專利名稱：暗-光發(fā)酵偶聯(lián)制氫的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物能源技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及利用天然微生物群落作為產(chǎn)氫菌源， 以含碳有機(jī)廢棄物，尤其是廚余垃圾和乙醇發(fā)酵廢水等廢棄生物質(zhì)為原料，通過(guò) 暗發(fā)酵和光發(fā)酵偶聯(lián)來(lái)制取氫氣的清潔生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
目前作為全球經(jīng)濟(jì)動(dòng)脈的化石燃料(石油、天然氣和煤炭)的儲(chǔ)量非常有限， 而且化石能源的使用是環(huán)境污染及溫室效應(yīng)的主要原因。開(kāi)發(fā)可再生清潔能源已 勢(shì)在必行。
氫氣與傳統(tǒng)的能源相比，具有能量密度高(為汽油的3倍)、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱 轉(zhuǎn)化效率高、輸送成本低等優(yōu)點(diǎn)，可采用氣體、液體、固體或化合物的形式儲(chǔ)存 和運(yùn)輸。氫氣作為一種清潔能源，在燃燒過(guò)程中只生成水，不產(chǎn)生溫室氣體和其 他污染物；而且氫氣還是航空航天，電動(dòng)機(jī)車、現(xiàn)代城市公共交通工具的理想燃 料。
目前氫氣的制備主要是采用烴類水蒸汽重蒸、高溫下生物質(zhì)的氣化及水的電 解或光電解等傳統(tǒng)制氫方法，其中96%的氫氣仍然直接來(lái)源于化石能源。這些方 法在制氫過(guò)程中無(wú)法從根本上擺脫對(duì)化石能源的依賴，也無(wú)法避免對(duì)環(huán)境的危 害。在自然界中，許多微生物可以在其代謝過(guò)程中將各種生物質(zhì)中碳水化合物的 氫質(zhì)子轉(zhuǎn)化為氫氣，以微生物的這種代謝特性為基礎(chǔ)形成的生物制氫技術(shù)，具有 常溫、常壓、能耗低、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，將成為未來(lái)制取氫氣的主流方法。
如何降低產(chǎn)氫成本是生物產(chǎn)氫技術(shù)面臨的重要課題。以廢棄生物質(zhì)為原料進(jìn) 行生物產(chǎn)氫，不僅是降低生物產(chǎn)氫成本的重要途徑，對(duì)環(huán)境保護(hù)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā) 展也具有重要意義。黑暗厭氧發(fā)酵(暗發(fā)酵)產(chǎn)氫途徑，特別是以天然混合菌群為 接種物，具有產(chǎn)氫速率快、在工藝設(shè)計(jì)方面比較簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，在利用廢棄生物質(zhì) 產(chǎn)氫的研究中倍受關(guān)注。例如利用土豆加工廠廢水暗發(fā)酵產(chǎn)氫(Steven W Van, Sang-Eim Oh, Bruce E. Log肌Biohydrogen gas production from food processing and domestic wastewaters. Int J Hydrogen energy30 (2005))、酉良
酒廠酒糟產(chǎn)氫(Yao-Ting Fan, Gao-sheng Zhang et aL Biohydrogen-production from beer lees biomass by cow dung compost. Biomass and Bioenergy 30(2006))，以及檸檬酸生產(chǎn)廢水中的碳水化合物和城市固體垃圾等廢棄生物質(zhì) 的暗發(fā)酵產(chǎn)氫。這些暗發(fā)酵產(chǎn)氫結(jié)果表明，由于生物質(zhì)的暗發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程，除了 產(chǎn)生氫氣和二氧化碳以外，還生成了以乙酸和丁酸為主的大量有機(jī)酸。因此，僅 僅采用暗發(fā)酵使廢棄生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氫氣的效率恨低，如Steven W Van報(bào)道土豆廠 廢水產(chǎn)氫140mlH2/g-COD; Sang-Hyoum Kim報(bào)道生活垃圾產(chǎn)氫122. 9ml H2/g-COD. 如果這些暗發(fā)酵液中大量有機(jī)酸不被應(yīng)用，不僅會(huì)造成資源的浪費(fèi)，而且會(huì)帶來(lái) 嚴(yán)重的環(huán)境污染。
光合細(xì)菌可以高效率利用低分子有機(jī)酸，將它們徹底降解為氫氣和二氧化 碳。暗-光偶聯(lián)產(chǎn)氫不僅可以大幅度提高底物向氫能的轉(zhuǎn)化效率，還可以降低發(fā) 酵液中的C0D，達(dá)到清潔排放標(biāo)準(zhǔn)。
為了解決現(xiàn)有的黑暗發(fā)酵產(chǎn)氫方法所存在的底物轉(zhuǎn)化效率低、制氫成本高， 暗發(fā)酵產(chǎn)生的有機(jī)酸不能被利用、環(huán)境污染等問(wèn)題，本領(lǐng)域還需要提供新的工藝 和技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高效率利用含碳有機(jī)廢棄物為底物進(jìn)行生物制氫 的清潔生產(chǎn)工藝和技術(shù)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種暗-光發(fā)酵偶聯(lián)產(chǎn)生氫氣的方法，該方 法包括以下步驟-
(a) 以含碳有機(jī)廢棄物為發(fā)酵底物，用經(jīng)預(yù)處理的牲畜糞天然堆肥的混合菌 群進(jìn)行黑暗發(fā)酵，產(chǎn)生氫氣和含有有機(jī)酸的發(fā)酵液；
(b) 用光合細(xì)菌對(duì)步驟(a)所產(chǎn)生的有機(jī)酸的發(fā)酵液進(jìn)行光厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生氫氣。
在一個(gè)較佳的實(shí)施方案中，所述預(yù)處理是對(duì)牲畜糞天然堆肥的煮沸處理1-60 分鐘，更佳為10-30分鐘。
在另一較佳的實(shí)施方案中，所述牲畜糞是牛糞。
在另一較佳的實(shí)施方案中，所述光合細(xì)菌選自類球紅細(xì)菌或莢膜紅細(xì)菌。 在一個(gè)較佳的實(shí)施方案中，所述含碳有機(jī)廢棄物選自廚余垃圾或者發(fā)酵有機(jī) 廢水。在另一較佳的實(shí)施方案中，所述發(fā)酵有機(jī)廢水選自檸檬酸發(fā)酵廢液、乙醇
發(fā)酵。
在一個(gè)實(shí)施方案中，步驟(a)包括如下步驟將經(jīng)預(yù)處理的牲畜糞堆肥按 10-150g/L接種到所述廚余垃圾或者所述發(fā)酵有機(jī)廢水中，在30-40°C、常壓下進(jìn) 行黑暗發(fā)酵，發(fā)酵液的pH值調(diào)控到3.0-7.5，產(chǎn)氫整個(gè)過(guò)程為2-3天。在更為優(yōu) 選的實(shí)施方案中，步驟(a)包括如下步驟將經(jīng)預(yù)處理的天然堆肥的牛糞按60-80g/l接種到所述廚余垃圾或者所述發(fā)酵有機(jī)廢水中，在36-39°C、常壓下進(jìn)行黑 暗發(fā)酵，發(fā)酵液的pH值調(diào)控到5. 0-7. 5，產(chǎn)氫整個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間為2-3天，攪拌 速度為100-500rpm/min。
在另一的實(shí)施方案中，步驟(b)包括如下步驟按2-8%的接種量將光合細(xì)菌 接種到步驟(a)的發(fā)酵液中，在25-33°C、常壓、p服.5-7.5、光強(qiáng)2000-5000lux 下進(jìn)行光發(fā)酵產(chǎn)氫。在更為優(yōu)選的實(shí)施方案中，步驟(b)包括如下步驟按2-8% 的接種量將光合細(xì)菌接種到步驟(a)的發(fā)酵液中，在25-33°C、常壓、pH6. 5-7. 2、 光強(qiáng)2000-50001ux下厭氧發(fā)酵。
在另一較佳的實(shí)施方案中，所述廚余垃圾的初始濃度為10-40g/l-TS， 15-60g/l-COD, 10-30g/l-T0C。
在另一較佳的實(shí)施方案中，所述發(fā)酵有機(jī)廢水的COD為10-70g/L。
在另一較佳的實(shí)施方案中，在步驟(b)中，光厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫持續(xù)時(shí)間為3 — 7天。
本發(fā)明與單純利用黑暗發(fā)酵產(chǎn)氫方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)
首先，本發(fā)明把黑暗發(fā)酵和光厭氧發(fā)酵生物制氫偶聯(lián)起來(lái)，該方法產(chǎn)氫速率 快、底物轉(zhuǎn)化效率高、制氫成本低。
第二，在暗-光偶聯(lián)發(fā)酵產(chǎn)氫后的發(fā)酵液中，檢測(cè)剩余有機(jī)酸只剩下丁酸， 其剩余的濃度很低(不到lmM(0.008%))，避免了暗發(fā)酵產(chǎn)生的豐富有機(jī)酸污染環(huán) 境的隱患，可以實(shí)現(xiàn)利用廢棄物生物質(zhì)清潔生產(chǎn)氫氣的目的，經(jīng)菌體綜合利用后， 發(fā)酵液達(dá)到清潔排放標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)污水處理變廢為寶起到了巨大的推動(dòng)作用。
第三，本發(fā)明通過(guò)利用預(yù)處理的牲畜糞天然堆肥的(如牛糞)混合微生物作 為接種體，從而使得暗發(fā)酵的產(chǎn)氫總量和速度有了進(jìn)一步的提高。
第四，本發(fā)明的方法以廢棄生物質(zhì)(如食堂的廚余垃圾，玉米生產(chǎn)乙醇的發(fā) 酵廢水等)為碳源供給菌體生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)化成氫氣，從而降低了該方法的成本，實(shí)現(xiàn) 了變廢為寶的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。
具體實(shí)施方案
具體而言，本發(fā)明提供了一種發(fā)酵產(chǎn)生氫氣的方法，該方法包括以下步驟
(a) 以含碳有機(jī)廢棄物為發(fā)酵底物，用經(jīng)預(yù)處理的天然堆肥的牲畜糞混合菌 群進(jìn)行黑暗發(fā)酵，產(chǎn)生氫氣和含有有機(jī)酸的發(fā)酵液；
(b) 用光合細(xì)菌對(duì)步驟(a)所得含有有機(jī)酸的發(fā)酵液進(jìn)行光厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生氫氣。
本發(fā)明是一種黑暗發(fā)酵產(chǎn)生氫氣和光厭氧發(fā)酵產(chǎn)生氫氣偶聯(lián)起來(lái)從而實(shí)現(xiàn) 發(fā)明目的的方法，具體而言，是將黑暗發(fā)酵過(guò)程的產(chǎn)物作為光厭氧發(fā)酵過(guò)程的發(fā) 酵底物。
在本發(fā)明的黑暗發(fā)酵過(guò)程(即步驟(a)，也稱為"暗發(fā)酵")中，采用了含碳 有機(jī)廢棄物作為發(fā)酵底物。
本說(shuō)明書通篇使用的術(shù)語(yǔ)"有機(jī)廢棄物"具有本領(lǐng)域技術(shù)人員所通常認(rèn)可的
含義，其通常包括，但不局限于食品加工廢渣；廚余垃圾或下腳料；農(nóng)田和果 園殘留物，如秸稈、殘株、雜草、落葉、果實(shí)外殼、藤蔓、樹(shù)枝和其他農(nóng)林業(yè)特 別是林場(chǎng)廢物；農(nóng)林產(chǎn)品加工下腳料、林木及板材邊角料及鋸木屑等；牲畜、家 禽和人糞；污泥等。術(shù)語(yǔ)"含碳"意指所述有機(jī)廢棄物中含有微生物發(fā)酵可利用
的碳源，如糖類、淀粉、纖維素等碳水化合物。適用于本發(fā)明方法的"含碳有機(jī) 廢棄物"宜含有大量碳水化合物或主要組分為碳水化合物，優(yōu)選廚余垃圾或發(fā)酵 有機(jī)廢水。
本說(shuō)明書通篇使用的術(shù)語(yǔ)"廚余垃圾"或"廚余生活垃圾"是可以互換的， 它們具有本領(lǐng)域技術(shù)人員所通常認(rèn)可的含義，具體是指在廚房加工過(guò)程中廢棄的 混合物以及食堂、餐廳、飯店、賓館等餐飲場(chǎng)所就餐后剩余的米飯、面食、蔬菜、 各種肉類、油脂、骨頭等廢棄物的混合物。在一個(gè)較佳的實(shí)施方案中，宜在用于 本發(fā)明方法之前用攪拌機(jī)、粉碎機(jī)等常規(guī)手段或裝置將所述廚余(生活)垃圾加水 粉碎混勻，制得發(fā)酵液。
本說(shuō)明書通篇使用的術(shù)語(yǔ)"發(fā)酵有機(jī)廢水(廢液)"具有本領(lǐng)域技術(shù)人員所通 常認(rèn)可的含義，具體是指以發(fā)酵形式生產(chǎn)各種有機(jī)產(chǎn)品(具體如乙醇、擰檬酸等) 的過(guò)程中所產(chǎn)生的富含有機(jī)物的廢液或廢水。從來(lái)源方便并充足以及廢液組成波 動(dòng)小等角度考慮，宜采用來(lái)自工業(yè)大規(guī)模發(fā)酵后產(chǎn)生的廢液，如工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)檸 檬酸產(chǎn)生的廢液、工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇產(chǎn)生的廢液等等。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員在 閱讀了本發(fā)明教導(dǎo)的技術(shù)方案后也完全能夠理解，還可以采用其他來(lái)源的發(fā)酵有機(jī)廢液，例如來(lái)自實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵所產(chǎn)生的廢液等，它們也包括在本發(fā)明的術(shù)語(yǔ)"發(fā) 酵有機(jī)廢水(廢液)"的范圍內(nèi)。
總的來(lái)說(shuō)，適用于本發(fā)明的黑暗發(fā)酵過(guò)程的原料宜含有大量的碳源(如糖類 或淀粉等碳水化合物)，有的可能還含有一些氮源。為了使黑暗發(fā)酵的產(chǎn)氫效率 進(jìn)一步提高，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以根據(jù)公知的技術(shù)在其中添加其他合適的碳 源、氮源和其它營(yíng)養(yǎng)源。例如，碳源可以是淀粉、糊精、甘油、葡萄糖、蔗糖、 肌醇、甘露醇等。氮源可以是蛋白胨、大豆粉、肉膏、米糖、麥皮、酵母粉、玉 米漿、以及其它有機(jī)或無(wú)機(jī)含氮化合物。另外，培養(yǎng)基中還可適當(dāng)加入一些無(wú)機(jī) 鹽類，如氯化鈉、磷酸鹽如磷酸氫二鉀和磷酸二氫鉀、硫酸錳、硫酸鎂、碳酸鈣 等金屬鹽。
在一個(gè)示例性的實(shí)施方案中，可在廚余垃圾或者發(fā)酵有機(jī)廢水中添加
KH2P04 1.5g/L， Na2HP04. 12H20 4. 2g/L，谷氨酸lg/L，酵母抽提物2g/L， MgCL2 0. 18g/L， FeS04 0. lg/L，調(diào)其pH 3. 0-7. 5。本領(lǐng)域技術(shù)人員可對(duì)發(fā)酵底物中所 加入的物質(zhì)及其含量進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，用于黑暗發(fā)酵的 發(fā)酵液的濃度宜控制在以下范圍內(nèi)10-40g/l-TS(廢棄物干重)，15-60g/l-C0D(化學(xué)需氧量)，10-30g/L-T0C(總有機(jī)碳)，總氮0. 5-1. 5g/L，總磷100-500mg/L， NH4+ 60-120mg/L。發(fā)酵液的pH宜調(diào)節(jié)至3. 0-7. 5范圍內(nèi)。當(dāng)然，如果 所用發(fā)酵底物(如發(fā)酵工業(yè)廢水)中的有機(jī)物含量過(guò)高，則也可對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)南?釋。
在黑暗發(fā)酵的過(guò)程中，本發(fā)明采用了經(jīng)過(guò)預(yù)處理的天然堆肥的牲畜糞作為產(chǎn) 氫的菌群。本說(shuō)明書通篇使用的術(shù)語(yǔ)"牲畜糞(堆肥)"、"天然堆肥的牲畜糞"具 有本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知并認(rèn)可的含義，其具體是指牛、馬、羊等牲畜的糞堆肥混 合物。在一個(gè)示例性的實(shí)施方案中，采用了天然堆肥(即在露天自然狀態(tài)下堆積) 的牛糞。為了提高黑暗發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)酸的效率和速度，需要在黑暗發(fā)酵之前對(duì)所用 的天然堆肥的牲畜糞進(jìn)行預(yù)處理，以便除去或殺死非孢子狀態(tài)的吸氫菌(如甲烷 菌)，而留下孢子狀態(tài)的產(chǎn)氫產(chǎn)酸菌群。 一個(gè)優(yōu)選的預(yù)處理方案是將天然堆肥的 牲畜糞在IO(TC下煮沸l(wèi)-60分鐘(優(yōu)選10-30分鐘)。然后，將所述經(jīng)過(guò)預(yù)處理的
天然堆肥的牲畜糞接種到如上所述的預(yù)先配制的發(fā)酵液中。接種量可以由本領(lǐng)域
技術(shù)人員根據(jù)具體情況進(jìn)行合適的調(diào)節(jié)或選擇，其通常在10-150g/L范圍內(nèi)，優(yōu) 選在60-80g/L。
黑暗發(fā)酵可按照本領(lǐng)域中的常規(guī)技術(shù)進(jìn)行，例如在常溫(溫度范圍為30-40
。C，優(yōu)選為37。C)常壓下黑暗發(fā)酵，攪拌轉(zhuǎn)速為100-500rpm/min(如300rpm/rain)， 發(fā)酵液pH始終控制在3.0-7.5左右，優(yōu)選為5.0-7.5。在發(fā)酵開(kāi)始7-8小時(shí)后， 就開(kāi)始收到氫氣，整個(gè)產(chǎn)氫過(guò)程的水力持續(xù)時(shí)間為2-3天，例如50小時(shí)左右。 黑暗發(fā)酵在產(chǎn)生氫氣的同時(shí)，也產(chǎn)生了低分子量的有機(jī)酸(主要是有1-6個(gè)碳原 子的有機(jī)酸，例如乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、異丁酸等)。
然后，將黑暗發(fā)酵后發(fā)酵液轉(zhuǎn)移到其他容器中或在原位進(jìn)行光厭氧發(fā)酵(或 在文中簡(jiǎn)稱為"光發(fā)酵")。在進(jìn)行光厭氧發(fā)酵前，可能需要根據(jù)有機(jī)酸的濃度 對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)稀釋，以使其有機(jī)酸的濃度處于所用光合細(xì)菌的最佳產(chǎn)氫濃度。具 體的稀釋比例可由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)具體的光合細(xì)菌來(lái)確定。
另外，在進(jìn)行光厭氧發(fā)酵之前，還可以任選地對(duì)黑暗發(fā)酵后的發(fā)酵液進(jìn)行預(yù) 處理或調(diào)配。例如，可在發(fā)酵液中再補(bǔ)充一些光合細(xì)菌生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素。在 一個(gè)示例性的實(shí)施方案中，可在每升發(fā)酵液中補(bǔ)充基本鹽液40-60ml (每升基本鹽 液組成為MgS04,7H20 4g， CaCl2.2H20 1. 5g， FeS04.7H20 0. 236g， Na2EDTA 0. 4g， 微量元素液20ml)，生物素液1-2ml，磷酸緩沖液7.5ml，谷氨酸lg，然后調(diào)節(jié) 發(fā)酵液pH到6. 5-7.2。然而，應(yīng)當(dāng)理解，這樣的調(diào)節(jié)和補(bǔ)充是本領(lǐng)域技術(shù)人員根 據(jù)常規(guī)技術(shù)和適當(dāng)實(shí)驗(yàn)就能夠?qū)崿F(xiàn)的，本發(fā)明的范圍并不局限于這些特定的培養(yǎng) 基組成或補(bǔ)充液組成。
光合細(xì)菌能夠?qū)⒌头肿佑袡C(jī)酸(有1-6個(gè)碳原子的有機(jī)酸)徹底降解為氫氣和 二氧化碳。可用于本發(fā)明的光合細(xì)菌包括，但不局限于類球紅細(xì)菌、莢膜紅細(xì)菌。 然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明還可以采用其他能夠利用有機(jī)酸進(jìn)行 光發(fā)酵產(chǎn)氫的紫色非硫細(xì)菌。它們可以單獨(dú)或組合用于本發(fā)明的光厭氧發(fā)酵步驟 中。
在進(jìn)行光厭氧發(fā)酵步驟前，可先將光合細(xì)菌在合適的培養(yǎng)基中在暗處進(jìn)行預(yù) 培養(yǎng)。該培養(yǎng)基可由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)具體所用的光合細(xì)菌種類來(lái)進(jìn)行適當(dāng)?shù)?選擇和調(diào)配。在一個(gè)示例性的實(shí)施方案中，所用培養(yǎng)基含有30mM蘋果酸和7mM 谷氨酸。預(yù)培養(yǎng)的溫度為25-33"左右，攪拌轉(zhuǎn)速為200rpm/分鐘，在黑暗下培 養(yǎng)20-28小時(shí)。然后，將該光合細(xì)菌培養(yǎng)液作為光厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的菌體接種液， 以2-10%的接種量接種到發(fā)酵液中。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述光合細(xì)菌的 OD值約為1.7-2.2,更佳為1.9左右。
光厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫可按照本領(lǐng)域中的常規(guī)技術(shù)進(jìn)行，產(chǎn)氫條件為常溫(溫度為 25-33。C左右，優(yōu)選3(TC)、常壓、pH控制在6. 8-7. 2(優(yōu)選7. 0)、光強(qiáng)為2000-
50001ux (優(yōu)選為4000lux)，水力停留時(shí)間為3-7天左右。
光厭氧發(fā)酵結(jié)束后，可用常規(guī)方法檢測(cè)發(fā)酵液中的剩余有機(jī)酸(如乙酸、丁 酸等)的含量。由于本發(fā)明的一個(gè)特點(diǎn)是使得光厭氧發(fā)酵后的發(fā)酵液中的有機(jī)酸 濃度達(dá)到直接排放的標(biāo)準(zhǔn)，因此還可在光厭氧發(fā)酵的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)有機(jī)酸進(jìn)行 取樣分析來(lái)不斷調(diào)節(jié)，以確定最適的發(fā)酵液組成和培養(yǎng)條件。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu) 選的實(shí)施方案中，丁酸的含量低于lmM，因此該發(fā)酵液可以直接排放。
本發(fā)明的暗-光發(fā)酵偶聯(lián)產(chǎn)氫的具有以下特征
(1) 第一步黑暗混合菌群產(chǎn)氫速率非?？欤梢赃_(dá)679ml H2/l.h，并且啟動(dòng) 產(chǎn)氫時(shí)間為接種后7-8小時(shí)就快速產(chǎn)氫，&含量占到混合氣體((:02和H2)60-70%， 同時(shí)有豐富的乙酸，丙酸，丁酸，戊酸，異丁酸等產(chǎn)生；
(2) 第二步光厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫時(shí)，光合細(xì)菌能夠把第一步產(chǎn)生的有機(jī)酸高效轉(zhuǎn) 化成高純度的氫氣(氫氣含量為90-99%)和少量C02。這樣的暗-光發(fā)酵偶聯(lián)法產(chǎn) 氫，以廚余生活垃圾產(chǎn)氫為例，當(dāng)廚余垃圾發(fā)酵液初始濃度為30g/l-TS時(shí)，能 夠?qū)崿F(xiàn)每克干重廚余垃圾產(chǎn)氫最高達(dá)550ml (550ml H2/g-TS相當(dāng)于304ml H2/g-COD),這與目前其他研究者利用固體廢棄物暗發(fā)酵產(chǎn)氫報(bào)道(140-190ml H2/g_TS 相當(dāng)于110-140mlH2/g-C0D)相比，產(chǎn)氫量增加了 250%左右，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)將光厭 氧發(fā)酵產(chǎn)氫后的發(fā)酵液達(dá)到清潔排放。這樣的暗-光發(fā)酵產(chǎn)氫工藝，不僅能把生 活垃圾和發(fā)酵有機(jī)廢水中廢棄生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化成清潔能源-氫能，而且可以消除 廢水中有機(jī)酸帶來(lái)的環(huán)境污染。
以下通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)一步詳細(xì)地加以說(shuō)明。
實(shí)施例一用食堂廚余垃圾生物制氫
1、 產(chǎn)氫菌群的預(yù)處理取天然堆肥過(guò)的牛糞，在IO(TC煮沸15min。
2、 食堂廚余垃圾暗發(fā)酵液的配置從學(xué)生食堂直接取回廚余生活垃圾(主要 是米飯、青菜、果皮及各種肉類和骨頭等被食堂棄掉的混合物)，測(cè)其含水量大 約為65%-70%，然后直接用攪拌機(jī)把廚余垃圾加水?dāng)囁榛靹?。再向混勻的廚余 垃圾中添加一些營(yíng)養(yǎng)元素KH2P04 1. 5g/L， Na2HP04. 12H20 4. 2g/L，谷氨酸lg/L， 酵母抽提物2g/L， MgCl2 0. 18g/L， FeS04 0. lg/L，調(diào)其pH 6. 0。測(cè)其配好的廚 余生活垃圾發(fā)酵液的濃度，30g/L-TS， 54.2g/L-C0D，25.2g/L-TOC，總氮1. 04g/L， 總磷200mg/L， NH4+ 98. 4mg/L， COD:N:P為260: 5: 1。
3、 向配置好的廚余垃圾發(fā)酵液中，直接添加預(yù)處理好的天然牛糞(按每升發(fā)
酵液添加60g牛糞)，進(jìn)行黑暗發(fā)酵。整個(gè)黑暗發(fā)酵過(guò)程在一個(gè)體積為250ml(發(fā) 酵液體積為150ml)的玻璃反應(yīng)器中進(jìn)行，溫度控制在36-39。C范圍內(nèi)，靜置，常 壓下黑暗發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)酸。
4、 產(chǎn)氫產(chǎn)酸的過(guò)程在發(fā)酵開(kāi)始7-8h后，就開(kāi)始收到氫氣，整個(gè)產(chǎn)氫過(guò)程 為50h，最大產(chǎn)氫速率為660ml/L.h，氫氣含量為混合氣體的40%-68% 。每克干 重廚余垃圾產(chǎn)氫213ml氫氣(213mlH2/g-TS相當(dāng)于約120mlH2/g-COD)，每升這樣 的發(fā)酵液在暗發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)純氫6.39L，同時(shí)產(chǎn)主要有機(jī)酸乙酸和丁酸分別為 3. 57g/L和10. 65g/L.
5. 光合細(xì)菌利用暗發(fā)酵后的發(fā)酵液進(jìn)行光厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫 將暗發(fā)酵液適當(dāng)稀釋，使其有機(jī)酸的濃度為光合細(xì)菌類球紅細(xì)菌(DSM158，
獲自德國(guó)菌種數(shù)據(jù)庫(kù)(http:〃ww. dsmz.de))利用有機(jī)酸的最佳產(chǎn)氫濃度乙酸為 35mM， 丁酸為50rnM。在稀釋好的發(fā)酵液中再補(bǔ)充一些光合細(xì)菌生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元 素1L發(fā)酵液中補(bǔ)充基本鹽液50ml(lL基本鹽組成MgS04.7H20 4g， CaCl2. 2H20 1.5g， FeS04. 7H20 0. 236g， Na2EDTA 0. 4g，微量元素液20ml)，生物素液lml， 磷酸緩沖液7. 5ml，谷氨酸lg，然后調(diào)發(fā)酵液pH到7.0，再分別分裝37ml發(fā)酵 液到38ml的玻璃試管中，再添加lml預(yù)先培養(yǎng)好的光合細(xì)菌菌液，在光強(qiáng) 40001ux，溫度3(TC的條件下光厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫。產(chǎn)氫持續(xù)時(shí)間為7d左右，每升未 稀釋的暗發(fā)酵產(chǎn)氫后的發(fā)酵液在光厭氧發(fā)酵中能產(chǎn)10. 1L純氫。光厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫 結(jié)束后，檢測(cè)發(fā)酵液中的剩余有機(jī)酸為丁酸少于lmM(即0.008%)。
暗-光發(fā)酵產(chǎn)氫綜合起來(lái)每克干重廚余垃圾最高能轉(zhuǎn)化成550mlH2/g-TS， 暗發(fā)酵產(chǎn)氫最高速率達(dá)660mlH2/L.h，光厭氧發(fā)酵在38ml反應(yīng)器中最高速率達(dá) 95mlH2/L.h。并且在光厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫后，檢測(cè)剩余有機(jī)酸含量為0.008%，經(jīng)菌體 綜合利用后，發(fā)酵液可以直接達(dá)標(biāo)排放，不帶來(lái)環(huán)境污染。
實(shí)施例二廚余垃圾產(chǎn)氫反應(yīng)體積的放大
預(yù)處理好的牛糞混活菌群和生活垃圾暗發(fā)酵的組成成分、及其濃度與實(shí)施例 一完全相同，只是將發(fā)酵反應(yīng)器擴(kuò)大在5 L的玻璃反應(yīng)器中進(jìn)行，發(fā)酵液體積為 3.5 L，攪拌轉(zhuǎn)速為450rpm/rain，溫度控制在36-39。C范圍內(nèi)，常壓下黑暗發(fā)酵產(chǎn)氫。
接種后7-8h開(kāi)始產(chǎn)氫。在開(kāi)始產(chǎn)氫15min后，氫氣含量就占到混合氣體(H2 和C02)的50X以上，最高占到混氣65%，直到產(chǎn)氫結(jié)束時(shí)，氫氣含量沒(méi)有低于50%。最大產(chǎn)氫速率為679ml/L.h，整個(gè)產(chǎn)氫過(guò)程的水力持續(xù)時(shí)間為40h，在產(chǎn)氫 的同時(shí)，產(chǎn)生了大量的有機(jī)酸，分別是乙酸、丁酸、丙酸和戊酸，分別為4. 54g/L、
5. 38g/L、 0. 72g/L、 0. 068g/L.每克干重廚余垃圾產(chǎn)氫132ml (132mlH2/g-TS)，每 升這樣的暗發(fā)酵液產(chǎn)純氫約4L。
將第一步暗發(fā)酵產(chǎn)氫后的發(fā)酵液適當(dāng)稀釋后，按照實(shí)施例一那樣，補(bǔ)充光合 細(xì)菌所需的微量元素和氮源，并且調(diào)pH到7.0，接種5%的預(yù)先培養(yǎng)好的光合細(xì) 菌類球紅細(xì)菌DSM158菌液到光厭氧發(fā)酵罐中(6L的玻璃反應(yīng)器)，攪拌轉(zhuǎn)速 400rmp/min，其余光厭氧發(fā)酵條件與實(shí)施例一相同。在光合細(xì)菌接種5h后開(kāi)始 產(chǎn)氫，氫氣含量占到混合氣體(C02和H》的90%以上，經(jīng)吸收C02裝置處理后， 氫氣純度達(dá)99. 99%.整個(gè)光厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程的持續(xù)時(shí)間為5天，按稀釋前的暗 發(fā)酵產(chǎn)氫后的暗發(fā)酵液計(jì)算，在光厭氧發(fā)酵過(guò)程中，每升暗發(fā)酵液產(chǎn)氫8.12 L。 檢測(cè)光厭氧發(fā)酵結(jié)束后的發(fā)酵液中剩余有機(jī)酸丁酸含有0.01%左右，其余有機(jī)酸 完全被轉(zhuǎn)化為氫氣和菌體蛋白。
綜合暗-光偶聯(lián)發(fā)酵擴(kuò)大體積(3. 5L)產(chǎn)氫，每克干重廚余垃圾轉(zhuǎn)化成氫氣 400ml H2/g-TS，暗發(fā)酵最高產(chǎn)氫速率達(dá)679ml H2/L.h，在6L光厭氧發(fā)酵反應(yīng)器 中，光厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫最高速率達(dá)40mlH2/L.h，經(jīng)菌體綜合利用后，發(fā)酵液可以達(dá) 標(biāo)排放。盡管暗-光發(fā)酵偶聯(lián)擴(kuò)大發(fā)酵產(chǎn)氫體積后，每克廢棄物轉(zhuǎn)化成氫氣的量 比實(shí)施例一的小體積發(fā)酵產(chǎn)氫有所減少(這主要因?yàn)閿U(kuò)大后的光發(fā)酵反應(yīng)器在設(shè) 計(jì)上有待改進(jìn)，以免發(fā)酵罐內(nèi)部的光合細(xì)菌接受光照不充足，使得固氮酶催化產(chǎn) 氫缺乏能量，導(dǎo)致產(chǎn)氫過(guò)早停止，有機(jī)酸利用不徹底)，但是與其他研究者僅僅 采用暗發(fā)酵法將廢棄物轉(zhuǎn)化成氫氣(110-140ml H2/g-COD相當(dāng)于140-190ml H2/g-TS)相比，不僅大大提高了廢棄物轉(zhuǎn)化成氫氣的利用效率(本發(fā)明廢棄物轉(zhuǎn)化 成氫氣最高達(dá)304ml H"g-COD相當(dāng)于550ml H2/g-TS)，而且經(jīng)暗-光發(fā)酵后，發(fā) 酵液中的剩余有機(jī)酸最多為0.01%左右，再經(jīng)菌體綜合利用后，可以直接達(dá)標(biāo)排 放，有助于污水變廢為寶的環(huán)保治理。
實(shí)施例三不同初始濃度的廚余垃圾生物制氫
預(yù)處理好的牛糞混活菌群和生活垃圾暗發(fā)酵的組成成分與實(shí)施例一、實(shí)例二 完全相同，只是將廚余垃圾暗發(fā)酵液的初始濃度改為18g/l-Tsjs.eg/i-coD, 20g/l-TOC,總氮0. 92g/L，總磷0. 45g/L， NH4+ 98. lmg/L，以及初始pH值調(diào)為
6. 0，在250ml的玻璃反應(yīng)器(發(fā)酵液體積180ml)中進(jìn)行，其余暗發(fā)酵產(chǎn)氫條件與
實(shí)例一、二相同。每批次暗發(fā)酵產(chǎn)氫持續(xù)時(shí)間為3天左右，產(chǎn)氫最高速率達(dá)
640mlH2/Lh，氫氣含量最高達(dá)混氣含量的(氫氣和二氧化碳)68%，每克干重廚余 垃圾產(chǎn)氫182ml氫氣(182mlH2/g-TS)，同時(shí)產(chǎn)有機(jī)酸主要為乙酸和丁酸，其分別 為3. 79g/L，丁酸4.98g/L。將其暗發(fā)酵液適當(dāng)稀釋到光合細(xì)菌DSM158利用乙酸 和丁酸的最佳濃度，并按實(shí)施例一所述，補(bǔ)充光合細(xì)菌所需的營(yíng)養(yǎng)元素，調(diào)pH 值為7.0，然后按照實(shí)例一所述光發(fā)酵條件進(jìn)行光發(fā)酵產(chǎn)氫。光發(fā)酵產(chǎn)氫整個(gè)過(guò) 程持續(xù)時(shí)間為7天左右，最高產(chǎn)氫速率為110ml/L.h,每升未稀釋的暗發(fā)酵產(chǎn)氫 后的發(fā)酵液在光發(fā)酵產(chǎn)氫中產(chǎn)8. 12L的氫氣(8. 12L H2/L)，測(cè)其光發(fā)酵結(jié)束后發(fā)酵 液，只檢測(cè)到O. 008%的丁酸剩余，經(jīng)菌體綜合利用后，發(fā)酵液可以直接達(dá)標(biāo)排放。 綜合暗一光發(fā)酵產(chǎn)氫偶聯(lián)，產(chǎn)氫結(jié)果為633mlH2/g-TS, 320 mlH2/g-C0D，比單 獨(dú)使用廚余垃圾暗發(fā)酵產(chǎn)氫提高了 4倍左右，同時(shí)最后光發(fā)酵廢水可以達(dá)標(biāo)排放。
實(shí)施例四不同初始pH值的廚余垃圾生物制氫
預(yù)處理好的牛糞混活菌群和生活廚余垃圾暗發(fā)酵的組成成分、及其濃度與實(shí) 施例三完全相同，只是將生活廚余垃圾暗發(fā)酵液的初始pH值調(diào)為3. 5，其余的暗 發(fā)酵和光發(fā)酵產(chǎn)氫工藝條件與例三完全相同。結(jié)果是暗發(fā)酵產(chǎn)氫，整個(gè)產(chǎn)氫過(guò)程 持續(xù)了 3天，廢棄物轉(zhuǎn)化為氫的效率為147 mlH2/g-TS，有機(jī)酸主要是乙酸和丁 酸，分別為2. 70g/L， 3. 99g/L.將暗發(fā)酵液進(jìn)行光發(fā)酵產(chǎn)氫，每升未稀釋的暗發(fā)酵 結(jié)束后的發(fā)酵液在光發(fā)酵產(chǎn)氫6. 70L(6. 70LH2/L)，測(cè)試光發(fā)酵產(chǎn)氫結(jié)束后發(fā)酵液 中的有機(jī)酸，剩余有機(jī)酸為丁酸，有少于lmM(0.007y。)的丁酸剩余，經(jīng)菌體綜合 利用后，發(fā)酵液可以直接達(dá)標(biāo)排放。綜合暗一光發(fā)酵偶聯(lián)產(chǎn)氫，每克干重廚余垃 圾產(chǎn)氫520 mlH2/g-TS，比單獨(dú)暗發(fā)酵產(chǎn)氫提高了 3倍多。與實(shí)例三相比，暗發(fā)酵 液初始pH值為3. 5比pH值為6.0時(shí)，產(chǎn)氫總量和廢棄物轉(zhuǎn)化效率都降低了 1.2 倍。
實(shí)施例五天冠集團(tuán)玉米發(fā)酵生產(chǎn)酒精廢水用于制氫
將玉米發(fā)酵乙醇的廢液(獲自天冠集團(tuán))60.9g/1-C0D稀釋3倍后，作為暗發(fā) 酵產(chǎn)氫產(chǎn)酸的底物，再以實(shí)施例一所述預(yù)處理好的牛糞混合菌群為接種物，按照 生活廚余垃圾暗發(fā)酵產(chǎn)氫的實(shí)施例一添加相應(yīng)的微量元素和氮源，調(diào)pH6.0，溫 度控制在36-39X:里，常壓下暗發(fā)酵產(chǎn)氫。35h的產(chǎn)氫持續(xù)時(shí)間，每升暗發(fā)酵液 產(chǎn)氫800ml H2，產(chǎn)乙酸5. 4g/L，產(chǎn)丁酸1. Og/L。
將其暗發(fā)酵液稀釋3倍后進(jìn)行光合發(fā)酵偶聯(lián)產(chǎn)氫，每升暗發(fā)酵產(chǎn)氫后的發(fā)酵
液液在光厭氧發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)純氫7.69L,剩余有機(jī)酸丁酸不到lmM(0.007%)。綜 合暗-光發(fā)酵產(chǎn)氫工藝，每升這樣的玉米發(fā)酵酒精廢水能夠產(chǎn)氫20.8 L氫氣。
綜上所述，本發(fā)明符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的能源政策和環(huán)境政策，表明人 類完全有可能實(shí)現(xiàn)變廢為寶，生產(chǎn)清潔能源，并逐步替代石油產(chǎn)品，具有廣闊的 應(yīng)用前景和顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
盡管本發(fā)明描述了具體的例子，但是有一點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是明顯 的，即在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下可對(duì)本發(fā)明作各種變化和改動(dòng)。因 此，所附權(quán)利要求覆蓋了所有這些在本發(fā)明范圍內(nèi)的變動(dòng)。本文引用的所有出版 物、專利和專利申請(qǐng)均納入本文作參考。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)酵產(chǎn)生氫氣的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(a)以含碳有機(jī)廢棄物為發(fā)酵底物，用經(jīng)預(yù)處理的牲畜糞天然堆肥的混合菌群進(jìn)行黑暗發(fā)酵，產(chǎn)生氫氣和有機(jī)酸的發(fā)酵液；(b)用光合細(xì)菌對(duì)步驟(a)所得有機(jī)酸發(fā)酵液進(jìn)行光厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生氫氣。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述預(yù)處理是對(duì)牲畜糞天然堆肥煮 沸處理1-60分鐘。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述牲畜糞是牛糞。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述光合細(xì)菌選自類球紅細(xì)菌或莢 膜紅細(xì)菌。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，所述含碳有機(jī)廢棄物選自廚余垃圾或者發(fā)酵有機(jī) 廢水。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述發(fā)酵有機(jī)廢水選自檸檬酸發(fā)酵 廢液或乙醇發(fā)酵廢液。
7. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟(a)包括如下步驟將經(jīng)預(yù)處 理的牲畜糞堆肥按10-150g/L接種到所述廚余垃圾或者所述發(fā)酵有機(jī)廢水中，在30-4(TC、常壓下進(jìn)行黑暗發(fā)酵，發(fā)酵液的pH值調(diào)控到3.0-7.5，產(chǎn)氫整個(gè)過(guò)程為2-3 天。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，步驟(b)包括如下步驟按2-8%的 接種量將光合細(xì)菌接種到步驟(a)的發(fā)酵液中，在25-33°C、常壓、pH6. 5-7. 5、光強(qiáng) 2000-50001ux下進(jìn)行光發(fā)酵產(chǎn)氫。
9. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述廚余垃圾的初始濃度為10-40g/l-TS, 15-60g/l-C0D， 10-30g/l-TOC,總氮0. 5-1. 5g/L，總磷100-500mg/L， NH4+ 60-120mg/L。
10. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述發(fā)酵有機(jī)廢水的COD為10-70g/l。
11. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在步驟(b)中，光厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫持 續(xù)時(shí)間為3-7天。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種發(fā)酵產(chǎn)生氫氣的方法，特別涉及廢棄生物質(zhì)向氫能的清潔轉(zhuǎn)化技術(shù)。該方法包括以下步驟(a)以含碳有機(jī)廢棄物為發(fā)酵底物，用經(jīng)預(yù)處理的牲畜糞天然堆肥的混合菌群進(jìn)行黑暗發(fā)酵，產(chǎn)生氫氣和有機(jī)酸的發(fā)酵液；(b)再用光合細(xì)菌對(duì)步驟(a)所得的有機(jī)酸的發(fā)酵液進(jìn)行光厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生氫氣。本發(fā)明的方法具有產(chǎn)氫速率快、底物轉(zhuǎn)化效率高、制氫成本低、發(fā)酵液達(dá)到清潔排放標(biāo)準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C12R1/01GK101109014SQ20061002915
公開(kāi)日2008年1月23日 申請(qǐng)日期2006年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月20日
發(fā)明者吳永強(qiáng), 周志華, 陶用珍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院