器内，构成具有三维结构仿生部件13的沼气发酵反应器。每块仿生部件13长宽均为8mm，套筒一周能贴合3块仿生部件，贴上下两层，共计6块。

图1为采用套筒方式安装好仿生部件13后的CSTR反应器示意图。仿生部件13通过粘贴在圆柱形套筒12内壁固定在反应池1中，这种设计使的仿生部件13得到固定，不会因为搅拌桨9的扰动，而让仿生部件13在反应池中四处飘动。同时圆柱形套筒12为灵活设置，方便了仿生部件13的替换或重复使用。

将圆柱形套筒12安装在CSTR反应器中，准备实验。

在一些实施方式中，仿生部件13可以直接做成空心圆柱形作为反应器壁面，或者是与反应池(即反应部分1)形状相同的空心立体形态，尺寸略小于反应部分1，可直接放入反应部分1中。此方案则可以省去套筒12这一结构。

在一些实施方式中，可以增加大搅拌桨9的面积，将仿生部件13直接安装于搅拌桨9两面，此方案需要增大搅拌桨面积，同时此方案也可不用套筒这一结构。

在一些实施方式中，仿生部件13可采用其他方式直接固定于反应器内壁上，如采用插槽的方式直接***反应器壁面，此方案则会让仿生部件13的安装替换更加方便。

在一些实施方式中，安装在反应部分的仿生部件为一个，该仿生部件可以是仿造瘤胃、网胃、瓣胃中的任意一种的形状，然后将仿生部件安装在反应部分。例如，通过套筒方式安装时，仿生部件最大为套筒全长。

在一些实施方式中，仿生部件13的数量可以为多个，分别仿造瘤胃、网胃、瓣胃的内部结构。然后可以将多个仿生部件13依照反刍消化过程进行安装，具体地，安装仿生部件13时的排列方式为(以套筒方式安装为例)：从上方到下方，瘤胃结构状仿生部件安装在套筒上部，瘤胃结构状仿生部件安装的最小长度为1/3套筒长度；网胃结构状仿生部件安装在套筒中部，长度最大为套筒长度的1/3；瓣胃结构状仿生部件安装在套筒的下部最大为套筒长度的1/3。应当理解，也可以不依照反刍消化过程，依据实际反应过程中的监测的具体表观参数，通过优化实验，决定不同结构的仿生部件的具体排列方式。应当理解，采用其他方式安装仿生部件13时，例如采用将仿生部件13直接做成空心圆柱形作为反应器壁面、将仿生部件13安装在搅拌桨9上、采用诸如插槽方式固定仿生部件13等情形，仿生部件13也能根据实际需求设置为具有不同的消化器官的形状。

安装好仿生部件13的CSTR反应器需要重新计算工作体积，而后按照CSTR反应器的一般操作进行运行即可。通常，需要驯化微生物10-30天或以上，以消除仿生部件13对微生物的微弱毒性影响。

本发明提供的CSTR反应器，其运行效果如下：

在体积2L的CSTR反应器中装入1.5L料液，牛粪浓度稀释至8％，初始pH 6.8，采用中温发酵，以电阻丝加热水浴控制发酵温度35℃，机械搅拌约30r/min，并作一组对照组(不含仿生部件)实验，试验周期为60d。仿生部件的存在可增加微生物附着面积以形成生物膜，减少随出料流失的微生物数量，增加微生物密度，促进厌氧发酵且仿生部件可循环使用，可节省成本简化工艺，并有效提高产气效率。本实验中拥有仿生部件的发酵组总产气量比对照组优势明显，且仿生部件的存在可提升56％以上的发酵速度。仿生部件的沼气总产量相比于对照组提高12％，甲烷产量则提高近15％。仿生部件的COD去除率明显高于对照组，已达70％，对比于对照组提高近17％。因此，与传统的厌氧发酵连续搅拌反应器工艺相比，拥有仿生部件的反应器运行具有更大的优势。

图15示出了本发明提供的另一种使用3D打印反刍仿生部件的沼气反应器，该沼气反应器为UASB反应器。UASB反应器包括反应容器200，反应容器200是用于发生反应的部分，其包括位于上部的第一部分203和位于下部的第二部分205，其中，第一部分203的直径大于第二部分205的直径，第一部分203内设置有漏斗形的集气罩201，集气罩201上较大的开口朝下进入到第一部分203内，集气罩201上较小的开口伸出在第一部分203之外形成集气口202。在第一部分203的侧壁上设置有出水口204。第二部分205的内壁上设置有仿生部件207，其中仿生部件207可以采用如图2所示的套筒12的方式安装；也可以直接将仿生部件207做成空心圆柱形作为第二部分205的壁面，或者是与第二部分205形状相同的空心立体形态，尺寸略小于第二部分205的内径，可直接放入第二部分205中；还可以采用其他方式将仿生部件207直接固定于第二部分205内壁上，如采用插槽的方式直接***第二部分205的壁面。第二部分205的下端逐渐收缩呈锥形，在锥形的尖端处往第二部分205内***管道209，管道209的一个开口伸出在第二部分205之外形成进水口208。在第二部分205的侧面上可以设置至少一个取样口206。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种使用3D反刍仿生部件的沼气反应器，其特征在于，包括：

反应器，所述反应器包括用于发酵的反应部分；

至少一个仿生部件，所述仿生部件安装在所述反应部分；所述仿生部件为根据反刍动物的消化器官的内部结构而仿造形成的结构，以仿生厌氧消化场所；所述仿生部件采用具有生物亲和力的柔性材料通过3D打印方式制造而成；

所述仿生部件包括：根据所述反刍动物的瘤胃的内部结构仿造形成的第一仿生部件，根据所述反刍动物的网胃的内部结构仿造形成的第二仿生部件，根据所述反刍动物的瓣胃的内部结构仿造形成的第三仿生部件；所述第一仿生部件、所述第二仿生部件、所述第三仿生部件按照从上到下的方式排列；其中，所述第二仿生部件包括第二基底和设置在所述第二基底上的蜂窝形网状结构；所述第三仿生部件包括第三基底和设置在所述第三基底上的瓣状结构，所述瓣状结构包括多个矩形片状结构；

所述反应部分包括圆柱形套筒，所述仿生部件粘贴在所述圆柱形套筒的内壁上，所述圆柱形套筒的底部设置有卡槽，所述反应器的底部设置有与所述卡槽配合的卡扣，通过将所述卡扣卡入所述卡槽以安装所述圆柱形套筒；

所述反应器内设置有搅拌桨，所述仿生部件还设置在所述搅拌桨的两侧。

2.如权利要求1所述的沼气反应器，其特征在于，所述第一仿生部件、所述第二仿生部件、所述第三仿生部件的长度分别为所述仿生部件总长度的三分之一。

3.如权利要求1-2任一项所述的沼气反应器，其特征在于，所述沼气反应器为全混式连续搅拌罐反应器（CSTR），其中，所述反应器还包括水浴部分，所述反应部分位于所述反应器中间，所述水浴部分在所述反应部分的外部并将所述反应部分完全包裹在内；所述反应部分的底部设置有出泥口，所述水浴部分的底部设置有出水口；

密封盖，所述密封盖设置在所述反应部分的上端，所述密封盖的两侧分别设置有出气口和进料口；

联轴器，所述联轴器贯穿所述密封盖的中部，所述联轴器的上端连接有电机；

所述搅拌桨连接至所述联轴器的下端，所述搅拌桨伸入到所述反应部分内。

4.如权利要求1-2任一项所述的沼气反应器，其特征在于，所述沼气反应器为升流式厌氧反应器，所述升流式厌氧反应器的所述反应器包括位于上部的第一部分和位于下部的第二部分，所述第一部分直径大于所述第二部分的直径，所述仿生部件设置在所述第二部分内；所述第一部分内设置有漏斗形的集气罩，所述集气罩上较小的开口伸出在所述第一部分之外形成集气口，所述第一部分的侧壁上设置有出水口；所述第二部分的下端呈锥形，所述锥形的尖端处往所述第二部分内***管道，所述管道的一个开口伸出在所述第二部分之外形成进水口，所述第二部分的侧壁上设置有取样口。