專利名稱：一種提高生物制氫產(chǎn)量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高生物制氫產(chǎn)量的方法，屬于制氫工藝及環(huán)境保護(hù)工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氫能作為一種高效、清潔、可再生的燃料，正日益受到人們的重視。國際上的氫能制備工藝主要有電解制氫、熱解制氫、光化制氫、放射能水解制氫、等離子電化學(xué)法制氫、礦石燃料制氫和生物制氫等。這些制氫技術(shù)都要消耗大量的化石能源，而且在生產(chǎn)過程中造成環(huán)境污染。生物制氫是一項(xiàng)利用微生物的生理代謝作用分解有機(jī)物從而產(chǎn)生氫氣的生物工程技術(shù)，是一種符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的、環(huán)境友好的制氫方法。微生物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的反應(yīng)原理是利用產(chǎn)氫微生物，在厭氧條件和酸性介質(zhì)中代謝有機(jī)物產(chǎn)生氫氣的過程，是對復(fù)雜有機(jī)物(如纖維素、脂肪和蛋白質(zhì)等)進(jìn)行降解，轉(zhuǎn)化成 H2XO2和水的過程，是一個(gè)多類群細(xì)菌的協(xié)同代謝過程。厭氧發(fā)酵一般可分為4個(gè)階段，分別為水解階段，發(fā)酵酸化階段，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫是通過抑制厭氧消化過程中的酸性條件和產(chǎn)甲烷菌活性，中斷產(chǎn)甲烷過程從而達(dá)到產(chǎn)生氫氣的目的。其實(shí)質(zhì)是產(chǎn)氫產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌對有機(jī)物質(zhì)的發(fā)酵過程，將有機(jī)質(zhì)分解為有機(jī)酸(乙酸、丁酸)和乙醇等產(chǎn)物，同時(shí)釋放出發(fā)酵氣壓和C02。本發(fā)明采用的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法為響應(yīng)曲面法中的D最優(yōu)化設(shè)計(jì)。這種數(shù)學(xué)建模的統(tǒng)計(jì)方法通過對影響累積產(chǎn)氫體積和分子產(chǎn)氫量的各個(gè)因素的獨(dú)立作用及各因素間的交互作用來建立模型從而預(yù)測得出最高的響應(yīng)值即累積產(chǎn)氫體積和分子產(chǎn)氫量以及得到最大響應(yīng)值的最優(yōu)條件。目前人們對發(fā)酵法生物制氫的研究越來越多，常用葡萄糖、蔗糖、淀粉廢水等來厭氧發(fā)酵法生物制氫，也有人采用秸稈、餐廚垃圾、城市有機(jī)固體廢棄物和生活垃圾等。但是用初期堆肥滲濾液作為營養(yǎng)源的還沒有相關(guān)的報(bào)導(dǎo)，更未有使用響應(yīng)曲面法確定厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的最佳條件及產(chǎn)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于研究使用初期堆肥滲濾液作為營養(yǎng)源的可行性，通過響應(yīng)曲面方法探索最優(yōu)的滲濾液與外加葡萄糖的配比，再通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，從而獲得最高生物制氫產(chǎn)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)滲濾液的資源化利用，減少使用人工合成基質(zhì)。此外，得到最優(yōu)化滲濾液和葡萄糖配比之后，本發(fā)明還將最優(yōu)化的滲濾液加入量與飲料廢水的共發(fā)酵實(shí)驗(yàn)將此方法應(yīng)用在實(shí)際廢水共發(fā)酵體系當(dāng)中進(jìn)行驗(yàn)證。本發(fā)明是一種提高生物制氫產(chǎn)量的方法，其特征在于以下過程和步驟
a.利用一套實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)裝置在500毫升錐形瓶中投加一定量的污泥，該污泥由 0. 28^2. 0 mm的黑色顆粒組成；再加入作為營養(yǎng)源的混合液體，該混合液體由一定比例的初期堆肥滲濾液和一定含量的葡萄糖以及一定比例的果汁廢水混合所得。
b.將上述所得的混合液體在錐形瓶內(nèi)加以密封，并放在恒溫水浴振蕩器中進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫；氫氣從液面上方的排氣管排出，漸漸進(jìn)入注滿水的集氣瓶，氣體會將采集氣瓶中的水排到聚水罐中，根據(jù)集氣瓶中顯示的液面刻度計(jì)算氫氣的產(chǎn)量；所述恒溫水浴震蕩器中控制的穩(wěn)定為35 士 1°C ；初始pH值控制為5. 5 ；
c.通過利用響應(yīng)曲面最優(yōu)化設(shè)計(jì)，探索獲得混合液體中最優(yōu)的滲濾液與外加葡萄糖配比，再通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。本發(fā)明的機(jī)理如下所述微生物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的反應(yīng)原理是利用產(chǎn)氫微生物，在厭氧條件和酸性介質(zhì)中代謝有機(jī)物產(chǎn)生氫氣的過程。本發(fā)明是對初期堆肥廠滲濾液和糖果廢水混合液中的有機(jī)物進(jìn)行降解，轉(zhuǎn)化成H2、CO2和水的過程。厭氧發(fā)酵一般可分為4個(gè)階段，分別為水解階段，發(fā)酵酸化階段，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。有機(jī)物在水解菌的作用下水解后轉(zhuǎn)化為單體，隨后進(jìn)入發(fā)酵階段，在發(fā)酵細(xì)菌作用下，這些單體轉(zhuǎn)化為各種小分子物質(zhì)，一種產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌將有機(jī)質(zhì)分解為有機(jī)酸(乙酸、丁酸)和乙醇等產(chǎn)物，同時(shí)釋放出發(fā)酵氣壓和C02。此反應(yīng)過程通過抑制厭氧消化過程中產(chǎn)甲烷菌活性得以順利進(jìn)行。響應(yīng)曲面法中的D最優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過對影響累積產(chǎn)氫體積和分子產(chǎn)氫量的各個(gè)因素的獨(dú)立作用及各因素間的交互作用來建立模型從而預(yù)測得出最高的響應(yīng)值即累積產(chǎn)氫體積和分子產(chǎn)氫量以及得到最大響應(yīng)值的最優(yōu)條件。本發(fā)明方法的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)如下所述本發(fā)明使用初期堆肥滲濾液和果汁廢水的混合液作為營養(yǎng)源替代人工合成基質(zhì)，減少了生物產(chǎn)氫的成本。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了初期堆肥滲濾液和糖果廢水的資源化利用。本發(fā)明利用響應(yīng)曲面法探索最優(yōu)的滲濾液與外加葡萄糖的配比，再通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，將理論和實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合起來。本發(fā)明的最終產(chǎn)物氫氣是一種清潔的，可再生能源。


圖1序批式實(shí)驗(yàn)裝置簡圖2對于厭氧發(fā)酵過程中得到的分子產(chǎn)氫量響應(yīng)曲面三維圖； 圖3為厭氧發(fā)酵過程中得到的分子產(chǎn)氫量響應(yīng)曲面等高圖； 圖4為對于厭氧發(fā)酵過程中累積產(chǎn)氫體積的響應(yīng)曲面三維圖； 圖5為對于厭氧發(fā)酵過程中累積產(chǎn)氫體積的響應(yīng)曲面等高圖； 圖6為四組非模型設(shè)計(jì)條件下的累積產(chǎn)氫體積隨著時(shí)間的變化關(guān)系。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一參見圖1，本發(fā)明將500 mL錐形瓶、500 mL洗氣瓶、1000 mL聚水灌組成一套反應(yīng)裝置，在500 mL錐形瓶中投加50 mL顆粒污泥與400 mL試驗(yàn)用混合液體，混合液體由一定比例的垃圾填埋初期滲濾液分別和一定含量的葡萄糖以及一定比例的果汁廢水混合所得。將裝有混合液體的錐形瓶密封，放在恒溫水浴振蕩器進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫，產(chǎn)氣從液面上方的排氣管中排出，漸漸進(jìn)入注滿水的集氣瓶，氣體會將集氣瓶中的水排到聚水灌中，根據(jù)集氣瓶中的顯示的液面刻度，計(jì)算產(chǎn)氣的量。實(shí)驗(yàn)中初始加入滲濾液和葡萄糖的配比由響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)所得。如表1，其中&，&代表兩自變量分別為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所得的葡萄糖和滲濾液含量。
表1初始葡萄糖與滲濾液配比
權(quán)利要求
1. 一種提高生物制氫產(chǎn)量的方法，其特征在于以下過程和步驟a.利用一套實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)裝置在500毫升錐形瓶中投加一定量的污泥，該污泥由 0. 28^2. 0 mm的黑色顆粒組成；再加入作為營養(yǎng)源的混合液體，該混合液體由一定比例的初期堆肥滲濾液和一定含量的葡萄糖以及一定比例的果汁廢水混合所得；b.將上述所得的混合液體在錐形瓶內(nèi)加以密封，并放在恒溫水浴振蕩器中進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫；氫氣從液面上方的排氣管排出，漸漸進(jìn)入注滿水的集氣瓶，氣體會將采集氣瓶中的水排到聚水罐中，根據(jù)集氣瓶中顯示的液面刻度計(jì)算氫氣的產(chǎn)量；所述恒溫水浴震蕩器中控制的穩(wěn)定為35士 1°C ；初始pH值控制為5.5;c.通過利用響應(yīng)曲面最優(yōu)化設(shè)計(jì)，探索獲得混合液體中最優(yōu)的滲濾液與外加葡萄糖配比，再通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高生物制氫產(chǎn)量的方法，屬于制氫工藝及環(huán)境保護(hù)工程技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明驗(yàn)證了以滲濾液作為外加營養(yǎng)源在中溫條件下產(chǎn)氫的可行性，并通過響應(yīng)曲面模型預(yù)測出在外加葡萄糖含量為6174.93mg/L滲濾液有機(jī)負(fù)荷為3883.20mgCOD/L時(shí)得到最高分子產(chǎn)氫量為(1.60molH2/mol葡萄糖)和最高累積產(chǎn)氫體積469.74mL。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的值和相應(yīng)曲面的預(yù)測值大體相近，這證明了模型預(yù)測的最佳值的可靠性。乙酸和丁酸在有實(shí)驗(yàn)中是最主要的可溶性產(chǎn)物。乙酸和丁酸平均占總揮發(fā)性脂肪酸的44%和39%左右。本實(shí)驗(yàn)中，所有的反應(yīng)發(fā)酵類型為丁酸型發(fā)酵類型。
文檔編號C12P3/00GK102242155SQ20111013788
公開日2011年11月16日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者劉強(qiáng), 周英梅, 張曉磊, 李洋, 邊華丹 申請人:上海大學(xué)