[发明专利]暗-光发酵一体式生物制氢装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种暗-光发酵耦合产氢的装置。

背景技术

微生物的多样性为生物制氢提供了多种途径。其中，暗发酵细菌能够利用复杂的大分子有机物，产生H₂，CO₂和小分子有机酸等。这些小分子有机酸为光发酵提供了丰富的电子供体和碳源物质。除了极少数光发酵细菌能够利用大分子有机物进行发酵会与暗发酵细菌形成竞争外，两种微生物几乎没有竞争，而是对底物进行梯级代谢的关系。因此，耦合制氢通过结合具有不同功能的微生物，协调他们之间的关系，实现优势互补，对于提高底物转化效率和产氢速率有重要的意义。

但纯菌种生物制氢规模化面临诸多困难，而且自然界的物质和能量循环过程，特别是有机废水、废弃物和生物质的降解过程，通常由两种或多种微生物协同作用。因此，利用微生物进行混合培养或混合发酵产氢己越来越受到重视。利用厌氧暗发酵产氢细菌和光发酵产氢细菌的优势和互补协同作用，将二者联合起来组成的产氢系统称为暗-光发酵耦合生物制氢技术。

暗-光发酵耦合生物制氢技术，包括两步法耦合产氢和混合培养耦合产氢两种模式。两步法耦合产氢是暗发酵细菌在最适条件下发酵有机物产氢；将暗发酵末端产物经过处理，调节到光合细菌最适条件进行光发酵。主要优势在于光合细菌和暗发酵细菌在各自的最适条件下产氢，产氢效率高。然而，在连续生产过程中需要多个反应器，需要对暗发酵末端产物进行复杂的处理，添加化学药剂，二次灭菌才能调节到光合细菌最适条件，增加了占地面积和处理步骤，是这极大地限制了耦合生物氢的规模化生产。

混合培养联合产氢是暗发酵细菌与光合细菌混合发酵利用有机物产氢，暗发酵细菌利用大分子产氢的同时，光合细菌利用其发酵产物－小分子有机酸产氢。主要优势在于暗发酵产物直接被光合细菌利用，为暗发酵细菌解除产物抑制，防止体系pH降低，混合培养更易于实现连续生产和工业化。然而，混合体系的影响因素很多，如生长和代谢速率不均衡，发酵体系不稳定，暗发酵细菌对光发酵细菌具有遮光效应等关键问题没有突破。

混合培养和两步法都存在着各种缺陷，无法满足工业化生产的要求，因此，根据暗光发酵细菌的特点开发新型耦合产氢装置成为了推动暗-光发酵耦合生物制氢发展的关键。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有暗发酵细菌和光发酵细菌耦合产氢效率低的问题，而提供暗-光发酵一体式生物制氢装置。

本发明暗-光发酵一体式生物制氢装置包括暗发酵反应区、滤膜、光发酵反应区、光照系统、暗发酵气体流量计和光发酵气体流量计，生物制氢反应容器通过滤膜分成暗发酵反应区和光发酵反应区，在暗发酵反应区上设置有暗发酵气体流量计，在光发酵反应区上设置有光发酵气体流量计，并在光发酵反应区一侧安装有光照系统，其中暗发酵反应区的工作体积小于光发酵反应区的工作体积，滤膜为醋酸纤维滤膜。

本发明的暗-光发酵一体式生物制氢装置通过滤膜将反应区分成暗发酵反应区和光发酵反应区，使得暗发酵细菌催化的暗发酵产氢反应和光发酵细菌催化的光发酵产氢在各自独立的反应区内反应。在暗发酵反应区内暗发酵细菌代谢葡萄糖产生氢气，二氧化碳和小分子有机酸，小分子有机酸则通过滤膜自由扩散至光发酵反应区，为光发酵细菌提供丰富的电子供体，在光发酵反应区内的光发酵细菌在光照条件下利用暗发酵细菌的末端产物小分子有机酸，继续产氢，提高了产氢效率。

本发明暗-光发酵一体式生物制氢装置包含以下优点：

1、暗发酵的代谢产物可以通过滤膜直接扩散到光发酵反应区供光发酵细菌利用，暗发酵的末端产物得以及时利用，解除了末端产物对产氢的抑制，同时实现了空间生态位的分离，避免混合培养耦合产氢中暗发酵细菌对光发酵细菌的遮光效应。

2、通过暗发酵反应区和光发酵反应区工作体积的匹配，解决了暗发酵细菌和光发酵细菌生长代谢速率不均衡的问题，使得耦合产氢体系运行更加稳定。

3、产氢效率高，运行本发明的暗-光发酵一体式生物制氢装置，得到暗发酵细菌产氢量为1331.53ml H₂/L工作体积，光发酵细菌产氢量为1716.92ml H₂/L工作体积，产氢量总计为3048.45ml H₂/L工作体积，在暗-光发酵一体式生物制氢装置中，比产氢率达到4.08mol H₂/mol葡萄糖。本发明主要应用于生物制氢领域。

附图说明