[發明專利]應用雙極膜電滲析技術分離生物制氫發酵液中乙酸的方法

無效

• 申請號: 200910071848.2
• 申請日: 2009-04-22
• 公開（公告）號: CN101525285A
• 公開（公告）日: 2009-09-09
• 發明（設計）人: 唐靖;任南琪
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C07C53/08
• 分類號: C07C53/08;C07C51/42;B01D61/44
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所
• 代理人: 金永煥

技術領域

本發明涉及分離生物制氫發酵液中乙酸的方法。

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，同時乙酸的積累會對菌 群的產氫發酵產生較強的抑制，導致氫氣和液相末端產物(揮發酸及醇類)的產 率下降。一般通過投加堿來控制發酵體系的pH，需要消耗大量的堿，勞動強 度和生產成本都很大；傳統的乙酸分離方法，如萃取法，易將萃取劑帶入廢水 中，造成二次污染；吸附法，由于吸附劑需要再生而使分離過程復雜。

目前，利用普通電滲析分離乙酸的方法，隨著乙酸濃度的降低操作電壓急 劇上升，增大能耗且工藝復雜；《膜科學與技術》，2000；20(2)：31～33在研 究“極稀醋酸廢水處理的雙極性膜電滲析法”中，存在電流效率低的問題，僅 為40％左右，增大能耗；《華東理工大學學報》，2004；30(4)：402～405在“雙 極性膜電滲析法用于糖酸分離的研究”中，500mL達到分離要求所需操作電 壓為40V，操作時間長達200min，電流效率僅為48.23％，增大能耗。

發明內容

本發明目的是為了解決現有發酵法生物制氫工藝中存在乙酸的積累會對 菌群的產氫發酵產生較強的抑制，以及分離乙酸的方法存在工藝復雜、電流效 率低、能耗大和操作時間長的問題，而提供應用雙極膜電滲析技術分離生物制 氫發酵液中乙酸的方法。

應用雙極膜電滲析技術分離生物制氫發酵液中乙酸的方法按以下步驟進 行：一、將預處理后的生物制氫發酵液以200～240mL/min的速度循環泵入雙 極膜電滲析器的分離室；二、將純水或濃度為5～15mmol/L的乙酸溶液以200～ 240mL/min的速度循環泵入雙極膜電滲析器的濃縮室；三、將質量濃度為5％ 的Na₂SO₄電極液分別循環泵入陽極室和陰極室，然后在陰極和陽極之間外加 直流電源進行雙極膜電滲析，即完成生物制氫發酵液中乙酸的分離。

本發明中使用的雙極膜電滲析器由隔板、雙極膜和陰離子交換膜按設定的 二室式膜池構型組成一個模組單位，一個或數個膜組單位組裝在一對電極之 間，形成雙極膜電滲析裝置；雙極膜電滲析器由具有陽極的陽極室、具有陰極 的陰極室、位于陽極室和陰極室之間的若干分離室和濃縮室和將上述各組件固 定在一起的夾緊裝置組成；從陽極至陰極方向依次排列的濃縮室和分離室，陽 極室和濃縮室之間有雙極膜，濃縮室與分離室之間有陰離子交換膜，分離室與 陰極室之間有雙極膜，雙極膜的陰膜側面向陽極，雙極膜的陽極側面向陰極； 在電場的作用下，分離室中的乙酸根離子通過陰離子交換膜進入濃縮室，與雙 極膜解離水得到的H⁺結合逐步形成乙酸，隨循環流引出體系，回收利用；分 離室中的葡萄糖和乙醇呈電中性，基本不電離，在分離室中的陽離子(Na⁺、K⁺、 H⁺等)與雙極膜解離水產生的OH^-形成堿液，葡萄糖、乙醇與堿液一起送回生 物制氫發酵罐，從而達到分離乙酸和調節pH值的目的，使pH值控制在5.0～5.5。

本發明應用雙極膜電滲析技術分離生物制氫發酵液中乙酸的方法，能有效 分離出發酵液中的乙酸，避免了乙酸的積累對菌群的產氫發酵的抑制，且不用 外加堿即可提高發酵液的pH，反應所需H⁺和OH^-完全由水電解而來，不產生 任何廢液；本發明中乙酸去除率達85％以上，乙酸經循環濃縮，其回收率達 85％～95％，電流效率高達60％～70％，減小了能耗，葡萄糖的回收率為90％以 上，回收的葡萄糖可返回發酵體系繼續利用；本發明中操作時間縮短80％以上， 且工藝簡單，同時分離系統采用封閉式循環，無污染物排放，綠色環保，從發 酵液中去除酸性產物有助于解除產物抑制，穩定系統pH，提高氫氣產量，優 化工藝過程；本發明既可以作為一個單獨的分離操作步驟存在，也可與發酵步 驟相結合，形成反應-分離耦合工藝，此分離方法與生物制氫發酵工藝耦合， 可使氫氣產量提高1～1.5倍，不需外加堿可控制pH在5.0～5.5，底物利用率提 高40％～50％。

具體實施方式