CN105861566A - 脉冲式功率超声波强化厌氧生物发酵产氢方法及装置 - Google Patents

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王梦一
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Abstract

脉冲式功率超声波强化厌氧生物发酵产氢方法及装置属于生物制氢技术；所述方法是采用脉冲式功率超声波对在35℃恒温条件下的厌氧生物发酵产氢系统内的发酵液进行脉冲式功率超声波强化处理，脉冲式功率超声波频率为20—100KHz，功率密度为50—250W/L，脉冲式功率超声波作用时间为1—2S，间隔时间为58—59S；所述装置是在反应罐体下端底部上配装超声波换能器，导线将超声波发生器与超声波换能器连通；本方法及装置将全混合反应器与超声波换能器相结合，提高了氢气在厌氧生物发酵系统内部的传质效率和氢气的产率及装置的利用率。

Description

脉冲式功率超声波强化厌氧生物发酵产氢方法及装置
技术领域
本发明创造属于生物制氢技术，主要涉及脉冲式功率超声波厌氧生物发酵产氢方法及装置。
背景技术
生物质厌氧产氢发酵的理论产氢率为4mol—H2/mol-glucose。但是厌氧产氢发酵的实际产氢率基本在2mol-H2/mol-glucose以下，远远低于理论值。这主要是因为产氢产乙酸过程在氢分压低于10-4atm时才能自发进行，而产氢发酵的实际氢分压约为10-1atm。此时，产氢过程只能进行到水解发酵阶段，优势微生物以Clostridiumsp等水解发酵菌为主，产氢率不会超过2mol-H2/mol-glucose。另外，过高的氢分压为Acetobacteriu sp等同型产乙酸菌利用氢和二氧化碳进行产乙酸过程创造较为适宜的条件，使氢气快速消耗，进一步降低了氢气的产率。
氢分压过高主要是因为氢在微生物聚集体内部生成，通过聚集体内的微孔和胞外聚合物(EPS)传递至聚集体表面，再通过表面边界层进入液相最后传至液相主体。氢气微生物聚集体内部传递过程中传质效率较低，导致了聚集体内部微环境氢分压过高。氢气进入液相后形成微气泡，由于产氢反应器内是典型的多相流，微气泡所处环境中表面张力、黏滞力作用强于浮力，使其悬浮或吸附在反应器内颗粒物的表面，很难及时逸出，导致反应器内过高的氢分压得以维持。目前，促进厌氧产氢发酵氢气释放的常用方法是机械搅拌和惰性气体(N2、Ar)或产物气体(H2/CO2)吹脱。由于这两种方法只能促进氢气微气泡的宏观运移，对微生物聚集体内部的微观传质影响较小，产氢率仍然较低。
发明内容
本发明创造的目的就是针对上述现有技术存在的问题，提供一种脉冲式功率超声波强化厌氧生物发酵产氢方法及装置，达到提高氢气传质速率和氢气产率的目的。
本发明创造的目的是这样实现的：
一种脉冲式功率超声波强化厌氧生物发酵产氢方法，采用脉冲式功率超声波对在35℃恒温条件下的厌氧生物发酵产氢系统内的发酵液进行脉冲式功率超声波强化处理，脉冲式功率超声波频率为20—100KHz，功率密度为50—250W/L，脉冲式功率超声波作用时间为1—2S，间隔时间58—59S。
一种脉冲式功率超声波强化厌氧生物发酵产氢装置，在反应罐体圆柱体外部上覆盖包容的设置恒温水套，在所述恒温水套的上、下侧部上分别设置进水口和出水口，在所述反应罐体的上、下侧部上分别设置进料口和出料口，在所述反应罐体上端部上设置电机和出气口，搅拌总成可转动的配置在反应罐体内部，且与电机连接，在所述反应罐体下端底部上配装超声波换能器，导线将超声波发生器与超声波换能器连通。
本发明创造与现有技术相比有如下优点和有益效果：本发明创造将全混合反应器与超声波换能器相结合，提高了氢气在厌氧生物发酵系统内部的传质效率和氢气的产率及装置的利用率。超声波的声波作用可以产生空化效应，对微生物聚集体产生剪切力使边界层减薄、强化微孔扩散；产生微射流冲击固体颗粒表面增大了传质表面积；从而提高氢气的传质速率，产生的氢气能够及时的释放。本发明创造与现有的促进产氢发酵氢气释放常用方法的机械搅拌和惰性气体或产物气体吹脱相比，更能提高氢气在发酵系统内微生物聚集内部的传质效率，同时可以避免惰性气体吹脱带来的气体净化问题。另外，超声波的空化作用使水分子裂解，形成自由基提高液相中化学反应活性。
附图说明
图1是脉冲式功率超声波强化厌氧生物发酵产氢装置总体结构示意图。
图中件号说明：
1、反应罐体、2、恒温水套、3、进料口、4、出料口、5、出气口、6、搅拌总成、7、电机、8、进水口、9、出水口、10、超声波换能器、11、超声波发生器、12、导线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造实施方案进行详细描述。
一种脉冲式功率超声波强化厌氧生物发酵产氢方法，采用脉冲式功率超声波对在35℃恒温条件下的厌氧生物发酵产氢系统内的发酵液进行脉冲式功率超声波强化处理，脉冲式功率超声波频率为20—100KHz，功率密度为50—250W/L，脉冲式功率超声波作用时间为1—2S，间隔时间58—59S。
一种脉冲式功率超声波强化厌氧生物发酵产氢装置，在反应罐体1圆柱体外部上覆盖包容的设置恒温水套2，在所述恒温水套2的上、下侧部上分别设置进水口8和出水口9，在所述反应罐体1的上、下侧部上分别设置进料口3和出料口4，在所述反应罐体1上端部上设置电机7和出气口5，搅拌总成6可转动的配置在反应罐体1内部，且与电机7连接，在所述反应罐体1下端底部上配装超声波换能器10，导线12将超声波发生器11与超声波换能器10连通。
使用本装置进行厌氧产氢发酵时，首先将恒温水套2内注满水，将恒温控制在35℃并稳定自循环，随即将产氢接种物及发酵底物从进料口3送入反应罐体1内，然后从出气口5冲入氮气保证反应罐体1的绝对厌氧环境，开启搅拌总成6实现厌氧产氢发酵系统底物浓度的分布均匀，此时根据发酵底物的不同，利用各自优化好的功率密度、占空比通过超声波发生器11和超声波换能器10对发酵系统内的发酵液进行脉冲式的超声波作用，改变微生物聚集体的结构，增强氢的传质效率。同时，超声波在发酵液体内产生的空化作用，促进了氢气在发酵液相中的传质效率。与未使用功率超声波的反应器相比，实际产氢率由1.2mol—H2/mol-glucose提升至2.5mol—H2/mol-glucose，产氢速率由2.6L/L.d提升至4.8L/L.d，技术效果明显且突出。

Claims (2)

1.一种脉冲式功率超声波强化厌氧生物发酵产氢方法，其特征在于：采用脉冲式功率超声波对在35℃恒温条件下的厌氧生物发酵产氢系统内的发酵液进行脉冲式功率超声波强化处理，脉冲式功率超声波频率为20—100KHz，功率密度为50—250W/L，脉冲式功率超声波作用时间为1—2S，间隔时间58—59S。
2.一种脉冲式功率超声波强化厌氧生物发酵产氢装置，在反应罐体(1)圆柱体外部上覆盖包容的设置恒温水套(2)，在所述恒温水套(2)的上、下侧部上分别设置进水口(8)和出水口(9)，在所述反应罐体(1)的上、下侧部上分别设置进料口(3)和出料口(4)，在所述反应罐体(1)上端部上设置电机(7)和出气口(5)，搅拌总成(6)可转动的配置在反应罐体(1)内部，且与电机(7)连接，其特征在于：在所述反应罐体(1)下端底部上配装超声波换能器(10)，导线(12)将超声波发生器(11)与超声波换能器(10)连通。
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