微槽透光板式光生物制氢反应器

摘要

一种微槽透光板式光生物制氢反应器，由透光板、反应器箱体、至少一个入液口、至少一个出液口构成，所述入液口和出液口分别开在反应器箱体上，入液口用于加入菌悬液或有机营养液或者有机废水，出液口用于与外部管路连接，排除氢气和余液，透光板盖在反应器箱体的上端面，其特征在于：在透光板的内表面上设置有均匀分布的槽道，透光板将光导入反应器内，同时又作为微生物的固体附着基质，微生物在槽道表面生长繁殖形成生物膜；所述槽道的深度不大于2mm，槽道的宽度不大于2mm，所述透光板和反应器箱体用有机玻璃或透明树脂制成，具有成本低，操作方便、调光能力强，光照强度分布均匀的特点，可应用于环保、能源等行业。

说明书

技术领域

本发明涉及生物制氢反应器，具体涉及利用光合细菌实现生物制氢的微槽透光板式光生物制氢反应器。

背景技术

利用光合细菌制氢被认为是生物制氢最有前途的方式之一(Debabrata Das，et al.Hydrogen production by biologicalprocesses：a survey of literature. Internat ional Journal ofHydrogen Energy 26(2001)13-28.)。光合细菌可以利用小分子有机物产生氢气，可以较为彻底的处理有机废物，又只需常温常压的操作环境，具备实现规模化生产的前景，因此环境效益更加显著，在生物制氢领域独具优势。传统观点认为，实现细胞固定化后微生物体内的产氢系统(主要是酶)便能保持稳定，从而利于实现持续连续流方式的产氢。所以，反应器设计常需考虑细胞固定化方案。迄今为止，生物制氢研究中大多采用纯菌种的固定化技术。生物膜式反应器操作简单，固定化条件温和，细胞活性损失小，载体可反复使用。缺点是微生物与载体结合不牢，易脱落。载体固定化技术对细胞本身没有特殊的要求，需要考虑的主要问题是选择适宜的固定化载体材料和固定化手段等方面。光是光合产氢必需的条件，光照提高了固氮酶活性和ATP能量水平，使光合细菌产氢能力提高。保证反应器内足够的光照强度，提高光合细菌产氢过程的光化学转化率，是反应器设计的又一技术要点。

目前，现有的光生物制氢反应器有管式、板式、搅拌罐式三种类型，其中，管式光生物反应器的系统密封性好，容易与其它设备连接，但为了提高反应器单位体积的受光面积和反应器内的光照强度，反应器的管径不能太大(Murtuza A.Syed，Paul F.Henshaw.Effect of tube sizeon performance of a fixed-film tubular bioreactor for conversionof hydrogen sulfide to elemental sulfur.Water Research 37(2003)1932-1938.)，然而采用小的管径会增大反应器的尺寸和制造工艺难度，增加加工成本，同时容易造成反应器堵塞，造成反应器效率降低、甚至失效；平板式光生物反应器调光能力很强，可以保证有效液层充分受光，增强光能吸收转换，但是现有平板式光生物反应器一般为微生物悬浮液的连续流或流加型反应器，反应器内的细胞持有量较小，为了保证悬浮液内足够的透光度，流道尺寸不能过大，因此单位反应器占地面积的产氢率不高。搅拌罐式光反应器是在传统微生物发酵罐的基础上，增加光照用于光合细菌培养和产氢，其优点是在有限的占地面积内有较高的培养体积，缺点是光要通过液体才能到达微生物，光强衰减大，光化学转换效率低，搅拌产生的剪切力会抑制细胞生长和损伤细胞，另外细胞悬浮培养的方式还无法实现连续流的产氢工艺，同时还拌有菌种的流失问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种吸光能力强，光化学转化效率高，易于微生物在壁面挂膜，利用光合细菌实现生物制氢的微槽透光板式光生物制氢反应器。

为了解决上述技术问题，本发明的一个技术方案是，微槽透光板式光生物制氢反应器由透光板、反应器箱体、至少一个入液口、至少一个出液口构成，所述入液口和出液口分别开在反应器箱体上，入液口用于加入菌悬液或有机营养液或者有机废水，出液口用于与外部管路连接，排除氢气和残液，透光板盖在反应器箱体的上部，其中：在透光板的内表面上设置有均匀分布的槽道，透光板将光导入反应器内，同时又作为微生物的固体附着基质，微生物在槽道内生长繁殖形成生物膜，入射光通过透光板直接作用于生物膜内的微生物降解有机物产氢；所述槽道的深度不大于2mm，槽道的宽度不大于2mm，通过在反应器透光板上开微槽，一方面增加了供给光合细菌吸附的固体基质表面积，有利于其在透光板上吸附并繁殖；另一方面，微槽道的结构利于已形成的生物膜从液相主体吸附游离光合细菌，加速细胞固定化的速度；同时生物膜还能沿起伏的槽道连成立体网状结构，有效的抵抗连续流工况下的水力剪切作用；并且起伏的槽道结构增加了对流体的扰动，加上生物膜面积的扩大，利于底物及产物在反应器内的传递；所述透光板用有机玻璃或透明树脂制成，便于光向反应器内生物膜的传递，增加到达反应器内生物膜处光的光照强度。

本发明的一个优选方案中，在所述反应器箱体内且靠近入液口的部位水平设置有笛型管，所述笛型管具有内腔，且两端密封，所述笛型管与反应器箱体的上端面和底板均留有间隙，在所述笛型管的中部开有进口孔，进口孔与入液口相对，所述进口孔通过连接管与入液口连通，在笛型管进口孔的两侧表面均匀分布有至少二个出口孔，出口孔与设置入液口的壁面相对，通过设置笛型管，实现液体均匀分配的目的。

本发明的一个优选方案中，在所述反应器箱体内靠近入液口的底板上设置有与底板垂直的均流格栅，均流格栅将反应器箱体分隔成两室，在均流格栅上均匀分布有通孔，通过设置均流格栅，实现液体均匀分配的目的。

本发明的一个优选方案中，槽道平行排列，槽道与槽道之间的间距在1mm∽5mm之间。

本发明的一个优选方案中，槽道网状排列，平行排列的槽道之间的间距在1mm∽5mm之间。

本发明所述的微槽透光板式光生物制氢反应器的有益效果是，通过在透光板上开微槽，一方面增加了供给光合细菌吸附的表面，利于其在透光板上吸附并繁殖；另一方面，微槽道的结构利于已形成的生物膜从液相主体吸附游离光合细菌，加速细胞固定化的速度；同时生物膜还能沿起伏的槽道连成立体网状结构，有效的抵抗连续流工况下的水力剪切作用；并且起伏的槽道结构增加了对流体的扰动，加上生物膜面积的扩大，利于底物及产物在反应器内的传递；同时该发明具有成本低，操作方便、调光能力强，光照强度分布均匀的特点，可用于生物膜式光合生物制氢反应器。因此本发明所述的光生物制氢反应器可应用于环保、能源等行业，具有良好的应用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明所述的内部设置有笛型管的微槽透光板式光生物制氢反应器的结构示意图。

图2是本发明所述的内部设置有均流格栅的微槽透光板式光生物制氢反应器的结构示意图。

图3是透光板上槽道成网状结构示意图。

具体实施方式

实施例一，参见图1，由图1所示的内部设置有笛型管的微槽透光板式光生物制氢反应器的结构示意图可知，本发明所述的一种微槽透光板式光生物制氢反应器，由透光板2、反应器箱体3、入液口4、出液口5构成，所述反应器箱体3的底部密封、上部敞口；在反应器箱体3的其中一个侧壁上设置有一个入液口4，在入液口4对面的侧壁设置3个出液口5，入液口4用于加入菌悬液或有机营养液或者有机废水，出液口5用于与外部管路连接，排除氢气和残液，入液口4和出液口5的数量也可以是2个、4个、5个、6个甚至更多个，作用是实现液体均匀分配；选用5～10mm厚的有机玻璃或者透明树脂制成透光板2，其中透明树脂可以选用透明聚乙烯、聚丙烯、尼龙、ABS等材料，透光板2的尺寸应略大于反应器箱体3的外型尺寸，在透光板2的一面设置有均匀分布的槽道1，槽道1的深度不大于2mm，槽道1的宽度不大于2mm，所述槽道1是平行排列，槽道与槽道之间的间距在1mm∽5mm之间，所述槽道1的数量根据反应器箱体3的内腔尺寸确定；将透光板2盖在反应器箱体3的上部，其中透光板2上有槽道的一面向着反应器箱体3的内部，通过紧固件连接透光板2与反应器箱体3，紧固件可以是法兰或螺栓，为了增加透光板2与反应器箱体3之间的密封性，可以在透光板2的内表面增加一圈凸起，并在凸起上设置凹型槽，槽的大小和形状与反应器箱体3对应，将凹型密封圈嵌入透光板2的凹型槽中，再将反应器箱体3嵌入凹型密封圈上，然后用法兰或螺栓固定。

实施例二，参见图4，所述微槽透光板式光生物制氢反应器的结构关系同实施例一，不同之处在于：在透光板2上设置的槽道1采用网状排列，平行排列的槽道之间的间距在1mm∽5mm之间。

实施例三，参见图1，为了实现液体均匀流动的目的，在实施例一或者实施例二的基础上增加笛型管6，所述笛型管6水平设置在反应器箱体3内且靠近入液口4的部位，所述笛型管6具有内腔，且两端密封，所述笛型管6与反应器箱体3的上端面和底板均流有间隙，笛型管6将反应器箱体3分隔成两室，在所述笛型管6的中部开有进口孔，进口孔与入液口4相对，所述进口孔通过连接管与入液口4连通，所述菌悬液或有机营养液或者有机废水通过入液口4进入笛型管6的内腔，在笛型管6中部进口孔的两侧表面均匀分布有6个出口孔，出口孔与设置入液口4的壁面相对。出口孔的数量也可以是其他自然数，菌悬液或有机营养液或者有机废水通过在通过笛型管6上分布的出口孔流出，撞击靠近的反应器箱体3的壁面后返回，并通过笛型管6与反应器箱体3的顶部的间隙以及笛型管6与底板的间隙流到另一室。当设置有笛型管6时，反应器箱体3的入液口4是一个。

实施例四，参见图2，为了实现液体均匀流动的目的，与实施例三不同之处在于：在实施例一或者实施例二的基础上增加均流格栅7，所述均流格栅7设置在反应器箱体3内靠近入液口4的底板上并且与底板垂直，可以通过在反应器箱体3的二个对应侧壁上设置卡槽，均流格栅插入卡槽中，均流格栅是一种多孔介质板，均流格栅7将反应器箱体3分隔成大小不等的两室，在均流格栅7上均匀分布有通孔，所述菌悬液或有机营养液或者有机废水通过入液口4进入反应器箱体3的小室，再通过均流格栅7上分布的通孔流出到另一室。

然而本发明的实施例并不仅仅局限于上述实施方式。

将菌悬液或有机营养物通过入液口4加入反应器内，可在菌悬液或有机营养物中添加氮、磷、钾等营养物质，透光板上的槽道1提供微生物细胞附着固体基质，微生物在槽道1上附着、生长繁殖，形成生物膜，一般需要20∽30天的挂膜期，在挂膜期间，由于透光板2有很多条槽道1，使得微生物细胞有足够的附着表面积，从而增加了单位体积反应器内的光合细菌生物膜的表面积和光合细菌的持有量，光穿过透光板2传递至反应器内附着于透光板槽道1内的生物膜，提高了反应器内光强分布的均匀程度，增强了传递到生物膜的光的光照强度，成膜后，再通过入液口4加入有机废水，透光板2上的生物膜内的微生物在光的作用下代谢有机物，大量产生氢气，氢气和残液沿着固定的流道从出液口5流出，并通过外部氢气分离设备分离出氢气和残液。该反应器亦可采用批次进料产氢方式，即待挂膜完成后，通过入液口注入有机溶液和营养液，关闭入液口，在出液口收集氢气，待溶液中有机物和营养物消耗到一定量后，再从入液口批次性的加入有机物和营养物质。