CN111763694B - 一种高温制氢与微藻产油耦合产能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温制氢与微藻产油耦合产能的方法，属于生物能源技术领域。该方法是将废水通入CSTR厌氧反应器中，并接种经高温驯化培养后的二沉池污泥进行连续高温制氢反应，在高温制氢反应期间将经过CSTR厌氧反应器分离处理后的发酵液连续输送至微藻生长反应器中，并将高温制氢反应器中产生的二氧化碳和氢气连续输送至微藻生长反应器中发酵液的液面以下，待高温制氢反应器产生发酵产物连续通入微藻生长反应器一天后向微藻生长反应器中接种微藻，并培养微藻；然后将培养后的微藻发酵液输送至微藻产油反应器中进行循环产油培养，收集经产油培养后的微藻并收集氢气，提取微藻中的油脂。本发明方法可以连续流作业，适用于工业化生产。

Description

一种高温制氢与微藻产油耦合产能的方法
技术领域
本发明涉及一种高温制氢与微藻产油耦合产能的方法，属于生物能源技术领域。
背景技术
高温生物制氢作为一种稳定的生物制氢技术也会得到更广泛的应用。但是目前暗发酵制氢技术同样存在制氢效率较低，制氢成本较高，底物利用率低，产生发酵产物造成二次污染的问题。所以暗发酵生物制氢技术还需要进行不断完善才能够推进生物制氢工业化应用。
如今制约微藻生物柴油规模化的瓶颈问题是昂贵的生产成本，其根本也取决于微藻藻种的含油量。因此，降低成本并培育出生长迅速、环境适应力强、含油量高的微藻是微藻生物柴油提高产率的关键。研究表明，选育的微藻含油量范围在10％-40％，而且能够具有高二氧化碳耐受力、环境适应能力强的富油藻种仍然缺乏，需要进一步加强在自然环境筛选、诱变育种和基因工程改造以获取性状优良的藻种，丰富藻种资源，降低柴油生产成本，提高生物柴油生产过程的转化率。
将高温暗发酵制氢技术和微藻产油技术二者结合起来，可以同时解决原料短缺与发酵产物利用两个瓶颈问题，不仅为提高基质利用率及系统的产能能力提供理论指导和技术支持，而且对于加快生物柴油和生物制氢技术的产业化步伐也具有重要的意义。
专利CN 201310533944.0公开了一种产氢细菌与含有微藻梯级耦合产能的方法，该专利采用的方案为：在常温条件下发酵培养产氢细菌，然后将产氢细菌产生的有机酸发酵液调节PH 值后进行高压蒸汽灭菌处理，再向上清液中接种含油微藻进行培养，然后收集提取含油微藻中的油脂，该方法操作繁琐，不能够实现连续流操作，仅适用于实验室中实验，不适合产业化生产，在常温条件下暗发酵制氢效率较低并且对应用反应底物范围相对较窄，常温制氢产物主要以乙醇、乙酸为主，微藻生长产油过程中利用乙醇较少，过高的乙醇浓度反而抑制微藻生长所以常温制氢不是与微藻耦合的最优方法。
专利CN 201510255887.3公开了一种细菌与微藻共培养处理淀粉废水同步产能的方法，该专利所采用的方案是：对产氢菌进行预处理后将其与微藻混合，然后接种到装有淀粉废水的密闭反应器中培养，微藻与细菌在同一个反应器中培养，后续需要面临菌藻分离的难题，并且菌藻在同一个反应器中控制较难，该方法在实际产业化生产过程也很难推广应用。
发明内容
为解决现有制氢与微藻耦合产油方法操作复杂、无法实现连续流生产、不适合工业化生产、生物制氢和微藻产油成本较高的问题，本发明提供了一种无外加能源高温制氢与微藻产油耦合产能的方法，该方法具有低成本、无能耗、底物利用率高和产能效率高等优点。采用的技术方案如下：
本发明的目的在于提供一种高温制氢与微藻产油耦合产能的方法，包括以下步骤：
步骤一：以CSTR厌氧反应器作为高温制氢反应器，将废水通入高温制氢反应器中并接种经高温驯化培养后的二沉池污泥，在50℃-60℃、无光照、密闭、厌氧的条件下进行连续高温制氢反应；
步骤二：在高温制氢反应期间将经过CSTR厌氧反应器分离处理后的发酵液连续输送至微藻生长反应器中作为微藻培养液，并将高温制氢反应器中产生的二氧化碳和氢气的混合气体连续输送至微藻生长反应器中微藻培养液的液面以下，待高温制氢反应器产生发酵产物连续通入微藻生长反应器一天后向微藻生长反应器中接种微藻，并培养微藻；
步骤三：待培养微藻3天-5天后将微藻生长反应器中的微藻及其培养液输送至微藻产油反应器中进行循环产油培养，在循环产油培养过程中将微藻生长反应器中微藻培养液液面上方的二氧化碳和氢气的混合气体输送至微藻产油反应器中微藻培养液液面以下，并在微藻产油反应器外部设置与微藻产油反应器内腔相连通的循环管路使微藻发酵液循环流动；
步骤四：待循环产油培养5天-7天后收集微藻产油反应器中的微藻和氢气，并提取微藻中的油脂。
优选地，步骤一所述高温驯化培养是在50℃条件下高温驯化培养5-8天。
优选地，步骤二在将经过CSTR厌氧反应器分离处理后的发酵液连续输送至微藻生长反应器的过程中将发酵液的pH值调节至5-7，然后紫外灭菌5min-8min。
优选地，步骤二所述培养微藻是在25℃～45℃、光照和搅拌的条件下进行的。更优选地，所述搅拌的条件为200r/min-400r/min。
优选地，步骤三所述产油培养的条件为：温度15℃～40℃，光照，密闭。
优选地，步骤二所述微藻为对数生长期末期或稳定期前期的种子液。
优选地，步骤二所述微藻的接种量为发酵液总体积的5％～10％(v/v)。
优选地，步骤二所述微藻生长反应器采用筒式搅拌光生物反应器。
优选地，步骤四中收集微藻产油反应器中微藻的方式为采用离心法或过滤法。
优选地，步骤四所述提取采用氯仿-甲醇法、索氏抽提法、正己烷-异丙醇法、正己烷-乙醇法或乙醚-石油醚法。
优选地，所述高温制氢与微藻产油耦合产能的过程中由太阳能供电系统供给稳定输出的 220V电压；所述太阳能供电系统包括太阳能电池组件、太阳能控制器、逆变器和蓄电池；其中：太阳能电池组件、太阳能控制器、逆变器和蓄电池依次连接。通过该太阳能供电系统供电，可以将太阳能转化为电能，有效的节约了能源，不需要额外人为添加能源即可以实现制氢和产油的运行。
本发明所述废水为含糖废水，如糖蜜废水、秸秆糖化液等含糖废水，COD浓度在100mg/L -10000mg/L。
本发明在高温制氢反应过程中持续将CSTR厌氧反应器分离处理后的发酵液连续输送至微藻生长反应器中，待高温制氢反应器运行一天后再接种微藻是为了积累从高温制氢反应器输送进微藻生长反应器中的营养物质，积累到一定量后再接种微藻，更利于微藻的生长，使微藻更加高效的利用高温制氢后剩余营养物质进行生长培养。将生长培养后的微藻转移至微藻产油反应器中进行连续循环产油培养5-7天，是为了使微藻利用高温制氢产生的小分子酸完成微藻产油过程。
本发明有益效果：
本发明方法实现了高温发酵制氢与微藻产油偶联工艺的连续流运作，适用于工业生产，整个工艺操作简单，方便控制，该方法的底物转化率高，产能效率高，产氢量可达1.5-3mol/mol 葡萄糖，产油率可达35％-53％。高温发酵制氢的发酵液中含有大量小分子有机酸废弃物，会对环境造成潜在的威胁，利用微藻处理高温发酵制氢产生的有机酸废弃物，不仅保护了环境，而且将这些废弃物进行了资源化利用，降低了微藻产油的成本，实现了可再生清洁能源生产和环境保护的双重功效。
本发明在50℃-60℃、光照、密闭、厌氧的条件下利用经过50℃条件下高温驯化培养5-8 天的二沉池污泥进行连续高温制氢反应，该高温制氢反应的原料为废水，低成本，并且在高温条件下进行制氢反应可以获得更高的产氢效率，并且高温制氢反应获得的发酵液中丁酸含量更多，更利于微藻的生长培养和产油，使得产油率更高，此外，高温制氢效果具有制氢效率更高，底物利用更宽泛，发酵产物更适合微藻生长的优点。
本发明将高温制氢反应产生的二氧化碳和氢气的混合气体连续输送至微藻生长反应器中、并将微藻生长反应器中的二氧化碳和氢气的混合气体输送至微藻产油反应器中，不仅为微藻的生长培养和产油提供二氧化碳，促进微藻生长和产油，而且还使得二氧化碳得以循环利用，减少了二氧化碳向大气中的排放量。此外，将二氧化碳和氢气的混合气体直接输送至液面以下还可以使得二氧化碳更高效的与微藻接触，促进微藻生长，且氢气对于微藻的生长没有不良影响。
本发明中微藻产油过程采用循环产油培养的方式，通过在微藻产油反应器外部设置一个与其内腔相连通的循环管路，使微藻发酵液在微藻产油反应器内循环流动起来，循环培养的方式更有利于微藻对底物的利用，提高微藻的产油量。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
以下实施例中以高温制氢反应器采用山东方源众合机械有限公司生产的CSTR反应器，微藻生长反应器采用上海光语生物科技有限公司微藻筒式光生物反应器，微藻产油反应器采用上海光语生物科技有限公司生产箱式微藻产油光生物反应器为例进行说明。
以下实施例中所用经高温驯化培养后的二沉池污泥购自哈尔滨文昌污水处理厂，且在 50℃条件下高温驯化培养5-8天。
以下实施例以微藻Z-4为例进行说明，栅藻Z-4(Scenedesmus sp.Z-4)，已在《Cellgrowth and lipid accumulation of a microalgal mutant Scenedesmus sp Z-4bycombining light/dark cycle with temperature variation》(《在光暗交替下微藻突变体scenedsums sp z-4的细胞生长和脂质积累》)(BIOTECHNOLOGY FOR BIOFUELS 2017,10:1186)中公开，该栅藻Z-4可从文章作者处购买得到，也可以从本专利申请人处获得。微藻接种液采用对数生长期末期或稳定期前期的种子液均可。
以下收集经产油培养后的微藻的方式可以采用离心法，也可以采用过滤法。
以下实施例中废水采用糖蜜废水，COD浓度在100mg/L-10000mg/L之间。
实施例1
本实施例提供了一种高温制氢与微藻产油耦合产能的方法，该方法按照以下步骤进行：
步骤一：以CSTR厌氧反应器作为高温制氢反应器，将废水通入高温制氢反应器中并接种经高温驯化培养后的二沉池污泥，在60℃、无光照、密闭、厌氧的条件下进行连续高温制氢反应；
步骤二：在高温制氢反应期间将经过CSTR厌氧反应器分离处理后的发酵液通过蠕动泵连续输送至微藻生长反应器中作为微藻培养液，在将经过CSTR厌氧反应器分离处理后的发酵液连续输送至微藻生长反应器的过程中将发酵液的pH值调节至7，然后紫外灭菌5min，将高温制氢反应器中产生的二氧化碳和氢气的混合气体连续输送至微藻生长反应器中发酵液的液面以下，使得二氧化碳更高效的与微藻接触促进微藻生长；待高温制氢反应器产生发酵产物连续通入微藻生长反应器一天后(积累高温制氢反应器后的营养物质)向微藻生长反应器中按照微藻生长反应器内发酵液总体积的5％～10％的接种量接种微藻(采用对数生长期末期的种子液)，并在35℃、光照、搅拌350r/min的条件下培养微藻，使微藻利用高温制氢后剩余营养物质进行生长培养；
步骤三：待培养微藻3天-5天后将微藻生长反应器中的微藻及其培养液通过蠕动泵输送至微藻产油反应器中，在温度35℃，光照，密闭的条件下进行循环产油培养5天-7天，使微藻利用高温制氢产生的小分子酸完成微藻产油过程，在循环产油培养过程中将微藻生长反应器中微藻培养液液面上方的二氧化碳和氢气的混合气体输送至微藻产油反应器中微藻培养液液面以下，使得二氧化碳更高效的与微藻接触促进微藻生长，并在微藻产油反应器外部设置与微藻产油反应器内腔相连通的循环管路在蠕动泵的带动下使微藻发酵液循环流动，提高微藻对底物的利用率以及提高微藻的产油量；
步骤四：待循环产油培养7天后离心收集微藻产油反应器中的微藻并收集氢气，采用氯仿 -甲醇法提取微藻中的油脂，其中：氯仿-甲醇法提取微藻中的油脂按照如下方法进行：用氯仿：甲醇：水的体积比为1：2：0.8的有机溶剂提取油脂，再补充氯仿和水使得氯仿：甲醇：水的体积比为1：1：0.9，离心后分层，上层为水相含有水溶性物质，下层为有机相含有脂类物质，下层经低温烘干后用以计算油脂含量。
本实施例中可以通过湿式气体流量测量气体流量。
本实施例方法的产氢量为3mol/mol葡萄糖，产油量为53％。
实施例2
本实施例提供了一种高温制氢与微藻产油耦合产能的方法，该方法按照以下步骤进行：
步骤一：以CSTR厌氧反应器作为高温制氢反应器，将废水通入高温制氢反应器中并接种经高温驯化培养后的二沉池污泥，在50℃、无光照、密闭、厌氧的条件下进行连续高温制氢反应；
步骤二：在高温制氢反应期间将经过CSTR厌氧反应器分离处理后的发酵液通过蠕动泵连续输送至微藻生长反应器中，在将经过CSTR厌氧反应器分离处理后的发酵液连续输送至微藻生长反应器的过程中将发酵液的pH值调节至5，然后紫外灭菌5min，将高温制氢反应器中产生的二氧化碳和氢气的混合气体连续输送至微藻生长反应器中发酵液的液面以下，使得二氧化碳更高效的与微藻接触促进微藻生长；待高温制氢反应器产生发酵产物连续通入微藻生长反应器一天后(积累高温制氢反应器后的营养物质)向微藻生长反应器中按照微藻生长反应器内发酵液总体积的5％的接种量接种微藻(采用对数生长期末期的种子液)，并在25℃、光照、搅拌200r/min的条件下培养微藻，使微藻利用高温制氢后剩余营养物质进行生长培养；
步骤三：待培养微藻3天后将微藻生长反应器中的微藻及其培养液通过蠕动泵输送至微藻产油反应器中，在温度15℃，光照，密闭的条件下进行循环产油培养5天，使微藻利用高温制氢产生的小分子酸完成微藻产油过程，在循环产油培养过程中将微藻生长反应器中微藻培养液液面上方的二氧化碳和氢气的混合气体输送至微藻产油反应器中微藻培养液液面以下，使得二氧化碳更高效的与微藻接触促进微藻生长，并在微藻产油反应器外部设置与微藻产油反应器内腔相连通的循环管路在蠕动泵的带动下使微藻发酵液循环流动，提高微藻对底物的利用率以及提高微藻的产油量；
步骤四：待循环产油培养5天后离心收集微藻产油反应器中的微藻并收集氢气，采用索氏抽提法提取微藻中的油脂；其中：索氏抽提法如下方法进行：将装有样品的滤纸包用长镊子放入抽提筒中，注入一次虹吸量的1.67倍的无水乙醚，使样品包完全浸没在乙醚中。连接好抽提器各部分，接通冷凝水水流，在恒温水浴中进行抽提，调节水温在70～80℃之间，使冷凝下滴的乙醚成连珠状(120～150滴/min或回流7次/h以上)，抽提至抽取筒内的乙醚用滤纸点滴检查无油迹为止(约需6～12h)。抽提完毕后，用长镊子取出滤纸包，在通风处使乙醚挥发(抽提室温以12～25℃为宜)，提取瓶中的乙醚另行回收。
本实施例方法的产氢量为1.5-2mol/mol葡萄糖，产油量为35％-40％。
实施例3
本实施例提供了一种高温制氢与微藻产油耦合产能的方法，该方法按照以下步骤进行：
步骤一：以CSTR厌氧反应器作为高温制氢反应器，将废水通入高温制氢反应器中并接种经高温驯化培养后的二沉池污泥，在60℃、光照、密闭、厌氧的条件下进行连续高温制氢反应；
步骤二：在高温制氢反应期间将经过CSTR厌氧反应器分离处理后的发酵液通过蠕动泵连续输送至微藻生长反应器中，在将经过CSTR厌氧反应器分离处理后的发酵液连续输送至微藻生长反应器的过程中将发酵液的pH值调节至7，然后紫外灭菌8min，将高温制氢反应器中产生的二氧化碳和氢气的混合气体连续输送至微藻生长反应器中发酵液的液面以下，使得二氧化碳更高效的与微藻接触促进微藻生长；待高温制氢反应器产生发酵产物连续通入微藻生长反应器一天后(积累高温制氢反应器后的营养物质)向微藻生长反应器中按照微藻生长反应器内发酵液总体积的10％的接种量接种微藻(采用对数生长期末期的种子液)，并在45℃、光照、搅拌400r/min的条件下培养微藻，使微藻利用高温制氢后剩余营养物质进行生长培养；
步骤三：待培养微藻5天后将微藻生长反应器中的微藻及其培养液通过蠕动泵输送至微藻产油反应器中，在温度40℃，光照，密闭的条件下进行循环产油培养7天，使微藻利用高温制氢产生的小分子酸完成微藻产油过程，在循环产油培养过程中将微藻生长反应器中微藻培养液液面上方的二氧化碳和氢气的混合气体输送至微藻产油反应器中微藻为培养液液面以下，使得二氧化碳更高效的与微藻接触促进微藻生长，并在微藻产油反应器外部设置与微藻产油反应器内腔相连通的循环管路在蠕动泵的带动下使微藻发酵液循环流动，提高微藻对底物的利用率以及提高微藻的产油量；
步骤四：待循环产油培养7天后离心收集经产油培养后的微藻并收集氢气，采用正己烷- 异丙醇法提取微藻中的油脂；其中：正己烷-异丙醇法提取微藻中的油脂按照如下方法进行：采用正己烷和异丙醇的混合溶剂(正己烷和异丙醇的体积比为3:2)提取微藻的油脂。
实施例方法的产氢量为2mol/mol葡萄糖，产油量为45％。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，采用正己烷-乙醇法提取微藻中的油脂，具体方法为：将正己烷和96％乙醇的混合溶剂(正己烷：96％乙醇的体积比为1:2.5)混合，提取油脂。
实施例方法的产氢量为3mol/mol葡萄糖，产油量为50％。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，采用乙醚-石油醚法提取微藻中的油脂，具体方法为：采用乙醚-石油醚的体积比为1:2的溶剂对微藻进行提取。
实施例方法的产氢量为3mol/mol葡萄糖，产油量为50％。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于，在高温制氢与微藻产油耦合产能的过程中由太阳能供电系统供给稳定输出的220V电压；所述太阳能供电系统包括太阳能电池组件、太阳能控制器、逆变器和蓄电池；其中：太阳能电池组件连接太阳能控制器，太阳能控制器连接逆变器，逆变器连接蓄电池。通过该太阳能供电系统供电，可以将太阳能转化为电能，有效的节约了能源。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种高温制氢与微藻产油耦合产能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：以CSTR厌氧反应器作为高温制氢反应器，将废水通入高温制氢反应器中并接种经高温驯化培养后的二沉池污泥，在50℃-60℃、无光照、密闭、厌氧的条件下进行连续高温制氢反应；所述高温驯化培养是在50℃条件下高温驯化培养5-8天；所述废水是糖蜜废水；
步骤二：在高温制氢反应期间将经过CSTR厌氧反应器分离处理后的发酵液连续输送至微藻生长反应器中，并将高温制氢反应器中产生的二氧化碳和氢气的混合气体连续输送至微藻生长反应器中发酵液的液面以下，待高温制氢反应器产生发酵产物连续通入微藻生长反应器一天后向微藻生长反应器中接种微藻，并培养微藻；所述微藻为栅藻Z-4；
步骤三：待培养微藻3天-5天后将微藻生长反应器中的微藻及其培养液输送至微藻产油反应器中进行循环产油培养，在循环产油培养过程中将微藻生长反应器中液面上方的二氧化碳和氢气的混合气体输送至微藻产油反应器中液面以下，并在微藻产油反应器外部设置与微藻产油反应器内腔相连通的循环管路使微藻发酵液循环流动；
步骤四：待循环产油培养5天-7天后收集微藻产油反应器中的微藻和氢气，并提取微藻中的油脂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二在将经过CSTR厌氧反应器分离处理后的发酵液连续输送至微藻生长反应器的过程中将发酵液的pH值调节至5-7，然后紫外灭菌5min-8min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二所述培养微藻是在25℃～45℃、光照和搅拌的条件下进行的。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三所述产油培养的条件为：温度15℃～40℃，光照，密闭。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二所述微藻为对数生长期末期或稳定期前期的种子液。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二所述微藻的接种量为发酵液总体积的5％～10％。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤四中收集微藻产油反应器中微藻的方式为离心法或过滤法。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤四所述提取采用氯仿-甲醇法、索氏抽提法、正己烷-异丙醇法、正己烷-乙醇法或乙醚-石油醚法。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高温制氢与微藻产油耦合产能的过程中由太阳能供电系统供给稳定输出的220V电压；所述太阳能供电系统包括太阳能电池组件、太阳能控制器、逆变器和蓄电池；其中：太阳能电池组件、太阳能控制器、逆变器和蓄电池依次连接。
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