[發(fā)明專利]一種低碳零排放循環(huán)制取氫氣的裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410717265.3
• 申請日: 2014-12-01
• 公開（公告）號: CN105624026A
• 公開（公告）日: 2016-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蘇會波;程軍;周俊虎;岑可法;林海龍
• 申請（專利權(quán)）人: 中糧集團有限公司;中糧營養(yǎng)健康研究院有限公司
• 主分類號: C12M1/34
• 分類號: C12M1/34;C12M1/107;C12M1/04
• 代理公司: 北京信慧永光知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11290
• 代理人: 楊國強;張淑珍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種生物化工反應(yīng)裝置，具體涉及一種低碳零排放循環(huán) 制取氫氣的裝置。

背景技術(shù)

氫氣作為高能量密度的載體(122KJ/g)，被認(rèn)為是未來的主要能源 之一。許多物理化學(xué)制氫方法，如蒸汽重整和電解水等，需要高溫 (>850℃)和能量輸入。相比之下，利用微生物發(fā)酵的生物制氫方法由 于能量輸入較低且反應(yīng)條件溫和而具有獨特的優(yōu)勢。

然而，在現(xiàn)有技術(shù)中，產(chǎn)氫率和高成本底物是生物制氫發(fā)展和應(yīng)用 的兩大瓶頸。特別地，傳統(tǒng)的生物質(zhì)暗發(fā)酵產(chǎn)氫的產(chǎn)氫率低和能源轉(zhuǎn)化 效率低，發(fā)酵尾液中含有大量有機酸和醇類，既浪費了能量又污染了環(huán) 境。例如，CN103667352A公開了一種以有機廢水為菌種的生物制氫方 法，將污水處理廠的厭氧消化污泥在80℃的條件下進行10分鐘的熱處理 后作為菌種，將可溶性淀粉和營養(yǎng)液作為反應(yīng)底物，控制一定溫度進行 發(fā)酵產(chǎn)氫。CN103627729A公開了一種玉米芯發(fā)酵制氫的方法，該方法 以牛糞堆肥為暗發(fā)酵菌種，用N₂吹掃反應(yīng)器剩余空間中的氧氣，用醫(yī)用 橡膠塞密封，進行恒溫發(fā)酵制取氫氣。CN101920258B公開了一種有機 廢棄物能源化利用的系統(tǒng)，將厭氧發(fā)酵、沼氣發(fā)酵、CO₂吸收和固定、 沼液處理、能源草種植相結(jié)合，該方法可用于對有機廢氣物和生活垃圾 進行處理。然而，上述發(fā)明使用的單純厭氧制氫的產(chǎn)率有限，暗發(fā)酵制 氫的理論最大產(chǎn)氫率是4molH₂/mol葡萄糖(乙酸是唯一底物)，且由 于菌體的生長和其他揮發(fā)性有機酸(丙酸、丁酸等)的生成，暗發(fā)酵的 實際產(chǎn)氫率只有2-3molH₂/mol葡萄糖。而且發(fā)酵液中有大量有機酸無 法利用，會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。CN101920258B雖然通過沼氣發(fā)酵和 CO₂吸收對發(fā)酵液中有機酸和CO₂進行了部分利用，但依然存在底物轉(zhuǎn) 化率和產(chǎn)氫率偏低的問題。此外，該系統(tǒng)僅是提供了一種理論上的系統(tǒng) 和方法，并沒有對產(chǎn)氫率、能源轉(zhuǎn)化效率、污染物去除率以及CO₂減排 率等具體參數(shù)和實際運行效果進行說明。

此外，也有些學(xué)者利用暗光發(fā)酵耦合產(chǎn)氫的方式提高產(chǎn)氫效率。如 CN100532566C將生物質(zhì)及固體有機廢棄物水解、酸化，生成丙酮酸、 短鏈脂肪酸和少量H₂、CO₂，然后丙酮酸和短鏈脂肪酸混合物在發(fā)酵產(chǎn) 氫細(xì)菌作用下生成大量氫氣，并得到小分子有機酸副產(chǎn)物乙醇、乙酸、 丙酸和丁酸，然后將小分子有機酸乙醇、乙酸、丙酸和丁酸接種光合產(chǎn) 氫細(xì)菌后在光合作用下繼續(xù)生成氫氣。CN202576411U公開了利用暗-光 發(fā)酵耦合產(chǎn)氫模擬反應(yīng)裝置，通過周期性的暗-光照明，實現(xiàn)暗-光發(fā)酵耦 合產(chǎn)氫。這種發(fā)酵方式提高了產(chǎn)氫效率，但仍有大量溫室氣體CO₂排放 到環(huán)境中，給環(huán)境帶來負(fù)面影響。

另一方面，就底物而言，生物制氫可使用的底物廣泛，既可以是淀 粉、纖維素類等可再生生物質(zhì)，也可以是海洋微藻等富含糖類的生物質(zhì)。 然而，常規(guī)底物葡萄糖、蔗糖和淀粉的價格昂貴，嚴(yán)重地限制了生物制 氫的發(fā)展和應(yīng)用。相比之下，海洋微藻具有如下優(yōu)點：(1)生長速度很 快，能在短時間內(nèi)獲得大量生物質(zhì)；(2)可以在海洋中生長，不占用陸 地面積，不消耗淡水資源；(3)對環(huán)境的適應(yīng)性強，對環(huán)境因素如溫度、 pH值、鹽度等具有較寬的耐受范圍；(4)可以利用電站煙氣中的CO₂作為碳源迅速生長，實現(xiàn)很高的脫碳效率，同時對煙氣中的SO_X和NO_X也會有一定的脫除效果；(5)微藻的生物質(zhì)可被用于生物能源轉(zhuǎn)換(例 如，利用微藻固定的糖類制取氫氣，或利用微藻固定的脂肪類生產(chǎn)生物 柴油)。因此微藻是在減少CO₂的排放的同時進行生物能源轉(zhuǎn)化的良好生 物反應(yīng)器。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有生物產(chǎn)氫工藝中產(chǎn)氫效率低下、發(fā)酵尾液中含有大量 小分子有機酸且尾氣中含有的溫室氣體CO₂的問題，本發(fā)明提供了一種 以微藻生物質(zhì)作為發(fā)酵底物的低碳零排放循環(huán)制取氫氣的裝置，所述裝 置包括：

預(yù)處理設(shè)備、暗發(fā)酵反應(yīng)器、固液分離設(shè)備、光發(fā)酵反應(yīng)器、氣體 分離設(shè)備和微藻生長反應(yīng)器；

其特征在于：