[發明專利]一種一體化分離式微生物固定床原位氫烷轉化方法

在審

• 申請號: 202010902861.4
• 申請日: 2020-09-01
• 公開（公告）號: CN114107404A
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 郭榮波;楊智滿;楊豪杰;許曉暉;羅生軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院青島生物能源與過程研究所
• 主分類號: C12P5/02
• 分類號: C12P5/02;C12N11/04;C12M1/36;C12M1/34;C12M1/107;C12M1/00;C02F11/04;C12R1/01
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 李穎

本發明涉及生物能源技術領域，具體的說是一種一體化分離式微生物固定床原位氫烷轉化的方法。在沼氣發酵罐內部發酵液面上方氣態空間內設置原位氫烷轉化單元，其內部填充具有氫烷轉化功能的甲烷菌群以生物膜的形式固定在多孔材料的微生物生物載體表面，使沼氣于原位氫烷轉化單元可實現沼氣中的CO₂和外源氫氣實時原位轉化甲烷。本發明與向厭氧發酵液中直接通入氫氣的沼氣原位氫烷轉化方法相比，解決了原有原位氫烷轉化方法存在的因氫氣液?固傳質速率低而導致轉化效率低的技術難題，氫氣的傳質效率大幅提高，氫烷轉化效率提高40％以上，同時，與獨立于厭氧發酵反應器之外的異位氫烷轉化方法相比，幾乎無需額外的氫烷轉化設施投資，必將具有良好的經濟效益。

技術領域

本發明涉及生物能源技術領域，具體的說是一種一體化分離式微生物固定床原位氫烷轉化的方法。

背景技術

沼氣是通過厭氧微生物轉化有機質而來，CO₂(含量為50％-70％)作為存在于沼氣中的惰性氣體，會降低沼氣的熱值。因此，沼氣中的CO₂需要脫除后才能并入天然氣管網。傳統的沼氣凈化技術只是將沼氣中的CO₂脫除后，直接排進大氣中，造成資源嚴重浪費。利用可再生電力棄電資源電解水生成的氫氣，在微生物的作用下將沼氣中的CO₂轉化為甲烷，具有實現棄電和CO₂燃料化的雙重優勢，因而成為當今沼氣凈化的熱點領域。

公開號為CN108265081A、CN 205152232 U、CN 204589159U等專利均提出了從氫氣制備到微生物轉化CO₂為甲烷的整套工藝流程。然而，這些專利皆是涉及異位氫烷轉化技術，即氫氣和沼氣中的CO₂分別在一個獨立于沼氣發酵罐的氫烷轉化生物反應器內轉化為甲烷。由于該技術需要沼氣發酵罐以外額外建設獨立的生物反應器進行氫烷轉化過程，從而增加了設施投資成本。因此，低成本、操作簡單、易于與沼氣工程整合的原位生物氫烷轉化技術成為關注的焦點。公開號為CN103113010A、CN103958688A的專利公開了一種用于原位沼氣氫烷轉化的方法。采用中空纖維膜置于沼氣發酵液中進行氫氣供應從而利用沼氣發酵體系中的微生物進行生物氫烷轉化，但是中空纖維膜存在成本高，操作過程中易堵塞等問題，也不能有效解決因氫氣液-固傳質速率低導致原位轉化效率低的技術難題。

因此，結合上述問題，本發明發展了一種一體化分離式微生物固定床原位氫烷轉化的裝置和方法，實現外源引入的氫氣快速與CO₂反應生成甲烷，解決傳統原位氫烷轉化存在轉化效率低的技術難題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種一體化分離式微生物固定床原位氫烷轉化方法。

為實現上述目的，本發明采用技術方案為：

一種一體化分離式微生物固定床原位氫烷轉化的方法：在沼氣發酵罐內部發酵液面上方氣態空間內設置原位氫烷轉化單元，其內部填充具有氫烷轉化功能的甲烷菌群以生物膜的形式固定在多孔材料的微生物生物載體表面，使沼氣于原位氫烷轉化單元可實現沼氣中的CO₂和外源氫氣實時原位轉化甲烷。出口氣中甲烷濃度可提高到99％以上。氫烷轉化效率比常規沼氣原位氫烷轉化方式提高40％以上。

所述沼氣發酵罐內部的液面上方的氣態空間設置一網狀材料，沼氣發酵罐內部通過網狀材料被分隔為上下兩部分，上部為原位氫烷轉化單元，下部為沼氣生產單元(2)，氫氣由下部的沼氣生產單元(2)引入，且氫氣引入位置位于網狀材料與發酵液面之間的氣態空間。

進一步的說，來自于棄電電解水產生的氫氣存貯于儲氫罐內，氫氣經壓縮注入沼氣發酵罐內上部氣態空間，沼氣發酵罐內部的沼氣生產單元(2)產生的沼氣，上升并擴散至氫烷轉化單元(1)內部，在甲烷菌群的作用下，將氫氣和CO₂轉化為甲烷；沼氣發酵罐上部氣態空間內具有CO₂檢測傳感器(4)，確定氫氣注入量。