[发明专利]一种低碳零排放制取氢气的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物质能源生产技术领域，具体涉及一种以微藻生物质作为发酵底物的低碳零排放制取氢气的方法。

背景技术

氢气作为一种可再生能源，具有能量密度大，利用过程中产物只有水、清洁无污染等优点，很适合作为传统化石能源的替代能源，其在研究领域和工业应用领域正受到越来越多的重视。利用生物质产氢对发展清洁高效的可再生能源和减少环境污染具有重要意义。

生物制氢的原料广泛，所述原料可以是淀粉、纤维素类等可再生生物质，也可以是海洋微藻等富含糖类的生物质。与陆地植物相比，海洋微藻具有以下几个优点：(1)生长速度很快，能在短时间内获得大量生物质；(2)可以在海洋中生长，不占用陆地面积，不消耗淡水资源；(3)对环境的适应性强，对环境因素如温度、pH值、盐度等具有较宽的耐受范围；(4)可以利用电站烟气中的CO₂作为碳源迅速生长，实现很高的脱碳效率，同时对烟气中的SO_X和NO_X也会有一定的脱除效果；(5)微藻的生物质可被用于生物能源转换(例如，利用微藻固定的糖类制取氢气，或利用微藻固定的脂肪类生产生物柴油)。因此微藻是在减少CO₂的排放的同时进行生物能源转化的良好生物反应器。

生物制氢的反应条件温和，能量需求小，具有无可替代的优势。传统生物质暗发酵产氢的主要瓶颈问题是产氢率低和能源转化效率低，发酵尾液中含有大量有机酸和醇类，既浪费了能量又污染了环境。例如，CN103667352A公开了一种以有机废水为菌种的生物制氢方法，将污水处理厂的厌氧消化污泥在80℃的条件下进行10分钟的热处理后作为菌种，将可溶性淀粉和营养液作为反应底物，控制一定温度进行发酵产氢。CN103627729A公开了一种玉米芯发酵制氢的方法，该方法以牛粪堆肥为暗发酵菌种。然而，这种单纯暗发酵制氢的产率有限，理论最高产率只有4mol/mol(方程1和方程2)。也有些学者利用暗光发酵耦合产氢的方式提高产氢效率。如CN100532566C将生物质及固体有机废弃物水解、酸化，生成丙酮酸、短链脂肪酸和少量H₂、CO₂，然后丙酮酸和短链脂肪酸混合物在暗发酵产氢细菌作用下生成大量氢气，并得到小分子有机酸副产物乙醇、乙酸、丙酸和丁酸，然后将小分子有机酸乙醇、乙酸、丙酸和丁酸接种光合产氢细菌后在光合作用下继续生成氢气。CN202576411U公开了利用暗-光发酵耦合产氢模拟反应装置，通过周期性的暗-光照明，实现暗-光发酵耦合产氢。这种发酵方式提高了产氢效率，但仍有大量温室气体CO₂排放到环境中，给环境带来负面影响。

C₆H₁₂O₆→CH₃CH₂CH₂COOH+2CO₂+2H₂(方程1)

C₆H₁₂O₆+2H₂O→2CH₃COOH+2CO₂+4H₂(方程2)

发明内容

为了解决现有生物产氢工艺中产氢效率低下、发酵尾液中含有大量小分子有机酸且尾气中含有的温室气体CO₂的问题，本发明提供了一种以微藻生物质作为发酵底物的低碳零排放制取氢气的方法，所述方法包含如下步骤：

(1)微藻生物质预处理：通过离心将微藻生物质从微藻培养液中分离，将得到的湿微藻干燥至恒重，随后将干燥后的微藻磨碎成微藻干粉；

(2)暗发酵产氢：在暗发酵反应器中加入步骤(1)获得的微藻干粉，接入暗发酵产氢菌种和暗发酵培养基，保持厌氧环境进行暗发酵，将气相产物(主要为H₂、CO₂)导出；

(3)光发酵产氢：将步骤(2)得到的暗发酵尾液沉淀、离心后，作为光发酵产氢的底物，接入光发酵产氢菌种和光发酵培养基，保持厌氧环境进行光发酵，将气相产物(主要为H₂、CO₂)导出；