專利名稱：提高產氫發酵效能的發酵-分離耦合生物制氫方法
技術領域：
本發明涉及有機廢水或污水生物處理技術，特別涉及利用有機廢水進行發酵法生物制氫方法一提高產氫發酵效能的發酵-分離耦合生物制氫方法。
背景技術：
發酵法生物制氫過程中，產氫細菌的生長和產氫最適PH為4. 5^5. 5，產生氫氣時生成大量的有機酸使發酵體系的PH迅速下降，同時有機酸的積累對菌群的產氫代謝產生較強的抑制，導致氫氣產率下降、代謝停滯、底物利用不完全。現行方法一般通過投加堿來控制發酵體系的PH，消耗大量堿的同時，勞動強度和生產成本也相應提高；在工藝控制上縮短水力停留時間可使發酵產物及時排出，緩解部分產物抑制，但同時帶來菌種或污泥大量流失和反應時間過短導致底物利用不充分的問題。目前，在線檢測裝置可實時控制pH，但自控系統存在延時響應，易導致酸堿的過量投加，危害系統中的微生物。固定化工藝能夠減少污泥流失，但使用載體占據有效反應容積，降低單位容積產氫量。因此需要一種既能夠穩定系統pH、解除產物抑制又可提高底物利用同時保持生物量的方法來創造適宜的發酵環境，提高產氫系統的穩定性和產氫能力。
發明內容
本發明目的是提供一種提高產氫發酵效能的發酵-分離耦合生物制氫方法。本發明的提高產氫發酵效能的發酵-分離耦合生物制氫方法，包括向已加入厭氧發酵產氫細菌的厭氧發酵反應器內通入含有碳水化合物的有機廢水，分別收集發酵液和氣體產物，氣體產物分離后獲得氫氣，其中反應器內厭氧發酵產氫細菌的濃度為廣5g/l，所述有機廢水的化學需氧量控制在5 20g/l，可生物降解的化學需氧量N:P=IOOO 5 1，pH值在 5 7之間；厭氧發酵反應器中發酵液pH值在4飛之間，溫度控制在35士 1°C;其特征在于，然后將厭氧發酵反應器的發酵液經細胞分離裝置去除微生物細胞后，泵入雙極膜電滲析裝置中陰離子交換膜和雙極膜的陰離子交換層之間的淡化室，施加0. 5 3V直流電壓對發酵液進行電滲析分離，有機酸根離子穿過陰離子交換膜進入陰離子交換膜和雙極膜的陽離子交換層之間的濃縮室，雙極膜的陰離子交換層產生的OH—進入淡化室將剩余的H+中和，葡萄糖、蛋白質及氨基酸和乙醇等非電解質留在淡化室發酵液中，當發酵液PH達到4. 8^5. 5， 將發酵液泵回厭氧發酵反應器，與流加到發酵反應器中的有機廢水混合，繼續進行產氫發酵，并收集氣體，分離后獲得氫氣。本發明中發酵-分離耦合生物制氫方法，首先在厭氧發酵反應器進行第一次產氫發酵后，將發酵液經菌體過濾后輸入分離單元，利用雙極膜電滲析將發酵液中的有機酸分離出去，提升發酵液的PH值，同時保留葡萄糖、蛋白質及氨基酸和乙醇等非電解質，發酵液分離完畢后返回發酵反應器，有機酸的及時分離能夠解除產物抑制，調節和穩定發酵單元的PH值環境，同時回收底物得到再利用。本發明中發酵-分離耦合生物制氫方法可使氫氣產量提高1. 3^1. 5倍，不需外加堿可控制pH在5. (Γ5. 5，底物利用率提高50%以上，達到 100%,生物量提高27、0%，比產氫率可達2. 54mol H2/mol葡萄糖，對產氫有很大的促進作用。雙極膜電滲析分離過程具有較高的分離效率，葡萄糖損失率低于3%。pH值可以用來表征發酵體系中的有機酸濃度，用來指示耦合工藝中電滲析分離操作的起始點和結束點。耦合工藝組合簡單，運行方式靈活，顯著提高發酵法生物制氫的產氫能力。
圖1為本發明所述發酵-分離耦合生物制氫方法的實施例流程圖。
具體實施例方式以下通過實施例并結合附圖對本發明的內容進一步詳細地加以說明。實施例1
1.配制生物制氫液體培養基置于容器1中待用。液體培養基(g/L)葡萄糖10;胰蛋白胨4 ；牛肉膏 2 ；酵母汁 1 ；NaCl 4 ；K2HPO4 1. 5 ；MgCl ·6Η20 0. 1 ；FeSO4 ·7Η20 0. 08 ；L-半胱氨酸0. 5 ；維生素液10 mL ；微量元素液10 mL ；刃天青(0. 2%) 0. 5mL。維生素液(g/L)鈷銨素0. 01 ；抗壞血酸0. 025 ；核黃素0. 025 ；檸檬酸0. 02 ；毗多醛0. 05 ；葉酸0. 01 ；對氨基苯甲酸0. 01 ；肌酸0. 025。微量元素液(g/L) =MnSO4 ·7Η20 0. 01 ；ZnS04 ·7Η20 0. 05 ；H3BO3 0. 01 ； N(CH2COOH)3 4. 5 ；CaCl2 · 2Η20 0. 01 ；Na2MoO4 0. 01 ；CoCl2 · 6Η20 0. 2 ；AlK (SO4)2 · 12Η20 0. 01。2.開啟三通通氣閥10，從取樣口 4和取樣口 16充入氮氣5 lOmin，關閉通氣閥 10的閥門c，關閉取樣口 16。將容器1中的液體培養基通過進料泵2加入厭氧發酵反應器 3 (攪拌槽式反應器)，總容積1. 5L，反應區容積1. 2L，反應器溫度控制為35士 1°C，同時向反應器3中加入高效產氫菌，使其初始濃度達到lg/L，關閉取樣口 4，控制攪拌機5的轉速使反應器達到完全混合狀態，該反應器3中產生的氣體經過出氣口 6和氣體流量計7后收集、 分離得到氫氣。3.當pH探頭8監測到反應器3內pH值下降到4. 4時，通過自控系統9關閉三通通氣閥10的閥門b，啟動出水泵11、循環泵12、循環泵13和直流電源14，發酵反應器3出水首先經細胞分離裝置15過濾去除微生物細胞后，由出水泵11泵入雙極膜電滲析器17的淡化室A，經循環泵12返回反應器3，當液位探頭19監測到電滲析器中充滿發酵液時，通過自控系統9開啟三通通氣閥10的閥門b，由循環泵13從儲液罐18向電滲析器17的濃縮室B中循環泵入5 15mmol/L的稀乙酸溶液，當乙酸濃度達到40mmol/L時更換新鮮的稀乙酸儲備溶液。4.當pH探頭8監測到反應器3內pH值上升到4. 8^5. 5時，通過自控系統9關閉出水泵11、循環泵13和直流電源14，關閉三通通氣閥10的閥門b，當液位探頭19監測到電滲析器中的發酵液全部泵回發酵反應器3后，通過自控系統9關閉循環泵12，開啟三通通氣閥10的閥門b，發酵液返回繼續進行產氫發酵。經換算，一次進料1. 2L液體培養基共產生0. 12mol氫氣，其比產氫率為2. 2mol H2Aiol葡萄糖。本發明中發酵-分離耦合生物制氫方法與傳統發酵制氫方法相比，氫氣產率提高1.3倍，細胞生長量提高27 %，葡萄糖利用率提高35 %。雙極膜電滲析過程具有較高的乙酸分離效率，葡萄糖損失率為3%左右。實施例2:
1. 2.3.4.與實施例1相同。5.液位控制計21啟動進水泵2，從培養基儲罐20向反應器3泵入高濃度液體培養基，高濃度液體培養基物質量濃度是實施例1中液體培養基的10倍，使反應器液位恢復初始值，即反應液容積達到1. 2L，在攪拌機5的作用下高濃度培養基與分離后的發酵液完全混合進行產氫發酵，產生的氣體經過出氣口 6和氣體流量計7后收集、分離得到氫氣。6.重復步驟3. 4. 5.6.的操作。本發明中發酵-分離耦合生物制氫方法在補料運行模式下，獲得比產氫率為 2. 54mol H2Aiol葡萄糖，與傳統發酵制氫方法相比，氫氣產率提高1. 5倍，氫氣含量保持在 58%左右，細胞生長量提高80%，底物利用率達到100 %。補料運行模式下的產氫能力、乙酸產量和細胞生長量與間歇運行模式相比，均有所提高。實施例3:
1.配制模擬有機廢水(與制糖廠廢水性質相似)置于容器1中待用。其配制過程如下， 向IL自來水中加入l(Tl5mL廢糖蜜，該有機廢水的化學需氧量濃度為8g/L，添加化肥5 10 粒，使化學需氧量N:P=50(Tl000:5:l。2.開啟三通通氣閥10，從取樣口 4和取樣口 16充入氮氣5 20min，關閉通氣閥 10的閥門c，關閉取樣口 16。將容器1中的模擬有機廢水通過進料泵2加入厭氧發酵反應器3 (攪拌槽式反應器)，總容積3. 8L，反應區容積2. 5L，反應器溫度控制為35士 1°C，同時向反應器3中加入厭氧發酵產氫細菌，使其初始濃度達到2g/L，關閉取樣口 4，控制攪拌機5 的轉速使反應器達到完全混合狀態，該反應器3中產生的氣體經過出氣口 6和氣體流量計 7后收集、分離得到氫氣。3.4.與實施例1相同。5.液位控制計21啟動進水泵2，從培養基儲罐20向反應器3泵入高濃度有機廢水，高濃度有機廢水濃度是步驟1中模擬有機廢水濃度的10倍，使反應器液位恢復初始值， 即反應液容積達到2. 5L，在攪拌機5的作用下高濃度有機廢水與分離后的發酵液完全混合進行產氫發酵，產生的氣體經過出氣口 6和氣體流量計7后收集、分離得到氫氣。6.重復步驟3. 4. 5.6.的操作。本發明中發酵-分離耦合生物制氫方法在有機廢水時，獲得比產氫率為2. 04mol H2Aiol葡萄糖，與傳統發酵制氫方法相比，氫氣產率提高1. 5倍，氫氣含量保持在50%左右， 細胞生長量提高65%，糖利用率達到100 %。
權利要求
1.提高產氫發酵效能的發酵-分離耦合生物制氫方法，包括向已加入厭氧發酵產氫細菌的厭氧發酵反應器內通入含有碳水化合物的有機廢水，收集氣體產物，分離后獲得氫氣，其中反應器內厭氧發酵產氫細菌的濃度為廣5g/l，所述有機廢水的化學需氧量控制在 5 20g/l，可生物降解的化學需氧量N:P=50(Tl000:5:l，pH值在5 7之間；厭氧發酵反應器中發酵液PH值在4飛之間，溫度控制在35士 1°C ；其特征在于，然后將厭氧發酵反應器的發酵液經細胞分離裝置去除微生物細胞后，泵入雙極膜電滲析裝置中的淡化室，施加0. 5^3V 直流電壓對發酵液進行電滲析分離，當發酵液PH達到4. 8^5. 5，將發酵液泵回厭氧發酵反應器，與流加到發酵反應器中的有機廢水混合，繼續進行產氫發酵，并收集氣體，分離后獲得氫氣。
2.根據按權利要求1所述的發酵-分離耦合生物制氫方法，其特征在于發酵液分離采用雙極膜電滲析，發酵液進入陰離子交換膜和雙極膜的陰離子交換層之間的淡化室，施加 0. 5 3V直流電壓對發酵液進行電滲析分離，有機酸根離子穿過陰離子交換膜進入陰離子交換膜和雙極膜的陽離子交換層之間的濃縮室。
3.根據按權利要求1所述的發酵-分離耦合生物制氫方法，其特征在于以發酵液PH值作為電滲析分離操作的控制指標，以PH值4. 4飛作為啟動點，以pH值4. 8、. 5作為結束點。
全文摘要
提高產氫發酵效能的發酵-分離耦合生物制氫方法，它解決了現有發酵法生物制氫工藝中存在效率低等問題。向已加入厭氧產氫細菌的反應器中通入有機廢水進行厭氧產氫發酵，收集氣體產物，分離得到氫氣；將生物制氫發酵液循環泵入雙極膜電滲析器的淡化室；將稀乙酸溶液循環泵入雙極膜電滲析器的濃縮室；將電極液循環泵入陽極室和陰極室，然后進行雙極膜電滲析，對生物制氫發酵液中有機酸進行分離；分離后的發酵液返回到反應器中繼續進行發酵。本發明中發酵-分離耦合生物制氫方法可使氫氣產率提高1.3~1.5倍，不需外加堿可控制pH在4.8~5.5，底物利用率提高50%以上，達到100%，生物量提高80%，比產氫率可達2.54molH2/mol葡萄糖，對產氫有很大的促進作用。
文檔編號C12P3/00GK102492725SQ20111032855
公開日2012年6月13日 申請日期2011年10月26日 優先權日2011年10月26日
發明者唐婧 申請人:沈陽建筑大學