一种同步糖化暗-光联合生物发酵制氢方法及系统技术方案

本发明专利技术属于微生物发酵生物制氢技术领域，具体涉及一种同步糖化暗

【技术实现步骤摘要】
一种同步糖化暗
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光联合生物发酵制氢方法及系统


[0001]本专利技术属于微生物发酵生物制氢
，具体涉及一种同步糖化暗
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光联合生物发酵制氢方法及系统。

技术介绍

[0002]氢能是一种高热值、燃烧清洁的绿色能源。在制氢的方法中，微生物发酵产氢技术由于整个过程反应条件温和（在常温常压下即可进行），发酵原料来源广（富含碳水化合物的农业废弃物，畜禽粪便、城市生活垃圾等均可以作为发酵原料）等特点，在可再生能源领域得到了广泛的研究。以农业废弃物为原料进行生物厌氧发酵产氢从而将氢能的生产和废弃物的处理相结合，实现双重目标是现行发酵产氢研究的热点。
[0003]生物制氢可以分为暗发酵生物制氢和光合发酵生物制氢，其中暗发酵生物制氢是在无光源的状态下利用有机物进行代谢产氢，但是在产气的过程中会伴随着一些副产物的产生，如挥发性脂肪酸、乙醇等，这些副产物不能被暗发酵细菌利用，最终残留在发酵液中造成整个发酵系统底物转化效率低。
[0004]光合细菌在光照的情况下可以以挥发性脂肪酸为碳源进行发酵并释放出氢气，从而分解暗发酵的副产物，通过暗
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光联合生物制氢技术可以显著提高底物的转化效率。但是暗发酵结束的尾液中除了含有一些挥发性脂肪酸外，还有高浓度的氨根离子以及残留的暗发酵菌株，若直接加入到光合发酵产氢装置中，高浓度的氨根离子会导致光合细菌固氮酶的活性降低，最终造成光合细菌代谢活动不旺盛，同时残留的暗发酵菌也会以残留的小分子酸为碳源进行生长代谢使光合细菌利用的碳源减少。所以，如何使暗
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光发酵两个阶段的有效衔接是目前的研究的热点。
[0005]另外，需要考虑的是在暗发酵产氢过程中为了维持酶水解环境以及发酵环境的缓冲能力，需要加入柠檬酸
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柠檬酸钠缓冲液，而在光合发酵产氢过程中为了维持酶水解环境以及发酵环境的缓冲能力，需要加入柠檬酸
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柠檬酸钠缓冲液，如果能使暗发酵产氢的尾液作为光合发酵产氢碳源的同时也能作为光发酵产氢阶段的缓冲液来维持光合发酵产氢过程的缓冲性能，将实现提高底物的转化率的同时减少化学试剂的用量的目的，进而降低成本。
[0006]基于此，本申请通过设计一种暗
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光联合生物制氢系统，在以农业秸秆为原料进行产氢，首先进行酶解预处理，在纤维素酶的作用下，纤维素被分解成糖类等碳水化合物，然后使用得到的酶解液进行产氢实验，并且把酶水解和产氢发酵耦合于同一个装置，避免了在酶解过程中糖类的累积抑制纤维酶的活性，造成底物水解不彻底的现象，另外，纤维素生物质在被水解成糖的同时糖也被产氢菌消耗，促进了酶水解的正向进行，同时减少了反应器的数量，降低了成本，从而提高产氢效率。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供一种同步糖化暗
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光联合生物发酵制氢方法及系统，通过在产氢过程
中，以农业秸秆为原料进行产氢，并把酶水解和产氢发酵耦合于同一个装置，避免了在酶解过程中糖类的累积抑制纤维酶的活性，造成底物水解不彻底的现象，从而提高产氢效率，同时减少了柠檬酸钠等试剂的用量。
[0008]基于上述目的，本专利技术采取如下技术方案：一种同步糖化暗
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光联合生物发酵制氢系统，包括同步糖化暗发酵产氢装置、暗发酵细菌细胞粉碎和过滤装置、氨根吸附装置和同步糖化光合产氢发酵装置；所述同步糖化暗发酵产氢装置包括第一外壳体以及设置于第一外壳体内的第一内壳体；第一外壳体顶端设有第一顶盖，第一顶盖与第一外壳体可拆卸连接；第一顶盖中间设有向上延伸的第一通道，第一通道顶端开口，且第一通道顶端开口处设有与第一通道可拆卸连接的第二顶盖；第一顶盖上设有第一通气管，通过第一通气管实现第一顶盖内外的贯通；第二顶盖上设有第二通气管，通过第二通气管实现第二顶盖内外的贯通；第一内壳体的底端与第一外壳体底壁相顶接，第一内壳体的顶端向上延伸，并伸入第一通道内，并且与第二顶盖相顶接，第一内壳体顶端伸入第一通道内的侧壁紧贴第一通道的内壁；第一外壳体的底端设有第一出液管，第一出液管的出口端与暗发酵细菌细胞粉碎和过滤装置的顶端相连通；所述同步糖化暗发酵产氢装置的材质为非透明材质，在同步糖化暗发酵产氢装置中进行暗发酵产氢的时候，能够防止光线进入，形成暗发酵条件；第一内壳体的侧壁由微米级的第一滤网构成；暗发酵细菌细胞粉碎和过滤装置内设有超声细胞粉碎机暗发酵细菌细胞粉碎和过滤装置的底端还设有第二出液管，第二出液管的出口端与氨根吸附装置的顶端相连通；氨根吸附装置内底部设有沸石，氨根吸附装置的底端还设有第三出液管；同步糖化光合产氢发酵装置包括第二外壳体以及设置于第二外壳体内的第二内壳体；第二外壳体顶端设有第三顶盖，第三顶盖与第二外壳体可拆卸连接；第三顶盖中间设有向上延伸的第二通道，第二通道顶端开口，且第二通道顶端开口处设有与第二通道可拆卸连接的第四顶盖；第三顶盖上设有第三通气管，通过第三通气管实现第三顶盖内外的贯通；第二内壳体的底端与第二外壳体底壁相顶接，第二内壳体的顶端向上延伸，并伸入第二通道内，并且与第四顶盖相顶接，第二内壳体顶端伸入第二通道内的侧壁紧贴第二通道的内壁；第四顶盖上设有第四通气管，通过第四通气管实现第四顶盖内外的贯通，第三出液管的出口端与第四通气管的侧壁相连通；第二外壳体的底端设有第四出液管；所述同步糖化光合产氢发酵装置的材质为透明材质，可以透过光线，实现光发酵；第二内壳体的侧壁由微米级的第二滤网构成。
[0009]进一步的，第一顶盖和第一外壳体的侧壁上均设有螺纹通孔，通过在螺纹通孔中穿设螺栓，实现第一顶盖与第一外壳体的可拆卸连接。
[0010]进一步的，第二顶盖和第一通道的侧壁上均设有螺纹通孔，通过在螺纹通孔中穿设螺栓，实现第二顶盖与第一通道的可拆卸连接。
[0011]进一步的，所述第一内壳体为圆筒状。
0.1 g/L，CH3COONa 2.0 g/L，K2HPO
4 1.5 g/L，酵母膏1.0 g/L。
[0022]步骤1）中生物质原料的添加量（即底物浓度，又称有机负荷）为20
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35g/L（添加适量的底物能够促进反应进行，过多导致发酵液酸化抑制产氢，过少会阻碍产氢的进行）；步骤1）中以加入的生物质原料、纤维素酶、柠檬酸
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柠檬酸钠缓冲液、暗发酵细菌和产氢培养基作为暗发酵液，加入的柠檬酸
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柠檬酸钠缓冲液体积占暗发酵液总体积的50
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60%；步骤1）中加入的纤维素酶添加量（酶负荷）为120
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150mg/g生物质原料；步骤1）中加入的暗发酵细菌体积具体为30
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40 mL；具体的，产氢培养基添加量为40
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45 mL。
[0023]具体的，步骤2）中，暗发酵液和沸石31的比例为2:1（v/w），吸附时间2h，吸附后暗发酵液的氨根浓度为2.12
±
0.32 mM。
[0024]具体的，步骤3）的光发酵生物制氢反应过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同步糖化暗
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光联合生物发酵制氢系统，其特征在于，包括同步糖化暗发酵产氢装置、暗发酵细菌细胞粉碎和过滤装置、氨根吸附装置和同步糖化光合产氢发酵装置；所述同步糖化暗发酵产氢装置包括第一外壳体以及设置于第一外壳体内的第一内壳体；第一外壳体顶端设有第一顶盖，第一顶盖与第一外壳体可拆卸连接；第一顶盖中间设有向上延伸的第一通道，第一通道顶端开口，且第一通道顶端开口处设有与第一通道可拆卸连接的第二顶盖；第一顶盖上设有第一通气管，通过第一通气管实现第一顶盖内外的贯通；第二顶盖上设有第二通气管，通过第二通气管实现第二顶盖内外的贯通；第一内壳体的底端与第一外壳体底壁相顶接，第一内壳体的顶端向上延伸，并伸入第一通道内，并且与第二顶盖相顶接，第一内壳体顶端伸入第一通道内的侧壁紧贴第一通道的内壁；第一外壳体的底端设有第一出液管，第一出液管的出口端与暗发酵细菌细胞粉碎和过滤装置的顶端相连通；所述同步糖化暗发酵产氢装置的材质为非透明材质，能够防止光线进入，形成暗发酵条件；第一内壳体的侧壁由微米级的第一滤网构成；暗发酵细菌细胞粉碎和过滤装置内设有超声细胞粉碎机暗发酵细菌细胞粉碎和过滤装置的底端还设有第二出液管，第二出液管的出口端与氨根吸附装置的顶端相连通；氨根吸附装置内底部设有沸石，氨根吸附装置的底端还设有第三出液管；同步糖化光合产氢发酵装置包括第二外壳体以及设置于第二外壳体内的第二内壳体；第二外壳体顶端设有第三顶盖，第三顶盖与第二外壳体可拆卸连接；第三顶盖中间设有向上延伸的第二通道，第二通道顶端开口，且第二通道顶端开口处设有与第二通道可拆卸连接的第四顶盖；第三顶盖上设有第三通气管，通过第三通气管实现第三顶盖内外的贯通；第二内壳体的底端与第二外壳体底壁相顶接，第二内壳体的顶端向上延伸，并伸入第二通道内，并且与第四顶盖相顶接，第二内壳体顶端伸入第二通道内的侧壁紧贴第二通道的内壁；第四顶盖上设有第四通气管，通过第四通气管实现第四顶盖内外的贯通，第三出液管的出口端与第四通气管的侧壁相连通；第二外壳体的底端设有第四出液管；所述同步糖化光合产氢发酵装置的材质为透明材质，能够透过光线，实现光发酵；第二内壳体的侧壁由微米级的第二滤网构成。2.根据权利要求1所述的同步糖化暗
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光联合生物发酵制氢系统，其特征在于，第一顶盖和第一外壳体的侧壁上均设有螺纹通孔，通过在螺纹通孔中穿设螺栓，实现第一顶盖与第一外壳体的可拆卸连接；第二顶盖和第一通道的侧壁上均设有螺纹通孔，通过在螺纹通孔中穿设螺栓，实现第二顶盖与第一通道的可拆卸连接。3.根据权利要求1所述的同步糖化暗
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光联合生物发酵制氢系统，其特征在于，第三顶盖和第二外壳体的侧壁上均设有螺纹通孔，通过在螺纹通孔中穿设螺栓，实现第三顶盖与第二外壳体的可拆卸连接；第四顶盖和第二通道的侧壁上均设有螺纹通孔，通过在螺纹通孔中穿设螺栓，实现第四顶盖与第二通道的可拆卸连接。4.根据权利要求1所述的同步糖化暗
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光联合生物发酵制氢系统，其特征在于，第一出
液管上设有第一阀门；第三出液管上设有第三阀门；第四通气管与第三出液管的连接处至第四通气管顶端开口处还设有第四阀门。5.利用根据权利要求1
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4任一所述系统进行的暗
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光联合发酵制氢工艺，包括如下步骤：1）暗发酵产氢过程：首先采用同步糖化暗发酵产氢装置进行暗发酵产氢，先在第一内壳体内加入生物质原料、纤维素酶和柠檬酸
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柠檬酸钠缓冲液；再在第一外壳体加入暗发酵细菌和产氢培养基，暗发酵细菌为厌氧产氢混合菌；将同步糖化暗发酵产氢装...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚猛，张志萍，荆艳艳，蒋丹萍，路朝阳，张洋，张寰，张全国，范小妮，艾福柯，焦映钢，吴晨阳，张哲领，王昌昌，
申请(专利权)人：河南农业大学，
类型：发明
国别省市：