CN110157612B - 一种光合细菌培养-光发酵产氢联合反应器及利用其进行制氢的方法 - Google Patents

一种光合细菌培养-光发酵产氢联合反应器及利用其进行制氢的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光合细菌培养‑光发酵产氢联合反应器及利用其进行制氢的方法，所述联合反应器包括筒体和箱体，筒体由顶板、底板和的圆柱形侧壁组成，筒体内从外至内依次设有第一圆柱形隔断和第二圆柱形隔断，从而从外至内依次形成光合细菌培养区、保温照明区、光发酵产氢区，所述箱体内从左至右依次设有第一隔板、第二隔板，从而从左至右依次形成生长培养基室、清水室、产氢基质室，生长培养基室通过软管与光合细菌培养区连通，清水室与保温照明区通过软管连通，产氢基质室通过软管与光发酵产氢区连通。本发明能够实现光合细菌培养和光发酵产氢共用一套光照和保温装置，实现了对光能和热能的最大化利用。

Description

一种光合细菌培养-光发酵产氢联合反应器及利用其进行制 氢的方法
技术领域
本发明涉及生物质光合生物制氢的技术领域，具体涉及一种光合细菌培养-光发酵产氢联合反应器及利用其进行制氢的方法。
背景技术
进入二十一世纪以来，能源短缺、环境污染就像两座大山拦在全人类面前，因此，开发和探讨新的清洁能源已经势在必行。作为一种重要的物质基础，人类的发展和生存都离不开能源，随着社会的进步，在经济发展日新月异的今天，与能源相关的问题已经吸引了全世界的目光，高效低成本地发展新型的可持续利用的新型清洁能源，已成为当今社会发展的重点之一。面对这个二十一世纪的重要课题，各个国家都把新能源的发展纳入本国新的战略规划中，甚至制定了相关的国策。在新型能源领域中，已经被工业界重点关注的清洁无污染的氢能利用技术正在以令人瞩目的速度发展，许多的发达国家已经将“洁净”的氢能源视作是本国未来的能源而大大加快研究速度。氢能本身是一种二次能源，它只能在一些技术手段的作用下从一次能源中提取出来。作为一种较为理想的替代能源，氢能的优势众多，例如：燃烧性能很好、热值很高、资源比较丰富等；作为一种理想的替代能源，生物制氢以其污染少、反应条件温和、耗能低等诸多优点，受到世界各国的广泛关注。
在生物制氢中，光合细菌制氢的优势很明显：细菌通过降解有机废弃物产生氢气，将产氢与除废相结合，既实现了资源的循环利用，又能有效地将太阳能的光能转化为氢能，进而被燃料电池转化为电能，整个转化过程无污染、能耗低、操作简单。而且各种光合细菌在环境中存在广泛，容易获得，产氢效率较高，光转化率也较高。所以，光合生物制氢不仅有一定的经济效益还有一定的环境效益，是一种非常具有发展前景的制氢方式。而现在的光合生物制氢尚且停留在实验室研究阶段，研究光发酵制氢反应器是光合生物制氢技术从实验室走向工业化的重要一环。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光合细菌培养-光发酵产氢联合反应器及利用其进行制氢的方法。该装置能够实现光合细菌培养和光发酵产氢共用一套光照和保温装置，实现了对光能和热能的最大化利用，且增加了光合细菌的受光面积，减少了光发酵产氢的热损失，降低能耗，提高了对能源的利用效率，降低了运行成本。用电磁阀将细菌培养区和光发酵产氢区进行连通的设置，方便对光发酵产氢区进行光合细菌接种的操作，减少了试验工作量。
基于上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种光合细菌培养-光发酵产氢联合反应器，包括设于第一支座上的筒体和设于第二支座上的箱体，筒体由顶板、底板以及设于底板和顶板之间的圆柱形侧壁组成，筒体内从外至内依次设有第一圆柱形隔断和第二圆柱形隔断，圆柱形侧壁和第一圆柱形隔断之间形成光合细菌培养区，第一圆柱形隔断和第二圆柱形隔断之间形成保温照明区，第二圆柱形隔断内形成光发酵产氢区，所述箱体内从左至右依次设有第一隔板、第二隔板，第一隔板和箱体左侧壁之间的空间形成生长培养基室，第一隔板、第二隔板之间的空间形成清水室，第二隔板和箱体右侧壁之间的空间形成产氢基质室，生长培养基室通过软管与光合细菌培养区连通，清水室与保温照明区通过软管连通，产氢基质室通过软管与光发酵产氢区连通，光合细菌培养区、保温照明区、光发酵产氢区内均设有温度传感器，三个温度传感器分别和温度控制器连接。
进一步地，第二圆柱形隔断内设有搅拌机构，所述搅拌机构包括电机、搅拌叶和搅拌轴，电机设于顶板上，搅拌轴穿过顶板且顶部和电机相连，搅拌轴向下延伸伸入光发酵产氢区的下部，搅拌叶固定于搅拌轴上，第二圆柱形隔断的外壁上设有光源（具体为缠绕有LED灯带），光发酵产氢区所对应的顶板上设有产氢出口管道，产氢出口管道上设有气体流量计，保温照明区所对应的底板上设有电加热丝，光合细菌培养区和光发酵产氢区的下部设有连通管，连通管上设有电磁阀；每根软管上均设有截止阀和蠕动泵。
进一步地，生长培养基室、清水室、产氢基质室的顶部设有进料口，生长培养基室、清水室、产氢基质室的下部分别设有出样管道，出样管道上设有出样阀，圆柱形侧壁、第一圆柱形隔断和第二圆柱形隔断的下部均设有出料管道，出料管道上设有出料阀。
进一步地，筒体、第一圆柱形隔断、第二圆柱形隔断、箱体、第一隔板、第二隔板均为透明材料，具体为玻璃或有机玻璃，所述光合细菌培养区、保温照明区、光发酵产氢区的体积分别记为V1 、V2、V3；且V2:V1≥1，V1:V3≥1:2，生长培养基室、清水室、产氢基质室的体积分别记为V4、V5、V6；各室体积与其连通的对应区的体积之比等于或大于6:5，即V4 :V1≥6:5，V5 :V2≥6:5，V6 :V3≥6:5。
利用上述的光合细菌培养-光发酵产氢联合反应器进行制氢的方法，包括以下步骤：
A：通过进料口向生长培养基室和清水室中分别加入按比例配制的光合细菌生长培养基和清水，接通蠕动泵电源，分别输送至光合细菌培养区和保温照明区，接光源和电加热丝电源，培养48~72 h；
B：通过进料口向产氢基质室加入产氢基质反应液；接通蠕动泵电源，向光发酵产氢区加入产氢基质反应液；接通电磁阀电源，由光合细菌培养区向光发酵产氢区输送光合细菌，光合细菌输送量为反应总体积的20%~30%；
C：在产氢出口管道的出口处设置储氢罐，由气体流量计记录产气体积；
D：关闭阀门，使用间歇搅拌的方式提高产气速率。
优选地，所述光合细菌菌种来自河南农业大学提供的HAU-M1光合产氢细菌，以数量比计，由9%的类球红细菌、27%的深红红螺菌、11%的荚膜红细菌、28%的沼泽红假单胞菌和25%的荚膜红假单胞菌组成。
优选地，光合细菌生长培养基的具体组成为：酵母膏0.5 g/L，NaCl 1.0 g/L，MgSO4·7H2O 0.1 g/L，CH3COONa 2.0 g/L，K2HPO4 0.1 g/L，NaHCO3 1.0 g/L，NH4Cl 0.5 g/L，余量为蒸馏水。
优选地，产氢基质反应液的组成为：将谷氨酸钠、NaCl、K2HPO4、酵母膏、MgCl2、NH4Cl、生物质秸秆粉末、纤维素酶加入缓冲液中，使谷氨酸钠浓度为3.56 g/L，NaCl 浓度为2.0 g/L，K2HPO4 浓度为0.50 g/L，酵母膏浓度为 0.10 g/L，MgCl2浓度为 0.20 g/L，NH4Cl 浓度为0.40 g/L，纤维素酶按照100mg/g秸秆添加，生物质秸秆粉末按照25g/L有效体积添加，混合均匀即可，有效体积为产氢基质反应液体积和所添加光合细菌体积之和；其中缓冲液为pH=4.8的柠檬酸-柠檬酸钠溶液。
进一步地，所述光合细菌培养区和光发酵产氢区的反应温度均为30±1℃；所述LED灯带的光照强度为2500~3500勒克斯。
本装置能够实现光合细菌培养和光发酵产氢共用一套光照和保温装置，实现了对光能和热能的最大化利用，且增加了光合细菌的受光面积，减少了光发酵产氢的热损失，降低能耗，提高了对能源的利用效率；用电磁阀将细菌培养层和光发酵层进行连通的设置，方便对光发酵层进行光合细菌接种的操作，减少了试验工作量；用蠕动泵将培养基箱、产氢基质箱连通的设置，简化了现有制氢工艺流程。此外，本装置占地面积小、操作方法简单，较容易实现现代化，可广泛应用于能源、环保等行业，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明光合细菌培养-光发酵产氢联合反应器的结构示意图；
图2是图1中圆柱形筒体的结构示意图；
图中：1.第一支座，2.底板，3.电加热丝，4.连通管，5.电磁阀，6.温度控制器，7.温度传感器，8.光合细菌培养区，9. 保温照明区，10. 光发酵产氢区，11.搅拌轴，12.电机，13. 产氢出口管道，14.气体流量计，15.搅拌叶，16.LED灯带，17.第二圆柱形隔断，18.第一圆柱形隔断，19.圆柱形侧壁，20.出料管道，21.出料阀，22.截止阀，23.软管，24.蠕动泵，25.进料口，26.生长培养基室，27.清水室，28.产氢基质室，29.出样管道，30.出样阀，31.第二支座，32.顶板。
具体实施方式
以下结合附图作进一步描述，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。
一种光合细菌培养-光发酵产氢联合反应器，如图1和图2所示，包括设于第一支座1上的圆柱形筒体和设于第二支座31上的长方形箱体，圆柱形筒体由顶板32、底板2以及设于底板2和顶板32之间的圆柱形侧壁19组成，圆柱形筒体内从外至内依次设有第一圆柱形隔断18和第二圆柱形隔断17，圆柱形侧壁19和第一圆柱形隔断18之间形成光合细菌培养区8，第一圆柱形隔断18和第二圆柱形隔断17之间形成保温照明区9，第二圆柱形隔断17内形成光发酵产氢区10，所述长方形箱体内从左至右依次设有第一隔板、第二隔板，第一隔板和箱体左侧壁之间的空间形成生长培养基室26，第一隔板、第二隔板之间的空间形成清水室27，第二隔板和箱体右侧壁之间的空间形成产氢基质室28，生长培养基室28通过软管23与光合细菌培养区8连通，清水室27与保温照明区9通过软管23连通，产氢基质室28通过软管23与光发酵产氢区20连通，光合细菌培养区8、保温照明区9、光发酵产氢区10内均设有温度传感器7，三个温度传感器7分别和温度控制器6连接。温度控制器6连接到外部的控制终端从而将信号传至控制中心，这属于本领域公知的技术手段且不属于本发明的发明点，此处不再赘述。
进一步地，第二圆柱形隔断17内设有搅拌机构，所述搅拌机构包括电机12、搅拌叶15和搅拌轴11，电机12设于顶板32上，搅拌轴11穿过顶板32且顶部和电机12相连，搅拌轴11向下延伸伸入光发酵产氢区10的下部，搅拌叶15固定于搅拌轴11上，第二圆柱形隔断17的外壁上缠绕固定有LED灯带16，光发酵产氢区10所对应的顶板上设有产氢出口管道13，产氢出口管道13上设有气体流量计14，保温照明区9所对应的底板上设有电加热丝3，光合细菌培养区8和光发酵产氢区10的下部设有连通管4，连通管4上设有电磁阀5；每根软管23上均设有截止阀22和蠕动泵24。
进一步地，生长培养基室26、清水室27、产氢基质室28的顶部设有进料口25，生长培养基室26、清水室27、产氢基质室28的下部分别设有出样管道29，出样管道29上设有出样阀30，圆柱形侧壁19、第一圆柱形隔断18和第二圆柱形隔断17的下部均设有出料管道20，出料管道20上设有出料阀21。
进一步地，圆柱形筒体、第一圆柱形隔断18、第二圆柱形隔断17、长方形箱体、第一隔板、第二隔板均为透明材料，如为玻璃或有机玻璃，所述光合细菌培养区8、保温照明区9、光发酵产氢区10的体积分别记为V1 、V2、V3；且V2:V1≥1，V1:V3≥1:2，生长培养基室26、清水室27、产氢基质室28的体积分别记为V4、V5、V6；各室体积与其连通的对应区的体积之比等于或大于6:5，即V4 :V1≥6:5，V5 :V2≥6:5，V6 :V3≥6:5。
在本实施例中，所述第一支座1长为400 mm，宽为400 mm，高为500 mm，所述圆柱形筒体高为1000 mm，半径为180 mm，第一圆柱形隔断18半径为150 mm，第二圆柱形隔断17半径为100 mm。所述圆柱形筒体、第一圆柱形隔断18、第二圆柱形隔断17由有机玻璃制成。
在本实施例中，所述照明LED灯带16均匀缠绕的匝间距为80 mm，电加热丝3固定半径为165 mm，功率为2000 W。
在本实施例中，搅拌轴11为长度800 mm的金属杆，在距离电机12下端350 mm处焊接第一片搅拌叶15，在距离电机12下端700 mm处焊接第二片搅拌叶15。
在本实施例中，所述第二支座31的长为500 mm，宽为500 m，高为500 mm；所述生长培养基室26的长（前后方向的长度，下同）为500 mm，宽（左右方向的长度，下同）为130 mm，高为600 mm；所述清水室27的长为500 mm，宽为160 mm，高为600 mm；所述产氢基质室28的长为500 mm，宽为130 mm，高为600 mm；所述进料口25半径均为60 mm；所述长方形箱体、第一隔板、第二隔板由有机玻璃制成。
利用上述联合反应器的产氢方法包括如下步骤：
1. 通过进料口25向生长培养基室26和清水室27中分别加入按比例配制的光合细菌生长培养基和清水，接通蠕动泵24电源，分别输送至光合细菌培养区8和保温照明区9，接通LED灯带16和电加热丝3电源，培养48 h。
2. 通过进料口25向产氢基质室28加入产氢基质反应液；接通蠕动泵24电源，向光发酵产氢区10加入产氢基质反应液；接通电磁阀5电源，由光合细菌培养区8向光发酵产氢区10输送光合细菌，光合细菌的体积占光发酵产氢区10体积的20~30%；产氢基质反应液占光发酵产氢区10体积的70~80%；将已经输送到光发酵产氢区10的光合细菌和产氢基质反应液进行混合，光合细菌在LED灯带16的光照作用下，利用产氢基质反应液中的还原糖进行光合产氢。接着向光合细菌培养区8加入生长培养基，接种光合细菌继续培养，以待下次使用。
3. 产生的氢气在浮力的作用下，汇聚到光发酵产氢区10的顶部，并从设置的产氢出口管道13的出口导出，在产气出口处设置储氢罐，用于储存生成的氢气，由气体流量计14记录产气体积。
4. 设置***的水力滞留期为48 h，使用间歇搅拌的方式提高产气速率，每4 h搅拌一次，搅拌时长为30 min。
在本实施例中，步骤1所添加的光合细菌生长培养基组成为：蒸馏水，酵母膏0.5g/L，NaCl 1.0 g/L，MgSO4·7H2O 0.1 g/L，CH3COONa 2.0 g/L，K2HPO4 0.1 g/L，NaHCO3 1.0g/L，NH4Cl 0.5 g/L。在光合细菌培养区8光合细菌的添加量为光合细菌培养区8体积的40%，添加光合细菌生长培养基的体积为光合细菌培养区8体积的60%。
步骤1所加入的光合细菌，为以对数期后期的光合细菌进行接种，调节光照强度为3000lx、温度为30℃条件下进行培养。
在本实施例中，光合细菌菌种来自河南农业大学提供的HAU-M1光合产氢细菌，以数量比计，由9%的类球红细菌（Rhodobacter sphaeroides）、27%的深红红螺菌（Rhodospirillum rubrum）、11%的荚膜红细菌（Rhodobacter capsulatus）、28%的沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas pulastris)和25%的荚膜红假单胞菌(Rhodopseudomonascapsulata)组成。
在本实施例中，产氢基质反应液的组成为：将谷氨酸钠、NaCl、K2HPO4、酵母膏、MgCl2、NH4Cl、生物质秸秆粉末、纤维素酶加入缓冲液中，使谷氨酸钠浓度为3.56 g/L，NaCl浓度为2.0 g/L，K2HPO4 浓度为0.50 g/L，酵母膏浓度为 0.10 g/L，MgCl2浓度为 0.20 g/L，NH4Cl 浓度为0.40 g/L，纤维素酶按照100mg/g秸秆添加，生物质秸秆粉末按照25g/L有效体积添加，混合均匀即可，有效体积为产氢基质反应液体积和所添加光合细菌体积之和。
缓冲液：缓冲液为pH=4.8的柠檬酸-柠檬酸钠溶液，具体配制过程如下：
A溶液：准确称取柠檬酸21.014 g于500 mL烧杯中，用少量蒸馏水溶解后，定容至1000 mL，得到0.1 mol/L柠檬酸溶液。
B溶液：准确称取柠檬酸钠29.412 g于500 mL烧杯中，用少量蒸馏水溶解后，定容至1000 mL，得到0.1 mol/L柠檬酸钠溶液。
取A溶液230 mL，B溶液270 mL，充分混合后移入1000 mL容量瓶中用蒸馏水定容至1000 mL，充分混匀即可。
光合细菌的体积占光发酵产氢区10体积的20~30%；产氢基质反应液占光发酵产氢区10体积的70~80%,可根据实际实验需要进行调节。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种光合细菌培养-光发酵产氢联合反应器，其特征在于，包括设于第一支座上的筒体和设于第二支座上的箱体，筒体由顶板、底板以及设于底板和顶板之间的圆柱形侧壁组成，筒体内从外至内依次设有第一圆柱形隔断和第二圆柱形隔断，圆柱形侧壁和第一圆柱形隔断之间形成光合细菌培养区，第一圆柱形隔断和第二圆柱形隔断之间形成保温照明区，第二圆柱形隔断内形成光发酵产氢区，所述箱体内从左至右依次设有第一隔板、第二隔板，第一隔板和箱体左侧壁之间的空间形成生长培养基室，第一隔板、第二隔板之间的空间形成清水室，第二隔板和箱体右侧壁之间的空间形成产氢基质室，生长培养基室通过软管与光合细菌培养区连通，清水室与保温照明区通过软管连通，产氢基质室通过软管与光发酵产氢区连通，光合细菌培养区、保温照明区、光发酵产氢区内均设有温度传感器，三个温度传感器分别和温度控制器连接；第二圆柱形隔断的外壁上缠绕固定有LED灯带，保温照明区所对应的底板上设有电加热丝，光合细菌培养区和光发酵产氢区的下部设有连通管，连通管上设有电磁阀。
2.根据权利要求1所述光合细菌培养-光发酵产氢联合反应器，其特征在于，第二圆柱形隔断内设有搅拌机构，所述搅拌机构包括电机、搅拌叶和搅拌轴，电机设于顶板上，搅拌轴穿过顶板且顶部和电机相连，搅拌轴向下延伸伸入光发酵产氢区的下部，搅拌叶固定于搅拌轴上，光发酵产氢区所对应的顶板上设有产氢出口管道，产氢出口管道上设有气体流量计，每根软管上均设有截止阀和蠕动泵。
3.根据权利要求1所述光合细菌培养-光发酵产氢联合反应器，其特征在于，生长培养基室、清水室、产氢基质室的顶部设有进料口，生长培养基室、清水室、产氢基质室的下部分别设有出样管道，出样管道上设有出样阀，圆柱形侧壁、第一圆柱形隔断和第二圆柱形隔断的下部均设有出料管道，出料管道上设有出料阀门。
4.根据权利要求1所述光合细菌培养-光发酵产氢联合反应器，其特征在于，筒体、第一圆柱形隔断、第二圆柱形隔断、箱体、第一隔板、第二隔板均为透明材料，所述光合细菌培养区、保温照明区、光发酵产氢区的体积分别记为V1 、V2、V3；且V2:V1 ≥1，V1:V3≥1:2，生长培养基室、清水室、产氢基质室的体积分别记为V4、V5、V6；各室体积与其连通的对应区的体积之比等于或大于6:5，即V4 ：V1≥6:5，V5 ：V2≥6:5，V6 ：V3≥6:5。
5.利用权利要求1至4任一项所述的光合细菌培养-光发酵产氢联合反应器进行制氢的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A：通过进料口向生长培养基室和清水室中分别加入按比例配制的光合细菌生长培养基和清水，接通蠕动泵电源，分别输送至光合细菌培养区和保温照明区，接通LED灯带和电加热丝电源，培养48~72h；
B：通过进料口向产氢基质室加入产氢基质反应液；接通蠕动泵电源，向光发酵产氢区加入产氢基质反应液；接通电磁阀电源，由光合细菌培养区向光发酵产氢区输送光合细菌；
C：在产氢出口管道的出口处设置储氢罐，由气体流量计记录产气体积；
D：关闭阀门，使用间歇搅拌的方式提高产气速率。
6.根据权利要求5所述的制氢方法，其特征在于，所述光合细菌的菌种为HAU-M1光合产氢细菌，以数量比计，HAU-M1光合产氢细菌由9%的类球红细菌、27%的深红红螺菌、11%的荚膜红细菌、28%的沼泽红假单胞菌和25%的荚膜红假单胞菌组成。
7.根据权利要求5所述的制氢方法，其特征在于，光合细菌生长培养基的具体组成：酵母膏0.5 g/L，NaCl 1.0 g/L，MgSO4·7H2O 0.1 g/L，CH3COONa 2.0 g/L，K2HPO4 0.1 g/L，NaHCO3 1.0 g/L，NH4Cl 0.5 g/L，余量为蒸馏水。
8.根据权利要求5所述的制氢方法，其特征在于，产氢基质反应液的组成为：将谷氨酸钠、NaCl、K2HPO4、酵母膏、MgCl2、NH4Cl、生物质秸秆粉末、纤维素酶加入缓冲液中，使谷氨酸钠浓度为3.56 g/L，NaCl 浓度为2.0 g/L，K2HPO4 浓度为0.50 g/L，酵母膏浓度为 0.10 g/L，MgCl2浓度为 0.20 g/L，NH4Cl 浓度为0.40 g/L，纤维素酶按照100mg/g秸秆添加，生物质秸秆粉末按照25g/L有效体积添加，混合均匀即可，有效体积为产氢基质反应液体积和所添加光合细菌体积之和；其中缓冲液为pH=4.8的柠檬酸-柠檬酸钠溶液。
9.根据权利要求5所述的制氢方法，其特征在于，所述光合细菌培养区和光发酵产氢区的反应温度均为30±1℃；所述LED灯带的光照强度为2500~3500勒克斯。
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