專利名稱：微藻兩步法生產(chǎn)生物能源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)保和新能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及利用微藻生產(chǎn)生物能源。
背景技術(shù)：
當(dāng)前由于國際石油價格居高不下、各國對能源供應(yīng)安全的擔(dān)憂以及全球?qū)厥覛?br> 體排放引起的氣候變化關(guān)注，節(jié)約能源、提高能源利用率和開發(fā)利用可再生能源成為世界
能源發(fā)展的重點。進(jìn)入21世紀(jì)，許多國家都把發(fā)展可再生能源作為緩解能源供應(yīng)矛盾、應(yīng)
對氣候變化以及實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施，可再生能源在世界范圍內(nèi)得到快速發(fā)展。 藻類特別是那些微型單細(xì)胞藻不論是原核的或是真核的，它們是吸收C02進(jìn)行光
合作用生產(chǎn)綠色新能源最有效途徑。大量微型藻增殖過程中充分利用(A，在光照條件下
合成有機(jī)物將太陽能儲存起來，其藻體生物量稱得上是個巨大的"儲能庫"，因此，用其制作
固體燃料或者說干燥燃料是可行的，英國利用微型藻細(xì)胞連續(xù)產(chǎn)氫發(fā)電；也可用各類藻體
(包括海藻在內(nèi))的生物質(zhì)為原料，通過發(fā)酵途徑制取氫氣、甲烷及其它能源。 生物制氫技術(shù)包括光驅(qū)動過程和厭氧發(fā)酵兩種路線，前者利用光合細(xì)菌直接將太
陽能轉(zhuǎn)化為氫氣，是一個非常理想的過程，但產(chǎn)氫率并不高。而后者采用的是產(chǎn)氫菌厭氧發(fā)
酵，它的優(yōu)點是產(chǎn)氫速度快，反應(yīng)器設(shè)計簡單，且能夠利用可再生資源等有機(jī)物進(jìn)行生產(chǎn)，
相對于前者更容易在短期內(nèi)實現(xiàn)。但采用一步法進(jìn)行的藻類制氫其最終產(chǎn)氫率僅為5_10%左右。 微藻在產(chǎn)氫的同時其生物質(zhì)可進(jìn)一步進(jìn)行生物發(fā)酵得到沼氣等能源物質(zhì)。生物發(fā)酵是自然界極為普遍而典型的厭氧消化反應(yīng)，各種各樣的有機(jī)物通過沼氣發(fā)酵，不斷地被分解代謝產(chǎn)生沼氣，從而構(gòu)成了自然界物質(zhì)和能量循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。 但是，將生物制氫與生物發(fā)酵制沼氣相結(jié)合綜合開發(fā)利用可再生能源的方法尚未見報道。 本發(fā)明通過微藻兩步法生產(chǎn)氫氣和沼氣，既吸收了 C02緩解了溫室效應(yīng)，同時產(chǎn)生了清潔能源物質(zhì)可有效緩解能源危機(jī)，達(dá)到了改善環(huán)境，增加新能源的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于利用微藻吸收(A和儲能的生物特性，以及生長速度快的自身優(yōu)勢，通過兩步法生產(chǎn)氫氣和沼氣，作為緩解能源供應(yīng)矛盾、應(yīng)對氣候變化以及實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明微藻兩步法生產(chǎn)生物能源的主要工藝路線包括微藻的培養(yǎng)一微藻生物質(zhì)的收集處理一第一步生物制氫一第二步生物制沼氣一產(chǎn)品及殘留物的綜合利用。
本發(fā)明微藻兩步法生產(chǎn)生物能源的主要工藝路線的技術(shù)特點為 1.微藻的培養(yǎng)根據(jù)微藻的種類不同其接種量范圍控制在5% 25% (體積比)，
藻種680nm下0D值大于0. 7， C02的吸收率可達(dá)到50% (體積比)以上，生物質(zhì)的產(chǎn)量為
310 15g(干重)/mVd。 其中，微藻為藍(lán)藻、綠藻等高效生長藻種，培養(yǎng)基為各種改良過的優(yōu)化條件下微藻 生長的基礎(chǔ)培養(yǎng)基，改良后可利用碳源主要為C02。根據(jù)不同的藻種，其培養(yǎng)基種類也不盡 相同。 2.微藻生物質(zhì)的收集和處理對培養(yǎng)的藻液(細(xì)胞數(shù)目達(dá)到107個/ml)進(jìn)行濃 縮，通常采用板框過濾或是離心分離進(jìn)行濃縮，濃縮液可直接作為發(fā)酵液，若含水量太高則 應(yīng)進(jìn)一步干燥，接入高效消化活性污泥，接種量一般為10% 20% (質(zhì)量比)；通常消化 1 2天得到微藻生物質(zhì)降解產(chǎn)物。 本發(fā)明生產(chǎn)生物能源過程中需要進(jìn)行活性厭氧污泥的篩選及馴化，篩選主要包括 專一性篩選，利用紫外或化學(xué)方法進(jìn)行誘變篩選；馴化主要是不同時期不同底物量的改變。 從而獲得高效消化活性污泥、優(yōu)勢產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸活性污泥和優(yōu)勢產(chǎn)甲烷活性污泥等多種高效 厭氧活性污泥含有高效優(yōu)勢菌群。 活性污泥的制備最初的活性污泥取自污水處理廠，其活性污泥成分主要是消 化生活廢水，所含菌群不利于微藻的厭氧消化，需要將其與收獲的微藻混合，進(jìn)行初期 的馴化，敞口放置于適宜環(huán)境中，水解細(xì)菌大量滋生，主要包括產(chǎn)琥珀酸擬桿菌屬，湖生 (lochheadii)芽孢菌屬，柱孢梭菌屬，生黃瘤胃球菌，白色瘤胃球菌落，溶纖維丁酸弧菌，得 到較適宜消化微藻的活性污泥，再經(jīng)進(jìn)一步誘變，篩選，馴化，得到高效微藻消化活性污泥， 低溫保存?zhèn)溆茫粌?yōu)勢產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸活性污泥的獲得是將高效消化活性污泥在不同條件下馴化 而得，經(jīng)消化后的微藻調(diào)節(jié)pH值到4. 0 4. 5進(jìn)行厭氧消化，這一階段微藻消化后的低碳 成分開始產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸，從而誘發(fā)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌數(shù)量增多，隨著時間的推移活性會增強(qiáng)，形成 優(yōu)勢種群，再經(jīng)篩選，馴化，獲得高效產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸活性污泥，取出部分低溫保存?zhèn)溆?；產(chǎn)氫過 后調(diào)節(jié)pH到6. 8 7. 5，繼續(xù)厭氧消化，甲烷菌、產(chǎn)甲烷絲菌逐漸成為優(yōu)勢種群，從而獲得優(yōu)
勢產(chǎn)甲烷活性污泥，4t:保存?zhèn)溆谩?3.生物制氫的方法消化后得到的微藻生物質(zhì)降解產(chǎn)物的主要成分是脂肪酸、醇 類、乳酸和丁酸等，消化1 2天后接入優(yōu)勢產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌活性污泥，一般接種量為10% 20% (質(zhì)量比)，溫度控制在30 40°C， pH調(diào)節(jié)到4. 0 4. 5 ;常壓厭氧發(fā)酵，待連續(xù)產(chǎn)氣 5 7天后，終止該反應(yīng)，可得到純度較高的氫氣，同時可得中間產(chǎn)物乙酸。
4.生物制甲烷的方法上述發(fā)酵液通過調(diào)節(jié)pH到6. 8 7. 5來終止產(chǎn)氫反應(yīng)，同 時通過外接管路向發(fā)酵容器接入含碳較高的城市廢棄物(打印紙等)或農(nóng)村廢棄物(秸 稈等)，通過碳氮測量，調(diào)節(jié)碳氮比至20 30 : l(摩爾比)，具體調(diào)節(jié)方法是先根據(jù)元 素分析方法確定出微藻的碳氮比，氮的含量用凱氏定氮法測出，碳的含量較為復(fù)雜，包括多 糖，纖維素等多種，一般根據(jù)燃燒得到灰分質(zhì)量再以糖中碳的含量為依據(jù)換算為碳的大體 質(zhì)量，一般來說藻的碳氮比為6 : l，比要求的偏低，這就要添加含碳量高的成分，如上所 述，經(jīng)過計算得出添加量，接入優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌活性污泥，溫度控制在30 35t:左右，進(jìn)行產(chǎn) 甲烷發(fā)酵，最終碳的轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%以上。 5.產(chǎn)品及殘留物的綜合處理氫氣可直接作為能源利用或制成氫電池或用于發(fā)
電，沼氣可用于發(fā)電或制成燃?xì)庵苯邮褂?，殘留物可作肥料?本發(fā)明微藻兩步法生產(chǎn)生物能源的主要工藝路線的技術(shù)優(yōu)點為 1.設(shè)計反應(yīng)用的底物為微藻，其生長速率相對于普通植物快得多，倍增時間短，因
4此可以吸收大量的二氧化碳。能極大地緩解溫室效應(yīng)，因此獲得了經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的雙贏，這是本設(shè)計的最大亮點之一； 2.微藻生物質(zhì)發(fā)酵后得到了清潔的生物能源——?dú)錃夂驼託?，二者屬于可再生能源，不會對環(huán)境造成二次污染； 3.產(chǎn)生的生物能源可代替化石能源，緩解化石能源危機(jī)，減緩世界石油價格增長； 4.產(chǎn)氫與產(chǎn)甲烷的兩類微生物所要利用的中間產(chǎn)物不同，二者不沖突，且在不同時期添加不同活性的高效污泥，與普通同一污泥厭氧發(fā)酵相比更專一、效率更高，因此在反應(yīng)底物微藻相同，設(shè)備相同的情況下，兩步法可以更加充分的利用反應(yīng)底物，與普通方法相比多產(chǎn)生了可觀的氫氣能源，這是本設(shè)計的另一大亮點；
5.發(fā)酵殘留物可制造有機(jī)復(fù)合肥。


圖1為本發(fā)明具體工藝流程圖
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，但不應(yīng)理解為是對本發(fā)明進(jìn)行限定。 1.微藻的培養(yǎng)藻種為本公司自行篩選高效生長藻種，培養(yǎng)基為改良過的基礎(chǔ)培養(yǎng)基，改良后碳源主要為C02，藻種的接種量為5% 25% (體積比)，藻種680nm下0D值大于0. 7，C02的吸收率可達(dá)到50%以上(體積比)，生物質(zhì)的產(chǎn)量為10 15g(干重)/m3/d。
下表為一種改良過的淡水培養(yǎng)基組成。
含量 存儲液濃度960mL # 1 2 # 1 2 3 4 5 6 # 1 2
組分
:要培土壤水
40mL上清液
組成含量存儲液濃度
NaN03lOmL/L8g/400mL dH20
CaCl2 2H20lOmL/L1. 5g/400mL dH20
MgS04 7H20lOmL/L3g/400mL dH20
K2HP04lOmL/L5. 3g/400mL dH20
KH2P04lOmL/L7. 9g/400mL dH20
NaCllOmL/Llg/400mL dH20
土壤水
組成無污染土壤
CaCO
含』
存儲液濃度
ltsp/200mL dH20lmg/200mL dH20
2.微藻生物質(zhì)的收集和處理生產(chǎn)得到的藻體生物質(zhì)通過板框過濾或是離心分離進(jìn)行濃縮，濃縮后可直接作為發(fā)酵液，若含水量太高則應(yīng)進(jìn)一步干燥，干燥后一般為塊狀，需經(jīng)粉碎處理，加入20%左右的水，接入10%的高效消化菌活性污泥，消化1 2天得到微藻生物質(zhì)降解產(chǎn)物。
活性厭氧污泥的篩選及馴化，獲得到高效消化活性污泥、優(yōu)勢產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸活性污 泥和優(yōu)勢產(chǎn)甲烷活性污泥。 3.生物制氫的方法消化后得到的微藻生物質(zhì)降解產(chǎn)物的主要成分是脂肪酸、醇 類、乳酸和丁酸等，消化24 48h后接入10%優(yōu)勢產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸活性污泥，溫度控制在35°C 左右，pH調(diào)節(jié)到4. 0 4. 5，待連續(xù)產(chǎn)氣7天后，終止該反應(yīng)，可得到純凈高含量的氫氣，同 時副產(chǎn)中間產(chǎn)物乙酸。 4.生物制甲烷的方法發(fā)酵液通過調(diào)節(jié)pH到6. 8 7. 5來終止產(chǎn)氫反應(yīng)，同時接 入城市廢棄物(打印紙等)或農(nóng)村廢棄物(秸稈等)調(diào)節(jié)碳氮比至20 30 : l(摩爾比)， 接入優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌活性污泥，溫度控制在35t:左右，進(jìn)行產(chǎn)甲烷發(fā)酵，最終碳的轉(zhuǎn)化率達(dá)到 50%以上。 5.產(chǎn)品及殘留物的綜合處理產(chǎn)生的高純氫氣可制成氫電池或用于發(fā)電，沼氣可 用于發(fā)電或制成燃?xì)庵苯邮褂?，殘留物可作肥料?br> 權(quán)利要求
一種微藻兩步法生產(chǎn)生物能源的方法，包括微藻的培養(yǎng)，微藻生物質(zhì)的收集、處理以及生物制氫和生物制沼氣，最后對產(chǎn)品及殘留物進(jìn)行綜合利用。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微藻兩步法生產(chǎn)生物能源的方法，其特征在于，微藻的培養(yǎng)中微藻的接種量體積比為5% 25%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微藻兩步法生產(chǎn)生物能源的方法，其特征在于，用收獲的微 藻生物質(zhì)篩選及馴化活性厭氧污泥，獲得高效消化活性污泥、優(yōu)勢產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸活性污泥和 優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌活性污泥。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微藻兩步法生產(chǎn)生物能源的方法，其特征在于，微藻生物質(zhì) 的收集通過板框過濾或離心分離進(jìn)行濃縮，濃縮后直接作為發(fā)酵液，或進(jìn)一步干燥，接入高 效消化活性污泥，消化得到微藻生物質(zhì)降解產(chǎn)物，主要成分是脂肪酸、醇類、乳酸和丁酸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微藻兩步法生產(chǎn)生物能源的方法，其特征在于，生物制氫的 方法發(fā)酵液消化后接入優(yōu)勢產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌活性污泥，待連續(xù)產(chǎn)氣若干天后，終止反應(yīng)，得 到純度較高的氫氣，同時得中間產(chǎn)物乙酸。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微藻兩步法生產(chǎn)生物能源的方法，其特征在于，生物制氫溫 度控制在30 40°C， pH調(diào)節(jié)到4. 0 4. 5。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微藻兩步法生產(chǎn)生物能源的方法，其特征在于，生物制甲烷 的方法發(fā)酵液通過調(diào)節(jié)pH值到6. 8 7. 5來終止產(chǎn)氫反應(yīng)，同時接入含碳較高的廢棄物， 調(diào)節(jié)碳氮比，接入優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌活性污泥進(jìn)行產(chǎn)甲烷發(fā)酵。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的微藻兩步法生產(chǎn)生物能源的方法，其特征在于，生物制甲烷 中廢棄物碳氮比調(diào)至摩爾比20 30 : 1，溫度控制在30 35t:。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1 8所述的任意一種微藻兩步法生產(chǎn)生物能源的方法，其特征在于， 微藻為藍(lán)藻或綠藻。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1 9所述的任意一種微藻兩步法生產(chǎn)生物能源的方法，其特征在 于，產(chǎn)品及殘留物的綜合處理產(chǎn)生的高純氫氣直接作為能源利用或制成氫電池或發(fā)電； 沼氣用于發(fā)電或制成燃?xì)庵苯邮褂?；殘留物作肥料?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及一種微藻兩步法生產(chǎn)生物能源的方法。屬于環(huán)保和新能源技術(shù)領(lǐng)域，利用微藻生物制生物能源(氫氣、沼氣)。主要包括微藻的培養(yǎng)；微藻生物質(zhì)的收集，處理；生物制氫；生物制沼氣；產(chǎn)品及殘留物的綜合利用。由于本方法利用微藻通過兩步法生產(chǎn)生物能源，不僅獲得了兩種穩(wěn)定的生物能源氫氣和沼氣，同時吸收了CO2緩解了溫室效應(yīng)，產(chǎn)生的清潔能源物質(zhì)可有效緩解能源危機(jī)，達(dá)到改善環(huán)境，增加新能源的目的。
文檔編號C12N1/12GK101760432SQ20081024002
公開日2010年6月30日 申請日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者劉敏勝, 李靜, 楊巧利, 耿金峰, 郭朋朋, 馬衛(wèi)敬 申請人:新奧科技發(fā)展有限公司