一种低碳零排放循环制取氢气的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种生物化工反应装置，具体涉及一种低碳零排放循环制取氢气的装 置。
【背景技术】
[0002] 氢气作为高能量密度的载体（122KJ/g)，被认为是未来的主要能源之一。许多物理 化学制氢方法，如蒸汽重整和电解水等，需要高温（>850°C)和能量输入。相比之下，利用微 生物发酵的生物制氢方法由于能量输入较低且反应条件温和而具有独特的优势。
[0003] 然而，在现有技术中，产氢率和高成本底物是生物制氢发展和应用的两大瓶颈。 特别地，传统的生物质暗发酵产氢的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，CN 103667352A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°C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。CN 103627729A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，用队吹 扫反应器剩余空间中的氧气，用医用橡胶塞密封，进行恒温发酵制取氢气。CN 101920258 B 公开了一种有机废弃物能源化利用的系统，将厌氧发酵、沼气发酵、C02吸收和固定、沼液处 理、能源草种植相结合，该方法可用于对有机废气物和生活垃圾进行处理。然而，上述发明 使用的单纯厌氧制氢的产率有限，暗发酵制氢的理论最大产氢率是4mol H2/mol葡萄糖（乙 酸是唯一底物），且由于菌体的生长和其他挥发性有机酸（丙酸、丁酸等）的生成，暗发酵的 实际产氢率只有2-3mol H2/mol葡萄糖。而且发酵液中有大量有机酸无法利用，会对环境 造成严重污染。CN 101920258 B虽然通过沼气发酵和C02吸收对发酵液中有机酸和0)2进 行了部分利用，但依然存在底物转化率和产氢率偏低的问题。此外，该系统仅是提供了一种 理论上的系统和方法，并没有对产氢率、能源转化效率、污染物去除率以及ay咸排率等具 体参数和实际运行效果进行说明。
[0004] 此外，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CN 100532566C 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、C02，然后丙酮酸 和短链脂肪酸混合物在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。CN 202576411U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C0 2排放到环境中，给环境带来负面影响。
[0005] 另一方面，就底物而言，生物制氢可使用的底物广泛，既可以是淀粉、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。然而，常规底物葡萄糖、蔗糖和淀 粉的价格昂贵，严重地限制了生物制氢的发展和应用。相比之下，海洋微藻具有如下优点： (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C02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#P 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C0 2的排放的同时进行生物能源转化的良好生物反应器。
【发明内容】
[0006] 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〇) 2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 碳零排放循环制取氢气的装置，所述装置包括：
[0007] 预处理设备、暗发酵反应器、固液分离设备、光发酵反应器、气体分离设备和微藻 生长反应器；
[0008] 其特征在于：
[0009] 所述预处理设备位于所述微藻液储罐的下游，用于对来自所述微藻液储罐中的微 藻液进行预处理；
[0010] 所述暗发酵反应器位于所述预处理设备的下游，用于对经过预处理的微藻液进行 暗发酵；
[0011] 所述固液分离设备位于所述暗发酵反应器的下游，用于对暗发酵尾液进行固液分 离；
[0012] 所述光发酵反应器位于所述固液分离设备的下游，用于对分离固体后的暗发酵尾 液进行光发酵；
[0013] 所述气体分离设备位于所述暗发酵反应器和所述光发酵反应器的下游，用于对气 体产物中的氏和C0 2进行分离；
[0014] 所述微藻生长反应器位于所述气体分离设备的下游，用于通过利用来自所述气体 分离设备的〇) 2使微藻进行光合作用；
[0015] 所述微藻生长反应器的出口连接至所述预处理设备，用于将光合作用后的微藻液 输送至所述预处理设备进行预处理，从而实现上述过程的循环；
[0016] 所述暗发酵反应器的外壁由不透光材料制成；所述光发酵反应器和微藻生长反应 器内部配置有可见光光源。
[0017] 具体而言，本发明是通过如下技术方案实现的：
[0018] 1. -种以微藻生物质作为发酵底物制取氢气的装置，所述装置包括：预处理设备
[19] 、暗发酵反应器（2)、固液分离设备（18)、光发酵反应器(6)、气体分离设备（21)和微藻 生长反应器（11);
[0019] 其特征在于：
[0020] 所述暗发酵反应器（2)位于所述预处理设备（19)的下游，用于对经过预处理的微 藻液进行暗发酵；
[0021] 所述固液分离设备（18)位于所述暗发酵反应器（2)的下游，用于对暗发酵尾液进 行固液分离；
[0022] 所述光发酵反应器（6)位于所述固液分离设备（18)的下游，用于对分离固体后的 暗发酵尾液进行光发酵；
[0023] 所述气体分离设备（21)位于所述暗发酵反应器（2)和所述光发酵反应器（6)的 下游，用于对气体产物中的氏和C0 2进行分离；
[0024] 所述微藻生长反应器（11)位于所述气体分离设备（21)的下游，用于通过利用来 自所述气体分离设备（21)的0) 2使微藻进行光合作用；
[0025] 所述微藻生长反应器（11)的出口连接至所述预处理设备（19)，用于将光合作用 后的微藻液输送至所述预处理设备（19)进行预处理，从而实现上述过程的循环；
[0026] 所述暗发酵反应器（2)的外壁由不透光材料制成；光发酵反应器（6)和微藻生长 反应器（11)内部配置有可见光光源（7、12)。
[0027] 2.如段落1所述的装置，所述装置还包括发酵液储罐（4)和微藻液储罐（16)，所 述发酵液储罐（4)设置于所述暗发酵反应器（2)和所述光发酵反应器（6)之间，用于对暗 发酵尾液进行储存；所述微藻液储罐（16)设置于所述微藻生长反应器（11)和所述预处理 设备（19)之间，用于对微藻液进行储存；
[0028] 其特征在于，所述发酵液储罐（4)和微藻液储罐（16)的外壁由不透光材料制成。
[0029] 3.如段落2所述的装置，所述装置还包括一个或多个物料栗，所述一个或多个物 料栗为：
[0030] 连接所述预处理设备（19)的出口和所述暗发酵反应器（2)的顶部的物料栗（1);
[0031] 连接所述暗发酵反应器（2)的底部、所述暗发酵反应器（2)的顶部和所述发酵液 储罐（4)的顶部的物料栗（3);
[0032] 连接所述发酵液储罐（4)的底部、所述发酵液储罐（4)的顶部和所述光发酵反应 器（6)的顶部的物料栗（5);
[0033] 连接所述光发酵反应器（6)的底部和所述光发酵反应器（6)的顶部的物料栗（8); 和/或
[0034] 连接所述微藻生长反应器（11)的底部、所述微藻生长反应器（11)的顶部和所述 微藻液储罐（16)的顶部的物料栗（15)。