环保酵素发酵产物的分离及能源提取系统设计

孙庆胤 高航 余晨 盛昊 秦孟龙

摘 要：本文针对环保酵素发酵产生的混合气体，提出了一种逐级分离的气体分离装置，其具有效率高，能耗少的优点。同时，对设计的系统进行了简单的建模与计算，从理论上论证了设计的可行性。

关键词：环保酵素;发酵产物;分离;能源提取

中图分类号：TQ925 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）04-0059-04

Design of Environmentally Friendly Enzyme Fermentation

Product Separation and Energy Extraction System

SUN Qingyin GAO Hang YU Chen SHENG Hao QIN Menglong

（College of Engineering， Huazhong Agricultural University，Wuhan Hubei 430070）

Abstract： Aiming at the mixed gas produced by fermentation of environmental friendly enzymes， this paper presented a gas separation device by stages， which had the advantages of high efficiency and low energy consumption. At the same time， the design system was modeled and calculated simply， and the feasibility of the design was demonstrated theoretically.

Keywords： environmentally friendly enzymes;fermentation products;separation;energy extraction

酵素在发酵过程中会产生大量气体，气体的主要成分有水、CH3CH2OH、CH3COOH（微量）、CO2。其中，CH3CH2OH是一种重要的工业原料;CO2是主要的温室气体，也是一种重要的工业原料，如果任由其挥发，既会造成温室效应，又会造成能源浪费。

利用厨余垃圾来制作环保酵素不仅可以充分利用厨余垃圾，节约能源，而且可以保护环境，同时又可提供廉价的工业原料。本文主要设计环保酵素发酵产物的分离及能源提取系统，实现混合气体的分离。

1 环保酵素发酵产物分离及能源提取系统的整体设计

本设计由储气罐、干燥系统、CH3CH2OH（CH3COOH）收集装置和CO2收集装置四部分组成，如图1所示。

环保酵素发酵产生的气体进入储气罐，当储气罐罐内压力达到一定值时，地上导气管所装阀门自动开启，气体经地上导气管进入干燥箱，进行气体干燥，之后已经干燥的气体经后段地上导气管道进入CH3CH2OH冷凝箱，冷凝后的CH3CH2OH进入CH3CH2OH收集箱，干燥后的气体经过CO2干燥箱进行进一步干燥与除杂，最后纯净的CO2进入CO2收集罐完成气体的分离与收集。

2 储气罐

由于储气罐是与发酵罐直接相连的，储气罐在不工作时必须保证不与空气直接接触，以免掺入空气，导致后续工序所产生的气体不纯。基于以上分析，阀门的安装位置靠近发酵罐。

该阀门在发酵罐添加原料时处于关闭状态，当发酵罐原料添加完毕并开始工作时打开，由此确保储气罐一直处于与空气隔绝状态。储气罐内的气体主要是CH3CH2OH蒸汽、水蒸汽、CO2以及微量乙酸。

储气罐上还设有压力表，并且与最后的抽气机相连。压力表的作用是测量储气罐内的压力值，当储气罐内的压力达到一定值后压力机开始工作，带动整个装置的气体匀速流动，当储气罐内的压力低于某个值后，压力机、图4中的阀门1、阀门2开关自动关闭，从而保证气流的稳定性。

3 干燥系统

3.1 导气管

导气管所处的环境是室温，CH3CH2OH（CH3COOH）会冷凝，冷凝成液体之后，将在自身重力的作用下向下流动，在拐角1处接地下导气管（该装置位于地下，见图1，10.地下导气管），实现液体（该液体只占总体的一小部分）的收集。阀门1、阀门2的开闭受干燥箱（见图5，3.干燥箱1，4.干燥箱2）所装湿度计（见图5，1.湿度计1，2.湿度计2）数值的动态调控，当两个湿度表数值达到预定值后，阀门1、阀门2自动关闭，停止放气，同时，无论储气罐的压力表是否达到关机（使压力机关闭）值，压力机都将停止工作。该阀门的作用是避免因干燥箱中干燥剂用完而导致后续气体中含有水蒸汽。其余两段导气管的设计原理与此相同，在其拐弯处接地下导流管，三段导流管中的液体汇合到CH3CH2OH收集箱。

3.2 干燥箱

该气体干燥装置采用双保险制，当干燥箱1工作时，干燥箱2处于“休眠”状态。其转换机制为：当干燥箱1的干燥剂全部用完后，接在干燥箱背后的湿度计1读数变大，到达设定值后反饋给控制系统，控制系统将控制干燥箱1前的阀门1关闭，同时使干燥箱2前的阀门2开启。如果两个干燥箱干燥剂全部用完尚未更换，则导气管1的开关将会关闭，直到干燥剂更换完毕才能继续工作。如果同时更换两个干燥箱，必须在压力机断电的条件下完成，全部更换完毕后，电源接通，此时压力机的开启与否取决于储气罐的压力表数值，如果只更换一个干燥箱则不需要断电。

为保证气体能得到充分干燥，干燥箱内部采用分层隔离装置，干燥剂拟采用硅胶。同时，为了保证CH3CH2OH与乙酸在干燥过程中不被冷凝，干燥箱内的温度必须达到一定的数值，同时，在下层隔离装置留有缝隙，整个干燥箱微微向下倾斜。

该设计的目的是使冷凝的CH3CH2OH（CH3COOH）在其重力作用下顺着导气管1被收集。该装置的作用主要是干燥混合气体。常见的干燥剂有浓H2SO4、P2O5、无水CaCl2和硅胶等，几种干燥剂的性质如表1所示。

表1 常用干燥剂[1]的性质

[物质 状态 性质与反应 浓H2SO4 液态 强氧化性，脱水性，溶于水后产生大量热 P2O5 固态 本身与水反应生成H3PO4，H3PO4与CH3CH2OH

发生酯化反应 无水CaCl2 固态 与CH3CH2OH反应生成CaCl2生成CaCl2·6C2H5OH 硅胶 固态 不与CHCHOH反应，只与水反应 ]

通过表1可知，选择硅胶作为干燥剂较为合理。从储气罐中出来的气体，其相对湿度比较大（[RH]>20%，[T]=25℃）。在理想情况下，每个干燥箱所能干燥的水分的最大质量约为1 200kg，考虑到湿度与温度的变化，足以保证在相当长时间内不用更换干燥剂。

4 CH3CH2OH（CH3COOH）的冷凝与收集装置

由表2可知，可以利用冷凝的方式将混合气体中的CH3CH2OH（CH3COOH）从CO2中除去，故设计出如图6所示的装置。图6中CH3CH2OH冷凝箱1、CH3CH2OH冷凝箱2位于冷凝池内，通过地上导气管分别接干燥箱1，经过干燥箱的气体到达该处后，由于收集装置的半径变大，气流变慢，同时该装置位于污水池中，可以利用污水作为冷凝水，实现CH3CH2OH（CH3COOH）的冷凝，冷凝后的液体顺着地下导气管进入收集箱。

5 CO2收集裝置

经过上一步的气体分离，此时气体的主要成分是CO2，考虑到CH3CH2OH易挥发，所以在CO2进入储气罐前必须进行除杂（主要是挥发出的CH3CH2OH），选取的除杂剂为无水CaCl2。无水CaCl2的相关性质在表2中已经说明。将无水CaCl2放置在图7所示的装置内。在图7所示装置中，隔板交错排布，可以使气体中的杂质成分被充分除去。

本设计的CO2除杂装置的规格为1 000mm×1 000mm×1 000mm，放置无水CaCl2的质量[m1]应为：

[m1=ρV]                          （1）

式（1）中，[m1]为无水CaCl2的质量（kg）;[ρ]为无水CaCl2的密度，2 450kg/m3;[V]为罐体的体积（m3）。将相关数据带入式（1）可得，[m1]=2 450kg。

CH3CH2OH与无水CaCl2反应的化学方程式如下：

CaCl2+6CH3CH2OH=CaCl2·6CH3CH2OH

其中，CaCl2的分子质量是111，CaCl2·6CH3CH2OH的分子质量是276，根据相对分子质量比等于质量比可求得[m2]。

[m2=276×m1/111=276×2450kg/111=6 300kg]    （2）

消耗完所有的无水CaCl2大约需要6 300kg的CH3CH2OH。由于大部分CH3CH2OH在前一阶段已经冷凝，挥发出的量是极少的，因此，在相当长的时间内，该部分无水CaCl2不会耗尽。可见，不在CO2收集管处设置检测装置是合理的。

经过上一步的除杂，此时的CO2气体中基本不含有杂质，基于环保的理念，这部分CO2可以被收集起来用于其他生产活动，在本设计中，一次性收集的CO2的量计算如下：

按照国标的有关规定：CO2的存储装置采用200kg/cm2级的钢质无缝气瓶，整个钢瓶的工作温度不得高于31℃，公称充装压力为15MPa，实际充装压力为7MPa～8MPa，容积为40L。

考虑到实际情况，设工作温度为25℃，实际充装压力7.5MPa，根据克拉珀龙方程[3]有：

[n=pV/RT]                          （3）

式（2）中，[n]为CO2的物质的量（mol）;[p]为充装压强，取[p]=7.5MPa;[R]为气体常数，8.31J·mol-1·K-1;[T]为充装气体时的热力学温度，取[T]=298K。将相关数据带入式（2）得出[n]=121.14mol，根据物质的量与物质质量的关系有：

[m=n×M]                               （4）

式（3）中，[m]为CO2的质量（kg）;[M]为CO2的摩尔质量，44g/mol;代入相应数据解得[m]=5.33kg本设计共有5个储气罐一次可以存储的质量为

[M1=5×m]                                     （5）

式（4）中，[M1]为总共储存的质量（kg）;代入相应的数据解得[M1]=26.65kg，故一次性可以储存26.65kg的CO2。

6 结语

通过验证可知，本文提出的逐级分离的气体分离装置，具有效率高，能耗少的优点，可行性较强。

参考文献：

[1]李海陕.干燥剂在日常生活中的应用探析[J].科技风，2009（21）：248-249.

[2]李晓峰.关于乙醇性质的重点难点及常考知识点[J].数理化学习（高中版），2008（3）：58-61.

[3]阎俊仁.克拉珀龙方程及其应用[J].高中数理化，2002（1）：26-27.