[发明专利]一种用于多阶段生物质发酵反应体系的监控系统及其监控方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于多阶段生物质发酵反应体系的监控系统及其监控方法，特别是，涉及一种用至少两个生物质发酵反应器生产混合氢烷的监控系统及其监控方法。

背景技术

至今化石能源仍是我国能源主体，但高质量的石油天然气探明储量及开采数量均远不能满足今后的需求，而煤炭则热值相对低、污染重，不宜再加大在能源中的比例。相对地，生物质能资源丰富，据估算全球每年通过光合作用约积累2200亿吨生物质，并且生物质能可通过生物或化学的方法气化或液化可转化成现代高质量能源，既提高了热效率又降低了环境污染，因此生物质能为化石能源的有效替代能源。

生物质能厌氧处理技术的研究主要是在生物质沼气化、生物质液化成乙醇、生物燃料和微生物燃料电池、生物质能生成水煤气以及生物制氢等几个方向。在实际应用中，为获得不同含量/浓度的产物或为获得两种或几种上述发酵产物往往采用多个生物质反应器的发酵方式。例如，近年来将生物质能发酵处理生产氢气和甲烷的技术成为研究热点，特别是氢气/甲烷生物燃料（BioHythane）成为继生物天然气之后的第二代气体生物燃料。通过微生物发酵产氢、产甲烷的过程由水解液化、产氢产酸和产甲烷三阶段组成，在实际甲烷发酵体系中，较多使用的是厌氧颗粒泥等混合菌群体系，整个厌氧消化过程是一个菌群间相互作用、相互制约的动态平衡过程，而且不同的反应物料和反应条件对反应体系的影响很大。因此，相互关联、相互影响的多个发酵反应器的发酵反应过程需要有效地监控各阶段反应中的工艺参数和操作条件。

近年来，国内外研究中也提到了对发酵处理过程的监控系统和监控方法，例如CN101613662A公开了一种沼气发酵智能化管理系统，该系统包括计算机、现场数据采集装置和传感器，设置在发酵系统各主要设备上的传感器通过通讯电缆与现场数据采集装置连接，现场数据采集装置通过通讯电缆与计算机连接。现场数据采集装置采用可编程序控制器对温度、压力、液位、理化指标、沼气成分、流量等工艺参数进行数据采集，并由计算机通过可编程序控制器对泵、搅拌器、电动阀等执行元件进行控制。该系统采用了组态软件，因此能够将所控制的各主要工艺设备以图形的形式、各工艺参数以数字的方式通过显示器直观地显示出来，方便地实现整个生产系统的监控，提高了工作效率。

CN201984344U公开了一种微生物发酵设备监控系统，该系统包括发酵罐、监控模块、补料管道、蠕动泵、补料瓶、主控计算机，其中，监控模块包括控制器，设置在发酵罐侧壁并分别与控制器连接的pH传感器和溶氧电极，并且将蠕动泵、控制器、主控计算机依次连接，实现了对pH信号和溶氧信号的实时监控，对发酵过程的流加补料实施自动反馈控制，进一步提高发酵产品的产率。

US6,942,962B1公开了一种对发酵过程的监控方法，通过确定特定发酵菌株的培养基用量与细胞生长之间的关系曲线的方法，监控反应过程中的各个物料的浓度，从而优化了整个发酵过程。该发明列举了制备酒精饮料、丙酮以及药剂方向上的实施方案，其监控方法包括：测定初始培养基中各个物料的浓度；测定各个物料的浓度变化曲线；确定和监控在发酵过程中菌株量与各个物料浓度之间的关系曲线；以及按照实际情况及时调节物料用量。

US5,470,745公开了一种用于发酵制甲烷过程的监控系统，该系统包括主发酵罐、主传感装置、模型控制计算机、参数控制计算机以及由辅助发酵罐和辅助传感装置构成的试验装置。设置在主发酵罐上的主传感装置用于测定其pH值、乙酸浓度等参数，将测得的参数值反馈到模型控制计算机，根据既定的发酵过程模型推算出物料的理论参数值，而后由参数控制计算机根据理论参数值控制主发酵罐中的物料参数。另外，该发明中使用了辅助发酵罐和辅助传感装置，通过小型试验装置优化了发酵过程模型。

目前为止，现有技术中的监控系统所使用的监控方法都是通过发酵设备配有的检测设备和控制设备达到监控其参数的目的，从而在低成本的基础上提高其产品产率。然而，众所周知，在多阶段生物质发酵反应体系中，用相互关联、相互影响的多个生物质发酵反应器生产混合氢烷的过程需要多个厌氧反应的协同作用，各个反应中的物料参数、反应条件以及产物产率都各不相同，很难直接利用上述监控方法达到优化整个发酵体系的目的。

上述专利文献的所有公开内容在此全文引入以作参考。