一種光合細菌連續制氫的方法及其裝置的製作方法

2023-05-05 01:53:51

專利名稱：一種光合細菌連續制氫的方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於光合細菌制氫的技術領域，具體涉及了一種光合細菌連續制氫 的方法及其裝置。
背景技術：
隨著化石能源儲量的日益減少及廣泛使用化石能源所帶來的環境汙染的不 斷惡化，要實現經濟和社會的可持續發展，必須尋找新的清潔的可再生能源替 代原有的化石能源，構建新的能源體系。在眾多的可再生能源中氫氣由於其高 效、清潔可再生的特點，被認為是一種最理想的替代能源。然而與氫能的巨大 發展潛力相對應的落後的制氫技術卻一直制約著氫能的大規模應用與發展，傳 統的化石燃料重整制氫和電解水制氫存在著耗能巨大，原料轉化率低，生產成 本高等缺點。生物制氫反應條件溫和，能將制氫與廢棄物利用相結合，耗能低、 汙染少，因此受到國內外眾多研究者的廣泛關注。光合細菌制氫與其他生物制 氫方法相比能量利用率高，能將產氫與光能利用、有機物的去除有機地耦合在 一起，產氫不放氧、純度高，是一種較具發展潛力的生物制氫方式。
光合細菌產氫過程中產物(H2)的形成與細胞生長不相關，屬於非生長偶 聯型。因此，光合細菌制氫可以分為菌種培養和發酵產氫兩個階段。現有的光 合細菌制氫方法將菌種的培養和產氫相分離，菌體培養階段雖然可以實現菌種 的連續培養，但產氫發酵階段只能實現分批或半連續發酵產氫，菌體培養與菌 體產氫不能有機結合，產氣量小，產氣不穩定，產氣速率低，產氣中氫氣含量 變化較大，限制著光合細菌制氫的進一步應用與發展。將菌體培養和菌體產氫 相結合實現光合細菌連續產氫還未見相關報導。

發明內容
為克服現有技術的不足之處，本發明的目的在於提供一種工藝簡單、操作 簡便的光合細菌連續制氫的方法。同時，本發明也提供了實現光合細菌連續制 氫方法的裝置，本發明方法聯合本發明裝置，產氫不僅高效而且穩定。
為實現上述目的，本發明採取的技術方案為 一種光合細菌連續制氫的方 法所述方法為分步法光合細菌連續制氫，包括菌體培養和發酵產氫兩個階段:光合細菌及其生長培養基經過增殖培養後，當培養後的菌體濃度OD6^m達到
1.5-2.0時，按體積計，1/10-3/10菌液總量的菌液通過回流與光合細菌生長培養 基混合重新進行增殖培養，而其餘菌液則與產氫底物混合後再進行發酵產氫。
一種實現所述光合細菌連續制氫方法的裝置所述裝置由依次串連的菌體
培養箱、菌料混合箱和光合產氫反應器三部分組成，菌體培養箱設有光合細菌 及其生長培養基注入口，菌體培養箱的出料口還設有菌液回流管路，菌液回流 管路返回與光合細菌及其生長培養基注入口相連，菌料混合箱設有產氫底物注
入口，光合產氫反應器設有出氣口。菌體培養箱的作用在於採用連續培養裝 置，為光合產氫反應器提供連續穩定的菌體供應。菌料混合箱的作用在於將 培養到處於對數增殖期的菌體與產氫底物進行充分混合，儘可能減少空氣引入
對菌體造成的抑制，並完成對混合菌液的酸鹼度pH值進行調整，保證菌液pH 值在6.8 7.2範圍之內。光合產氫反應器的作用在於為光合細菌的產氫提供所
需要的光照、溫度外界條件，使光合細菌將底物發酵轉化為氫氣，為了提高產
氫量，也可以在此增加攪拌。本發明中，混合菌液的酸鹼度pH值、光照、溫度
均按本領域的常規方法進行調節。
菌體培養箱、菌料混合箱和光合產氫反應器分別作為獨立的部分而依次串連。
菌體培養箱、菌料混合箱和光合產氫反應器作為一個整體存在，將整體的 內部空間隔離成三個空間依次作為菌體培養箱、菌料混合箱和光合產氫反應器。 沿水平方向，將整體的內部空間隔離成相通的或各自獨立封閉的三個空間，
其中可通過至少兩塊交錯的隔板將整體空間隔離成相通的三個空間；其中，整 體優選為稜柱、圓柱或扇形柱，較好地為長方體。
沿垂直方向，由下至上將整體的內部空間隔離成各自獨立封閉的三個空間； 其中，整體優選為稜柱、圓柱或扇形柱，較好地為長方體。
整體為圓柱或扇形柱，以半徑繞軸旋轉將整體的內部空間隔離成各相通的 或各自獨立封閉的三個空間，三者垂直並列，其中可通過至少兩塊交錯的隔板 將整體空間隔離成相通的三個空間。
產氫底物注入口為一個兩端帶密封閥而中空的腔體結構，進料前關閉下閥 門、打開上閥門將料加入中空的腔體內部，進料時將上閥門關閉打開下閥門使 料進入菌料混合箱。
菌體培養箱、菌料混合箱和光合產氫反應器均設有排汙口。在培養箱和光合產氫反應器的內部或外部均布置有照明裝置和溫度調節裝置。
本發明方法工藝簡單、操作簡便，實現了光合細菌連續制氫。本發明裝置 由於設有菌液回流管路，實現了菌體的連續培養，加之菌料混合箱的存在，減 少了傳統先培養再產氫的弊端，減少了空氣對產氫的抑制，使產氫初期的菌體 能夠迅速進入產氣高峰，保證了反應器穩定和高效地運行。


圖1:本發明光合細菌連續制氫裝置實施方式一的結構示意圖； 圖2:本發明光合細菌連續制氫裝置實施方式二的結構示意圖； 圖3:本發明光合細菌連續制氫裝置實施方式三的結構示意圖； 圖4:本發明光合細菌連續制氫裝置實施方式四的結構示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明，但本發明的保 護範圍並不局限於此 以下各實施例中
光合細菌莢膜紅假單胞菌、球形紅假單胞菌、沼澤紅假單胞菌、嗜硫小 紅卵菌多菌株的混合菌群50ml,以上菌體均為市購產品。
光合細菌生長培養基(以1000mL溶液量計)CH3COONa3g、 (NH4) 2S04 lg、 MgSO40.2g、 NaCL0,2g、 K2HP04 0.6g、 KH2P04 1.5g、 CaCL2 0'05g、酵母 膏O.lg、生長因子5mL、微量元素2mL， NaOH調節pH值為6.8~7.2， 12(TC滅 菌10min。其中，生長因子(以1000mL溶液量計)VB1 O.lg、 VB5 10g、 H2NC6COOH 10g、蒸餾水1000mL;微量元素(以1000mL溶液量計)FeCl3，6H20 5mg、 CuS04.5H20 0.05mg、 H3B04 lmg、 MnCl2,7H20 0.05mg、 ZnS04.7H20 lmg、 Co(N03)2.6H20 0.5mg。
產氫底物葡萄糖10g。 實施例1
如圖1所示的光合細菌連續制氫裝置實施方式一的結構示意圖，所述裝置 由菌體培養箱1、菌料混合箱2和光合產氫反應器3三部分組成，菌體培養箱1、 菌料混合箱2和光合產氫反應器3分別作為獨立的部分並依次用管道9、閥門串
5連。菌體培養箱1設有光合細菌及其生長培養基注入口 5，菌體培養箱1的出料 口還設有菌液回流管路4，菌液回流管路4返回與光合細菌及其生長培養基注入 口 5相連，菌料混合箱2設有產氫底物注入口 6，產氫底物注入口 6為一個兩端 帶密封閥而中空的腔體結構，光合產氫反應器3設有出氣口7，菌體培養箱l、 菌料混合箱2及光合產氫反應器3均設有排汙口 8。菌體培養箱1和光合產氫反 應器3的內部還布置有光源機，菌體培養箱1和光合產氫反應器3的外部布置 有溫度調節裝置。
首先將光合細菌及其生長培養基由光合細菌及其生長培養基注入口 5加入 到菌體培養箱1內進行增殖培養，待培養後的菌體濃度OD66^達到1.5時，按 體積計，1/10菌液總量的菌液通過菌液回流管路4返回至光合細菌及其生長培 養基注入口 5與光合細菌生長培養基混合後重新進入菌體培養箱1內繼續增殖 培養，而其餘菌液則由管道9送去菌料混合箱2，並與由產氫底物注入口6投入 的產氫底物混合，調整混合菌液的pH值至7.0，之後將混合菌液送去光合產氫 反應器3，按常規方法將太陽光或人工光源(白熾燈)通過光源機引入，調節光 照至20001x，溫度至3(TC，使混合菌液將產氫底物發酵轉化為氫氣，由出氣口 7送去氫氣收集裝置，而菌體培養箱l、菌料混合箱2及光合產氫反應器3內的 剩餘物料均由排汙口8排出。
實施例2
如圖2所示的光合細菌連續制氫裝置實施方式二的結構示意圖，所述裝置 由菌體培養箱1、菌料混合箱2和光合產氫反應器3三部分組成，菌體培養箱1、 菌料混合箱2和光合產氫反應器3作為一個長方體形的整體存在，將長方體的 內部空間沿水平方向通過兩個交錯的隔板隔離成相連通的三個空間依次作為菌 體培養箱l、菌料混合箱2和光合產氫反應器3。菌體培養箱1設有光合細菌及 其生長培養基注入口5，菌體培養箱1的出料口還設有菌液回流管路4，菌液回 流管路4返回與光合細菌及其生長培養基注入口 5相連，菌料混合箱2設有產 氫底物注入口 6，光合產氫反應器3設有出氣口 7，菌體培養箱1、菌料混合箱 2及光合產氫反應器3均設有排汙口 8。菌體培養箱1和光合產氫反應器3的內 部還布置有太陽聚光裝置，菌體培養箱1和光合產氫反應器3的外部布置有溫 度調節裝置。
首先將光合細菌及其生長培養基由光合細菌及其生長培養基注入口 5加入到菌體培養箱1內進行增殖培養，待培養後的菌體濃度OD660nm達到1.6時，按 體積計，1/5菌液總量的菌液通過菌液回流管路4返回至光合細菌及其生長培養 基注入口 5與光合細菌生長培養基混合後重新進入菌體培養箱1內繼續增殖培
養，而其餘菌液則由交錯隔板的交錯處溢流入菌料混合箱2之內，並與由產氫 底物注入口 6投入的產氫底物混合，調整混合菌液的pH值至6.8，之後混合菌 液仍然由交錯隔板的交錯處溢流入光合產氫反應器3，按常規方法將太陽光或人 工光源(白熾燈)通過太陽聚光裝置引入，調節光照至25001x，溫度至35'C， 同時增加攪拌，使混合菌液將產氫底物發酵轉化為氫氣，由出氣口 7送去氫氣 收集裝置，而菌體培養箱l、菌料混合箱2及光合產氫反應器3內的剩餘物料均 由排汙口8排出。
實施例3
如圖3所示的光合細菌連續制氫裝置實施方式三的結構示意圖，所述裝置 由菌體培養箱1、菌料混合箱2和光合產氫反應器3三部分組成，菌體培養箱1、 菌料混合箱2和光合產氫反應器3作為一個長方體形的整體存在，將長方體的 內部空間沿垂直方向，由下至上通過隔板隔離成各自獨立封閉的三個空間依次 作為菌體培養箱1、菌料混合箱2和光合產氫反應器3並通過管道9、閥門串連。 菌體培養箱1設有光合細菌及其生長培養基注入口 5，菌體培養箱1的出料口還 設有菌液回流管路4，菌液回流管路4返回與光合細菌及其生長培養基注入口 5 相連，菌料混合箱2設有產氫底物注入口6，光合產氫反應器3設有出氣口7， 菌體培養箱1、菌料混合箱2及光合產氫反應器3均設有排汙口 8。菌體培養箱 1和光合產氫反應器3的內部還布置有光源機，菌體培養箱1和光合產氫反應器 3的外部布置有溫度調節裝置。
首先將光合細菌及其生長培養基由光合細菌及其生長培養基注入口 5加入 到菌體培養箱1內進行增殖培養，待培養後的菌體濃度OD^皿達到1.8時，按 體積計，1/5菌液總量的菌液通過菌液回流管路4返回至光合細菌及其生長培養 基注入口 5與光合細菌生長培養基混合後重新進入菌體培養箱1內繼續增殖培 養，而其餘菌液則在菌體培養箱1內進料的頂升作用下通過管道9進入菌料混 合箱2之內，並與由產氫底物注入口 6投入的產氫底物混合，調整混合菌液的 pH值至7.2，之後混合菌液由由蠕動泵通過管道9輸送至光合產氫反應器3，按 常規方法將太陽光或人工光源(白熾燈)通過光源機引入，調節光照至3000k，溫度至40'C，同時輔以攪拌，使混合菌液將產氫底物發酵轉化為氫氣，由出氣 口 7送去氫氣收集裝置，而菌體培養箱1、菌料混合箱2及光合產氫反應器3內 的剩餘物料均由排汙口 8排出。
實施例4
如圖4所示的光合細菌連續制氫裝置實施方式四的結構示意圖，所述裝置 由菌體培養箱1、菌料混合箱2和光合產氫反應器3三部分組成，菌體培養箱1、 菌料混合箱2和光合產氫反應器3作為一個圓柱形的整體存在，以半徑繞軸旋 轉將圓柱的內部空間通過隔板隔離成各自獨立封閉的垂直並列的三個同軸扇形 柱空間，依次作為菌體培養箱1、菌料混合箱2和光合產氫反應器3並在底部通 過管道、閥門串連。菌體培養箱1光合細菌及其生長培養基注入口5，菌體培養 箱1的出料口還設有菌液回流管路，菌液回流管路返回與光合細菌及其生長培 養基注入口 5相連，菌料混合箱2設有產氫底物注入口 6，光合產氫反應器3設 有出氣口7，菌體培養箱l、菌料混合箱2及光合產氫反應器3均設有排汙口； 菌體培養箱1和光合產氫反應器3的外部還布置有太陽聚光裝置，菌體培養箱1 和光合產氫反應器3的外部布置有溫度調節裝置。
首先將光合細菌及其生長培養基由光合細菌及其生長培養基注入口 5加入 到菌體培養箱1內進行增殖培養，待培養後的菌體濃度OD6^m達到2.0時，按 體積計，取3/10菌液總量的菌液通過菌液回流管路返回至光合細菌及其生長培 養基注入口 5與光合細菌生長培養基混合後重新進入菌體培養箱1內繼續增殖 培養，而其餘菌液則通過管道送入菌料混合箱2之內，並與由產氫底物注入口6 投入的產氫底物混合，調整混合菌液的pH值至7.0，之後混合菌液通過管道輸 送至光合產氫反應器3，按常規方法將太陽光或人工光源(白熾燈)通過太陽聚 光裝置引入，調節光照至20001x，溫度至3(TC，使混合菌液將產氫底物發酵轉 化為氫氣，由出氣口7送去氫氣收集裝置，而菌體培養箱l、菌料混合箱2及光 合產氫反應器3內的剩餘物料均由排汙口排出。
在此應說明的是以上實施例只是本發明的優選實施方式，但是根據本技 術領域普通技術人員的公知常識，在不脫離本發明的精神和原理基礎之上，對 本發明技術特徵所作出的任何等效替換，例如當菌體培養箱、菌料混合箱和光 合產氫反應器作為一個整體存在時，僅通過不同形式的組合而聯繫在一起，均 在本發明的保護範圍之內。
8
權利要求
1.一種光合細菌連續制氫的方法，其特徵在於所述方法為分步法光合細菌連續制氫，包括菌體培養和發酵產氫兩個階段光合細菌及其生長培養基經過增殖培養後，當培養後的菌體濃度OD660nm達到1.5～2.0時，按體積計，1/10～3/10菌液總量的菌液通過回流與光合細菌生長培養基混合重新進行增殖培養，而其餘菌液則與產氫底物混合後再進行發酵產氫。
2. —種實現如權利要求1所述的光合細菌連續制氫的方法的裝置，其特徵在於所述裝置由依次串連的菌體培養箱、菌料混合箱和光合產氫反應器三部分組 成，菌體培養箱設有光合細菌及其生長培養基注入口，菌體培養箱的出料口 還設有菌液回流管路，菌液回流管路返回與光合細菌及其生長培養基注入口 相連，菌料混合箱設有產氫底物注入口，光合產氫反應器設有出氣口。
3. 如權利要求2所述的光合細菌連續制氫的裝置，其特徵在於菌體培養箱、菌料混合箱和光合產氫反應器分別作為獨立的部分而依次串連。
4. 如權利要求2所述的光合細菌連續制氫的裝置，其特徵在於菌體培養箱、菌料混合箱和光合產氫反應器作為一個整體存在，將整體的內部空間隔離成 三個空間依次作為菌體培養箱、菌料混合箱和光合產氫反應器。
5. 如權利要求4所述的光合細菌連續制氫的裝置，其特徵在於沿水平方向將整體的內部空間隔離成相通的或各自獨立封閉的三個空間。
6. 如權利要求4所述的光合細菌連續制氫的裝置，其特徵在於沿垂直方向，由下至上將整體的內部空間隔離成各自獨立封閉的三個空間。
7. 如權利要求4所述的光合細菌連續制氫的裝置，其特徵在於整體為圓柱或扇形柱，以半徑繞軸旋轉將整體的內部空間隔離成相通的或各自獨立封閉的 三個空間。
8. 如權利要求2 7之任意一項所述的光合細菌連續制氫的裝置，其特徵在於-產氫底物注入口為一個兩端帶密封閥而中空的腔體結構。
9. 如權利要求8所述的光合細菌連續制氫的裝置，其特徵在於菌體培養箱、菌料混合箱和光合產氫反應器均設有排汙口 。
10. 如權利要求9所述的光合細菌連續制氫的裝置，其特徵在於在培養箱和光合產氫反應器的內部或外部均布置有照明裝置和溫度調節裝置。
全文摘要
本發明屬於光合細菌制氫的技術領域，具體公開了一種光合細菌連續制氫的方法及其裝置。所述方法為分步法光合細菌連續制氫，包括菌體培養和發酵產氫兩個階段光合細菌及其生長培養基經過培養後，當菌體濃度OD660nm達到1.5～2.0時，按體積計，1/10～3/10菌液總量的菌液通過回流與光合細菌生長培養基混合進行增殖培養，而其餘菌液則與產氫底物混合後再進行發酵產氫。所述裝置由依次串連的菌體培養箱、菌料混合箱和光合產氫反應器三部分組成。本發明方法工藝簡單、操作簡便；本發明裝置設計合理、科學，減少了空氣對產氫的抑制，使產氫初期的菌體能夠迅速進入產氣高峰，保證了反應器穩定和高效地運行。
文檔編號C12R1/38GK101538587SQ200910064438
公開日2009年9月23日 申請日期2009年3月23日 優先權日2009年3月23日
發明者張全國, 剛 李, 楊群發, 毅 王, 荊豔豔 申請人:河南農業大學