本發(fā)明涉及一種發(fā)酵法制氫技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種暗-光發(fā)酵耦合生物制氫工藝。

背景技術(shù)：

暗發(fā)酵細(xì)菌能夠?qū)⒋蠓肿佑袡C(jī)物分解成小分子有機(jī)酸和醇以獲得維持自身生長(zhǎng)所需的能量和還原力，以解除電子積累而快速釋放部分氫氣。在產(chǎn)生的小分子有機(jī)酸中，只有甲酸可進(jìn)一步分解釋放H2和CO2，其它有機(jī)酸因不能被暗發(fā)酵細(xì)菌繼續(xù)分解而大量積累，導(dǎo)致暗發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫效率低下，成為暗發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫大規(guī)模應(yīng)用面臨的瓶頸問題。而光發(fā)酵細(xì)菌能夠利用暗發(fā)酵產(chǎn)生的小分子有機(jī)酸并釋放氫氣。同時(shí)光發(fā)酵細(xì)菌不能直接利用纖維素和淀粉等大分子的復(fù)雜有機(jī)物，對(duì)廉價(jià)的廢棄的有機(jī)資源的直接利用能力和產(chǎn)氫能力較差。所以，充分結(jié)合暗光發(fā)酵兩種細(xì)菌各自的優(yōu)勢(shì)，將二者耦合到一起形成一個(gè)高效產(chǎn)氫體系，不僅可以減少光能需求，而且可以提高體系的產(chǎn)氫效率，同時(shí)還可擴(kuò)大底物的利用范圍。

厭氧暗發(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌和光發(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌聯(lián)合起來(lái)組成的產(chǎn)氫系統(tǒng)稱為暗-光耦合產(chǎn)氫途徑，它包括兩步法和混合培養(yǎng)產(chǎn)氫兩種方法。混合培養(yǎng)產(chǎn)氫過(guò)程是暗-光發(fā)酵細(xì)菌在一個(gè)培養(yǎng)體系中進(jìn)行培養(yǎng)產(chǎn)氫，多種微生物組建形成微生物生態(tài)協(xié)同產(chǎn)氫體系，由于兩種細(xì)菌各自需要不同的環(huán)境，而且暗發(fā)酵細(xì)菌的生長(zhǎng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光發(fā)酵細(xì)菌，產(chǎn)生的揮發(fā)酸的速率遠(yuǎn)大于光發(fā)酵細(xì)菌對(duì)揮發(fā)酸的利用速率，使體系pH急劇下降，嚴(yán)重抑制光發(fā)酵細(xì)菌的生長(zhǎng)，產(chǎn)氫效率降低，所以混合培養(yǎng)產(chǎn)氫盡管工藝簡(jiǎn)單但較難實(shí)現(xiàn)。兩步法產(chǎn)氫過(guò)程分為兩個(gè)不同的階段，第一階段是大分子有機(jī)物的暗發(fā)酵過(guò)程，產(chǎn)生小分子有機(jī)酸同時(shí)釋放氫氣，第二階段是光發(fā)酵細(xì)菌利用暗發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的小分子有機(jī)酸作為電子供體，在固氮酶的催化下的光發(fā)酵過(guò)程，同時(shí)產(chǎn)生氫氣，兩階段耦合可以顯著改善總氫氣量。

研究表明乙酸是暗發(fā)酵產(chǎn)氫的主要抑制產(chǎn)物，10mmol/L的乙酸導(dǎo)致產(chǎn)氫量下降21.7％，最大產(chǎn)氫速率下降27.2％；作為光發(fā)酵產(chǎn)氫的最佳底物，在連續(xù)流培養(yǎng)產(chǎn)氫過(guò)程中最適的乙酸鈉濃度是32.5mmol/l(2.665g/l)，而且高濃度的乙酸對(duì)光發(fā)酵細(xì)菌的產(chǎn)氫和生長(zhǎng)沒有毒害作用。因此解決暗發(fā)酵產(chǎn)物抑制和滿足光發(fā)酵最佳底物濃度的矛盾是協(xié)調(diào)暗-光耦合產(chǎn)氫的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。另一方面，暗發(fā)酵出水中的NH4+抑制固氮酶基因的表達(dá)活性，進(jìn)而對(duì)光發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)生極大的抑制。因此將暗發(fā)酵系統(tǒng)中乙酸從發(fā)酵液中定向抽提濃縮供給光發(fā)酵系統(tǒng)，不僅能夠解除暗發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)物抑制，穩(wěn)定系統(tǒng)pH，而且為光發(fā)酵系統(tǒng)提供最佳底物并消除NH4+抑制，進(jìn)一步提高兩步法耦合產(chǎn)氫效率。

兩步法耦合產(chǎn)氫是暗發(fā)酵細(xì)菌在厭氧條件下發(fā)酵有機(jī)物產(chǎn)氫；將暗發(fā)酵末端產(chǎn)物經(jīng)過(guò)處理，調(diào)節(jié)到光合細(xì)菌適宜條件進(jìn)行光發(fā)酵。光合細(xì)菌和暗發(fā)酵細(xì)菌在各自的最適條件下產(chǎn)氫，產(chǎn)氫效率高。然而，在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中暗發(fā)酵階段發(fā)酵產(chǎn)物抑制顯著，導(dǎo)致底物利用率低，而且需要對(duì)暗發(fā)酵出水進(jìn)行離心、過(guò)濾等復(fù)雜的處理，添加化學(xué)藥劑，二次滅菌才能調(diào)節(jié)到光合細(xì)菌最適條件，增加了占地面積和處理步驟，極大地限制了耦合生物氫的規(guī)模化生產(chǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于背景技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種暗-光發(fā)酵耦合生物制氫工藝。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種暗-光發(fā)酵耦合生物制氫工藝，包括以下步驟:

A、向暗發(fā)酵反應(yīng)器和光發(fā)酵反應(yīng)器中分別加入培養(yǎng)基，分別使用氮?dú)夂蜌鍤庀虬蛋l(fā)酵反應(yīng)器和光發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)曝氣，排除反應(yīng)器中的空氣，再加蓋密封保持厭氧環(huán)境；

B、向暗發(fā)酵反應(yīng)器的培養(yǎng)基中接種暗發(fā)酵細(xì)菌；

C、向光發(fā)酵反應(yīng)器的培養(yǎng)基中接種光發(fā)酵細(xì)菌，開啟光照系統(tǒng)；

D、將暗—光發(fā)酵耦合生物制氫系統(tǒng)置于溫度為33～35℃的恒溫室內(nèi)；

E、當(dāng)暗發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)pH下降至4.3～4.6時(shí)，在雙極膜電滲析器兩電極間加載直流電源，暗發(fā)酵反應(yīng)器出水經(jīng)電滲析分離室后，返回暗發(fā)酵反應(yīng)器，電滲析濃縮室產(chǎn)生的濃縮液作為光發(fā)酵反應(yīng)器進(jìn)水；

F、當(dāng)暗發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)pH值上升至4.8～5.0時(shí)關(guān)閉電源停止電滲析；

G、通過(guò)暗發(fā)酵氣體流量計(jì)和光發(fā)酵氣體流量計(jì)檢測(cè)產(chǎn)氫量，連續(xù)培養(yǎng)完成生物制氫。

因?yàn)殡姖B析操作是以乙酸濃度為標(biāo)準(zhǔn)，而本發(fā)明研究表明pH與暗發(fā)酵液里乙酸的濃度呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系，所以本發(fā)明用pH來(lái)指示暗發(fā)酵反應(yīng)器中的發(fā)酵狀態(tài)。

優(yōu)選的，所述的步驟A中曝氣時(shí)間為8～15min，進(jìn)一步優(yōu)選為10min。

優(yōu)選的，所述的步驟B和C中的暗發(fā)酵細(xì)菌和光發(fā)酵細(xì)菌的接種體積比均為8～12％，進(jìn)一步優(yōu)選的為10％。

優(yōu)選的，所述的步驟C中的光照系統(tǒng)的光強(qiáng)為120～165w/m2，進(jìn)一步優(yōu)選為150w/m2。

本發(fā)明的一種暗-光發(fā)酵耦合生物制氫工藝，采用了特制的暗-光發(fā)酵耦合生物制氫裝置，所述的暗-光發(fā)酵耦合生物制氫裝置包括暗發(fā)酵反應(yīng)器、兩室型雙極膜電滲析裝置和光發(fā)酵反應(yīng)器。其中暗發(fā)酵反應(yīng)器上設(shè)置有暗發(fā)酵氣體流量計(jì)，在光發(fā)酵反應(yīng)器上設(shè)置有光照系統(tǒng)和光發(fā)酵氣體流量計(jì)，雙極膜電滲析裝置，其構(gòu)型和工作方式參見“應(yīng)用雙極膜電滲析技術(shù)分離生物制氫發(fā)酵液中乙酸的方法”(ZL 200910071848.2)。

本發(fā)明的暗-光發(fā)酵耦合生物制氫工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、雙極膜電滲析操作可連續(xù)進(jìn)行，也可間歇進(jìn)行，以暗發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的pH值作為控制雙極膜電滲析操作的指標(biāo)。暗發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)pH下降至4.3～4.6時(shí)，打開直流電源啟動(dòng)雙極膜電滲析器，當(dāng)暗發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)pH值上升至4.8～5.0時(shí)，關(guān)閉電源停止電滲析。

2、以雙極膜電滲析方法分離暗發(fā)酵的發(fā)酵液，為光發(fā)酵定向提供濃縮后濃度20～30mmol/L的乙酸。

3、以雙極膜電滲析方法回收暗發(fā)酵發(fā)酵液中的葡萄糖和NH4+，提高底物利用率。

4、濃縮乙酸不需要過(guò)濾、滅菌等處理即可作為光發(fā)酵進(jìn)水。

綜上所述：本發(fā)明提出一種暗—光發(fā)酵耦合生物制氫工藝，在暗發(fā)酵反應(yīng)器后加入雙極膜電滲析單元，對(duì)暗發(fā)酵出水組分進(jìn)行分離，得到濃縮的乙酸，經(jīng)pH調(diào)節(jié)后作為光發(fā)酵反應(yīng)器的進(jìn)水，同時(shí)回收未被利用的底物返回暗發(fā)酵反應(yīng)器再利用。

本發(fā)明能夠解除暗發(fā)酵產(chǎn)氫段的產(chǎn)物抑制，控制發(fā)酵系統(tǒng)pH在最佳范圍，有效回收底物再利用提高底物總體利用率，并為光發(fā)酵產(chǎn)氫段提供最佳底物——乙酸，去除暗發(fā)酵出水中的NH4+，進(jìn)而解除對(duì)光發(fā)酵細(xì)菌固氮酶的抑制，同時(shí)完成對(duì)暗發(fā)酵細(xì)菌的截留分離，替代原有工藝的離心過(guò)濾滅菌等過(guò)程。分別為暗發(fā)酵和光發(fā)酵階段提供最適產(chǎn)氫條件，提高暗發(fā)酵細(xì)菌和光發(fā)酵細(xì)菌兩步法耦合產(chǎn)氫效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的暗-光發(fā)酵耦合生物制氫裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖，1—暗發(fā)酵反應(yīng)器，2—暗發(fā)酵細(xì)菌，3—兩室型雙極膜電滲析器，4—光發(fā)酵反應(yīng)器，5—光發(fā)酵細(xì)菌，6—光照系統(tǒng)，7—陰離子交換膜，8—雙極膜，9—暗發(fā)酵氣體流量計(jì)，10—光發(fā)酵氣體流量計(jì)，11—電極，12—分離室，13—濃縮室。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

一種暗-光發(fā)酵耦合生物制氫工藝，包括以下步驟:

A、向暗發(fā)酵反應(yīng)器和光發(fā)酵反應(yīng)器中分別加入培養(yǎng)基，分別使用氮?dú)夂蜌鍤庀虬蛋l(fā)酵反應(yīng)器和光發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)曝氣10min排除反應(yīng)器中的空氣，再加蓋密封保持厭氧環(huán)境；

B、向暗發(fā)酵反應(yīng)器的培養(yǎng)基中按接種體積比為10％接入暗發(fā)酵細(xì)菌；

C、向光發(fā)酵反應(yīng)器的培養(yǎng)基中按接種體積比為10％接入光發(fā)酵細(xì)菌，控制光照系統(tǒng)的光強(qiáng)至150w/m2；

D、將暗—光發(fā)酵耦合生物制氫系統(tǒng)置于溫度為33～35℃的恒溫室內(nèi)；

E、當(dāng)暗發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)pH下降至4.3～4.6時(shí)，在雙極膜電滲析器兩電極間加載直流電源，暗發(fā)酵反應(yīng)器出水經(jīng)電滲析分離室后，返回暗發(fā)酵反應(yīng)器，電滲析濃縮室產(chǎn)生的濃縮液作為光發(fā)酵反應(yīng)器進(jìn)水；

F、當(dāng)暗發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)pH值上升至4.8～5.0時(shí)關(guān)閉電源停止電滲析；

G、通過(guò)暗發(fā)酵氣體流量計(jì)和光發(fā)酵氣體流量計(jì)檢測(cè)產(chǎn)氫量，連續(xù)培養(yǎng)完成生物制氫。

所述的步驟A中曝氣時(shí)間為8～15min，進(jìn)一步優(yōu)選為10min。

本實(shí)施例中暗發(fā)酵培養(yǎng)基由葡萄糖10g，蛋白胨4g，牛肉膏2g，酵母汁1g，K2HPO41.5g，NaCl 4g，F(xiàn)eSO4·7H2O 0.08g，MgC1·6H2O 0.1g，L-半胱氨酸0.5g，0.5ml 0.2％的刃天青，微量元素液1ml，維生素液1ml和1L蒸餾水組成，其中微量元素液成分：四水氯化錳0.05mg，五水硫酸銅0.05g，六水氯化鐵5mg，六水硝酸鈷0.5mg，七水硫酸鋅1mg，硼酸1mg，蒸餾水1L；維生素液成分：煙酸0.35g，生物素0.1g，鹽酸硫胺素0.3g，泛酸鈣0.1g，對(duì)氨基苯甲酸0.2g，維生素B120.05g，鹽酸吡哆銨0.1g，蒸餾水1.0L。

本實(shí)施例中光發(fā)酵培養(yǎng)基：乙酸鈉1g，琥珀酸鈉1g,氯化銨1g，牛肉膏1g,蛋白胨0.5g,氯化鈉0.2g，七水硫酸鎂0.2g，碳酸氫鈉1.0g，無(wú)水氯化鈣0.08g，微量元素液1ml，磷酸氫二鉀0.5g，磷酸二氫鉀0.5g，L-半胱氨酸0.5g，微量元素液1ml，維生素液1ml，蒸餾水1L，pH 7.0。

暗發(fā)酵反應(yīng)器的工作體積為1200mL，光發(fā)酵反應(yīng)器的工作體積為2000ml，光照系統(tǒng)采用白熾燈光照，反應(yīng)器表面光照強(qiáng)度為150W/m2。

雙極膜電滲析裝置為二室式電滲析器，電極采用鈦鍍釕電極板(規(guī)格100×100×2mm)；電極與膜的間距為0.5cm、膜間距為3cm、單膜面積為100cm2。雙極膜和陰離子交換膜均來(lái)自分離室和濃縮室的容積均為300mL，兩極室連通，極水為5％的Na2SO4。

暗發(fā)酵反應(yīng)區(qū)的培養(yǎng)基中接入的暗發(fā)酵細(xì)菌為哈工大產(chǎn)乙醇桿菌B49(Ethanologen bacterium hit B49)，它的保藏編號(hào)為CGMCC No.1153，保藏地址為北京市朝陽(yáng)區(qū)北辰西路1號(hào)院，保藏單位為中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心，它為購(gòu)買得到，它的發(fā)酵類型為乙醇型發(fā)酵。光發(fā)酵反應(yīng)區(qū)的培養(yǎng)基中接入的光發(fā)酵細(xì)菌為專利公開號(hào)為CN102816797A，“一種增強(qiáng)光發(fā)酵細(xì)菌糞紅假單胞菌絮凝性能的方法”中所使用的糞紅假單胞(Rhodopseudomonas faecalis)RLD-53。

對(duì)實(shí)施例1中的產(chǎn)氫量進(jìn)行測(cè)試，得到如下數(shù)據(jù)：暗發(fā)酵反應(yīng)器中的暗發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫量為2640.83ml H2/L工作體積，光發(fā)酵反應(yīng)器中的光發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫量為2317.77ml H2/L工作體積，暗—光發(fā)酵耦合生物制氫工藝的比產(chǎn)氫率為4.18mol H2/mol葡萄糖。

實(shí)施例2

一種暗-光發(fā)酵耦合生物制氫工藝，包括以下步驟:

A、向暗發(fā)酵反應(yīng)器和光發(fā)酵反應(yīng)器中分別加入培養(yǎng)基，分別使用氮?dú)夂蜌鍤庀虬蛋l(fā)酵反應(yīng)器和光發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)曝氣9min排除反應(yīng)器中的空氣，再加蓋密封保持厭氧環(huán)境；

B、向暗發(fā)酵反應(yīng)器的培養(yǎng)基中按接種體積比為12％接入暗發(fā)酵細(xì)菌；

C、向光發(fā)酵反應(yīng)器的培養(yǎng)基中按接種體積比為12％接入光發(fā)酵細(xì)菌，控制光照系統(tǒng)的光強(qiáng)至120w/m2；

D、將暗—光發(fā)酵耦合生物制氫系統(tǒng)置于溫度為33～35℃的恒溫室內(nèi)；

E、當(dāng)暗發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)pH下降至4.3～4.6時(shí)，在雙極膜電滲析器兩電極間加載直流電源，暗發(fā)酵反應(yīng)器出水經(jīng)電滲析分離室后，返回暗發(fā)酵反應(yīng)器，電滲析濃縮室產(chǎn)生的濃縮液作為光發(fā)酵反應(yīng)器進(jìn)水；

F、當(dāng)暗發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)pH值上升至4.8～5.0時(shí)關(guān)閉電源停止電滲析；

G、通過(guò)暗發(fā)酵氣體流量計(jì)和光發(fā)酵氣體流量計(jì)檢測(cè)產(chǎn)氫量，連續(xù)培養(yǎng)完成生物制氫。

實(shí)施例3

一種暗-光發(fā)酵耦合生物制氫工藝，包括以下步驟:

A、向暗發(fā)酵反應(yīng)器和光發(fā)酵反應(yīng)器中分別加入培養(yǎng)基，分別使用氮?dú)夂蜌鍤庀虬蛋l(fā)酵反應(yīng)器和光發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)曝氣15min排除反應(yīng)器中的空氣，再加蓋密封保持厭氧環(huán)境；

B、向暗發(fā)酵反應(yīng)器的培養(yǎng)基中按接種體積比為8％接入暗發(fā)酵細(xì)菌；

C、向光發(fā)酵反應(yīng)器的培養(yǎng)基中按接種體積比為8％接入光發(fā)酵細(xì)菌，控制光照系統(tǒng)的光強(qiáng)至165w/m2；

D、將暗—光發(fā)酵耦合生物制氫系統(tǒng)置于溫度為33～35℃的恒溫室內(nèi)；

E、當(dāng)暗發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)pH下降至4.3～4.6時(shí)，在雙極膜電滲析器兩電極間加載直流電源，暗發(fā)酵反應(yīng)器出水經(jīng)電滲析分離室后，返回暗發(fā)酵反應(yīng)器，電滲析濃縮室產(chǎn)生的濃縮液作為光發(fā)酵反應(yīng)器進(jìn)水；

F、當(dāng)暗發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)pH值上升至4.8～5.0時(shí)關(guān)閉電源停止電滲析；

G、通過(guò)暗發(fā)酵氣體流量計(jì)和光發(fā)酵氣體流量計(jì)檢測(cè)產(chǎn)氫量，連續(xù)培養(yǎng)完成生物制氫。

實(shí)施例4

一種暗-光發(fā)酵耦合生物制氫工藝，包括以下步驟:

A、向暗發(fā)酵反應(yīng)器和光發(fā)酵反應(yīng)器中分別加入培養(yǎng)基，分別使用氮?dú)夂蜌鍤庀虬蛋l(fā)酵反應(yīng)器和光發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)曝氣8min排除反應(yīng)器中的空氣，再加蓋密封保持厭氧環(huán)境；

B、向暗發(fā)酵反應(yīng)器的培養(yǎng)基中按接種體積比為12％接入暗發(fā)酵細(xì)菌；

C、向光發(fā)酵反應(yīng)器的培養(yǎng)基中按接種體積比為10％接入光發(fā)酵細(xì)菌，控制光照系統(tǒng)的光強(qiáng)至150w/m2；

D、將暗—光發(fā)酵耦合生物制氫系統(tǒng)置于溫度為33～35℃的恒溫室內(nèi)；

E、當(dāng)暗發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)pH下降至4.3～4.6時(shí)，在雙極膜電滲析器兩電極間加載直流電源，暗發(fā)酵反應(yīng)器出水經(jīng)電滲析分離室后，返回暗發(fā)酵反應(yīng)器，電滲析濃縮室產(chǎn)生的濃縮液作為光發(fā)酵反應(yīng)器進(jìn)水；

F、當(dāng)暗發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)pH值上升至4.8～5.0時(shí)關(guān)閉電源停止電滲析；

G、通過(guò)暗發(fā)酵氣體流量計(jì)和光發(fā)酵氣體流量計(jì)檢測(cè)產(chǎn)氫量，連續(xù)培養(yǎng)完成生物制氫。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。