序批式同步糖化光合生物制氢反应器及其制氢操作方法与流程

本发明属于农业工程中的农村能源技术领域，尤其涉及序批式同步糖化光合生物制氢反应器及其制氢操作方法。

背景技术：

化石能源的日渐枯竭及其使用所带来环境污染问题迫使人们开发新的清洁可再生能源以满足未来经济和社会发展的需要。氢能因能量密度高、燃烧无污染且利用形式多样而被公认为未来主要的能源载体形式。以氢能使用为核心的“氢能经济”和“氢能社会”发展模式是人们对未来能源使用技术的憧憬。

生物制氢是利用微生物自身代谢释放氢气的过程，其产氢条件温和，环境友好且原料来源丰富而被认为是未来氢能生产的主要替代形式。在各类生物制氢技术比较中，光合细菌制氢不仅有较高的产氢能力，其还可以利用多种有机废弃物作为产氢原料，实现氢能生产和废弃物处理的双重目标而成为制氢技术研究的热点问题。光合细菌制氢是光合细菌在厌氧光照条件下将有机质转化为氢气的生理代谢过程，光合细菌制氢反应器的开发是光合细菌制氢技术研究从实验室向实际生产转化的关键环节。

目前以纤维素生物质为原料进行光合生物制氢过程中，首先需要对纤维素生物质进行粉碎，然后进行酶预处解，把纤维素转化成小分子的糖类及小分子酸等碳水化合物，酶解出来的有机质被光合细菌利用进而产氢，但是由于在酶解的过程中糖类物质的累积会抑制酶解的进行，造成能量转化效率低，而同步糖化发酵可以解除这一现象，因为同步糖化发酵是将酶水解过程和发酵产氢过程耦合于同一反应器，使酶水解出来的糖会及时的被光合细菌利用进行产氢，保证了酶解的正向反应，提高了纤维素的能量转化效率。但是由于粉碎的纤维素生物质在水中容易漂浮，若把纤维素生物质和光合细菌放在同一个反应器时，纤维素生物质会遮挡光线，不利于细菌接受光能量，进而影响光合细菌的光合作用从而导致产氢效率低。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供序批式同步糖化光合生物制氢反应器及其制氢操作方法，其可使酶解过程和产氢过程耦合于同一个反应器，该反应器在最大程度上提高了酶解和产氢效率，降低了运行成本。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：序批式同步糖化光合生物制氢反应器，包括光合产氢单元和设置在光合产氢单元内部的酶解反应单元；

光合产氢单元包括顶部敞口且呈圆筒形的透明容器，透明容器的顶部通过第一安装螺栓设置有第一密封盖，第一密封盖上设置有进料孔，透明容器底部设置有出料孔；

酶解反应单元包括中心线重合且均沿垂直方向设置的下筒体、上筒体和渗透膜筒体，下筒体下端固定设置在透明容器内底部中间，上筒体穿过并固定连接在第一密封盖上，渗透膜筒体上端和下端分别通过一个卡簧连接在上筒体和下筒体的内壁，渗透膜筒体的孔径为0.06mm；上筒体上端通过第二安装螺栓设置有位于第一密封盖上方的第二密封盖，第二密封盖上设置有氢气出孔。

还包括导气管，导气管的上端连接在第一密封盖上并与透明容器内部连通，导气管的下单连接在透明容器底部并与下筒体内部连通。

序批式同步糖化光合生物制氢反应器的制氢操作方法，包括以下步骤，

（1）、检验同步糖化产氢发酵反应器的气密性；

（2）加料：打开第二密封盖，将粉碎至0.45-0.08mm的纤维素生物质颗粒和纤维素酶通过上筒体加入到酶解反应单元的渗透膜筒体和下筒体内，同时加入一定量的产氢培养基和柠檬酸钠缓冲液；光合细菌和产氢培养基进料孔加入到光合产氢单元的透明容器内；

（3）、透明容器内的液体与渗透膜筒体内的液体维持同一水平线上，使用ph值测试仪穿过进料孔对透明容器内的液体进行检测，将整体的发酵初始ph调到6.5，光合细菌的接种为30%（v/v）；

（4）、将同步糖化产氢发酵反应器整体放置于光照强度为3500lux、温度为35℃的恒温箱中；

（5）、酶解反应前期纤维素生物质颗粒是漂浮状态，能较好的与纤维素酶接触，随着反应的进行纤维素可以会被酶解出来的糖粘合在一起，产生糊化状态；在酶解反应单元内产生的碳水化合物经过渗透膜筒体进入产氢发酵单元的透明容器内，光合细菌利用渗透过来的有机物进行代谢产氢，产生的氢气经过导气管进入酶解反应单元底部，对酶解中纤维素生物质颗粒进行吹扫，打破酶解产生的糖使纤维素生物质糊化状态，使纤维素生物质颗粒继续呈漂浮状态，保证纤维素生物质颗粒与纤维素酶有充分的接触面积，增大酶解效率，产生的氢气通过氢气出孔进行收集；

（6）、制氢反应结束后的反应液通过出料孔排出，酶解反应后的纤维素生物质通过打开第二密封盖取出。

采用上述技术方案，本发明中的透明容器采用有机玻璃材料制成，透光率好。渗透膜筒体上端和下端分别通过卡簧连接在上筒体和下筒体上，这样便于对渗透膜筒体进行拆卸和安装。上筒体与第一密封盖采用一体结构制成，密封效果更好。透明容器底部设置有与下筒体外径大小适配的凹槽，下筒体下端通过胶粘密封固定连接在凹槽内，固定连接牢靠。

本发明中的酶解反应单元位于整个光合产氢单元的内部，可以有效的吸收细菌在发酵过程中产生的生物热，保证酶解单元的温度维持一个相对较高的温度，这样能较好的提高纤维素酶的活性（纤维素酶的最佳活性温度为50℃）。

在对同步糖化发酵的原理分析基础上，本发明将酶解反应装置和产氢反应器结合一起，纤维素酶解出来的碳水化合物通过滤网渗透到产氢部分，光合细菌利用渗透过来的碳水化合物进行产氢，这样酶解和产氢同时进行，底物不会累积从而能解除碳水化合物对纤维素酶的抑制作用，也减少了反应器的数量，降低了反应成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的俯视图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的序批式同步糖化光合生物制氢反应器，包括光合产氢单元和设置在光合产氢单元内部的酶解反应单元。

光合产氢单元包括顶部敞口且呈圆筒形的透明容器1，透明容器1的顶部通过第一安装螺栓2设置有第一密封盖3，第一密封盖3上设置有进料孔4，透明容器1底部设置有出料孔5。

酶解反应单元包括中心线重合且均沿垂直方向设置的下筒体6、上筒体7和渗透膜筒体8，下筒体6下端固定设置在透明容器1内底部中间，上筒体7穿过并固定连接在第一密封盖3上，渗透膜筒体8上端和下端分别通过一个卡簧9连接在上筒体7和下筒体6的内壁，渗透膜筒体8的孔径为0.06mm；上筒体7上端通过第二安装螺栓10设置有位于第一密封盖3上方的第二密封盖11，第二密封盖11上设置有氢气出孔12。

本发明中的进料孔4和出料孔5外均设置有上设置有堵盖，氢气出孔12外端连接有气管。

本发明还包括左右对称设置的两条导气管13，导气管13的上端连接在第一密封盖3上并与透明容器1内部连通，导气管13的下单连接在透明容器1底部并与下筒体6内部连通。

序批式同步糖化光合生物制氢反应器的制氢操作方法，包括以下步骤：

（1）、检验同步糖化产氢发酵反应器的气密性；

（2）、加料：打开第二密封盖11，将粉碎至0.45-0.08mm的纤维素生物质颗粒和纤维素酶通过上筒体7加入到酶解反应单元的渗透膜筒体8和下筒体6内，同时加入一定量的产氢培养基和柠檬酸钠缓冲液；光合细菌和产氢培养基进料孔4加入到光合产氢单元的透明容器1内；

（3）、透明容器1内的液体与渗透膜筒体8内的液体维持同一水平线上，使用ph值测试仪穿过进料孔4对透明容器1内的液体进行检测，将整体的发酵初始ph调到6.5，光合细菌的接种为30%（v/v）；

（4）、将同步糖化产氢发酵反应器整体放置于光照强度为3500lux、温度为35℃的恒温箱中；

（5）、酶解反应前期纤维素生物质颗粒是漂浮状态，能较好的与纤维素酶接触，随着反应的进行纤维素可以会被酶解出来的糖粘合在一起，产生糊化状态；在酶解反应单元内产生的碳水化合物经过渗透膜筒体8进入产氢发酵单元的透明容器1内，光合细菌利用渗透过来的有机物进行代谢产氢，产生的氢气经过导气管13进入酶解反应单元底部，对酶解中纤维素生物质颗粒进行吹扫，打破酶解产生的糖使纤维素生物质糊化状态，使纤维素生物质颗粒继续呈漂浮状态，保证纤维素生物质颗粒与纤维素酶有充分的接触面积，增大酶解效率，产生的氢气通过氢气出孔12进行收集；

（6）、制氢反应结束后的反应液通过出料孔5排出，酶解反应后的纤维素生物质通过打开第二密封盖11取出。

本发明中的透明容器1采用有机玻璃材料制成，透光率好。渗透膜筒体8上端和下端分别通过卡簧9连接在上筒体7和下筒体6上，这样便于对渗透膜筒体8进行拆卸和安装。上筒体7与第一密封盖3采用一体结构制成，密封效果更好。透明容器1底部设置有与下筒体6外径大小适配的凹槽，下筒体6下端通过胶粘密封固定连接在凹槽内，固定连接牢靠。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。