CN101760432A - 微藻两步法生产生物能源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微藻两步法生产生物能源的方法。属于环保和新能源技术领域，利用微藻生物制生物能源(氢气、沼气)。主要包括：微藻的培养；微藻生物质的收集，处理；生物制氢；生物制沼气；产品及残留物的综合利用。由于本方法利用微藻通过两步法生产生物能源，不仅获得了两种稳定的生物能源氢气和沼气，同时吸收了CO₂缓解了温室效应，产生的清洁能源物质可有效缓解能源危机，达到改善环境，增加新能源的目的。

Description

微藻两步法生产生物能源

技术领域

本发明属于环保和新能源技术领域，具体涉及利用微藻生产生物能源。

背景技术

当前由于国际石油价格居高不下、各国对能源供应安全的担忧以及全球对温室气体排放引起的气候变化关注，节约能源、提高能源利用率和开发利用可再生能源成为世界能源发展的重点。进入21世纪，许多国家都把发展可再生能源作为缓解能源供应矛盾、应对气候变化以及实现可持续发展的重要措施，可再生能源在世界范围内得到快速发展。

藻类特别是那些微型单细胞藻不论是原核的或是真核的，它们是吸收CO₂进行光合作用生产绿色新能源最有效途径。大量微型藻增殖过程中充分利用CO₂，在光照条件下合成有机物将太阳能储存起来，其藻体生物量称得上是个巨大的“储能库”，因此，用其制作固体燃料或者说干燥燃料是可行的，英国利用微型藻细胞连续产氢发电；也可用各类藻体(包括海藻在内)的生物质为原料，通过发酵途径制取氢气、甲烷及其它能源。

生物制氢技术包括光驱动过程和厌氧发酵两种路线，前者利用光合细菌直接将太阳能转化为氢气，是一个非常理想的过程，但产氢率并不高。而后者采用的是产氢菌厌氧发酵，它的优点是产氢速度快，反应器设计简单，且能够利用可再生资源等有机物进行生产，相对于前者更容易在短期内实现。但采用一步法进行的藻类制氢其最终产氢率仅为5-10％左右。

微藻在产氢的同时其生物质可进一步进行生物发酵得到沼气等能源物质。生物发酵是自然界极为普遍而典型的厌氧消化反应，各种各样的有机物通过沼气发酵，不断地被分解代谢产生沼气，从而构成了自然界物质和能量循环的重要环节。

但是，将生物制氢与生物发酵制沼气相结合综合开发利用可再生能源的方法尚未见报道。

本发明通过微藻两步法生产氢气和沼气，既吸收了CO₂缓解了温室效应，同时产生了清洁能源物质可有效缓解能源危机，达到了改善环境，增加新能源的目的。

发明内容

本发明的目的在于：利用微藻吸收CO₂和储能的生物特性，以及生长速度快的自身优势，通过两步法生产氢气和沼气，作为缓解能源供应矛盾、应对气候变化以及实现可持续发展的重要措施。

为了达到上述目的，本发明微藻两步法生产生物能源的主要工艺路线包括：微藻的培养→微藻生物质的收集处理→第一步生物制氢→第二步生物制沼气→产品及残留物的综合利用。

本发明微藻两步法生产生物能源的主要工艺路线的技术特点为：

1.微藻的培养：根据微藻的种类不同其接种量范围控制在5％～25％(体积比)，藻种680nm下OD值大于0.7，CO₂的吸收率可达到50％(体积比)以上，生物质的产量为10～15g(干重)/m³/d。

其中，微藻为蓝藻、绿藻等高效生长藻种，培养基为各种改良过的优化条件下微藻生长的基础培养基，改良后可利用碳源主要为CO₂。根据不同的藻种，其培养基种类也不尽相同。

2.微藻生物质的收集和处理：对培养的藻液(细胞数目达到10⁷个/ml)进行浓缩，通常采用板框过滤或是离心分离进行浓缩，浓缩液可直接作为发酵液，若含水量太高则应进一步干燥，接入高效消化活性污泥，接种量一般为10％～20％(质量比)；通常消化1～2天得到微藻生物质降解产物。

本发明生产生物能源过程中需要进行活性厌氧污泥的筛选及驯化，筛选主要包括专一性筛选，利用紫外或化学方法进行诱变筛选；驯化主要是不同时期不同底物量的改变。从而获得高效消化活性污泥、优势产氢产乙酸活性污泥和优势产甲烷活性污泥等多种高效厌氧活性污泥含有高效优势菌群。

活性污泥的制备：最初的活性污泥取自污水处理厂，其活性污泥成分主要是消化生活废水，所含菌群不利于微藻的厌氧消化，需要将其与收获的微藻混合，进行初期的驯化，敞口放置于适宜环境中，水解细菌大量滋生，主要包括产琥珀酸拟杆菌属，湖生(lochheadii)芽孢菌属，柱孢梭菌属，生黄瘤胃球菌，白色瘤胃球菌落，溶纤维丁酸弧菌，得到较适宜消化微藻的活性污泥，再经进一步诱变，筛选，驯化，得到高效微藻消化活性污泥，低温保存备用；优势产氢产乙酸活性污泥的获得是将高效消化活性污泥在不同条件下驯化而得，经消化后的微藻调节pH值到4.0～4.5进行厌氧消化，这一阶段微藻消化后的低碳成分开始产氢产乙酸，从而诱发产氢产乙酸菌数量增多，随着时间的推移活性会增强，形成优势种群，再经筛选，驯化，获得高效产氢产乙酸活性污泥，取出部分低温保存备用；产氢过后调节pH到6.8～7.5，继续厌氧消化，甲烷菌、产甲烷丝菌逐渐成为优势种群，从而获得优势产甲烷活性污泥，4℃保存备用。

3.生物制氢的方法：消化后得到的微藻生物质降解产物的主要成分是脂肪酸、醇类、乳酸和丁酸等，消化1～2天后接入优势产氢产乙酸菌活性污泥，一般接种量为10％～20％(质量比)，温度控制在30～40℃，pH调节到4.0～4.5；常压厌氧发酵，待连续产气5～7天后，终止该反应，可得到纯度较高的氢气，同时可得中间产物乙酸。

4.生物制甲烷的方法：上述发酵液通过调节pH到6.8～7.5来终止产氢反应，同时通过外接管路向发酵容器接入含碳较高的城市废弃物(打印纸等)或农村废弃物(秸秆等)，通过碳氮测量，调节碳氮比至20～30∶1(摩尔比)，具体调节方法是：先根据元素分析方法确定出微藻的碳氮比，氮的含量用凯氏定氮法测出，碳的含量较为复杂，包括多糖，纤维素等多种，一般根据燃烧得到灰分质量再以糖中碳的含量为依据换算为碳的大体质量，一般来说藻的碳氮比为6∶1，比要求的偏低，这就要添加含碳量高的成分，如上所述，经过计算得出添加量，接入优势产甲烷菌活性污泥，温度控制在30～35℃左右，进行产甲烷发酵，最终碳的转化率达到50％以上。

5.产品及残留物的综合处理：氢气可直接作为能源利用或制成氢电池或用于发电，沼气可用于发电或制成燃气直接使用，残留物可作肥料。

本发明微藻两步法生产生物能源的主要工艺路线的技术优点为：

1.设计反应用的底物为微藻，其生长速率相对于普通植物快得多，倍增时间短，因此可以吸收大量的二氧化碳。能极大地缓解温室效应，因此获得了经济效益与环境效益的双赢，这是本设计的最大亮点之一；

2.微藻生物质发酵后得到了清洁的生物能源——氢气和沼气，二者属于可再生能源，不会对环境造成二次污染；

3.产生的生物能源可代替化石能源，缓解化石能源危机，减缓世界石油价格增长；

4.产氢与产甲烷的两类微生物所要利用的中间产物不同，二者不冲突，且在不同时期添加不同活性的高效污泥，与普通同一污泥厌氧发酵相比更专一、效率更高，因此在反应底物微藻相同，设备相同的情况下，两步法可以更加充分的利用反应底物，与普通方法相比多产生了可观的氢气能源，这是本设计的另一大亮点；

5.发酵残留物可制造有机复合肥。

附图说明

图1为本发明具体工艺流程图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，但不应理解为是对本发明进行限定。

1.微藻的培养：藻种为本公司自行筛选高效生长藻种，培养基为改良过的基础培养基，改良后碳源主要为CO₂，藻种的接种量为5％～25％(体积比)，藻种680nm下OD值大于0.7，CO₂的吸收率可达到50％以上(体积比)，生物质的产量为10～15g(干重)/m3/d。

下表为一种改良过的淡水培养基组成。

#    组分          含量    存储液浓度

1  主要培养基      960mL

2  土壤水          40mL上清液

主要培养基

#         组成     含量           存储液浓度

1  NaNO₃           10mL/L       8g/400mL dH₂O

2  CaCl₂·2H₂O     10mL/L       1.5g/400mL dH₂O

3  MgSO₄·7H₂O     10mL/L       3g/400mL dH₂O

4  K₂HPO₄          10mL/L       5.3g/400mL dH₂O

5  KH₂PO₄          10mL/L       7.9g/400mL dH₂O

6  NaCl            10mL/L       1g/400mL dH₂O

土壤水

#        组成       含量          存储液浓度

1  无污染土壤      1tsp/200mL dH₂O

2  CaCO₃           1mg/200mL dH₂O

2.微藻生物质的收集和处理：生产得到的藻体生物质通过板框过滤或是离心分离进行浓缩，浓缩后可直接作为发酵液，若含水量太高则应进一步干燥，干燥后一般为块状，需经粉碎处理，加入20％左右的水，接入10％的高效消化菌活性污泥，消化1～2天得到微藻生物质降解产物。

活性厌氧污泥的筛选及驯化，获得到高效消化活性污泥、优势产氢产乙酸活性污泥和优势产甲烷活性污泥。

3.生物制氢的方法：消化后得到的微藻生物质降解产物的主要成分是脂肪酸、醇类、乳酸和丁酸等，消化24～48h后接入10％优势产氢产乙酸活性污泥，温度控制在35℃左右，pH调节到4.0～4.5，待连续产气7天后，终止该反应，可得到纯净高含量的氢气，同时副产中间产物乙酸。

4.生物制甲烷的方法：发酵液通过调节pH到6.8～7.5来终止产氢反应，同时接入城市废弃物(打印纸等)或农村废弃物(秸秆等)调节碳氮比至20～30∶1(摩尔比)，接入优势产甲烷菌活性污泥，温度控制在35℃左右，进行产甲烷发酵，最终碳的转化率达到50％以上。

5.产品及残留物的综合处理：产生的高纯氢气可制成氢电池或用于发电，沼气可用于发电或制成燃气直接使用，残留物可作肥料。

Claims (10)

1.一种微藻两步法生产生物能源的方法，包括：微藻的培养，微藻生物质的收集、处理以及生物制氢和生物制沼气，最后对产品及残留物进行综合利用。

2.根据权利要求1所述的微藻两步法生产生物能源的方法，其特征在于，微藻的培养中微藻的接种量体积比为5％～25％。

3.根据权利要求1所述的微藻两步法生产生物能源的方法，其特征在于，用收获的微藻生物质筛选及驯化活性厌氧污泥，获得高效消化活性污泥、优势产氢产乙酸活性污泥和优势产甲烷菌活性污泥。

4.根据权利要求1所述的微藻两步法生产生物能源的方法，其特征在于，微藻生物质的收集通过板框过滤或离心分离进行浓缩，浓缩后直接作为发酵液，或进一步干燥，接入高效消化活性污泥，消化得到微藻生物质降解产物，主要成分是脂肪酸、醇类、乳酸和丁酸。

5.根据权利要求1所述的微藻两步法生产生物能源的方法，其特征在于，生物制氢的方法：发酵液消化后接入优势产氢产乙酸菌活性污泥，待连续产气若干天后，终止反应，得到纯度较高的氢气，同时得中间产物乙酸。

6.根据权利要求5所述的微藻两步法生产生物能源的方法，其特征在于，生物制氢温度控制在30～40℃，pH调节到4.0～4.5。

7.根据权利要求1所述的微藻两步法生产生物能源的方法，其特征在于，生物制甲烷的方法：发酵液通过调节pH值到6.8～7.5来终止产氢反应，同时接入含碳较高的废弃物，调节碳氮比，接入优势产甲烷菌活性污泥进行产甲烷发酵。

8.根据权利要求7所述的微藻两步法生产生物能源的方法，其特征在于，生物制甲烷中废弃物碳氮比调至摩尔比20～30∶1，温度控制在30～35℃。

9.根据权利要求1～8所述的任意一种微藻两步法生产生物能源的方法，其特征在于，微藻为蓝藻或绿藻。

10.根据权利要求1～9所述的任意一种微藻两步法生产生物能源的方法，其特征在于，产品及残留物的综合处理：产生的高纯氢气直接作为能源利用或制成氢电池或发电；沼气用于发电或制成燃气直接使用；残留物作肥料。

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