CN101538587B - 一种光合细菌连续制氢的方法及其装置 - Google Patents

一种光合细菌连续制氢的方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于光合细菌制氢的技术领域，具体公开了一种光合细菌连续制氢的方法及其装置。所述方法为分步法光合细菌连续制氢，包括菌体培养和发酵产氢两个阶段：光合细菌及其生长培养基经过培养后，当菌体浓度OD660nm达到1.5～2.0时，按体积计，1/10～3/10菌液总量的菌液通过回流与光合细菌生长培养基混合进行增殖培养，而其余菌液则与产氢底物混合后再进行发酵产氢。所述装置由依次串连的菌体培养箱、菌料混合箱和光合产氢反应器三部分组成。本发明方法工艺简单、操作简便；本发明装置设计合理、科学，减少了空气对产氢的抑制，使产氢初期的菌体能够迅速进入产气高峰，保证了反应器稳定和高效地运行。

Description

一种光合细菌连续制氢的方法及其装置
技术领域
本发明属于光合细菌制氢的技术领域，具体涉及了一种光合细菌连续制氢的方法及其装置。
背景技术
随着化石能源储量的日益减少及广泛使用化石能源所带来的环境污染的不断恶化，要实现经济和社会的可持续发展，必须寻找新的清洁的可再生能源替代原有的化石能源，构建新的能源体系。在众多的可再生能源中氢气由于其高效、清洁可再生的特点，被认为是一种最理想的替代能源。然而与氢能的巨大发展潜力相对应的落后的制氢技术却一直制约着氢能的大规模应用与发展，传统的化石燃料重整制氢和电解水制氢存在着耗能巨大，原料转化率低，生产成本高等缺点。生物制氢反应条件温和，能将制氢与废弃物利用相结合，耗能低、污染少，因此受到国内外众多研究者的广泛关注。光合细菌制氢与其他生物制氢方法相比能量利用率高，能将产氢与光能利用、有机物的去除有机地耦合在一起，产氢不放氧、纯度高，是一种较具发展潜力的生物制氢方式。
光合细菌产氢过程中产物(H2)的形成与细胞生长不相关，属于非生长偶联型。因此，光合细菌制氢可以分为菌种培养和发酵产氢两个阶段。现有的光合细菌制氢方法将菌种的培养和产氢相分离，菌体培养阶段虽然可以实现菌种的连续培养，但产氢发酵阶段只能实现分批或半连续发酵产氢，菌体培养与菌体产氢不能有机结合，产气量小，产气不稳定，产气速率低，产气中氢气含量变化较大，限制着光合细菌制氢的进一步应用与发展。将菌体培养和菌体产氢相结合实现光合细菌连续产氢还未见相关报道。
发明内容
为克服现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种工艺简单、操作简便的光合细菌连续制氢的方法。同时，本发明也提供了实现光合细菌连续制氢方法的装置，本发明方法联合本发明装置，产氢不仅高效而且稳定。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种光合细菌连续制氢的方法：所述方法为分步法光合细菌连续制氢，包括菌体培养和发酵产氢两个阶段：光合细菌及其生长培养基经过增殖培养后，当培养后的菌体浓度OD660nm达到1.5～2.0时，按体积计，1/10～3/10菌液总量的菌液通过回流与光合细菌生长培养基混合重新进行增殖培养，而其余菌液则与产氢底物混合后再进行发酵产氢。
一种实现所述光合细菌连续制氢方法的装置：所述装置由依次串连的菌体培养箱、菌料混合箱和光合产氢反应器三部分组成，菌体培养箱设有光合细菌及其生长培养基注入口，菌体培养箱的出料口还设有菌液回流管路，菌液回流管路返回与光合细菌及其生长培养基注入口相连，菌料混合箱设有产氢底物注入口，光合产氢反应器设有出气口。菌体培养箱的作用在于：采用连续培养装置，为光合产氢反应器提供连续稳定的菌体供应。菌料混合箱的作用在于：将培养到处于对数增殖期的菌体与产氢底物进行充分混合，尽可能减少空气引入对菌体造成的抑制，并完成对混合菌液的酸碱度pH值进行调整，保证菌液pH值在6.8～7.2范围之内。光合产氢反应器的作用在于：为光合细菌的产氢提供所需要的光照、温度外界条件，使光合细菌将底物发酵转化为氢气，为了提高产氢量，也可以在此增加搅拌。本发明中，混合菌液的酸碱度pH值、光照、温度均按本领域的常规方法进行调节。
菌体培养箱、菌料混合箱和光合产氢反应器分别作为独立的部分而依次串连。
菌体培养箱、菌料混合箱和光合产氢反应器作为一个整体存在，将整体的内部空间隔离成三个空间依次作为菌体培养箱、菌料混合箱和光合产氢反应器。
沿水平方向，将整体的内部空间隔离成相通的或各自独立封闭的三个空间，其中可通过至少两块交错的隔板将整体空间隔离成相通的三个空间；其中，整体优选为棱柱、圆柱或扇形柱，较好地为长方体。
沿垂直方向，由下至上将整体的内部空间隔离成各自独立封闭的三个空间；其中，整体优选为棱柱、圆柱或扇形柱，较好地为长方体。
整体为圆柱或扇形柱，以半径绕轴旋转将整体的内部空间隔离成各相通的或各自独立封闭的三个空间，三者垂直并列，其中可通过至少两块交错的隔板将整体空间隔离成相通的三个空间。
产氢底物注入口为一个两端带密封阀而中空的腔体结构，进料前关闭下阀门、打开上阀门将料加入中空的腔体内部，进料时将上阀门关闭打开下阀门使料进入菌料混合箱。
菌体培养箱、菌料混合箱和光合产氢反应器均设有排污口。
在培养箱和光合产氢反应器的内部或外部均布置有照明装置和温度调节装置。
本发明方法工艺简单、操作简便，实现了光合细菌连续制氢。本发明装置由于设有菌液回流管路，实现了菌体的连续培养，加之菌料混合箱的存在，减少了传统先培养再产氢的弊端，减少了空气对产氢的抑制，使产氢初期的菌体能够迅速进入产气高峰，保证了反应器稳定和高效地运行。
附图说明
图1：本发明光合细菌连续制氢装置实施方式一的结构示意图；
图2：本发明光合细菌连续制氢装置实施方式二的结构示意图；
图3：本发明光合细菌连续制氢装置实施方式三的结构示意图；
图4：本发明光合细菌连续制氢装置实施方式四的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此：
以下各实施例中：
光合细菌：荚膜红假单胞菌、球形红假单胞菌、沼泽红假单胞菌、嗜硫小红卵菌多菌株的混合菌群50ml，以上菌体均为市购产品。
光合细菌生长培养基(以1000mL溶液量计)：CH3COONa 3g、(NH4)2SO41g、MgSO40.2g、NaCL0.2g、K2HPO40.6g、KH2PO41.5g、CaCL20.05g、酵母膏0.1g、生长因子5mL、微量元素2mL，NaOH调节pH值为6.8～7.2，120℃灭菌10min。其中，生长因子(以1000mL溶液量计)：VB10.1g、VB510g、H2NC6COOH 10g、蒸馏水1000mL；微量元素(以1000mL溶液量计)：FeCl3·6H2O5mg、CuSO4·5H2O 0.05mg、H3BO41mg、MnCl2·7H2O 0.05mg、ZnSO4·7H2O 1mg、Co(NO3)2·6H2O 0.5mg。
产氢底物：葡萄糖10g。
实施例1
如图1所示的光合细菌连续制氢装置实施方式一的结构示意图，所述装置由菌体培养箱1、菌料混合箱2和光合产氢反应器3三部分组成，菌体培养箱1、菌料混合箱2和光合产氢反应器3分别作为独立的部分并依次用管道9、阀门串连。菌体培养箱1设有光合细菌及其生长培养基注入口5，菌体培养箱1的出料口还设有菌液回流管路4，菌液回流管路4返回与光合细菌及其生长培养基注入口5相连，菌料混合箱2设有产氢底物注入口6，产氢底物注入口6为一个两端带密封阀而中空的腔体结构，光合产氢反应器3设有出气口7，菌体培养箱1、菌料混合箱2及光合产氢反应器3均设有排污口8。菌体培养箱1和光合产氢反应器3的内部还布置有光源机，菌体培养箱1和光合产氢反应器3的外部布置有温度调节装置。
首先将光合细菌及其生长培养基由光合细菌及其生长培养基注入口5加入到菌体培养箱1内进行增殖培养，待培养后的菌体浓度OD660nm达到1.5时，按体积计，1/10菌液总量的菌液通过菌液回流管路4返回至光合细菌及其生长培养基注入口5与光合细菌生长培养基混合后重新进入菌体培养箱1内继续增殖培养，而其余菌液则由管道9送去菌料混合箱2，并与由产氢底物注入口6投入的产氢底物混合，调整混合菌液的pH值至7.0，之后将混合菌液送去光合产氢反应器3，按常规方法将太阳光或人工光源(白炽灯)通过光源机引入，调节光照至2000lx，温度至30℃，使混合菌液将产氢底物发酵转化为氢气，由出气口7送去氢气收集装置，而菌体培养箱1、菌料混合箱2及光合产氢反应器3内的剩余物料均由排污口8排出。
实施例2
如图2所示的光合细菌连续制氢装置实施方式二的结构示意图，所述装置由菌体培养箱1、菌料混合箱2和光合产氢反应器3三部分组成，菌体培养箱1、菌料混合箱2和光合产氢反应器3作为一个长方体形的整体存在，将长方体的内部空间沿水平方向通过两个交错的隔板隔离成相连通的三个空间依次作为菌体培养箱1、菌料混合箱2和光合产氢反应器3。菌体培养箱1设有光合细菌及其生长培养基注入口5，菌体培养箱1的出料口还设有菌液回流管路4，菌液回流管路4返回与光合细菌及其生长培养基注入口5相连，菌料混合箱2设有产氢底物注入口6，光合产氢反应器3设有出气口7，菌体培养箱1、菌料混合箱2及光合产氢反应器3均设有排污口8。菌体培养箱1和光合产氢反应器3的内部还布置有太阳聚光装置，菌体培养箱1和光合产氢反应器3的外部布置有温度调节装置。
首先将光合细菌及其生长培养基由光合细菌及其生长培养基注入口5加入到菌体培养箱1内进行增殖培养，待培养后的菌体浓度OD660nm达到1.6时，按体积计，1/5菌液总量的菌液通过菌液回流管路4返回至光合细菌及其生长培养基注入口5与光合细菌生长培养基混合后重新进入菌体培养箱1内继续增殖培养，而其余菌液则由交错隔板的交错处溢流入菌料混合箱2之内，并与由产氢底物注入口6投入的产氢底物混合，调整混合菌液的pH值至6.8，之后混合菌液仍然由交错隔板的交错处溢流入光合产氢反应器3，按常规方法将太阳光或人工光源(白炽灯)通过太阳聚光装置引入，调节光照至2500lx，温度至35℃，同时增加搅拌，使混合菌液将产氢底物发酵转化为氢气，由出气口7送去氢气收集装置，而菌体培养箱1、菌料混合箱2及光合产氢反应器3内的剩余物料均由排污口8排出。
实施例3
如图3所示的光合细菌连续制氢装置实施方式三的结构示意图，所述装置由菌体培养箱1、菌料混合箱2和光合产氢反应器3三部分组成，菌体培养箱1、菌料混合箱2和光合产氢反应器3作为一个长方体形的整体存在，将长方体的内部空间沿垂直方向，由下至上通过隔板隔离成各自独立封闭的三个空间依次作为菌体培养箱1、菌料混合箱2和光合产氢反应器3并通过管道9、阀门串连。菌体培养箱1设有光合细菌及其生长培养基注入口5，菌体培养箱1的出料口还设有菌液回流管路4，菌液回流管路4返回与光合细菌及其生长培养基注入口5相连，菌料混合箱2设有产氢底物注入口6，光合产氢反应器3设有出气口7，菌体培养箱1、菌料混合箱2及光合产氢反应器3均设有排污口8。菌体培养箱1和光合产氢反应器3的内部还布置有光源机，菌体培养箱1和光合产氢反应器3的外部布置有温度调节装置。
首先将光合细菌及其生长培养基由光合细菌及其生长培养基注入口5加入到菌体培养箱1内进行增殖培养，待培养后的菌体浓度OD660nm达到1.8时，按体积计，1/5菌液总量的菌液通过菌液回流管路4返回至光合细菌及其生长培养基注入口5与光合细菌生长培养基混合后重新进入菌体培养箱1内继续增殖培养，而其余菌液则在菌体培养箱1内进料的顶升作用下通过管道9进入菌料混合箱2之内，并与由产氢底物注入口6投入的产氢底物混合，调整混合菌液的pH值至7.2，之后混合菌液由由蠕动泵通过管道9输送至光合产氢反应器3，按常规方法将太阳光或人工光源(白炽灯)通过光源机引入，调节光照至3000lx，温度至40℃，同时辅以搅拌，使混合菌液将产氢底物发酵转化为氢气，由出气口7送去氢气收集装置，而菌体培养箱1、菌料混合箱2及光合产氢反应器3内的剩余物料均由排污口8排出。
实施例4
如图4所示的光合细菌连续制氢装置实施方式四的结构示意图，所述装置由菌体培养箱1、菌料混合箱2和光合产氢反应器3三部分组成，菌体培养箱1、菌料混合箱2和光合产氢反应器3作为一个圆柱形的整体存在，以半径绕轴旋转将圆柱的内部空间通过隔板隔离成各自独立封闭的垂直并列的三个同轴扇形柱空间，依次作为菌体培养箱1、菌料混合箱2和光合产氢反应器3并在底部通过管道、阀门串连。菌体培养箱1光合细菌及其生长培养基注入口5，菌体培养箱1的出料口还设有菌液回流管路，菌液回流管路返回与光合细菌及其生长培养基注入口5相连，菌料混合箱2设有产氢底物注入口6，光合产氢反应器3设有出气口7，菌体培养箱1、菌料混合箱2及光合产氢反应器3均设有排污口；菌体培养箱1和光合产氢反应器3的外部还布置有太阳聚光装置，菌体培养箱1和光合产氢反应器3的外部布置有温度调节装置。
首先将光合细菌及其生长培养基由光合细菌及其生长培养基注入口5加入到菌体培养箱1内进行增殖培养，待培养后的菌体浓度OD660nm达到2.0时，按体积计，取3/10菌液总量的菌液通过菌液回流管路返回至光合细菌及其生长培养基注入口5与光合细菌生长培养基混合后重新进入菌体培养箱1内继续增殖培养，而其余菌液则通过管道送入菌料混合箱2之内，并与由产氢底物注入口6投入的产氢底物混合，调整混合菌液的pH值至7.0，之后混合菌液通过管道输送至光合产氢反应器3，按常规方法将太阳光或人工光源(白炽灯)通过太阳聚光装置引入，调节光照至2000lx，温度至30℃，使混合菌液将产氢底物发酵转化为氢气，由出气口7送去氢气收集装置，而菌体培养箱1、菌料混合箱2及光合产氢反应器3内的剩余物料均由排污口排出。
在此应说明的是：以上实施例只是本发明的优选实施方式，但是根据本技术领域普通技术人员的公知常识，在不脱离本发明的精神和原理基础之上，对本发明技术特征所作出的任何等效替换，例如当菌体培养箱、菌料混合箱和光合产氢反应器作为一个整体存在时，仅通过不同形式的组合而联系在一起，均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种光合细菌连续制氢的方法，其特征在于：所述方法为分步法光合细菌连续制氢，包括菌体培养和发酵产氢两个阶段：光合细菌及其生长培养基经过增殖培养后，当培养后的菌体浓度OD660nm达到1.5～2.0时，按体积计，1/10～3/10菌液总量的菌液通过回流与光合细菌生长培养基混合重新进行增殖培养，而其余菌液则与产氢底物混合后再进行发酵产氢，所述光合细菌为荚膜红假单胞菌、球形红假单胞菌、沼泽红假单胞菌与嗜硫小红卵菌多菌株的混合菌群；以1000mL溶液量计，光合细菌生长培养基的组成为：CH3COONa 3g、(NH4)2SO41g、MgSO40.2g、NaCL 0.2g、K2HPO40.6g、KH2PO41.5g、CaCL20.05g、酵母膏0.1g、生长因子5mL、微量元素2mL，pH值为6.8～7.2，120℃灭菌10min，其中，以1000mL溶液量计，生长因子的组成为：VB10.1g、VB510g、H2NC6COOH 10g、蒸馏水1000mL；以1000mL溶液量计，微量元素的组成为：FeCl3·6H2O 5mg、CuSO4·5H2O 0.05mg、H3BO41mg、MnCl2·7H2O 0.05mg、ZnSO4·7H2O 1mg、Co(NO3)2·6H2O 0.5mg。
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