CN107488578B - 配有酶回收利用的同步糖化发酵产氢反应器及其实验方法 - Google Patents

配有酶回收利用的同步糖化发酵产氢反应器及其实验方法 Download PDF

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Abstract

配有酶回收利用的同步糖化发酵产氢反应器，包括酶解单元、产氢单元、酶脱附单元和酶吸附单元；酶解单元位于产氢单元内部；酶解单元与产氢单元连通，酶解单元的下端与酶脱附单元上端的进料口连接，产氢单元的底部通过第一支撑管道与酶吸附单元的顶部连通，酶脱附单元的底部出料口通过第二支撑管道与酶吸附单元的顶部连通。本发明还公开了配有酶回收利用的同步糖化发酵产氢反应器的实验方法。本发明在产氢过程结束后进行纤维素酶的回收利用，将纤维素酶回收可重复利用酶解反应后的纤维素酶，有效利用纤维素酶的残余活性，提高单位酶的得糖率，进一步减少纤维素酶用量，可以大幅度的降低工艺成本，促进秸秆类生物质能源转化的产业化生产。

Description

配有酶回收利用的同步糖化发酵产氢反应器及其实验方法
技术领域
本发明属于农业工程中的农村能源技术领域，尤其涉及一种配有酶回收利用的同步糖化发酵产氢反应器及其实验方法。
背景技术
过度使用化石能源造成的能源短缺和环境污染使得生产和使用清洁能源迫在眉睫，氢能燃烧密度高，清洁无污染，被认为是一种很有吸引力的替代能源。在各种制氢方法中，生物制氢利用微生物在常温常压下进行可再生能源的生产，已成为国内外研究热点。
生物制氢主要包括光解水制氢、光发酵制氢和暗发酵制氢。其中，光发酵制氢是微生物在太阳能的驱动下利用各种有机废弃物进行的产氢，能有效的将废弃物的治理和清洁能源的生产结合起来，被认为是最具发展前景的氢气生产工艺。
目前以秸秆类生物质为原料进行光合生物制氢过程中，首先需要对纤维素生物质进行粉碎，然后进行酶预处解，把纤维素转化成小分子的糖类及小分子酸等碳水化合物，酶解出来的有机质被光合细菌利用进而产氢，但是由于在酶解的过程中糖类物质的累积会抑制酶解的的进行，造成底物转化效率低，于是采用了同步糖化发酵法，将酶水解过程和发酵产氢过程耦合于同一反应器，酶水解出来的糖能及时被光合细菌利用进行产氢，提高底物转化效率。另外反应器采用酶解单元内置法，减少生物质对光的遮挡效应。因为若把纤维素生物质和光合细菌放在同一个反应器时，纤维素生物质会遮挡光线，不利于细菌接受光能量，进而影响光合细菌的光合作用从而导致产氢效率低。
纤维素酶在生物制氢过程中有着不可缺少的作用，它可以把纤维素转化为可发酵性糖以供细菌发酵，但是由于其成本较高，以致加大了制氢的成本，这是阻碍生物制氢工业化运行的主要原因之一。在纤维酶对生物质纤维素进行水解时，一部分酶会吸附在生物质表面，一部分游离在酶解液中。为了能够重复利用酶解反应后的纤维素酶以便降低制氢成本，在反应结束后进行纤维素酶的回收利用是一重要环节。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种提高酶解效率、产氢效率和酶回收效率并降低反应成本的配有酶回收利用的同步糖化发酵产氢反应器及其实验方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：配有酶回收利用的同步糖化发酵产氢反应器，包括酶解单元、产氢单元、酶脱附单元和酶吸附单元；酶解单元位于产氢单元内部，酶脱附单元位于酶解单元和产氢单元下方，酶吸附单元位于酶脱附单元下方；
酶解单元与产氢单元连通，酶解单元的下端出料口与酶脱附单元上端的进料口连接，产氢单元的底部出料口通过第一支撑管道与酶吸附单元的顶部连通，第一支撑管道上设置有第一手动阀，酶脱附单元的底部出料口通过第二支撑管道与酶吸附单元的顶部连通，第二支撑管道上设置有第二手动阀。
产氢单元包括顶部敞口的外筒体，外筒体顶部固定设置有第一盖体；
酶解单元包括内滤网筒、电机、搅拌轴和搅拌叶片，内滤网筒设置在外筒体内部并与外筒体具有同一条中心线，内滤网筒下端固定连接在外筒体底部，内滤网筒上端与第一盖体下表面接触，搅拌轴自上而下垂直穿过第一盖体伸入到内滤网筒内部，搅拌叶片固定安装在搅拌轴上并位于内滤网筒内，第一盖体顶部固定设置有支架，电机设置在支架上，电机的主轴下端通过联轴器与搅拌轴上端同轴向传动连接；
第一盖体上连接有与内滤网筒顶部连通的第一进料管，第一盖体上连接有均与外筒体内部连通的排气管和第二进料管，外筒体外侧下部连接有取样管，第一进料管、第二进料管和取样管上分别设置有第三手动阀、第四手动阀和第五手动阀；
第一支撑管道上端与外筒体底部连接并与外筒体内部连通。
酶脱附单元包括顶部敞口的酶脱附筒体，酶脱附筒体顶部设置有第二盖板，第二盖板与外筒体底部之间设置有下料管，下料管上设置有第六手动阀，酶脱附筒体内设置有上大小下呈圆锥形的上滤网筒，上滤网筒的上端外圆周与酶脱附筒体的中部内壁固定连接，上滤网筒的下端与酶脱附筒体的底部固定连接，酶脱附筒体的侧部连接有位于上滤网筒上方的脱附液进料管，酶脱附筒体底部连接有与上滤网筒下端连通的排渣管，排渣管上设置有第七手动阀。
酶吸附单元包括顶部敞口的酶吸附筒体，酶吸附筒体顶部设置有第三盖板，第三盖板上设置有新鲜秸秆进料管，酶吸附筒体内设置有上大小下呈圆锥形的下滤网筒，下滤网筒的上端外圆周与酶吸附筒体的中部内壁固定连接，上滤网筒的下端与酶吸附筒体的底部固定连接，酶吸附筒体底部偏心处连接有排液管，排液管上设置有第八手动阀，酶吸附筒体底部的中心处连接有底物排出管，底物排出管上设置有第九手动阀。
内滤网筒、上滤网筒和下滤网筒的筛孔孔径均为0.125mm；所有的手动阀均为蝶阀，自由控制流速；外筒体、酶脱附筒体和酶吸附筒体均采用透明玻璃制成。
配有酶回收利用的同步糖化发酵产氢反应器的实验方法，包括以下步骤，
（1）、将秸秆粉碎为粒径为0.45mm的生物质粉末，备用；
（2）、将整个反应器放置在恒温气候室中，温度设为30℃；将生物质粉末、纤维素酶和适量的pH为4.8的柠檬酸钠缓冲液混合后从第一进料管倒入到内滤网筒内，将菌液、产氢培养基和pH为4.8的柠檬酸钠缓冲液混合后从第二进料管倒入到外筒体内，然后关闭第三手动阀和第四手动阀；
（3）、产氢过程：内滤网筒内的液体与外筒体内的液体维持同一水平线上，整体的发酵初始pH调到6.5，光合细菌的接种为30%（v/v），光合制氢时采用黄色LED照明光纤提供光照，光照强度为3500lux；启动电机，驱动搅拌轴和叶片转动，对酶解中秸秆类生物质搅拌，打破酶解产生的糖使纤维素生物质糊化状态，这样可使前期沉淀状态的秸秆类生物质能较好的与纤维素酶接触，随着反应的进行纤维素会被酶解出来的糖粘合在一起，产生糊化状态，使秸秆类生物质颗粒呈漂浮状态，保证秸秆类生物质颗粒与纤维素酶有充分的接触面积，增大酶解效率；内滤网筒内置于外筒体内部可以有效的吸收细菌在发酵过程中产生的生物热，保证酶解过程的温度维持在纤维素酶的最佳活性温度50℃，提高纤维素酶的活性；酶解单元产生的糖通过内滤网筒进入产氢单元内供细菌产氢，产生的气体通过排气管收集，在产氢过程中打开第五手动阀，通过取样管对产氢发酵过程参数变化进行检测；
（4）、产氢结束后，进行固液分离，打开第六手动阀，内滤网筒中的残渣在搅拌叶片搅拌的作用下通过下料管进入到酶脱附筒体内，随着残渣进入酶脱附筒体内的发酵残液经过上滤网筒的过滤后，打开第二手动阀，发酵残液通过第二支撑管道进入酶吸附筒体，同时也打开第一手动阀，外筒体内的发酵残液通过第一支撑管道进入酶吸附筒体内，发酵残液全部进入到酶吸附筒体内后，关闭第一手动阀和第二手动阀；
（5）、把pH为10的柠檬酸钠缓冲液从脱附液进料管注入酶脱附筒体内，对落在上滤网筒上的残渣进行酶脱附；酶脱附完成后，将酶脱附筒体中的pH调回4.8；与此同时，通过新鲜秸秆进料管将新鲜秸秆加入到酶吸附筒体内，新鲜秸秆落到下滤网筒上，从第二支撑管道流入到酶吸附筒体内的脱附液中含有较多的纤维素酶与新鲜秸秆充分接触，新鲜秸秆对纤维素酶进行重吸附，吸附完成后，开启第八手动阀，酶吸附筒体中的发酵残液从排液管排出；酶脱附筒体中的带有纤维素酶的缓冲液通过第二支撑管道进入酶吸附筒体内，开启第九手动阀，下滤网筒上的新鲜秸秆底物和带有纤维素酶的缓冲液一块通过底物排出管进入下一个酶解单元，对纤维素酶进行重新利用；
（6）最后，打开第七手动阀，将酶脱附单元中的残渣通过排渣管排出，实验完毕。
采用上述技术方案，在步骤（5）中，将酶溶液调节至pH10，在2h后调回pH4.8，纤维素酶的保留率高于97%，这样可以充分保留纤维素酶。
本发明在产氢过程结束后进行纤维素酶的回收利用，将纤维素酶回收可重复利用酶解反应后的纤维素酶，有效利用纤维素酶的残余活性，提高单位酶的得糖率，进一步减少纤维素酶用量，可以大幅度的降低工艺成本，提高竞争力，促进秸秆类生物质能源转化的产业化生产。反应器的合理布置实现对产氢料液固液分离，利用新鲜底物重吸附和pH调控酶脱附提高了酶回收效率。另外，采用酶解单元内置法，即酶解单元位于产氢单元内部，实现酶水解过程和产氢过程同时进行，解除了糖对酶的反馈抑制作用，提高底物转化效率，同时消除了生物质的遮光效应，提高产氢效率。本发明由于降低了制氢的成本，提高了产氢效率，可在秸秆能源制氢领域大规模实施。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的配有酶回收利用的同步糖化发酵产氢反应器，包括酶解单元、产氢单元、酶脱附单元和酶吸附单元；酶解单元位于产氢单元内部，酶脱附单元位于酶解单元和产氢单元下方，酶吸附单元位于酶脱附单元下方；
酶解单元与产氢单元连通，酶解单元的下端出料口与酶脱附单元上端的进料口连接，产氢单元的底部出料口通过第一支撑管道1与酶吸附单元的顶部连通，第一支撑管道1上设置有第一手动阀2，酶脱附单元的底部出料口通过第二支撑管道3与酶吸附单元的顶部连通，第二支撑管道3上设置有第二手动阀4。
产氢单元包括顶部敞口的外筒体5，外筒体5顶部固定设置有第一盖体6。
酶解单元包括内滤网筒7、电机8、搅拌轴9和搅拌叶片10，内滤网筒7设置在外筒体5内部并与外筒体5具有同一条中心线，内滤网筒7下端固定连接在外筒体5底部，内滤网筒7上端与第一盖体6下表面接触，搅拌轴9自上而下垂直穿过第一盖体6伸入到内滤网筒7内部，搅拌叶片10固定安装在搅拌轴9上并位于内滤网筒7内，第一盖体6顶部固定设置有支架12，电机8设置在支架12上，电机8的主轴下端通过联轴器与搅拌轴9上端同轴向传动连接。
第一盖体6上连接有与内滤网筒7顶部连通的第一进料管11，第一盖体6上连接有均与外筒体5内部连通的排气管13和第二进料管14，外筒体5外侧下部连接有取样管15，第一进料管11、第二进料管14和取样管15上分别设置有第三手动阀16、第四手动阀17和第五手动阀18；
第一支撑管道1上端与外筒体5底部连接并与外筒体5内部连通。
酶脱附单元包括顶部敞口的酶脱附筒体19，酶脱附筒体19顶部设置有第二盖板20，第二盖板20与外筒体5底部之间设置有下料管21，下料管21上设置有第六手动阀22，酶脱附筒体19内设置有上大小下呈圆锥形的上滤网筒23，上滤网筒23的上端外圆周与酶脱附筒体19的中部内壁固定连接，上滤网筒23的下端与酶脱附筒体19的底部固定连接，酶脱附筒体19的侧部连接有位于上滤网筒23上方的脱附液进料管24，酶脱附筒体19底部连接有与上滤网筒23下端连通的排渣管25，排渣管25上设置有第七手动阀26。
酶吸附单元包括顶部敞口的酶吸附筒体27，酶吸附筒体27顶部设置有第三盖板28，第三盖板28上设置有新鲜秸秆进料管29，酶吸附筒体27内设置有上大小下呈圆锥形的下滤网筒30，下滤网筒30的上端外圆周与酶吸附筒体27的中部内壁固定连接，上滤网筒23的下端与酶吸附筒体27的底部固定连接，酶吸附筒体27底部偏心处连接有排液管31，排液管31上设置有第八手动阀32，酶吸附筒体27底部的中心处连接有底物排出管33，底物排出管33上设置有第九手动阀34。
内滤网筒7、上滤网筒23和下滤网筒30的筛孔孔径均为0.125mm；所有的手动阀均为蝶阀，自由控制流速；外筒体5、酶脱附筒体19和酶吸附筒体27均采用透明玻璃制成。
配有酶回收利用的同步糖化发酵产氢反应器的实验方法，包括以下步骤，
（1）、将秸秆粉碎为粒径为0.45mm的生物质粉末，备用；
（2）、将整个反应器放置在恒温气候室中，温度设为30℃；将生物质粉末、纤维素酶和适量的pH为4.8的柠檬酸钠缓冲液混合后从第一进料管11倒入到内滤网筒7内，将菌液、产氢培养基和pH为4.8的柠檬酸钠缓冲液混合后从第二进料管14倒入到外筒体5内，然后关闭第三手动阀16和第四手动阀17；
（3）、产氢过程：内滤网筒7内的液体与外筒体5内的液体维持同一水平线上，整体的发酵初始pH调到6.5，光合细菌的接种为30%（v/v），光合制氢时采用黄色LED照明光纤提供光照，光照强度为3500lux；启动电机8，驱动搅拌轴9和叶片转动，对酶解中秸秆类生物质搅拌，打破酶解产生的糖使纤维素生物质糊化状态，这样可使前期沉淀状态的秸秆类生物质能较好的与纤维素酶接触，随着反应的进行纤维素会被酶解出来的糖粘合在一起，产生糊化状态，使秸秆类生物质颗粒呈漂浮状态，保证秸秆类生物质颗粒与纤维素酶有充分的接触面积，增大酶解效率；内滤网筒7内置于外筒体5内部可以有效的吸收细菌在发酵过程中产生的生物热，保证酶解过程的温度维持在纤维素酶的最佳活性温度50℃，提高纤维素酶的活性；酶解单元产生的糖通过内滤网筒7进入产氢单元内供细菌产氢，产生的气体通过排气管13收集，在产氢过程中打开第五手动阀18，通过取样管15对产氢发酵过程参数变化进行检测；
（4）、产氢结束后，进行固液分离，打开第六手动阀22，内滤网筒7中的残渣在搅拌叶片10搅拌的作用下通过下料管21进入到酶脱附筒体19内，随着残渣进入酶脱附筒体19内的发酵残液经过上滤网筒23的过滤后，打开第二手动阀4，发酵残液通过第二支撑管道3进入酶吸附筒体27，同时也打开第一手动阀2，外筒体5内的发酵残液通过第一支撑管道1进入酶吸附筒体27内，发酵残液全部进入到酶吸附筒体27内后，关闭第一手动阀2和第二手动阀4；
（5）、把pH为10的柠檬酸钠缓冲液从脱附液进料管24注入酶脱附筒体19内，对落在上滤网筒23上的残渣进行酶脱附；酶脱附完成后，将酶脱附筒体19中的pH调回4.8；与此同时，通过新鲜秸秆进料管29将将新鲜秸秆加入到酶吸附筒体27内，新鲜秸秆落到下滤网筒30上，从第二支撑管道3流入到酶吸附筒体27内的脱附液中含有较多的纤维素酶与新鲜秸秆充分接触，新鲜秸秆对纤维素酶进行重吸附，吸附完成后，开启第八手动阀32，酶吸附筒体27中的发酵残液从排液管31排出；酶脱附筒体19中的带有纤维素酶的缓冲液通过第二支撑管道3进入酶吸附筒体27内，开启第九手动阀34，下滤网筒30上的新鲜秸秆底物和带有纤维素酶的缓冲液一块通过底物排出管33进入下一个酶解单元，对纤维素酶进行重新利用；
（6）最后，打开第七手动阀26，将酶脱附单元中的残渣通过排渣管25排出，实验完毕。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.配有酶回收利用的同步糖化发酵产氢反应器，其特征在于：包括酶解单元、产氢单元、酶脱附单元和酶吸附单元；酶解单元位于产氢单元内部，酶脱附单元位于酶解单元和产氢单元下方，酶吸附单元位于酶脱附单元下方；
酶解单元与产氢单元连通，酶解单元的下端出料口与酶脱附单元上端的进料口连接，产氢单元的底部出料口通过第一支撑管道与酶吸附单元的顶部连通，第一支撑管道上设置有第一手动阀，酶脱附单元的底部出料口通过第二支撑管道与酶吸附单元的顶部连通，第二支撑管道上设置有第二手动阀；
产氢单元包括顶部敞口的外筒体，外筒体顶部固定设置有第一盖体；
酶解单元包括内滤网筒、电机、搅拌轴和搅拌叶片，内滤网筒设置在外筒体内部并与外筒体具有同一条中心线，内滤网筒下端固定连接在外筒体底部，内滤网筒上端与第一盖体下表面接触，搅拌轴自上而下垂直穿过第一盖体伸入到内滤网筒内部，搅拌叶片固定安装在搅拌轴上并位于内滤网筒内，第一盖体顶部固定设置有支架，电机设置在支架上，电机的主轴下端通过联轴器与搅拌轴上端同轴向传动连接；
第一盖体上连接有与内滤网筒顶部连通的第一进料管，第一盖体上连接有均与外筒体内部连通的排气管和第二进料管，外筒体外侧下部连接有取样管，第一进料管、第二进料管和取样管上分别设置有第三手动阀、第四手动阀和第五手动阀；
第一支撑管道上端与外筒体底部连接并与外筒体内部连通；
酶脱附单元包括顶部敞口的酶脱附筒体，酶脱附筒体顶部设置有第二盖板，第二盖板与外筒体底部之间设置有下料管，下料管上设置有第六手动阀，酶脱附筒体内设置有上大小下呈圆锥形的上滤网筒，上滤网筒的上端外圆周与酶脱附筒体的中部内壁固定连接，上滤网筒的下端与酶脱附筒体的底部固定连接，酶脱附筒体的侧部连接有位于上滤网筒上方的脱附液进料管，酶脱附筒体底部连接有与上滤网筒下端连通的排渣管，排渣管上设置有第七手动阀。
2.根据权利要求1所述的配有酶回收利用的同步糖化发酵产氢反应器，其特征在于：酶吸附单元包括顶部敞口的酶吸附筒体，酶吸附筒体顶部设置有第三盖板，第三盖板上设置有新鲜秸秆进料管，酶吸附筒体内设置有上大小下呈圆锥形的下滤网筒，下滤网筒的上端外圆周与酶吸附筒体的中部内壁固定连接，上滤网筒的下端与酶吸附筒体的底部固定连接，酶吸附筒体底部偏心处连接有排液管，排液管上设置有第八手动阀，酶吸附筒体底部的中心处连接有底物排出管，底物排出管上设置有第九手动阀。
3.根据权利要求2所述的配有酶回收利用的同步糖化发酵产氢反应器，其特征在于：内滤网筒、上滤网筒和下滤网筒的筛孔孔径均为0.125mm；所有的手动阀均为蝶阀，自由控制流速；外筒体、酶脱附筒体和酶吸附筒体均采用透明玻璃制成。
4.采用如权利要求3所述的配有酶回收利用的同步糖化发酵产氢反应器的实验方法，其特征在于：包括以下步骤，
（1）、将秸秆粉碎为粒径为0.45mm的生物质粉末，备用；
（2）、将整个反应器放置在恒温气候室中，温度设为30℃；将生物质粉末、纤维素酶和适量的pH为4.8的柠檬酸钠缓冲液混合后从第一进料管倒入到内滤网筒内，将菌液、产氢培养基和pH为4.8的柠檬酸钠缓冲液混合后从第二进料管倒入到外筒体内，然后关闭第三手动阀和第四手动阀；
（3）、产氢过程：内滤网筒内的液体与外筒体内的液体维持同一水平线上，整体的发酵初始pH调到6.5，光合细菌的接种为30%（v/v），光合制氢时采用黄色LED照明光纤提供光照，光照强度为3500lux；启动电机，驱动搅拌轴和叶片转动，对酶解中秸秆类生物质搅拌，增大酶解效率；内滤网筒内置于外筒体内部可以有效的吸收细菌在发酵过程中产生的生物热，保证酶解过程的温度维持在纤维素酶的最佳活性温度50℃，提高纤维素酶的活性；酶解单元产生的糖通过内滤网筒进入产氢单元内供细菌产氢，产生的气体通过排气管收集，在产氢过程中打开第五手动阀，通过取样管对产氢发酵过程参数变化进行检测；
（4）、产氢结束后，进行固液分离，打开第六手动阀，内滤网筒中的残渣在搅拌叶片搅拌的作用下通过下料管进入到酶脱附筒体内，随着残渣进入酶脱附筒体内的发酵残液经过上滤网筒的过滤后，打开第二手动阀，发酵残液通过第二支撑管道进入酶吸附筒体，同时也打开第一手动阀，外筒体内的发酵残液通过第一支撑管道进入酶吸附筒体内，发酵残液全部进入到酶吸附筒体内后，关闭第一手动阀和第二手动阀；
（5）、把pH为10的柠檬酸钠缓冲液从脱附液进料管注入酶脱附筒体内，对落在上滤网筒上的残渣进行酶脱附；酶脱附完成后，将酶脱附筒体中的pH调回4.8；与此同时，通过新鲜秸秆进料管将新鲜秸秆加入到酶吸附筒体内，新鲜秸秆落到下滤网筒上，从第二支撑管道流入到酶吸附筒体内的脱附液中含有较多的纤维素酶与新鲜秸秆充分接触，新鲜秸秆对纤维素酶进行重吸附，吸附完成后，开启第八手动阀，酶吸附筒体中的发酵残液从排液管排出；酶脱附筒体中的带有纤维素酶的缓冲液通过第二支撑管道进入酶吸附筒体内，开启第九手动阀，下滤网筒上的新鲜秸秆底物和带有纤维素酶的缓冲液一块通过底物排出管进入下一个酶解单元，对纤维素酶进行重新利用；
（6）最后，打开第七手动阀，将酶脱附单元中的残渣通过排渣管排出，实验完毕。
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