CN205662520U - 新型光/暗耦合连续产氢反应装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种新型光/暗耦合连续产氢反应装置，化学制氢存在环境问题，生物制氢不需要消耗矿物资源，同时节能环保。本实用新型包括与集气单元相连的产氢立体单元，菌种连续培养单元，内置光照单元和换热单元。所述产氢立体单元包括光/暗发酵产氢立体单元和导流板，菌种连续培养单元包括光/暗发酵生长培养基储罐、光/暗发酵柱状发酵罐、光/暗发酵产氢培养基储罐，恒流泵和循环泵。本实用新型突破了传统的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，而代谢底物自由联通，既解决了两步法操作上的繁琐，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。
Description
技术领域
本实用新型涉及从含氢混合气中分离氢的装置，具体为一种光/暗耦合连续产氢反应装置。
背景技术
环境污染和能源短缺已上升到国家安全等战略高度，并演变成敏感的国际政治、经济和外交问题，因此，寻找新型可再生的环保型能源势在必行。用“氢基能源”这一高效环保的能源载体，在降低环境污染和减少温室气体排放过程中发挥重要作用，正在逐步取代“碳基能源”成为国家能源战略的首选目标。
目前的制氢方法主要包括：（1）有机质的化学制氢和电解水制氢；（2）生物制氢。化学制氢要消耗大量的矿物资源，仍存在环境问题，只是一种过渡性技术。相比之下，不需要消耗矿物资源，同时节能环保的生物制氢方法就显得越来越重要，将会成为未来主要的氢能源制备技术。
生物制氢是在常温常压下，利用生物体特有的酶催化而产生氢气。其中包括微藻（真核与原核藻类）制氢、微生物暗发酵制氢和光合细菌制氢三种基本生物制氢方式。经过研究表明，微藻（真核与原核藻类）制氢会面临光合作用放氧和放氢的相互制约的问题，严重影响氢气的大规模产业化生产。微生物暗发酵制氢过程中存在着不能将底物彻底氧化的问题，伴随着氢气的产生，常有各种有机酸(以乙酸和丁酸为主)作为副产物形成，所以底物向氢气的转化效率低。同时，由于有机酸的积累，不仅反馈抑制产氢，而且发酵液如果不加以有效处理还会引起严重的环境污染。而以紫色非硫细菌为主的光合细菌，在厌氧光照条件下可以将各种低分子有机底物彻底转化为氢气和二氧化碳，具有底物转化效率高（理论转化效率为12 mol-H2/mol-葡萄糖）、所产气体中因氢气含量高（85-95%）而易于纯化、发酵后上清液化学需氧量（COD）低等优点。暗光耦连产氢则是有机地将这两种产氢优势结合起来，既提高了产氢量，又能降低对环境的污染。但目前关于暗-光耦连产氢的报道还不多。
在暗-光耦连产氢中，有人采取发酵细菌和光合细菌共培养产氢。Yokoi等人将C.butyricum和Rhodobacter sp. M-19两种微生物进行共培养，以淀粉为底物，产氢量达到6.6molH2/mol葡萄糖。与此类似的报道，Ike等人将Vibrio fluvialis, Rhodobiummarinum 和Proteus vulgaris进行共培养，Vibrio fluvialis和Proteus vulgaris不仅将生淀粉降解成小分子有机物，而且还生成了Rhodobium marinum可以利用小分子有机物的生物活性物质。Kawaguchi采取乳酸菌Lactobacillus amylovorus和光合细菌Rhodobiummarinum A-501进行共培养，L. amylovorus具有淀粉酶活性，将绿藻Dunaliellatertiolecta产生的藻类淀粉降解成乳酸，乳酸再被Rhodobiu mmarinum用来生长及产氢，共培养体系的pH基本上维持在7.0左右，产氢量达到60%，但产氢速度低。共培养产氢体系的缺点显而易见：有机酸的产生和消耗速率不同，容易造成有机酸的积累而导致体系运行不稳定甚至不产氢；大量菌体的存在降低了光的穿透力，影响光合细菌的产氢活性。
另一种暗光耦连产氢方法是暗-光两步法产氢。Classen等人先利用高温纯菌将食品土豆皮等废弃物降解为有机酸，再将光合细菌直接利用有机酸光发酵产氢。Ela Eroglu等人先由预处理过的混合菌群将橄榄油厂废水中高分子物质降解成低分子有机酸，然后经光合细菌直接光发酵产氢。中科院上海生科院植物生理生态研究所也报道了利用20g/l-COD的蔗糖废水作碳源，经两步法生物制氢，比仅采用暗发酵制氢的氢气总量提高3倍左右，氢气产量达到6.63mol-H2/mol-sucrose，以各种废水或厨余垃圾为底物的暗-光发酵祸联产氢中，COD的去除率达到80%以上。日本的国际专利，以及中国俞汉青等的国际专利等，都分别报道了利用厨房废水和工业废水为原料，采用暗-光发酵两步法生物制氢。但两步法产氢中，存在暗发酵产氢的流出液成分复杂多变，有机酸浓度高，pH值低，NH4+浓度以及不适当的碳氮比会抑制光合细菌有效产氢等问题，所以要将暗光耦连产氢法发展为一项成熟技术，还有大量工作需要研究。
另外，对于生物产氢技术的产业化推广还存在以下两个瓶颈问题：
1. 如何对工业废水在光发酵之前进行预处理，以便除去废水的颜色、浊度、有毒物质，以及提高光合细菌固有毒物质，以及提高光合细菌固氮酶耐铵离子的浓度；
2. 在放大的光反应器中，如何能降低光源的能耗，并使太阳光或人造光源连续稳定的、均匀的分布在反应器中保持恒定的温度，使得光合生物获得足够的能量高效稳定产氢。
发明内容
本实用新型针对上述现有生物产氢反应装置所存在的问题做出改进，通过构建了新型的暗/光发酵一体式产氢反应器，突破传统的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，而代谢底物自由联通，既解决了两步法操作上的繁琐，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。
为解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种新型光/暗耦合连续产氢反应装置包括产氢立体单元，菌种连续培养单元，集气单元，内置光照单元，换热单元和太阳能光热转换系统。
所述产氢立体单元通过流量计与集气单元相连，产氢立体单元包括暗发酵产氢立体单元、光发酵产氢立体单元和导流板，产氢立体单元采用直径 450mm，高度 800mm 的罐状有机玻璃制成，反应器总体积 60L，有效容积 45L，并采用导流板将暗发酵产氢立体单元和光发酵产氢立体单元分别隔开。
所述菌种连续培养单元包括光发酵生长培养基储罐、光发酵柱状发酵罐、光发酵产氢培养基储罐，暗发酵生长培养基储罐、暗发酵柱状发酵罐、暗发酵产氢培养基储罐，恒流泵和循环泵；光发酵生长培养基储罐与光发酵柱状发酵罐之间通过恒流泵和循环泵相互连通，两者交汇后通过阀门与出液管连通；光发酵产氢培养基储罐通过恒流泵与出液管连通，之后由同一根管道连通至光发酵产氢立体单元；暗发酵生长培养基储罐与暗发酵柱状发酵罐之间通过恒流泵和循环泵相互连通，两者交汇后通过阀门与出液管连通；暗发酵产氢培养基储罐通过恒流泵与出液管连通，之后由同一根管道连通至暗发酵产氢立体单元。
所述内置光照单元采用横向排列的方式设置于光发酵产氢立体单元的上方，实际光路长度 80mm，光照面积110m2，有效光照＞2w/m2。
所述换热单元设置于产氢立体单元的内部。
为满足光合细菌对温度的要求，同时采用太阳能光热转换系统和自然冷却系统，所述自然冷却系统内置于换热单元中。太阳能光热转换系统通过热气导流管外接于换热单元，太阳能光热转换系统包括热气缸、通回热气管、接受器外壳、U型管、吸液芯和吸热面；所述U型管与热气缸和通回热气管相连，并置于接受器外壳内部，接受器外壳上设置有吸液芯和吸热面，液态钠置于其中，当达到一定温度范围后，液态钠便转换为钠蒸汽。
所述导流板上设有0.22μm的孔径。
通过从污染严重的养殖水体中分离纯化出用于光发酵产氢的光合细菌目标功能菌株Thiocapsa roseopersicina SJH001及暗发酵产氢的海洋酵母类目标功能菌株Debaryomyces hansenii HXY-09，通过对其进行分子水平的改造，使其在处理底物养殖废水产氢的过程中，能够对废水的颜色、浊度、有毒物质具有较好的耐受性，并且显著提高其生物活性。菌种连续培养工序分别针对光发酵微生物和暗发酵微生物，各自采用单个柱状发酵罐循环连续培养的方式，生长培养基能给光/暗发酵菌株提供生长条件，保证其最佳生物量，所排出的菌液与产氢培养基储罐排出的产氢培养基直接在管道内混合（接种）后，分别输入光发酵和暗发酵产氢立体单元。产氢立体单元采用直径 450mm，高度 800mm 的罐状有机玻璃制成，反应器总体积 60L，有效容积 45L。并采用导流板将暗、光发酵区分别隔开。产氢立体单元设有导流板使反应液的流动处于平推流，满足连续进出料制氢方式的基本要求。为了尽量减少反应液的滞留，采用了进料分配方法，实现反应液进料在反应器断面方向上的均匀分布。产氢立体单元内部设置盘管式换热单元满足光合细菌对温度的要求，同时采用太阳能光热转换系统和自然冷却系统，当环境温度较低时使用太阳能热水系统的热水对反应器内溶液进行加热，当环境温度较高时（>32℃）使用自然冷却降低反应器内部溶液温度。反应器内部的光照采用横向排列，利用均匀分布于反应液内部的集束光导纤维分配光能，配合反应液的纵向和上下流动以及局部的紊流，使光合细菌能更加充分的获得光照，提高光能的利用率，反应液内部的实际光路长度 80mm，光照面积 110m2，有效光照＞2w/m2。产氢立体单元顶部排出的气体直接通入饱和石灰水中，除去部分二氧化碳后进入集气柜。
本实用新型具有以下有益效果：①本实用新型的暗/光发酵一体式产氢反应器，突破了传统的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，而代谢底物自由联通，既解决了两步法操作上的繁琐，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。
②本实用新型具有良好的结构设计，一方面可尽量延长物料在反应器内的停留时间，另一方面料液流程又不太长，可有效避免引起反应器料液推动能力下降而引起耗能的增加。反应器料液流速适中，既能够保证菌体在反应器内的持留性，又使得光合细菌有足够的时间分解原料进行光合产氢作用。
③反应器内部的光照采用横向排列，利用均匀分布于反应液内部的集束光导纤维分配光能，配合反应液的纵向和上下流动以及局部的紊流，使光合细菌能更加充分的获得光照，提高光能的利用率，反应液内部的实际光路长度 80mm，光照面积110m2，有效光照＞2w/m2。
④基于暗发酵与光发酵细菌生长与产氢动力学特性，构建了暗-光发酵耦合产氢系统，实现了底物的梯级利用与高效产氢。
附图说明
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明，其中：
图1是本实用新型结构示意图。
图2是本实用新型太阳能光热转换系统结构示意图。
图中：集气单元1，内置光照单元2，换热单元3，流量计4，暗发酵产氢立体单元5，光发酵产氢立体单元6，导流板7，光发酵生长培养基储罐8、光发酵柱状发酵罐9，光发酵产氢培养基储罐10，暗发酵生长培养基储罐11，暗发酵柱状发酵罐12，暗发酵产氢培养基储罐13，恒流泵14，循环泵15，阀门16，管道18，热气缸19，通回热气管20，接受器外壳21，U型管22，吸液芯23，吸热面24。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：一种新型光/暗耦合连续产氢反应装置，包括产氢立体单元，菌种连续培养单元，集气单元1，内置光照单元2，换热单元3和太阳能光热转换系统。
所述产氢立体单元通过流量计4与集气单元1相连，产氢立体单元包括暗发酵产氢立体单元5、光发酵产氢立体单元6和导流板7，产氢立体单元采用直径 450mm，高度 800mm的罐状有机玻璃制成，反应器总体积 60L，有效容积 45L，并采用导流板7将暗发酵产氢立体单元5和光发酵产氢立体单元6分别隔开，所述导流板7上设有0.22μm的孔径。
所述菌种连续培养单元包括光发酵生长培养基储罐8、光发酵柱状发酵罐9、光发酵产氢培养基储罐10，暗发酵生长培养基储罐11、暗发酵柱状发酵罐12、暗发酵产氢培养基储罐13，恒流泵14和循环泵15；光发酵生长培养基储罐8与光发酵柱状发酵罐9之间通过恒流泵14和循环泵15相互连通，两者交汇后与出液管连通；光发酵产氢培养基储罐10通过恒流泵14与出液管连通，之后由同一根管道18连通至光发酵产氢立体单元6；暗发酵生长培养基储罐11与暗发酵柱状发酵罐12之间通过恒流泵14和循环泵15相互连通，两者交汇后通过阀门16与出液管连通；暗发酵产氢培养基储罐13通过恒流泵14与出液管连通，之后由同一根管道18连通至暗发酵产氢立体单元5。
所述内置光照单元2采用横向排列的方式设置于光发酵产氢立体单元6的上方，所述内置光照单元2实际光路长度 80mm，光照面积 110m2，有效光照＞2w/m2。
所述换热单元3设置于产氢立体单元的内部。
实施例2：具体实施方式通实施例1，不同之处在于，同时采用太阳能光热转换系统和自然冷却系统，所述自然冷却系统内置于换热单元3中。太阳能光热转换系统通过热气导流管外接于换热单元3，太阳能光热转换系统包括热气缸19、通回热气管20、接受器外壳21、U型管22、吸液芯23和吸热面24；所述U型管22与热气缸19和通回热气管20相连，并置于接受器外壳21内部，接受器外壳21上设置有吸液芯23和吸热面24，液态钠置于其中，当达到一定温度范围后，液态钠便转换为钠蒸汽。
Claims (4)
1.一种新型光/暗耦合连续产氢反应装置，其特征在于：包括产氢立体单元，菌种连续培养单元，集气单元（1），内置光照单元（2），换热单元（3）和太阳能光热转换系统；
所述产氢立体单元通过流量计（4）与集气单元（1）相连，产氢立体单元包括暗发酵产氢立体单元（5）、光发酵产氢立体单元（6）和导流板（7），产氢立体单元采用直径 450mm，高度800mm 的罐状有机玻璃制成，反应器总体积 60L，有效容积 45L，并采用导流板（7）将暗发酵产氢立体单元（5）和光发酵产氢立体单元（6）分别隔开；
所述菌种连续培养单元包括光发酵生长培养基储罐（8）、光发酵柱状发酵罐（9）、光发酵产氢培养基储罐（10），暗发酵生长培养基储罐（11）、暗发酵柱状发酵罐（12）、暗发酵产氢培养基储罐（13），恒流泵（14）和循环泵（15）；光发酵生长培养基储罐（8）与光发酵柱状发酵罐（9）之间通过恒流泵（14）和循环泵（15）相互连通，两者交汇后与出液管连通；光发酵产氢培养基储罐（10）通过恒流泵（14）与出液管连通，之后由同一根管道（18）连通至光发酵产氢立体单元（6）；暗发酵生长培养基储罐（11）与暗发酵柱状发酵罐（12）之间通过恒流泵（14）和循环泵（15）相互连通，两者交汇后通过阀门（16）与出液管连通；暗发酵产氢培养基储罐（13）通过恒流泵（14）与出液管连通，之后由同一根管道（18）连通至暗发酵产氢立体单元（5）；
所述内置光照单元（2）采用横向排列的方式设置于光发酵产氢立体单元（6）的上方；
所述换热单元（3）设置于产氢立体单元的内部。
2.根据权利要求1所述的新型光/暗耦合连续产氢反应装置，其特征在于：所述内置光照单元（2）实际光路长度 80mm，光照面积 110m2，有效光照＞2w/m2。
3.根据权利要求1所述的新型光/暗耦合连续产氢反应装置，其特征在于：所述导流板（7）上设有0.22μm的孔径。
4.根据权利要求1-3任一项所述的新型光/暗耦合连续产氢反应装置，其特征在于：同时采用太阳能光热转换系统和自然冷却系统，所述自然冷却系统内置于换热单元（3）中；太阳能光热转换系统通过热气导流管外接于换热单元（3），太阳能光热转换系统包括热气缸（19）、通回热气管（20）、接受器外壳（21）、U型管（22）、吸液芯（23）和吸热面（24）；所述U型管（22）与热气缸（19）和通回热气管（20）相连，并置于接受器外壳（21）内部，接受器外壳（21）上设置有吸液芯（23）和吸热面（24），液态钠置于其中，当达到一定温度范围后，液态钠便转换为钠蒸汽。
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| CN113150962A (zh) * | 2021-01-21 | 2021-07-23 | 河北北方学院 | 一种基于垃圾制氢的高效催化系统 |
| CN113278557A (zh) * | 2021-05-25 | 2021-08-20 | 海南绿藻世界生物科技有限公司 | 共生菌组合物及其制备方法和微藻的培养方法 |
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