CN105624026A - 一种低碳零排放循环制取氢气的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种以微藻生物质作为发酵底物的低碳零排放循环制取氢气的装置，所述装置包括：预处理设备、暗发酵反应器、固液分离设备、光发酵反应器、气体分离设备和微藻生长反应器。本发明的装置可以显著减少液体和气体污染的排放，实现碳物质的循环利用和零排放，同时制取作为清洁能源的氢气，是一种高效、清洁、绿色、环保的氢气制备装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物化工反应装置，具体涉及一种低碳零排放循环制取氢气的装置。
背景技术
氢气作为高能量密度的载体(122KJ/g)，被认为是未来的主要能源之一。许多物理化学制氢方法，如蒸汽重整和电解水等，需要高温(>850℃)和能量输入。相比之下，利用微生物发酵的生物制氢方法由于能量输入较低且反应条件温和而具有独特的优势。
然而，在现有技术中，产氢率和高成本底物是生物制氢发展和应用的两大瓶颈。特别地，传统的生物质暗发酵产氢的产氢率低和能源转化效率低，发酵尾液中含有大量有机酸和醇类，既浪费了能量又污染了环境。例如，CN103667352A公开了一种以有机废水为菌种的生物制氢方法，将污水处理厂的厌氧消化污泥在80℃的条件下进行10分钟的热处理后作为菌种，将可溶性淀粉和营养液作为反应底物，控制一定温度进行发酵产氢。CN103627729A公开了一种玉米芯发酵制氢的方法，该方法以牛粪堆肥为暗发酵菌种，用N2吹扫反应器剩余空间中的氧气，用医用橡胶塞密封，进行恒温发酵制取氢气。CN101920258B公开了一种有机废弃物能源化利用的系统，将厌氧发酵、沼气发酵、CO2吸收和固定、沼液处理、能源草种植相结合，该方法可用于对有机废气物和生活垃圾进行处理。然而，上述发明使用的单纯厌氧制氢的产率有限，暗发酵制氢的理论最大产氢率是4molH2/mol葡萄糖(乙酸是唯一底物)，且由于菌体的生长和其他挥发性有机酸(丙酸、丁酸等)的生成，暗发酵的实际产氢率只有2-3molH2/mol葡萄糖。而且发酵液中有大量有机酸无法利用，会对环境造成严重污染。CN101920258B虽然通过沼气发酵和CO2吸收对发酵液中有机酸和CO2进行了部分利用，但依然存在底物转化率和产氢率偏低的问题。此外，该系统仅是提供了一种理论上的系统和方法，并没有对产氢率、能源转化效率、污染物去除率以及CO2减排率等具体参数和实际运行效果进行说明。
此外，也有些学者利用暗光发酵耦合产氢的方式提高产氢效率。如CN100532566C将生物质及固体有机废弃物水解、酸化，生成丙酮酸、短链脂肪酸和少量H2、CO2，然后丙酮酸和短链脂肪酸混合物在发酵产氢细菌作用下生成大量氢气，并得到小分子有机酸副产物乙醇、乙酸、丙酸和丁酸，然后将小分子有机酸乙醇、乙酸、丙酸和丁酸接种光合产氢细菌后在光合作用下继续生成氢气。CN202576411U公开了利用暗-光发酵耦合产氢模拟反应装置，通过周期性的暗-光照明，实现暗-光发酵耦合产氢。这种发酵方式提高了产氢效率，但仍有大量温室气体CO2排放到环境中，给环境带来负面影响。
另一方面，就底物而言，生物制氢可使用的底物广泛，既可以是淀粉、纤维素类等可再生生物质，也可以是海洋微藻等富含糖类的生物质。然而，常规底物葡萄糖、蔗糖和淀粉的价格昂贵，严重地限制了生物制氢的发展和应用。相比之下，海洋微藻具有如下优点：(1)生长速度很快，能在短时间内获得大量生物质；(2)可以在海洋中生长，不占用陆地面积，不消耗淡水资源；(3)对环境的适应性强，对环境因素如温度、pH值、盐度等具有较宽的耐受范围；(4)可以利用电站烟气中的CO2作为碳源迅速生长，实现很高的脱碳效率，同时对烟气中的SOX和NOX也会有一定的脱除效果；(5)微藻的生物质可被用于生物能源转换(例如，利用微藻固定的糖类制取氢气，或利用微藻固定的脂肪类生产生物柴油)。因此微藻是在减少CO2的排放的同时进行生物能源转化的良好生物反应器。
发明内容
为了解决现有生物产氢工艺中产氢效率低下、发酵尾液中含有大量小分子有机酸且尾气中含有的温室气体CO2的问题，本发明提供了一种以微藻生物质作为发酵底物的低碳零排放循环制取氢气的装置，所述装置包括：
预处理设备、暗发酵反应器、固液分离设备、光发酵反应器、气体分离设备和微藻生长反应器；
其特征在于：
所述预处理设备位于所述微藻液储罐的下游，用于对来自所述微藻液储罐中的微藻液进行预处理；
所述暗发酵反应器位于所述预处理设备的下游，用于对经过预处理的微藻液进行暗发酵；
所述固液分离设备位于所述暗发酵反应器的下游，用于对暗发酵尾液进行固液分离；
所述光发酵反应器位于所述固液分离设备的下游，用于对分离固体后的暗发酵尾液进行光发酵；
所述气体分离设备位于所述暗发酵反应器和所述光发酵反应器的下游，用于对气体产物中的H2和CO2进行分离；
所述微藻生长反应器位于所述气体分离设备的下游，用于通过利用来自所述气体分离设备的CO2使微藻进行光合作用；
所述微藻生长反应器的出口连接至所述预处理设备，用于将光合作用后的微藻液输送至所述预处理设备进行预处理，从而实现上述过程的循环；
所述暗发酵反应器的外壁由不透光材料制成；所述光发酵反应器和微藻生长反应器内部配置有可见光光源。
具体而言，本发明是通过如下技术方案实现的：
1.一种以微藻生物质作为发酵底物制取氢气的装置，所述装置包括：预处理设备(19)、暗发酵反应器(2)、固液分离设备(18)、光发酵反应器(6)、气体分离设备(21)和微藻生长反应器(11)；
其特征在于：
所述暗发酵反应器(2)位于所述预处理设备(19)的下游，用于对经过预处理的微藻液进行暗发酵；
所述固液分离设备(18)位于所述暗发酵反应器(2)的下游，用于对暗发酵尾液进行固液分离；
所述光发酵反应器(6)位于所述固液分离设备(18)的下游，用于对分离固体后的暗发酵尾液进行光发酵；
所述气体分离设备(21)位于所述暗发酵反应器(2)和所述光发酵反应器(6)的下游，用于对气体产物中的H2和CO2进行分离；
所述微藻生长反应器(11)位于所述气体分离设备(21)的下游，用于通过利用来自所述气体分离设备(21)的CO2使微藻进行光合作用；
所述微藻生长反应器(11)的出口连接至所述预处理设备(19)，用于将光合作用后的微藻液输送至所述预处理设备(19)进行预处理，从而实现上述过程的循环；
所述暗发酵反应器(2)的外壁由不透光材料制成；光发酵反应器(6)和微藻生长反应器(11)内部配置有可见光光源(7、12)。
2.如段落1所述的装置，所述装置还包括发酵液储罐(4)和微藻液储罐(16)，所述发酵液储罐(4)设置于所述暗发酵反应器(2)和所述光发酵反应器(6)之间，用于对暗发酵尾液进行储存；所述微藻液储罐(16)设置于所述微藻生长反应器(11)和所述预处理设备(19)之间，用于对微藻液进行储存；
其特征在于，所述发酵液储罐(4)和微藻液储罐(16)的外壁由不透光材料制成。
3.如段落2所述的装置，所述装置还包括一个或多个物料泵，所述一个或多个物料泵为：
连接所述预处理设备(19)的出口和所述暗发酵反应器(2)的顶部的物料泵(1)；
连接所述暗发酵反应器(2)的底部、所述暗发酵反应器(2)的顶部和所述发酵液储罐(4)的顶部的物料泵(3)；
连接所述发酵液储罐(4)的底部、所述发酵液储罐(4)的顶部和所述光发酵反应器(6)的顶部的物料泵(5)；
连接所述光发酵反应器(6)的底部和所述光发酵反应器(6)的顶部的物料泵(8)；和/或
连接所述微藻生长反应器(11)的底部、所述微藻生长反应器(11)的顶部和所述微藻液储罐(16)的顶部的物料泵(15)。
4.如段落1-3中任一项所述的装置，所述装置还包括一个或多个转子流量计，所述一个或多个转子流量计为：
设置于所述暗发酵反应器(2)的顶部、与所述气体分离设备(21)的进口相连的转子流量计(9)；
设置于所述光发酵反应器(6)的顶部、与所述气体分离设备(21)的进口相连的转子流量计(10)；
设置于所述气体分离设备(21)的出口的转子流量计(14)。
5.如段落1-4中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括与气体分离设备(21)的一个出口相连的氢气储气装置(22)。
6.如段落1-5中任一项所述的装置，其中，所述气体分离设备(21)的一个出口与所述微藻生长反应器(11)的底部连接。
7.如段落1-5中任一项所述的装置，所述装置还包括气体分布器(13)，所述气体分布器(13)配置于所述微藻生长反应器(11)的底部，用于将来自所述气体分离设备(21)的CO2分散通入所述微藻生长反应器(11)。
8.如段落1-7中任一项所述的装置，其中，所述暗发酵反应器(2)、所述光发酵反应器(6)和/或所述微藻生长反应器(11)的内部安装有加热装置和冷却水循环装置。
9.如段落1-8中任一项所述的装置，其中，所述暗发酵反应器(2)、所述光发酵反应器(6)和/或所述微藻生长反应器(11)中安装有温度计和pH计。
10.如段落1-9中任一项所述的装置，其中，所述预处理装置(19)包括离心机、高温烘箱和磨粉机。
11.如段落1-10中任一项所述的装置，其中，所述暗发酵反应器(2)为塞流式反应器、完全混合式反应器、厌氧接触反应器、升流式厌氧污泥床、升流式固体反应器、膨胀颗粒污泥床、内循环厌氧反应器、外循环厌氧反应器、厌氧序批间歇式反应器、折流式反应器、厌氧滤器、纤维填料床、复合厌氧反应器、厌氧流化床、厌氧膨胀床、或干发酵反应器。
12.如段落1-11中任一项所述的装置，其中，所述固液分离设备(18)为挤压式螺旋分离机、卧式离心分离机、高速离心机、过滤装置、微滤装置或超滤装置。
13.如段落1-12中任一项所述的装置，其中，所述固液分离设备(18)为高速离心机。
14.如段落1-13中任一项所述的装置，其中，所述光发酵反应器(6)和微藻生长反应器(11)各自独立地为柱状式光生物反应器或管状式光生物反应器、板式光生物反应器、光源内置发酵罐式光生物反应器或光导纤维光生物反应器。
15.如段落1-14中任一项所述的装置，其中，所述光发酵反应器(6)和微藻生长反应器(11)为光源内置发酵罐式光生物反应器。
16.如段落1-17中任一项所述的装置，其中，所述气体分离设备(21)为膜分离纯化设备。
17.如段落16所述的装置，其中，所述膜分离纯化设备包括膜分离器、套管式加热器、水洗塔和除雾器。
本发明的以微藻生物质作为发酵底物的低碳零排放循环制取氢气的装置，其运行步骤如下：
(a)微藻生物质预处理：通过预处理设备将储存于微藻液储罐的微藻液中的微藻生物质分离并干燥磨碎，获得微藻干粉。
(b)暗发酵产氢：在暗发酵反应器中加入步骤(a)获得的微藻干粉，接入暗发酵产氢菌种和暗发酵培养基，保持黑暗厌氧环境进行暗发酵，将气相产物(主要为H2、CO2)导入气体分离设备；
(c)光发酵产氢：将步骤(b)得到的暗发酵尾液导入固液分离设备，将液相接入发酵液储罐，并随后导入光发酵反应器，作为光发酵产氢的底物；向光发酵反应器中接入光发酵产氢菌种和光发酵培养基，保持厌氧环境进行光发酵，将气相产物(主要为H2、CO2)导入气体分离设备；
(d)氢气的纯化和微藻的培养：在气体分离设备中，将所述步骤(b)和步骤(c)中的二氧化碳和氢气进行分离，将分离后的氢气导入氢气储气装置，将分离后的二氧化碳导入微藻生长反应器。
在微藻生长反应器中接入微藻种子和微藻培养基，将气体分离设备中分离的CO2导入至微藻生长反应器内，利用该CO2作为微藻生长的营养；将液相的微藻液导入微藻液储罐，进行步骤(a)的处理。
上述步骤可循环进行。
有益效果
本发明通过利用暗发酵与光发酵耦合的两步产氢，显著提高了发酵过程的整体产氢率、产氢速率、底物利用率和能量转化效率。光发酵的进行使得暗发酵尾液中的小分子有机酸等副产物几乎被全部利用，极大地降低了生物制氢过程中的污染物排放。具体而言，暗发酵结束后，光发酵产氢步骤所使用的光发酵细菌在光照条件下可以利用暗发酵尾液中残留的乙酸、丁酸等小分子有机酸副产物进行再次发酵，生成H2和CO2(反应式1)。暗发酵与光发酵耦合的两步产氢法可以将己糖的理论产氢率从单纯暗发酵的4molH2/mol六碳糖提高到12molH2/mol六碳糖(反应式2)，突破性地提高了整体发酵过程的理论和实际产氢率。
(反应式1)
C6H12O6+6H2O→12H2+6CO2(反应式2)
此外，为了减少氢气制取过程中的二氧化碳排放，本发明将微生物暗-光耦合制氢和微藻固定二氧化碳相结合，利用微藻的光合作用吸收固定暗发酵和光发酵阶段生成的二氧化碳来合成微藻自身的生物质，从而将微藻生物质作为原料之一(发酵底物)，循环供给发酵过程，持续产氢。这样的结合既提高了系统整体的能源转化效率，同时也实现了产氢系统的有机酸和二氧化碳的零排放，创造更加低碳、绿色、环保的自然环境和社会环境。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式中的装置图。
具体实施方式
下文将详细阐述本发明。
本发明装置的预处理设备可进行离心、加热干燥和粉碎的操作，所述离心装置优选为离心机，所述加热干燥装置优选为高温烘箱，所述粉碎装置为格栅、破碎机、磨粉机、沉沙池的一种或多种组合，优选为磨粉机。
本发明装置中的暗发酵反应器为现有技术的常规反应器，如塞流式反应器(PFR)、完全混合式反应器(CSTR)、厌氧接触反应器(ACR)、升流式厌氧污泥床(UASB)、升流式固体反应器(USR)、膨胀颗粒污泥床(EGSB)、内循环厌氧反应器(IC)、外循环厌氧反应器(EC)、厌氧序批间歇式反应器(ASBR)、折流式反应器(ABR)、厌氧滤器(AF)、纤维填料床(FPB)、复合厌氧反应器(UBF)、厌氧流化床(FBR)、厌氧膨胀床(ESB)、干发酵反应器(DA)。
本发明装置的固液分离设备选自挤压式螺旋分离机、卧式离心分离机、高速离心机、过滤装置、微滤装置或超滤装置，优选为高速离心机。
本发明装置中的光发酵反应器和微藻生长反应器为封闭式光生物反应器，可以各自独立地为柱状式光生物反应器或管状式光生物反应器、板式光生物反应器、光源内置发酵罐式光生物反应器或光导纤维光生物反应器，优选光源内置发酵罐式光生物反应器。
本发明的气体分离设备为可将CO2与H2分离的设备。可采用现有技术中能够实现CO2分离的任何设备，例如采用膜分离纯化设备，所述膜分离纯化设备由膜分离器、套管式加热器、水洗塔和除雾器等组成。
优选地，所述装置还包括发酵液储罐和微藻液储罐，所述发酵液储罐设置于所述暗发酵反应器和所述光发酵反应器之间，用于对暗发酵尾液进行储存；所述微藻液储罐设置于所述微藻生长反应器和所述预处理设备之间，用于对微藻液进行储存；所述发酵液储罐和微藻液储罐的外壁由不透光材料制成。
优选地，所述装置还包括一个或多个下述物料泵：
连接所述预处理设备的出口和所述暗发酵反应器的顶部的物料泵；
连接所述暗发酵反应器的底部、所述暗发酵反应器的顶部和所述发酵液储罐的顶部的物料泵；
连接所述发酵液储罐的底部、所述发酵液储罐的顶部和所述光发酵反应器的顶部的物料泵；
连接所述光发酵反应器的底部和所述光发酵反应器的顶部的物料泵；和/或
连接所述微藻生长反应器的底部、所述微藻生长反应器的顶部和所述微藻液储罐的顶部的物料泵。
物料泵的加入便于对料液的添加进行控制，并可对反应器内的发酵液进行再利用。
优选地，所述装置还包括一个或多个下述转子流量计(图中以RF表示)：
设置于所述暗发酵反应器的顶部、与所述气体分离设备相连的所述转子流量计；
设置于所述光发酵反应器的顶部、与所述气体分离设备相连的所述转子流量计；和/或
设置于气体分离设备的出口的所述转子流量计。
所述转子流量计使得对产气量进行实时监控。
在一个实施方式中，所述气体分离设备的一个出口与所述微藻生长反应器的底部连接。
在另一实施方式中，本发明的装置还包括气体分布器，所述气体分布器配置于所述微藻生长反应器的底部，将CO2能够均匀散布到溶液中，供给微藻利用。
优选地，所述暗发酵反应器、光发酵反应器和/或微藻生长反应器的内部安装有加热装置和冷却水循环装置，使得能够对暗发酵反应器、光发酵反应器和/或微藻生长反应器的温度进行控制，并使得温度在反应器内均匀。
优选地，所述暗发酵反应器、光发酵反应器和/或微藻生长反应器中安装有温度计和pH计。所述温度计、pH计设置便于对反应器内的温度、反应液的pH进行实时监控。
优选地，本发明的装置还包括与气体分离设备的一个出口相连的氢气储气装置，从而能够对所产生的氢气进行储存。
优选地，本发明装置的全部反应器和储罐的顶部均配置有气体压力表，从而能够对反应器和储罐内的气压进行监控，及时调整气体排出阀门，避免发生安全事故。优选地，本发明装置的全部反应器和储罐的底部均配置有液体排放口，并通过阀门控制。优选地，本发明装置的全部物料泵的进口端和出口端均配置有阀门。
本发明装置的一个实例在图1中示出。图1中，预处理设备19通过物料泵1与暗发酵反应器2连接，暗发酵反应器2的底部通过物料泵3与暗发酵反应器2的顶部以及固液分离设备18连接，固液分离设备18通过物料泵20与发酵液储罐4的顶部连接；发酵液储罐4的底部通过物料泵5与发酵液储罐4的顶部以及光发酵反应器6的顶部连接；光发酵反应器6的底部通过物料泵8与光发酵反应器6的顶部连接；暗发酵反应器2的顶部和光发酵反应器6的顶部分别通过转子流量计9和10与气体分离设备21连接；气体分离设备21的一个出口通过通气管道17与气体分布器13连接；通气管道17和气体分布器13均位于微藻生长反应器11内。微藻生长反应器11的底部通过物料泵15与微藻生长反应器11的顶部以及微藻液储罐16的顶部连接；微藻液储罐16与预处理设备19连接。
暗发酵反应器2、发酵液储罐4和微藻液储罐16外壁材料不透光；光发酵反应器6和微藻生长反应器11内部有中空结构，内壁材料透光良好，并分别配置有可见光光源7和12。
除上述连接外，图1示出的本发明装置中的各设备、反应器和储罐还具有额外的进料口和出口，各反应器均带有压力表。
图1示出的本发明装置中各反应器内部还配有温度计(未示出)和pH计(未示出)以及内部加热和循环装置(未示出)。
可根据如下条件，并利用图1示出的装置，实施以微藻生物质作为发酵底物的低碳零排放循环制取氢气。
实施例中使用的暗发酵培养基、光发酵培养基和微藻培养基的组成如下：
暗发酵培养基：4g/L的蛋白胨；0.5g/L的L-半胱氨酸；4g/L的NaCl；0.1g/L的MgCl2；0.1g/L的FeCl2；1.5g/L的K2HPO4；10ml的维生素液；10ml的微量元素液。其中维生素液的成分为(g/L)：抗坏血酸，0.025；柠檬酸，0.02；叶酸，0.01；对氨基苯甲酸，0.01。微量元素液(g/L)的成分为：MnCl2，0.01；ZnCl2，0.05；H3BO3，0.01；CaCl2，0.01；AlK(SO4)2，0.01。
光发酵培养基：0.5g/L的KH2PO4；0.6g/L的K2HPO4；0.2g/L的NaCl；0.2g/L的MgSO4；0.05g/L的CaCl2·2H2O；2.0g/L的NaHCO3；1.87g/L的谷氨酸钠；1.0ml的维生素液；1.0ml的微量元素液。其中,微量元素液的成分为(g/L)：EDTA-2Na，2.0；FeSO4·7H2O，2.0；ZnCl2，0.1；Cu(NO3)2·5H2O，0.05；MnCl2·4H2O，0.1；NiCl2·6H2O，0.02。维生素液的成分为(g/L)：生物素，0.1；烟酸，0.35；对氨基甲苯，0.2；泛酸钙，0.1；维生素B12，0.05。
微藻培养基：0.5g/L的K2HPO4；2.5g/L的NaNO3；1.0g/L的K2SO4；0.2g/L的MgSO4·7H2O；0.04g/L的CaCl2；0.01g/L的FeSO4·7H2O；1.0mL/L的微量元素液。其中微量元素液的组成为(g/L)：H3BO3，2.86；MnCl2·4H2O，1.81；ZnSO4·7H2O，0.22；CuSO4·5H2O，0.08；MoO3，0.01。
以下实施例中使用的暗发酵产氢菌为丁酸梭菌(Clostridiumbutyricum)(浙江省微生物研究所，编号为20036)，光发酵产氢菌为沼泽红假单胞菌(Rhodopseudanonaspalustris)(浙江省微生物研究所，编号为15007)，微藻为钝顶螺旋藻(Spirulinaplatensis)(中国科学院淡水藻种库，编号为FACHB-882)。
图1所示的装置的运行过程如下：
反应开始前，对各反应器和储罐中通入N220min，排除系统中的氧气。
(a)微藻生物质预处理：将从微藻液储罐16中的微藻液输入至预处理设备19中，在离心机中，以8000转/分钟的速度对微藻生物质离心10分钟，将微藻生物质与微藻液分离，将得到的湿微藻在烘箱中于105℃加热干燥12小时至恒重，随后用磨粉机将干燥后的微藻磨碎成粒径≤200μm的微藻干粉。
(b)暗发酵产氢：将步骤(a)获得的微藻干粉以及暗发酵产氢菌和暗发酵培养基通过物料泵1从暗发酵反应器2的顶部物料入口输送到反应器内部，待发酵液体积达到反应器容积的4/5时停止输送。通过调节内部的加热装置和冷却水循环装置，将暗发酵反应器内的温度控制在35℃左右，并用温度计监测。通过加入酸性或碱性溶液，将发酵溶液pH值控制为7.0左右，并用pH计监测，进行暗发酵产氢反应。在暗发酵产氢菌作用下，微藻中的糖类逐渐转化成气相的H2、CO2和液相的乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和己酸等小分子有机酸。生成的气体通过转子流量计9后，进入气体分离设备21中。氢气的排出可以降低暗发酵反应器2中的氢分压，有利于高效产氢。含有小分子有机酸的暗发酵尾液通过物料泵3，一部分输送到暗发酵反应器2的顶部进行循环，其它部分输送到固液分离设备18中，离心后通过泵20将上清液输入发酵液储罐4中。这样的步骤有利于暗发酵溶液中原料和菌种的均匀分布和高效利用原料产氢。
(c)光发酵产氢：通过物料泵(未示出)向发酵液储罐4中加入去离子水，对暗发酵尾液进行稀释。将稀释后的暗发酵尾液通过物料泵5输送到光发酵反应器6中。同时通过物料泵(未示出)加入光发酵产氢菌种和光发酵培养基，待发酵液体积达到反应器容积的4/5时停止输送。通过调节内部的加热装置和冷却水循环装置，将光发酵反应器内的温度控制在30℃左右，并用温度计监测。通过加入酸性或碱性溶液，将发酵溶液pH值控制为7.0左右，并用pH计监测，通过可见光光源7将反应器内的光照度控制在6000lux，进行光发酵产氢反应。暗发酵尾液中的乙酸、丁酸等小分子有机酸在光发酵产氢菌作用下，逐渐转化成气相的H2、CO2。生成的气体通过转子流量计10后，进入气体分离设备21中。氢气的排出可以降低光发酵反应器6中的氢分压，有利于高效产氢。光发酵的发酵尾液通过物料泵8输送到光发酵反应器6的顶部进行循环，有利于发酵溶液中原料和菌种的均匀分布和高效利用原料产氢。
(d)氢气的纯化和微藻的培养：为了减少温室气体CO2排放、实现碳的循环利用和零排放和提高能源利用效率，将暗发酵反应器和光发酵反应器中生成的气体通过管道输送到膜分离纯化设备21中。在所述膜分离纯化设备21中将CO2与H2分离，分离后的氢气通过转子流量计14进入氢气储气装置22，以备经过进一步净化后供给燃料电池或作为化工原料使用。
将分离后的CO2通过管道通到微藻生长反应器11的顶部入口，再通过反应器内部的通气管道17通到反应器的底部，然后经过气体分布器13后均匀散布到溶液中，供给微藻利用。通过物料口加入微藻培养基和微藻种子，其中微藻培养基的体积约占反应器容积的4/5。通过调节内部的加热装置和冷却水循环装置，将微藻生长反应器11内的温度控制在30℃左右，并用温度计监测。通过加入酸性或碱性溶液，将发酵溶液pH值控制为8.0左右，并用pH计监测，通过可见光光源12将反应器内的光照度控制在5000lux。经过微藻液的储蓄功能和微藻的光合作用利用后，CO2几乎全部被吸收利用，光合作用产生的微量氧气被导出。
通过物料泵15，一部分微藻液循环到微藻生长反应器11的顶部促进溶液混合均匀和高效反应；另一部分输送到微藻液储罐16中，随后进行步骤(a)的预处理，输送到暗发酵反应器2中，进行产氢反应，实现物质的循环利用。
整个装置可以显著减少液体和气体污染的排放，实现碳物质的循环利用和零排放，同时制取作为清洁能源的氢气，是一种高效、清洁、绿色、环保的氢气制备装置。
Claims (10)
1.一种以微藻生物质作为发酵底物制取氢气的装置，所述装置包括：预处理设备(19)、暗发酵反应器(2)、固液分离设备(18)、光发酵反应器(6)、气体分离设备(21)和微藻生长反应器(11)；
其特征在于：
所述暗发酵反应器(2)位于所述预处理设备(19)的下游，用于对经过预处理的微藻液进行暗发酵；
所述固液分离设备(18)位于所述暗发酵反应器(2)，用于对暗发酵尾液进行固液分离；
所述光发酵反应器(6)位于所述固液分离设备(18)的下游，用于对分离固体后的暗发酵尾液进行光发酵；
所述气体分离设备(21)位于所述暗发酵反应器(2)和所述光发酵反应器(6)的下游，用于对气体产物中的H2和CO2进行分离；
所述微藻生长反应器(11)位于所述气体分离设备(21)的下游，用于通过利用来自所述气体分离设备(21)的CO2使微藻进行光合作用；
所述微藻生长反应器(11)的出口连接至所述预处理设备(19)，用于将光合作用后的微藻液输送至所述预处理设备(19)进行预处理，从而实现上述过程的循环；
所述暗发酵反应器(2)的外壁由不透光材料制成；光发酵反应器(6)和微藻生长反应器(11)内部配置有可见光光源(7、12)。
2.如权利要求1所述的装置，所述装置还包括发酵液储罐(4)和微藻液储罐(16)，所述发酵液储罐(4)设置于所述暗发酵反应器(2)和所述光发酵反应器(6)之间，用于对暗发酵尾液进行储存；所述微藻液储罐(16)设置于所述微藻生长反应器(11)和所述预处理设备(19)之间，用于对微藻液进行储存；
其特征在于，所述发酵液储罐(4)和微藻液储罐(16)的外壁由不透光材料制成。
3.如权利要求2所述的装置，所述装置还包括一个或多个物料泵、一个或多个转子流量计、一个或多个加热装置和冷却水循环装置、和/或一个或多个温度计和pH计，
所述一个或多个加热装置和冷却水循环装置、和/或一个或多个温度计和pH计安装于所述暗发酵反应器(2)、所述光发酵反应器(6)和/或所述微藻生长反应器(11)的内部；
所述一个或多个物料泵为：
连接所述预处理设备(19)的出口和所述暗发酵反应器(2)的顶部的物料泵(1)；
连接所述暗发酵反应器(2)的底部、所述暗发酵反应器(2)的顶部和所述发酵液储罐(4)的顶部的物料泵(3)；
连接所述发酵液储罐(4)的底部、所述发酵液储罐(4)的顶部和所述光发酵反应器(6)的顶部的物料泵(5)；
连接所述光发酵反应器(6)的底部和所述光发酵反应器(6)的顶部的物料泵(8)；和/或
连接所述微藻生长反应器(11)的底部、所述微藻生长反应器(11)的顶部和所述微藻液储罐(16)的顶部的物料泵(15)；
所述一个或多个转子流量计为：
设置于所述暗发酵反应器(2)的顶部、与所述气体分离设备(21)的进口相连的转子流量计(9)；
设置于所述光发酵反应器(6)的顶部、与所述气体分离设备(21)的进口相连的转子流量计(10)；和/或
设置于所述气体分离设备(21)的出口的转子流量计(14)。
4.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括与气体分离设备(21)的一个出口相连的氢气储气装置(22)，优选地，所述气体分离设备(21)的一个出口与所述微藻生长反应器(11)的底部连接。
5.如权利要求1-4中任一项所述的装置，所述装置还包括气体分布器(13)，所述气体分布器(13)配置于所述微藻生长反应器(11)的底部，用于将来自所述气体分离设备(21)的CO2分散通入所述微藻生长反应器(11)。
6.如权利要求1-5中任一项所述的装置，其中，所述预处理装置(19)包括离心机、高温烘箱和磨粉机。
7.如权利要求1-6中任一项所述的装置，其中，所述暗发酵反应器(2)为塞流式反应器、完全混合式反应器、厌氧接触反应器、升流式厌氧污泥床、升流式固体反应器、膨胀颗粒污泥床、内循环厌氧反应器、外循环厌氧反应器、厌氧序批间歇式反应器、折流式反应器、厌氧滤器、纤维填料床、复合厌氧反应器、厌氧流化床、厌氧膨胀床、或干发酵反应器。
8.如权利要求1-7中任一项所述的装置，其中，所述固液分离设备(18)为挤压式螺旋分离机、卧式离心分离机、高速离心机、过滤装置、微滤装置或超滤装置，优选为高速离心机。
9.如权利要求1-8中任一项所述的装置，其中，所述光发酵反应器(6)和微藻生长反应器(11)各自独立地为柱状式光生物反应器或管状式光生物反应器、板式光生物反应器、光源内置发酵罐式光生物反应器或光导纤维光生物反应器，优选所述光发酵反应器(6)和微藻生长反应器(11)为光源内置发酵罐式光生物反应器。
10.如权利要求1-9中任一项所述的装置，其中，所述气体分离设备(21)为膜分离纯化设备，优选所述膜分离纯化设备包括膜分离器、套管式加热器、水洗塔和除雾器。
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