一種提高生物制氫產量的方法
2023-06-16 20:28:41 1
專利名稱：一種提高生物制氫產量的方法
技術領域：
本發明涉及一種提高生物制氫產量的方法，屬於制氫工藝及環境保護工程技術領域。
背景技術：
氫能作為一種高效、清潔、可再生的燃料，正日益受到人們的重視。國際上的氫能製備工藝主要有電解制氫、熱解制氫、光化制氫、放射能水解制氫、等離子電化學法制氫、礦石燃料制氫和生物制氫等。這些制氫技術都要消耗大量的化石能源，而且在生產過程中造成環境汙染。生物制氫是一項利用微生物的生理代謝作用分解有機物從而產生氫氣的生物工程技術，是一種符合可持續發展戰略的、環境友好的制氫方法。微生物厭氧發酵產氫的反應原理是利用產氫微生物，在厭氧條件和酸性介質中代謝有機物產生氫氣的過程，是對複雜有機物(如纖維素、脂肪和蛋白質等)進行降解，轉化成 H2XO2和水的過程，是一個多類群細菌的協同代謝過程。厭氧發酵一般可分為4個階段，分別為水解階段，發酵酸化階段，產氫產乙酸階段和產甲烷階段。厭氧發酵產氫是通過抑制厭氧消化過程中的酸性條件和產甲烷菌活性，中斷產甲烷過程從而達到產生氫氣的目的。其實質是產氫產酸發酵細菌對有機物質的發酵過程，將有機質分解為有機酸(乙酸、丁酸)和乙醇等產物，同時釋放出發酵氣壓和C02。本發明採用的數學統計方法為響應曲面法中的D最優化設計。這種數學建模的統計方法通過對影響累積產氫體積和分子產氫量的各個因素的獨立作用及各因素間的交互作用來建立模型從而預測得出最高的響應值即累積產氫體積和分子產氫量以及得到最大響應值的最優條件。目前人們對發酵法生物制氫的研究越來越多，常用葡萄糖、蔗糖、澱粉廢水等來厭氧發酵法生物制氫，也有人採用秸稈、餐廚垃圾、城市有機固體廢棄物和生活垃圾等。但是用初期堆肥滲濾液作為營養源的還沒有相關的報導，更未有使用響應曲面法確定厭氧發酵產氫的最佳條件及產量。
發明內容
本發明的目的在於研究使用初期堆肥滲濾液作為營養源的可行性，通過響應曲面方法探索最優的滲濾液與外加葡萄糖的配比，再通過實驗進行驗證，從而獲得最高生物制氫產量，同時實現滲濾液的資源化利用，減少使用人工合成基質。此外，得到最優化滲濾液和葡萄糖配比之後，本發明還將最優化的滲濾液加入量與飲料廢水的共發酵實驗將此方法應用在實際廢水共發酵體系當中進行驗證。本發明是一種提高生物制氫產量的方法，其特徵在於以下過程和步驟
a.利用一套實驗室反應裝置在500毫升錐形瓶中投加一定量的汙泥，該汙泥由 0. 28^2. 0 mm的黑色顆粒組成；再加入作為營養源的混合液體，該混合液體由一定比例的初期堆肥滲濾液和一定含量的葡萄糖以及一定比例的果汁廢水混合所得。
b.將上述所得的混合液體在錐形瓶內加以密封，並放在恆溫水浴振蕩器中進行厭氧發酵產氫；氫氣從液面上方的排氣管排出，漸漸進入注滿水的集氣瓶，氣體會將採集氣瓶中的水排到聚水罐中，根據集氣瓶中顯示的液面刻度計算氫氣的產量；所述恆溫水浴震蕩器中控制的穩定為35 士 1°C ；初始pH值控制為5. 5 ；
c.通過利用響應曲面最優化設計，探索獲得混合液體中最優的滲濾液與外加葡萄糖配比，再通過實驗進行驗證。本發明的機理如下所述微生物厭氧發酵產氫的反應原理是利用產氫微生物，在厭氧條件和酸性介質中代謝有機物產生氫氣的過程。本發明是對初期堆肥廠滲濾液和糖果廢水混合液中的有機物進行降解，轉化成H2、CO2和水的過程。厭氧發酵一般可分為4個階段，分別為水解階段，發酵酸化階段，產氫產乙酸階段和產甲烷階段。有機物在水解菌的作用下水解後轉化為單體，隨後進入發酵階段，在發酵細菌作用下，這些單體轉化為各種小分子物質，一種產氫產乙酸細菌將有機質分解為有機酸(乙酸、丁酸)和乙醇等產物，同時釋放出發酵氣壓和C02。此反應過程通過抑制厭氧消化過程中產甲烷菌活性得以順利進行。響應曲面法中的D最優化設計，通過對影響累積產氫體積和分子產氫量的各個因素的獨立作用及各因素間的交互作用來建立模型從而預測得出最高的響應值即累積產氫體積和分子產氫量以及得到最大響應值的最優條件。本發明方法的特點和優點如下所述本發明使用初期堆肥滲濾液和果汁廢水的混合液作為營養源替代人工合成基質，減少了生物產氫的成本。同時實現了初期堆肥滲濾液和糖果廢水的資源化利用。本發明利用響應曲面法探索最優的滲濾液與外加葡萄糖的配比，再通過實驗進行驗證，將理論和實驗有機結合起來。本發明的最終產物氫氣是一種清潔的，可再生能源。
圖1序批式實驗裝置簡圖2對於厭氧發酵過程中得到的分子產氫量響應曲面三維圖； 圖3為厭氧發酵過程中得到的分子產氫量響應曲面等高圖； 圖4為對於厭氧發酵過程中累積產氫體積的響應曲面三維圖； 圖5為對於厭氧發酵過程中累積產氫體積的響應曲面等高圖； 圖6為四組非模型設計條件下的累積產氫體積隨著時間的變化關係。
具體實施例方式實施例一參見圖1，本發明將500 mL錐形瓶、500 mL洗氣瓶、1000 mL聚水灌組成一套反應裝置，在500 mL錐形瓶中投加50 mL顆粒汙泥與400 mL試驗用混合液體，混合液體由一定比例的垃圾填埋初期滲濾液分別和一定含量的葡萄糖以及一定比例的果汁廢水混合所得。將裝有混合液體的錐形瓶密封，放在恆溫水浴振蕩器進行厭氧發酵產氫，產氣從液面上方的排氣管中排出，漸漸進入注滿水的集氣瓶，氣體會將集氣瓶中的水排到聚水灌中，根據集氣瓶中的顯示的液面刻度，計算產氣的量。實驗中初始加入滲濾液和葡萄糖的配比由響應曲面設計軟體設計所得。如表1，其中&，&代表兩自變量分別為實驗設計所得的葡萄糖和滲濾液含量。
表1初始葡萄糖與滲濾液配比
權利要求
1. 一種提高生物制氫產量的方法，其特徵在於以下過程和步驟a.利用一套實驗室反應裝置在500毫升錐形瓶中投加一定量的汙泥，該汙泥由 0. 28^2. 0 mm的黑色顆粒組成；再加入作為營養源的混合液體，該混合液體由一定比例的初期堆肥滲濾液和一定含量的葡萄糖以及一定比例的果汁廢水混合所得；b.將上述所得的混合液體在錐形瓶內加以密封，並放在恆溫水浴振蕩器中進行厭氧發酵產氫；氫氣從液面上方的排氣管排出，漸漸進入注滿水的集氣瓶，氣體會將採集氣瓶中的水排到聚水罐中，根據集氣瓶中顯示的液面刻度計算氫氣的產量；所述恆溫水浴震蕩器中控制的穩定為35士 1°C ；初始pH值控制為5.5;c.通過利用響應曲面最優化設計，探索獲得混合液體中最優的滲濾液與外加葡萄糖配比，再通過實驗進行驗證。
全文摘要
本發明涉及一種提高生物制氫產量的方法，屬於制氫工藝及環境保護工程技術領域。本發明驗證了以滲濾液作為外加營養源在中溫條件下產氫的可行性，並通過響應曲面模型預測出在外加葡萄糖含量為6174.93mg/L滲濾液有機負荷為3883.20mgCOD/L時得到最高分子產氫量為(1.60molH2/mol葡萄糖)和最高累積產氫體積469.74mL。驗證實驗的值和相應曲面的預測值大體相近，這證明了模型預測的最佳值的可靠性。乙酸和丁酸在有實驗中是最主要的可溶性產物。乙酸和丁酸平均佔總揮發性脂肪酸的44%和39%左右。本實驗中，所有的反應發酵類型為丁酸型發酵類型。
文檔編號C12P3/00GK102242155SQ20111013788
公開日2011年11月16日 申請日期2011年5月26日 優先權日2011年5月26日
發明者劉強, 周英梅, 張曉磊, 李洋, 邊華丹 申請人:上海大學