CN103146568A - 暗-光发酵一体式生物制氢装置 - Google Patents

暗-光发酵一体式生物制氢装置 Download PDF

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Abstract

暗-光发酵一体式生物制氢装置，它涉及一种暗-光发酵耦合产氢的装置。本发明要解决现有暗发酵细菌和光发酵细菌耦合产氢效率低的问题。生物制氢装置包括暗发酵反应区、滤膜、光发酵反应区、光照系统、暗发酵气体流量计和光发酵气体流量计，生物制氢反应容器通过滤膜分成暗发酵反应区和光发酵反应区，在暗发酵反应区上设置有暗发酵气体流量计，在光发酵反应区上设置有光发酵气体流量计，光发酵反应区一侧安装光照系统，暗发酵反应区的工作体积小于光发酵反应区的工作体积。利用本发明生物制氢装置产氢量为3048.45ml H2/L工作体积，比产氢率达到4.08mol H2/mol葡萄糖。本发明主要应用于生物制氢领域。

Description

暗-光发酵一体式生物制氢装置
技术领域
本发明涉及一种暗-光发酵耦合产氢的装置。
背景技术
微生物的多样性为生物制氢提供了多种途径。其中，暗发酵细菌能够利用复杂的大分子有机物，产生H2，CO2和小分子有机酸等。这些小分子有机酸为光发酵提供了丰富的电子供体和碳源物质。除了极少数光发酵细菌能够利用大分子有机物进行发酵会与暗发酵细菌形成竞争外，两种微生物几乎没有竞争，而是对底物进行梯级代谢的关系。因此，耦合制氢通过结合具有不同功能的微生物，协调他们之间的关系，实现优势互补，对于提高底物转化效率和产氢速率有重要的意义。
但纯菌种生物制氢规模化面临诸多困难，而且自然界的物质和能量循环过程，特别是有机废水、废弃物和生物质的降解过程，通常由两种或多种微生物协同作用。因此，利用微生物进行混合培养或混合发酵产氢己越来越受到重视。利用厌氧暗发酵产氢细菌和光发酵产氢细菌的优势和互补协同作用，将二者联合起来组成的产氢系统称为暗-光发酵耦合生物制氢技术。
暗-光发酵耦合生物制氢技术，包括两步法耦合产氢和混合培养耦合产氢两种模式。两步法耦合产氢是暗发酵细菌在最适条件下发酵有机物产氢；将暗发酵末端产物经过处理，调节到光合细菌最适条件进行光发酵。主要优势在于光合细菌和暗发酵细菌在各自的最适条件下产氢，产氢效率高。然而，在连续生产过程中需要多个反应器，需要对暗发酵末端产物进行复杂的处理，添加化学药剂，二次灭菌才能调节到光合细菌最适条件，增加了占地面积和处理步骤，是这极大地限制了耦合生物氢的规模化生产。
混合培养联合产氢是暗发酵细菌与光合细菌混合发酵利用有机物产氢，暗发酵细菌利用大分子产氢的同时，光合细菌利用其发酵产物－小分子有机酸产氢。主要优势在于暗发酵产物直接被光合细菌利用，为暗发酵细菌解除产物抑制，防止体系pH降低，混合培养更易于实现连续生产和工业化。然而，混合体系的影响因素很多，如生长和代谢速率不均衡，发酵体系不稳定，暗发酵细菌对光发酵细菌具有遮光效应等关键问题没有突破。
混合培养和两步法都存在着各种缺陷，无法满足工业化生产的要求，因此，根据暗光发酵细菌的特点开发新型耦合产氢装置成为了推动暗-光发酵耦合生物制氢发展的关键。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有暗发酵细菌和光发酵细菌耦合产氢效率低的问题，而提供暗-光发酵一体式生物制氢装置。
本发明暗-光发酵一体式生物制氢装置包括暗发酵反应区、滤膜、光发酵反应区、光照系统、暗发酵气体流量计和光发酵气体流量计，生物制氢反应容器通过滤膜分成暗发酵反应区和光发酵反应区，在暗发酵反应区上设置有暗发酵气体流量计，在光发酵反应区上设置有光发酵气体流量计，并在光发酵反应区一侧安装有光照系统，其中暗发酵反应区的工作体积小于光发酵反应区的工作体积，滤膜为醋酸纤维滤膜。
本发明的暗-光发酵一体式生物制氢装置通过滤膜将反应区分成暗发酵反应区和光发酵反应区，使得暗发酵细菌催化的暗发酵产氢反应和光发酵细菌催化的光发酵产氢在各自独立的反应区内反应。在暗发酵反应区内暗发酵细菌代谢葡萄糖产生氢气，二氧化碳和小分子有机酸，小分子有机酸则通过滤膜自由扩散至光发酵反应区，为光发酵细菌提供丰富的电子供体，在光发酵反应区内的光发酵细菌在光照条件下利用暗发酵细菌的末端产物小分子有机酸，继续产氢，提高了产氢效率。
本发明暗-光发酵一体式生物制氢装置包含以下优点：
1、暗发酵的代谢产物可以通过滤膜直接扩散到光发酵反应区供光发酵细菌利用，暗发酵的末端产物得以及时利用，解除了末端产物对产氢的抑制，同时实现了空间生态位的分离，避免混合培养耦合产氢中暗发酵细菌对光发酵细菌的遮光效应。
2、通过暗发酵反应区和光发酵反应区工作体积的匹配，解决了暗发酵细菌和光发酵细菌生长代谢速率不均衡的问题，使得耦合产氢体系运行更加稳定。
3、产氢效率高，运行本发明的暗-光发酵一体式生物制氢装置，得到暗发酵细菌产氢量为1331.53ml H2/L工作体积，光发酵细菌产氢量为1716.92ml H2/L工作体积，产氢量总计为3048.45ml H2/L工作体积，在暗-光发酵一体式生物制氢装置中，比产氢率达到4.08mol H2/mol葡萄糖。本发明主要应用于生物制氢领域。
附图说明
图1是本发明的暗-光发酵一体式生物制氢装置的整体结构示意图，1—暗发酵反应区，2—暗发酵细菌，3—滤膜，4—光发酵反应区，5—光发酵细菌，6—光照系统，7—暗发酵气体流量计，8—光发酵气体流量计；
图2是实施例一以葡萄糖为底物暗-光发酵一体式反应器的产氢效能曲线，-◆-表示暗发酵产氢量，-●-表示光发酵产氢量，-■-表示总产氢量。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合附图1对具体实施方式作进一步说明：本实施方式暗-光发酵一体式生物制氢装置包括暗发酵反应区1、滤膜3、光发酵反应区4、光照系统6、暗发酵气体流量计7和光发酵气体流量计8，生物制氢反应容器通过滤膜3分成暗发酵反应区1和光发酵反应区4，在暗发酵反应区1上设置有暗发酵气体流量计7，在光发酵反应区4上设置有光发酵气体流量计8，并在光发酵反应区4一侧安装有光照系统6，其中暗发酵反应区1的工作体积小于光发酵反应区4的工作体积，滤膜3为醋酸纤维滤膜。
本实施方式将暗-光发酵细菌联合培养，互补利用这两类细菌的功能特性，形成一个高效产氢体系，此装置同时扩大了向氢能转化的有机物原料的应用范围。通过暗-光发酵一体式生物制氢装置解决了暗发酵细菌与光发酵细菌混合培养中生长速率和生态位上的差异，使暗发酵细菌与光发酵细菌在空间生态位上相对分离，而代谢底物可以自由联通，这样既解决了两步法操作上的繁琐工艺，又解决了混合培养模式两类细菌生长和代谢速率不匹配的问题，实现了底物的梯级转化和深度产氢。
同时本发明暗发酵反应区的工作体积小于光发酵反应区的工作体积，由于暗发酵细菌生长和代谢速率较快，将其限制在较小的反应区内，防止其过度的生长和过快代谢；光发酵细菌生长和代谢速率较慢，将其限制在较大的反应区内，提供更多的生长空间，促进其生长和代谢。能够有效的避免暗发酵细菌和光发酵细菌的空间竞争；通过暗发酵和光发酵两个反应区工作体积的匹配，能够有效的解决暗发酵细菌和光发酵细菌生长和代谢速率不均衡的问题。
采用本实施方式的暗-光发酵一体式生物制氢装置生物制氢的方法按下列步骤实现：
一、向暗发酵反应区1和光发酵反应区4中分别加入培养基，使滤膜两侧培养基液面持平，然后使用氩气以2L/min分别向暗发酵反应区1和光发酵反应区4内曝气10min排除反应器中的氮气和氧气，再加盖密封保持厌氧环境；二、向暗发酵反应区1的培养基中按接种体积比为10%接入暗发酵细菌；三、向光发酵反应区4的培养基中按接种体积比为10%接入光发酵细菌，控制光照系统6的光强至150w/m2；四、将暗-光发酵一体式生物制氢装置置于温度为33～35℃的恒温室内，通过暗发酵气体流量计7和光发酵气体流量计8检测产氢量，连续培养完成生物制氢。
具体实施方式二：本实施方式暗发酵反应区1加入的暗发酵细菌为丁酸梭菌（Clostridium butyricum）DSM10702、产氢肠杆菌（Enterobacter aerogenes）DSM30053或哈工大产乙醇杆菌B49（Ethanologenbacterium hit B49）。
本实施方式中所述菌，均为购买得到。
具体实施方式三：本实施方式光发酵反应区4可加入的光发酵细菌为深红红螺菌（Rhodospirillum rubrum）ATCC25903、红假单胞菌(Rhodopseudomonas)RLD-119或粪红假单胞菌（Rhodopseudomonas faecalis）RLD-53。
本实施方式中所述菌，均为购买得到。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是滤膜3为孔径为0.22μm的醋酸纤维滤膜。其它装置与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是光发酵反应区4的工作体积是暗发酵反应区1的工作体积的1～5倍。其它装置与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是光发酵反应区4的工作体积是暗发酵反应区1的工作体积的2～4倍。其它装置与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是光发酵反应区4的工作体积为160ml，暗发酵反应区1的工作体积为40mL。其它装置与具体实施方式一相同。
实施例一：本实施例暗-光发酵一体式生物制氢装置包括暗发酵反应区1、滤膜3、光发酵反应区4、光照系统6、暗发酵气体流量计7和光发酵气体流量计8，生物制氢反应容器通过滤膜3分成暗发酵反应区1和光发酵反应区4，在暗发酵反应区1上设置有暗发酵气体流量计7，在光发酵反应区4上设置有光发酵气体流量计8，并在光发酵反应区4一侧安装有光照系统6，其中暗发酵反应区1的工作体积小于光发酵反应区4的工作体积，滤膜3为醋酸纤维滤膜。
本实施例中暗发酵反应区1的工作体积为40mL，光发酵反应区4的工作体积为160ml，滤膜3的孔径为0.22μm，材料为醋酸纤维。
采用实施例一的暗-光发酵一体式生物制氢装置生物制氢的方法按下列步骤实现：
一、向暗发酵反应区1和光发酵反应区4中分别加入培养基，使滤膜两侧培养基液面持平，然后使用氩气以2L/min分别向暗发酵反应区1和光发酵反应区4内曝气10min排除反应器中的氮气和氧气，再加盖密封保持厌氧环境；二、向暗发酵反应区1的培养基中按接种体积比为10%接入暗发酵细菌；三、向光发酵反应区4的培养基中按接种体积比为10%接入光发酵细菌，控制光照系统6的光强至150w/m2；四、将暗-光发酵一体式生物制氢装置置于温度为34℃的恒温室内，通过暗发酵气体流量计7和光发酵气体流量计8检测产氢量，连续培养完成生物制氢。
本实施例培养基由葡萄糖6g，牛肉膏2g，酵母粉2g，谷氨酸钠1g，K2HPO44.35g，KH2PO43.4g，MgCl2·6H2O0.2g,CaCl20.08g,FeSO4·7H2O0.012g,NaCl0.1g,EDTANa0.1g,L-半胱氨酸0.5g，微量元素液1ml，维生素液1ml和1L蒸馏水组成，其中微量元素液成分：四水氯化锰0.05mg，五水硫酸铜0.05g，六水氯化铁5mg，六水硝酸钴0.5mg，七水硫酸锌1mg，硼酸1mg，蒸馏水1.0L；维生素液成分：烟酸0.35g，生物素0.1g，盐酸硫胺素0.3g，泛酸钙0.1g，对氨基苯甲酸0.2g，维生素B120.05g，盐酸吡哆铵0.1g，蒸馏水1.0L。
本实施例暗发酵反应区1的培养基中接入的暗发酵细菌为哈工大产乙醇杆菌B49（Ethanologenbacterium hit B49），它的保藏编号为CGMCC No.1153，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院，保藏单位为中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，它为购买得到，它的发酵类型为乙醇型发酵。光发酵反应区4的培养基中接入的光发酵细菌为专利公开号为CN102816797A，“一种增强光发酵细菌粪红假单胞菌絮凝性能的方法”中所使用的粪红假单胞菌（Rhodopseudomonas faecalis）RLD-53。
本实施例中光照系统6采用白炽灯光照，反应器表面光照强度为150W/m2。
本实施例通过图2产氢效能曲线可知暗发酵反应区中的暗发酵细菌产氢量为1331.53ml H2/L工作体积，光发酵反应区中的光发酵细菌产氢量为1716.92ml H2/L工作体积，产氢量总计为3048.45ml H2/L工作体积，在暗-光发酵一体式生物制氢装置中，比产氢率为4.08mol H2/mol葡萄糖。

Claims (7)

1.暗-光发酵一体式生物制氢装置，其特征在于暗-光发酵一体式生物制氢装置包括暗发酵反应区（1）、滤膜（3）、光发酵反应区（4）、光照系统（6）、暗发酵气体流量计（7）和光发酵气体流量计（8），生物制氢反应容器通过滤膜（3）分成暗发酵反应区（1）和光发酵反应区（4），在暗发酵反应区（1）上设置有暗发酵气体流量计（7），在光发酵反应区（4）上设置有光发酵气体流量计（8），并在光发酵反应区（4）一侧安装有光照系统（6），其中暗发酵反应区（1）的工作体积小于光发酵反应区（4）的工作体积，滤膜（3）为醋酸纤维滤膜。
2.根据权利要求1所述的暗-光发酵一体式生物制氢装置，其特征在于暗发酵反应区（1）加入的暗发酵细菌为丁酸梭菌（Clostridium butyricum）DSM10702、产氢肠杆菌（Enterobacter aerogenes）DSM30053或哈工大产乙醇杆菌B49（Ethanologenbacterium hitB49）。
3.根据权利要求1或2所述的暗-光发酵一体式生物制氢装置，其特征在于光发酵反应区（4）加入的光发酵细菌为深红红螺菌（Rhodospirillum rubrum）ATCC25903、红假单胞菌(Rhodopseudomonas)RLD-119或粪红假单胞菌（Rhodopseudomonas faecalis）RLD-53。
4.根据权利要求1所述的暗-光发酵一体式生物制氢装置，其特征在于滤膜（3）为孔径为0.22μm的醋酸纤维滤膜。
5.根据权利要求1所述的暗-光发酵一体式生物制氢装置，其特征在于光发酵反应区（4）的工作体积是暗发酵反应区（1）的工作体积的1～5倍。
6.根据权利要求5所述的暗-光发酵一体式生物制氢装置，其特征在于光发酵反应区（4）的工作体积是暗发酵反应区（1）的工作体积的2～4倍。
7.根据权利要求6所述的暗-光发酵一体式生物制氢装置，其特征在于光发酵反应区（4）的工作体积为160ml，暗发酵反应区（1）的工作体积为40mL。
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