一种塔式光合细菌连续产氢反应系统及其产氢方法 |
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| 申请号 | CN201510997545.9 | 申请日 | 2015-12-25 | 公开(公告)号 | CN105543079A | 公开(公告)日 | 2016-05-04 |
| 申请人 | 河南农业大学; | 发明人 | 张全国; 路朝阳; 王毅; 周雪花; 荆艳艳; 张志萍; 李亚猛; 陈笑; 刘会亮; 王宝山; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种塔式光合细菌连续产氢反应系统及其产氢方法，目的在于解决 现有技术 中制氢反应器体积大而导致的光照度衰减过大、 温度 差异大、产氢工艺条件不精确、产氢效率低的问题。系统包括进料箱、进料 泵 、若干中空板式产氢反应器、 支撑 柱、 LED灯 带、气液分离箱、储气箱和废液收集箱。本发明涉及 生物 质 光合制氢的技术领域，系统设计合理、简单易行，能够实现制氢反应器内部光照度和温度与实验要求值保持一致，提高产氢工艺条件精确度和产氢效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种塔式光合细菌连续产氢反应系统，其特征在于：包括多个透光的中空板式产氢反应器；所有产氢反应器沿竖向依次对应排列呈塔状；每两个相邻的产氢反应器之间通过中央管道相连通，中央管道的顶端连通于位于上方的产氢反应器的底部中心位置，末端则连通于位于下方的产氢反应器的顶部中心位置；每个产氢反应器的顶面设有照明装置；位于最底层的产氢反应器底部连通于至少一个进料泵，而所述进料泵则连通于至少一个进料箱；位于最顶层的产氢反应器的顶部连通于至少一个气液分离箱，所述气液分离箱的顶部连通于至少一个储气箱，而气液分离箱的一侧则连通于废液收集箱。 |
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| 说明书全文 | 一种塔式光合细菌连续产氢反应系统及其产氢方法技术领域背景技术[0002] 能源是工业化高速发展的原动力，是支持社会经济快速发展的核心因素和战略资源。随着社会资源需求量的迅猛增长，地球上可利用的不可再生资源越来越少，环境也越来越差，从而开发新的能源和缓解环境污染成为当下社会迫切需要解决的问题。氢能因其能量密度高、安全环保、便于运输、可再生等诸多特性，被誉为“未来的能源”。 [0003] 目前我国制氢市场几乎被化石燃料物理化学法制氢和电解水法制氢垄断，生物制氢尚处于起步阶段。生物制氢的研究多集中于原料预处理、高效菌种富集、产氢工艺条件优化以及产氢反应器的设计等方面。光照在光合细菌产氢反应液中随着透射距离增大衰减现象明显，反应液中温度也会随着产氢装置的增大而与实验设置温度差异越来越大，这就限制了光合细菌产氢装置的规模扩大，进而严重制约了光合制氢的规模化发展。 发明内容[0004] 针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种塔式光合细菌连续产氢反应系统及其产氢方法，通过采用多个中空板式产氢反应器，并使生物质秸秆酶解液和光合细菌混合形成的反应液从下向上依次流动循环，使得每层产氢反应器中产生的氢气带动反应液流动，每个产氢反应器内的浓度、温度均匀；且每个产氢反应器均配置照明装置，负责每个产氢反应器内的产氢的光照，避免光照在光合细菌产氢反应液中随着透射距离增大衰减现象明显的问题。 [0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： [0006] 一种塔式光合细菌连续产氢反应系统，包括多个透光的中空板式产氢反应器；所有产氢反应器沿竖向依次对应排列呈塔状；每两个相邻的产氢反应器之间通过中央管道相连通，中央管道的顶端连通于位于上方的产氢反应器的底部中心位置，末端则连通于位于下方的产氢反应器的顶部中心位置；每个产氢反应器的顶面设有照明装置；位于最底层的产氢反应器底部连通于至少一个进料泵，而所述进料泵则连通于至少一个进料箱；位于最顶层的产氢反应器的顶部连通于至少一个气液分离箱，所述气液分离箱的顶部连通于至少一个储气箱，而气液分离箱的一侧则连通于废液收集箱。 [0008] 更进一步地，所述LED灯带呈等距同心圆排列。 [0009] 进一步地，所述产氢反应器的底面为圆形平面，顶面则为由外向内逐渐增高的斜面。 [0010] 进一步地，所述产氢反应器主要由有机玻璃制成。 [0011] 进一步地，所述进料泵为恒流泵。 [0012] 进一步地，还包括至少两根支撑柱，每个产氢反应器均连接于所述支撑柱。 [0013] 利用上述塔式光合细菌连续产氢反应系统的产氢方法包括如下步骤： [0014] S1按一定比例往进料箱内加入光合细菌和生物质秸秆酶解液，混合得到反应液，然后接通电源，则进料泵和LED灯带开启；生物质秸秆酶解液是利用纤维素酶将生物质秸秆进行酶解后得到的上清液，其中含有还原糖； [0015] S2进料箱中的反应液在进料泵的作用下首先进入位于最底层的产氢反应器，并从下往上流动并充满各个产氢反应器，每个产氢反应器内反应液中的光合细菌在相应产氢反应器所设的LED灯带的光照作用下利用生物质秸秆酶解液进行光合产氢； [0016] S3每个产氢反应器内产生的氢气在浮力作用下，从外侧向中间流动，并从下部向上部流动，带动产氢反应器内上层反应液由外向内运动，下层反应液由内向外运动，从而实现产氢反应器中反应液自我搅拌； [0017] S4各个产氢反应器内产生的氢气在浮力作用下从下向上经过各个产氢反应器并进入气液分离箱中，并经过气液分离箱的进入储气箱；反应液也在进料泵的作用下后经由位于最顶层的产氢反应器进入到气液分离箱，并从气液分离箱一侧流入到废液收集箱。 [0018] 进一步地，步骤S1所加入的光合细菌，为以对数期后期的光合细菌进行接种，以30％细菌接种量和70％的生长培养基，在光照强度为3000lx、温度为30℃条件下进行培养得到的。 [0019] 进一步地，步骤S1中，所述进料泵采用恒流泵，通过调整进料泵的流速，使系统的水力滞留时间为30-36h，使得不断补充处于生长期的光合细菌，排出衰亡的光合细菌，确保产氢反应器中光合细菌保持最佳生理状态。 [0020] 本发明的有益效果在于： [0021] 1、采用多个中空板式产氢反应器并从上往下分层排列，每个产氢反应器进行独立产氢，使得在保持了产氢量的同时，避免了大型产氢反应器所存在的内部温度、光照度不均的问题； [0022] 2、通过进料箱、进料泵、产氢反应器和气液分离箱、废液收集箱等的设置和连接，实现连续产氢； [0023] 3、为每个产氢反应器均配置一个照明装置，避免了大型产氢反应器中光照在光合细菌产氢反应液中随着透射距离增大衰减现象明显的问题； [0024] 4、进一步将照明装置设计为以中央管道为圆心的一系列同心圆LED灯带，使得产氢反应器双侧光照，布光均匀； [0025] 5、氢气在浮力作用下由外向内，由下向上浮动，带动中空板式产氢反应器内上层反应液由外向内运动，下层反应液由内向外运动，从而实现产氢反应器中反应液自我搅拌，使得光合细菌和生物质秸秆酶解液充分混合，保证了板式反应器中反应液温度均匀，浓度一致，促进了生物质秸秆酶解液和光合细菌充分接触；同时，提高了反应效率，不设置搅拌器，降低能耗； [0026] 6、通过进一步采用恒流泵作为进料泵，使得可以通过调整恒流泵流速，使装置水力滞留时间为30-36h，不断补充处于生长期的光合细菌，排出衰亡的光合细菌，确保反应器中光合细菌保持最佳生理状态； [0027] 7、缩短了产氢反应器中心位置与外界的距离，增大了产氢反应器表面积，加快了热传递，从而使产氢反应器内部温度更好的与外界温度保持一致，确保产氢反应器内温度与实验设计值一致，提高实验精确度； [0029] 图1为本发明实施例的整体结构示意图； [0030] 图2为图1中的产氢反应器的俯视结构示意图； [0031] 图3为图1中的产氢反应器的正面截面示意图。 具体实施方式[0032] 以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。 [0033] 如图1-3所示，一种塔式光合细菌连续产氢反应系统，包括多个透光的中空板式产氢反应器，在本实施例中，采用四个中空板式产氢反应器。所有产氢反应器竖向依次对应排列呈塔状，图1中由下往上依次为第一产氢反应器7、第二产氢反应器6、第三产氢反应器5和第四产氢反应器4。 [0034] 每两个相邻的产氢反应器之间通过中央管道13相连通，中央管道13的顶端连通于位于上方的产氢反应器的底部中心位置，末端则连通于位于下方的产氢反应器的顶部中心位置。 [0035] 每个产氢反应器的顶面设有照明装置3。 [0036] 作为优选方案，每个产氢反应器顶面所设的照明装置3包括以中央管道13为圆心的一系列同心圆LED灯带。进一步地，作为一种优选方案，LED灯带以等距同心圆的方式进行排列。 [0037] 在本实施例中，如图2、图3所示，所述LED灯带包括内侧LED灯带33和外侧LED灯带32，直径分别为125mm和250mm，可以根据需要继续增加LED灯带，并以直径375mm、500mm等直径进行设置。另外，内外侧LED灯带33和32可以通过支点31进行支撑，并通过LED灯带输电线 8进行电连接。 [0038] 位于最底层的第一产氢反应器7底部通过输液管连通于进料泵10，而所述进料泵10则通过管道连通于进料箱11。位于最顶层的第四产氢反应器4的顶部通过管道连通于气液分离箱2，所述气液分离箱2的顶部通过输气管连通于储气箱1，而气液分离箱2的一侧则通过管道连通于废液收集箱12。 [0039] 作为一种实施例，产氢反应器边缘高度为100mm，产氢反应器之间有10mm的间距。而中央管道高度为120mm，直径为40mm。 [0040] 作为优选方案，所述产氢反应器的底面为圆形平面，顶面则为由外向内逐渐增高的斜面。作为一种实施例，所述圆形平面的直径设为1000mm。 [0041] 作为优选方案，所述产氢反应器主要由有机玻璃制成。 [0042] 作为优选方案，所述气液分离箱2的一侧则通过管道连通于所述废液收集箱12的顶部。 [0043] 作为优选方案，所述进料泵10为恒流泵。 [0044] 作为优选方案，还包括支撑柱9，每个产氢反应器均连接于所述支撑柱9。 [0045] 利用上述塔式光合细菌连续产氢反应器的产氢方法包括如下步骤： [0046] S1按一定比例往进料箱内加入光合细菌和生物质秸秆酶解液，混合得到反应液，然后接通电源，则进料泵和LED灯带开启；生物质秸秆酶解液为将生物质的秸秆利用纤维素酶进行酶解后得到的上清液，其中含有还原糖。生物质秸秆在纤维素酶的作用下可以将秸秆中的纤维素和半纤维素转化为还原糖，光合细菌在LED灯带的光照作用下，可以利用还原糖进行光合产氢。 [0047] S2进料箱中的反应液在进料泵的作用下首先进入位于最底层的产氢反应器，并从下往上流动并充满各个产氢反应器，每个产氢反应器内反应液中的光合细菌在相应产氢反应器所设的LED灯带的光照作用下利用生物质秸秆酶解液中的还原糖进行光合产氢； [0048] S3每个产氢反应器内产生的氢气在浮力作用下，从外侧向中间流动，并从下部向上部流动，带动产氢反应器内上层反应液由外向内运动，下层反应液由内向外运动，从而实现产氢反应器中反应液自我搅拌； [0049] S4各个产氢反应器内产生的氢气在浮力作用下从下向上经过各个产氢反应器并进入气液分离箱中，并经过气液分离箱的进入储气箱；反应液也在进料泵的作用下后经由位于最顶层的产氢反应器进入到气液分离箱，并从气液分离箱一侧流到废液收集箱。 [0050] 进一步地，步骤S1所加入的光合细菌，为以对数期后期的光合细菌进行接种，以30％细菌接种量和70％的生长培养基，在光照强度为3000lx、温度为30℃条件下进行培养得到的。 [0051] 在本实施例中，光合细菌采用河南农业大学农业部可再生能源新材料与装备重点试验室提供的野外驯化而来的HAU-M1光合产氢细菌，经鉴定，该菌种由深红红螺菌(Rhodospirillum rubrum)27％、荚膜红假单胞菌(R.capsulata)25％、沼泽红假单胞菌(R.pulastris)28％、类球红细菌(Rhodobacter sphaeroides)9％、荚膜红细菌(Rhodobacter capsulatus)11％等。 [0052] 进一步地，步骤S1中，所述进料泵采用恒流泵，通过调整进料泵的流速，使系统的水力滞留时间为30-36h，使得不断补充处于生长期的光合细菌，排出衰亡的光合细菌，确保产氢反应器中光合细菌保持最佳生理状态。 |
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