專利名稱:一種利用海水養(yǎng)殖有機(jī)質(zhì)的廢棄物制取氫氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微生物制氫技術(shù)，具體地說是一種利用海水養(yǎng)殖有機(jī)質(zhì)的廢棄物制取氫氣的方法。
背景技術(shù)：
氫氣是高效、清潔、可再生的能源，在全球能源系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展中將起到顯著作用，并將對全球生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響。氫本身是可再生的，在燃燒時(shí)只生成水，不產(chǎn)生任何污染物，甚至也不產(chǎn)生CO2，可以實(shí)現(xiàn)真正的“零排放”。此外，氫與其它含能物質(zhì)相比，還具有一系列突出的優(yōu)點(diǎn)；氫的能量密度高，是普通汽油的2.68倍；用于貯電時(shí)，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能目前已有可能超過其它各類貯電技術(shù)；將氫轉(zhuǎn)換為動力，熱效率比常規(guī)化石燃料高30-60％，如作為燃料電池的燃料，效率可高出一倍；氫適于管道運(yùn)輸，可以和天然氣輸送系統(tǒng)共用；在各種能源中，氫的輸送成本最低，損失最小，優(yōu)于輸電。氫與燃料電池相結(jié)合可提供一種高效、清潔、無傳動部件、無噪聲的發(fā)電技術(shù)。小型的低溫固體離子交換膜燃料電池可用在汽車和火車機(jī)車上；氫也能直接作為發(fā)動機(jī)的燃料，日本已開發(fā)了幾種型號的氫能車。預(yù)計(jì)到21世紀(jì)初，燃?xì)浒l(fā)動機(jī)將在汽車、機(jī)車、飛機(jī)等交通工具的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。氫能作為“二次能源”，國際上的氫能制備來自于礦石燃料、生物質(zhì)和水工藝，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)法制氫和生物制氫等。
傳統(tǒng)的制氫工藝有電解水；烴類水蒸汽重整制氫及重油(或渣油)部分氧化重整制氫。電解水制氫是目前應(yīng)用較廣、且比較成熟的方法之一。水為原料制氫工程是氫與氧燃燒生成水的逆過程，因此只要提供一定形式的能量，則可使水分解成氫氣和氧氣。提供電能使水分解制得的氫氣的效率一般在75％-85％。其中工藝過程簡單，無污染，但消耗電量大，因此其應(yīng)用受到一定的限制。目前電解水的工藝、設(shè)備均在不斷的改進(jìn)，但電解水制氫能耗仍然很高。烴類水蒸汽重整制氫反應(yīng)是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)需外部供熱；熱效率較低，反應(yīng)溫度較高，反應(yīng)過程中水大量過量，能耗較高，造成資源的浪費(fèi)。重油氧化制氫重整方法，反應(yīng)溫度較高，制得的氫純度低，也不利于能源的綜合利用。除了生物制氫技術(shù)外，其它的制氫技術(shù)都要消耗大量的化石能源，而且也會在生產(chǎn)過程中造成環(huán)境污染，所以采用生物制氮技術(shù)，減少環(huán)境污染，節(jié)約不可再生能源，將成為未來能源制備技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。
現(xiàn)有的生物制氫過程用藻類或者藍(lán)細(xì)菌的生物光解水法，該方法用光解水產(chǎn)生H2和O2，氫釋放量在氮?dú)庵凶罡?。生物光裂解水產(chǎn)氫是理想制氫途徑，但藍(lán)細(xì)菌和綠藻作為產(chǎn)氫來源似乎并不合適，因?yàn)樵诠夂戏艢渫瑫r(shí)，伴隨氧的釋放，除產(chǎn)氫效率較低外，如何解決放氫酶遇氧失活是該技術(shù)應(yīng)解決的關(guān)鍵問題。采用連續(xù)不斷地提供氬氣以維持較低氧分壓和光照黑暗交替循環(huán)方法用于實(shí)驗(yàn)研究尚可，但較難實(shí)用化。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種利用海水養(yǎng)殖有機(jī)質(zhì)的廢棄物制取氫氣的方法，該技術(shù)突破了生物制氫技術(shù)必須采用純菌種和固定技術(shù)的局限，開創(chuàng)了利用非固定化菌種生產(chǎn)氫氣的新途徑，充分利用不同產(chǎn)氫菌及其互生菌的混合培養(yǎng)，使代謝產(chǎn)物不易積累，為彼此之間創(chuàng)造生存環(huán)境，多種菌株代謝活性充分發(fā)揮起來，以達(dá)到最佳的產(chǎn)氫效果，提高產(chǎn)氫能力，增加產(chǎn)氫量。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種利用海水養(yǎng)殖有機(jī)質(zhì)的廢棄物制取氫氣的方法，具體步驟如下①收集廢水處理池的泥樣，置于發(fā)酵罐或光反應(yīng)器中；所述廢水處理池的泥樣來源于海水動物養(yǎng)殖廠的底泥和/或海水網(wǎng)箱養(yǎng)魚所使用網(wǎng)箱架上的廢泥；②將光合細(xì)菌和非光合異養(yǎng)細(xì)菌接種于收集泥樣的發(fā)酵罐或光反應(yīng)器中進(jìn)行發(fā)酵5-10天，直至產(chǎn)生氫氣；
③將上述產(chǎn)生的氫氣儲存到儲藏罐或儲氫材料罐中備用。
所述的光合細(xì)菌和非光合異養(yǎng)細(xì)菌是從海水動物養(yǎng)殖廠的底泥、富營養(yǎng)化的海水及海水網(wǎng)箱養(yǎng)魚所使用網(wǎng)箱架上的廢物、深海海底底泥、城市生活廢水下水道入?？谔幍牡啄?、近岸海水底泥、餌料中分離出的；所述異養(yǎng)細(xì)菌包含梭菌、腸桿菌、紅螺菌、紅假單胞菌、芽孢桿菌、脫硫弧菌和產(chǎn)甲烷菌；發(fā)酵過程細(xì)菌的接種量為泥樣重量的0.1-0.5％；所述發(fā)酵罐或光反應(yīng)器的體積可為100m&sup3，溫度為25-38℃，可持續(xù)產(chǎn)氫10-15天，每天可產(chǎn)550-625m&sup3氫氣。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明突破了生物制氫技術(shù)必須采用純菌種和固定技術(shù)的局限，開創(chuàng)了利用非固定化菌種生產(chǎn)氫氣的新途徑，充分利用不同產(chǎn)氫菌及其互生菌的混合培養(yǎng)，使代謝產(chǎn)物不易積累，為彼此之間創(chuàng)造生存環(huán)境，多種菌株代謝活性充分發(fā)揮起來，以達(dá)到最佳的產(chǎn)氫效果，提高產(chǎn)氫能力，增加產(chǎn)氫量，發(fā)酵制取氫氣的優(yōu)勢。
2.成本低。本發(fā)明用含有豐富的有機(jī)物海水底泥或富營養(yǎng)的海水為營養(yǎng)基，培養(yǎng)分離的混合菌群，進(jìn)行放氫；利用海水養(yǎng)殖有機(jī)質(zhì)的廢棄物制取氫氣，成本低廉。
3.專性利用海水養(yǎng)殖有機(jī)廢泥產(chǎn)生氫氣。目前在淡水有機(jī)廢泥(如城市下水道的有機(jī)污泥)為基質(zhì)進(jìn)行放氫所用的菌種均為淡水性的，不適合在海水性的有機(jī)質(zhì)中進(jìn)行生長和代謝。而且，目前中國的海水養(yǎng)殖規(guī)模龐大，由此產(chǎn)生大量的有機(jī)廢物，造成嚴(yán)重的環(huán)境的污染，將其變廢為寶，意義重大。
圖1為本發(fā)明的反應(yīng)工藝流程圖；圖中1為廢水處理池，2為發(fā)酵罐或光反應(yīng)器中有機(jī)基質(zhì)，3為氫氣儲藏罐或儲氫材料罐，4為氫氣使用裝置，5為發(fā)酵罐或光反應(yīng)器，6為養(yǎng)殖池。
具體實(shí)施方式下面舉例對本發(fā)明進(jìn)行說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不僅局限于以下實(shí)施例中。
實(shí)施例1具體步驟如下1)收集海水動物養(yǎng)殖廠的底泥和富營養(yǎng)化的海水及海水網(wǎng)箱養(yǎng)魚所使用網(wǎng)箱架上的廢物，存放于廢水處理池中，取廢水處理池的泥樣置于發(fā)酵罐中，發(fā)酵罐的體積為100m&sup3；2)將光合細(xì)菌和非光合異養(yǎng)細(xì)菌接種于收集泥樣的發(fā)酵罐中，接種量為泥樣重量的0.5％，溫度為32-38℃，進(jìn)行發(fā)酵5天，直至產(chǎn)生氫氣；每天可產(chǎn)550-625m&sup3氫氣，可持續(xù)產(chǎn)氫15天；所述的異養(yǎng)細(xì)菌包含梭菌、腸桿菌、紅螺菌、紅假單胞菌、芽孢桿菌、脫硫弧菌和產(chǎn)甲烷菌；以上光合細(xì)菌和非光合異養(yǎng)細(xì)菌均可以通過商業(yè)途徑購買獲得，其中所述的各類細(xì)菌菌種已在現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中大量報(bào)導(dǎo)，并廣為使用；梭菌，如酪酸梭菌(Clostridium butyricum)(Karube I.，Matsunaga T.，Tsuru S.，et al.Continuous hydrogen production by immobilized whole cells of Clostridiumbutyricum.Biochim.Biophys.Acta.1976.444338-343)、污水梭菌(C.deflucill)(陳雙雅，東秀珠.一個(gè)新的產(chǎn)氫細(xì)菌的鑒定及產(chǎn)氫特性的研究.微生物學(xué)報(bào).2004，44411-416)、巴氏醋梭菌(C.pasteurianum)(Brosseau J.P.，ZajicJ.E.，Hydrogen gas production with citrobacter intermedius and Clostridiumpasteurianum.J.Chem.Tech.Biotechnol.1982.32496-502)；腸桿菌，如產(chǎn)氣腸桿菌(Enterobacter aerogenes)(Yokoi H.，Ohkawara T.，Hirose J.et al.Characteristics of hydrogen production by aciduric Enterobacteraerogenes strain HO-39.J.Ferment Bioeng.1995，80571-574)紅細(xì)菌，如莢膜紅細(xì)菌(Rhodobacter spharoides)(Eroglu I，Aslan K.GunduzU.et al.Substrate consumption rates for hydrogen production by Rhodobacterspharoides in a colum photobioreactor.[J].J.Biotechnology.1999.70103-113)(Asikalak Ramana C.H.Regulation of simultaneous hydrogen photoproductionduring grow by pH and glutamate in Rhodobacter spharoides.[J].J.HydrogenEnergy.1995.20123-126)；紅卵菌，廣海小紅卵菌(Rhodovulumeury halinum)(谷志靜，陳錫時(shí)，韓士杰，等。海洋光合細(xì)菌RX菌煮的分離鑒定與生物學(xué)特性研究，西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，3247-52)紅假單胞菌，沼澤紅假單胞菌(Rhdodspeudomonas palustris)(朱核光，趙琦琳，史家梁。光合細(xì)菌Rhdodspeudomonas產(chǎn)氫的影響因子實(shí)驗(yàn)研究，應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1997；2107-112)，(朱勵(lì)華，韓茵，陳勃，等，海洋光合細(xì)菌生產(chǎn)性培養(yǎng)技術(shù)研究，浙江水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，17(1)6-12)等等3)將上述產(chǎn)生的氫氣儲存到儲藏罐中備用。
實(shí)施例2具體步驟如下1)收集海水動物養(yǎng)殖廠的底泥和富營養(yǎng)化的海水及海水網(wǎng)箱養(yǎng)魚所使用網(wǎng)箱架上的廢物，存放于廢水處理池中，取廢水處理池的泥樣置于光反應(yīng)器中；光反應(yīng)器的體積為100m&sup3；2)將光合細(xì)菌和非光合異養(yǎng)細(xì)菌接種于收集泥樣的光反應(yīng)器中，接種量為泥樣重量的0.2％，溫度為25-30℃，進(jìn)行發(fā)酵10天，直至產(chǎn)生氫氣；每天可產(chǎn)550-625m&sup3氫氣，可持續(xù)產(chǎn)氫14天；所述的異養(yǎng)細(xì)菌包含梭菌、腸桿菌、紅螺菌、紅假單胞菌、芽孢桿菌、脫硫弧菌和產(chǎn)甲烷菌；以上光合細(xì)菌和異養(yǎng)細(xì)菌均可以通過常規(guī)的分離手段獲得，本實(shí)例的光合細(xì)菌和非光合細(xì)菌是從海水動物養(yǎng)殖廠的底泥、富營養(yǎng)化的海水及海水網(wǎng)箱養(yǎng)魚所使用網(wǎng)箱架上的廢物、深海海底底泥、城市生活廢水下水道入?？谔幍牡啄唷⒔逗Ｋ啄?、餌料中分離出的，其中的異養(yǎng)細(xì)菌包含梭菌、腸桿菌、紅螺菌、紅假單胞菌、芽孢桿菌、脫硫弧菌和產(chǎn)甲烷菌；(陳明耀主編.生物餌料培養(yǎng).中國農(nóng)業(yè)出版社.北京.1997，3-22).其分離過程如下①.采樣從海底底泥、河底、湖底或污水處用采水器或采泥器取少量泥土或水樣；②.富集培養(yǎng)將上述樣品溶于適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)液中，厭氣環(huán)境，適當(dāng)光照和溫度下進(jìn)行富集培養(yǎng)；③.分離純化取約100-200μl上述富集的培養(yǎng)液于含選擇性培養(yǎng)基的平板上，用涂布器涂布使其分布均勻。待平板上長出單菌落后，挑取單菌落在含同樣培養(yǎng)基的平板上劃線，進(jìn)行純化，然后進(jìn)行菌種的鑒定。
3)將上述產(chǎn)生的氫氣儲存到儲氫材料罐中備用。
權(quán)利要求
1.一種利用海水養(yǎng)殖有機(jī)質(zhì)的廢棄物制取氫氣的方法，其特征在于具體步驟如下，①收集廢水處理池的泥樣，置于發(fā)酵罐或光反應(yīng)器中；所述廢水處理池的泥樣來源于海水動物養(yǎng)殖廠的底泥和/或海水網(wǎng)箱養(yǎng)魚所使用網(wǎng)箱架上的廢物；②將光合細(xì)菌和非光合異養(yǎng)細(xì)菌接種于收集泥樣的發(fā)酵罐或光反應(yīng)器中進(jìn)行發(fā)酵5-10天，直至產(chǎn)生氫氣；③將上述產(chǎn)生的氫氣儲存到儲藏罐或儲氫材料罐中備用。
2.按照權(quán)利要求
1所述的海水養(yǎng)殖有機(jī)質(zhì)的廢棄物制取氫氣的方法，其特征在于所述的光合細(xì)菌和非光合異養(yǎng)細(xì)菌是從海水動物養(yǎng)殖廠的底泥、富營養(yǎng)化的海水及海水網(wǎng)箱養(yǎng)魚所使用網(wǎng)箱架上的廢物、深海海底底泥、城市生活廢水下水道入?？谔幍牡啄?、近岸海水底泥、餌料中分離出的。
3.按照權(quán)利要求
1所述的海水養(yǎng)殖有機(jī)質(zhì)的廢棄物制取氫氣的方法，其特征在于所述發(fā)酵過程細(xì)菌的接種量為泥樣重量的0.1-0.5％。
4.按照權(quán)利要求
1所述的海水養(yǎng)殖有機(jī)質(zhì)的廢棄物制取氫氣的方法，其特征在于所述發(fā)酵罐或光反應(yīng)器的體積為100m&sup3，溫度為25-38℃，可持續(xù)產(chǎn)氫10-15天，每天可產(chǎn)550-625m&sup3氫氣。
5.據(jù)權(quán)利要求
2所述的海水養(yǎng)殖有機(jī)質(zhì)的廢棄物制取氫氣的方法，其特征在于所述的細(xì)菌菌種包含梭菌、腸桿菌、紅螺菌、紅假單胞菌、芽孢桿菌、脫硫弧菌和產(chǎn)甲烷菌。
專利摘要
本發(fā)明涉及微生物制氫技術(shù)，具體地說是一種利用海水養(yǎng)殖有機(jī)質(zhì)的廢棄物制取氫氣的方法，收集廢水處理池的泥樣，置于發(fā)酵罐或光反應(yīng)器中；將光合細(xì)菌和非光合異養(yǎng)細(xì)菌接種于收集泥樣的發(fā)酵罐或光反應(yīng)器中進(jìn)行發(fā)酵5－10天，直至產(chǎn)生氫氣；將上述產(chǎn)生的氫氣儲存到儲藏罐或儲氫材料罐中備用。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為突破了生物制氫技術(shù)必須采用純菌種和固定技術(shù)的局限，開創(chuàng)了利用非固定化菌種生產(chǎn)氫氣的新途徑，充分利用不同產(chǎn)氫菌及其互生菌的混合培養(yǎng)，使代謝產(chǎn)物不易積累，為彼此之間創(chuàng)造生存環(huán)境，多種菌株代謝活性充分發(fā)揮起來，提高產(chǎn)氫能力，增加產(chǎn)氫量。
文檔編號C12R1/01GK1990872SQ200510136708
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月27日
發(fā)明者王廣策, 張寶玉, 周百成 申請人:中國科學(xué)院海洋研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan