一种电刺激耦合暗发酵产氢微生物电化学系统的制作方法

本实用新型涉及暗发酵制氢、电刺激技术，是微生物与能源交叉领域。

背景技术：

随着工业化进程的不断推进，化石燃料消耗所带来的环境污染，温室效应及能源短缺等问题日益凸显，寻找新型清洁可再生能源迫在眉睫，氢气具有热值高、燃烧后无污染、容易分离等优点，被称为“最有前景的清洁能源”和“未来的能量载体”。目前，通过对有机物进行发酵而产生氢气，是最常见的生产生物能源的方法之一。

但，现在工业上大量生产氢气的方法有很多，如电解水制氢、水煤气法制氢、由石油热裂的合成气和天然气制氢等，目前，95％的商用氢气通过化学燃料来制得，不仅污染了环境，还大量消耗了能源；而生物制氢具有反应条件温和、可将废物资源化及低能耗等优点。常用的生物制氢包括微生物电解电池、藻类制氢、光发酵和暗发酵等，其中发酵细菌产氢能力高，具有产氢稳定、速率较快和对条件要求低等特点，相对于光合产氢菌，暗发酵产氢菌无需光源，生长速率快，产氢速率高，它可不分昼夜地利用有机化合物去生产氢气。因此产氢效率快、底物转化率高还可利用各种工农业废弃物。

并且，在有机物的水解过程中，发酵液会累积大量脂肪酸，溶液ph明显下降，从而抑制发酵产氢。所以，利用微生物电解池可以在降解有机物的同时产生氢气，从而实现溶液中h 的移除，是一种十分理想的调控发酵液ph的能源转化装置，然后再耦合微生物电合成系统继续处理近中性的发酵尾液，将co2还原为甲烷；同时利用电刺激技术促进产氢菌的生长和代谢，以提高产氢菌的生长代谢能力。这样的微生物电化学系统是一种新型的生物能源转换装置，其主要特点是以具有电化学活性的微生物来催化电极表面的氧化还原反应，从而可以在降解溶液中有机物的同时进行产电、产h2或者还原co2产ch4。

技术实现要素：

本实用新型克服了现有技术的缺点，提供了一种底物降解彻底、产氢效率高且产生的物质都是气态生物燃料，实现了燃料的气液分离。

为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种电刺激耦合暗发酵产氢微生物电化学系统，包括生物反应器、阳离子交换膜(aem)、阳极钛镀钌板、阴极碳毡层片、碳布镀铜层片、磁力搅拌器、气体收集装置、控温装置、ph检测装置及进出阀等。生物反应器有两个一个为暗发酵产氢反应器，一个为暗发酵尾液处理反应器；前者是双室微生物电解池(mecs)；中间用阳离子交换膜隔开，顶端设置出气口，下端设置左进右出的进出阀，包含第一控温装置和ph检测装置，通过直流电源来促进产氢菌的生长和代谢，使得生物反应得以最大程度利用。后者是微生物电合成系统(mes)；下端设有暗发酵尾液、培养液及空气入口，包含第二控温装置，对近中性尾液彻底降解。通过橡胶管将他们耦合形成产氢微生物电化学系统。与现有技术相比，本实用有益的效果为：将厌氧发酵与微生物电合成系统结合在一起构成高效率、环保的生物能源转换装置。

优选的是，暗发酵产氢反应器采用阳离子交换膜(aem)将其分隔开来，允许h 通过，使其聚集在阴极，电子经过外电路到达阴极表面与其结合产生氢气。

优选的是，暗发酵产氢反应器包含第一控温装置和ph检测装置，使得生物反应得以最大程度利用。利用直流电源对产氢微生物进行电刺激，促进微生物电解池中产氢菌的生长和代谢，以提高产氢菌的生长代谢能力，进而促进产氢量。

优选的是，暗发酵尾液处理反应器能够将近中性的发酵尾液彻底降解，并在阴极将co2还原成ch4。

优选的是，暗发酵尾液处理反应器能对调控后的尾液中的有机物进行彻底降解还原co2产ch4。产生的都是气态燃料，实现了气液分离。

优选的是，暗发酵产氢反应器和暗发酵尾液处理反应器间通过橡胶管连接在一起形成产氢微生物电化学系统。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一个实施例的结构示意图；1、暗发酵产氢反应器；2、第一控温装置；3、ph检测装置；4、进出阀；5、阳极钛镀钌板；6、阳离子交换膜；7、阴极碳毡层片；8、磁力搅拌器；9、出气口；10、导线；11、直流电源；12、暗发酵尾液处理反应器；13、第二控温装置；14、橡胶管；15、进出阀；16、碳布镀铜层片；17、负载

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种电刺激耦合暗发酵产氢微生物电化学系统，包括，1、暗发酵产氢反应器；2、第一控温装置；3、ph检测装置；4、进出阀；5、阳极钛镀钌板；6、阳离子交换膜；7、阴极碳毡层片；8、磁力搅拌器；9、出气口；10、导线；11、直流电源；12、暗发酵尾液处理反应器；13、第二控温装置；14、橡胶管；15、进出阀；16、碳布镀铜层片；17、负载。前者是双室微生物电解池(mecs)；中间用阳离子交换膜隔开；h 通过阳离子交换了膜来到阴极产生氢气，后者是单室微生物电合成系统(mes)，在阴极将co2还原成甲烷。

本微生物电化学系统工作原理：先利用进阀4将产氢菌装入暗发酵产氢反应器1的阳极腔室，利用出阀4将底物装入暗发酵产氢反应器1的阴极腔室，利用第一控温装置2和磁力搅拌器8使微生物处于最适环境产氢气，并通过直流电源11在不同时间点通入电流，在阳极钛镀钌板5侧，在降解有机物的同时将电子传到电极表面，电子通过导线10到达阴极碳毡层片7表面，与h 结合生成氢气，同时利用电场刺激，促进产氢菌的生长和代谢，提高产氢菌的生长代谢能力，进而提高产氢量，然后通过阴极腔室顶端的出气口9自气体收集装置。利用ph检测装置3实时监测发酵液的ph，接近中性时，静置2h，然后打开暗发酵产氢反应器1的阴极室的出阀4，通过橡胶管14从进阀15将近中性尾液装入暗发酵尾液处理反应器，碳布镀铜层片16与导线10以及负载17相连，组成闭合回路，利用第二控温装置13使产甲烷菌处于最适环境下还原co2产ch4，并能够将发酵尾液中不能继续被微生物自发降解的小分子有机物彻底降解。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：

1.一种电刺激耦合暗发酵产氢微生物电化学系统，包括暗发酵产氢反应器(1)、阳极钛镀钌板(5)、阴极碳毡层片(7)、导线(10)、直流电源(11)、暗发酵尾液处理反应器(12)、碳布镀铜层片(16)、负载(17)，所述暗发酵产氢反应器(1)具有阳离子交换膜(6)，并在顶端设置出气口(9)下端设置左进右出的进出阀(4)；其特征在于：反应容器被阳离子交换膜(6)分隔开来，并且包含第一控温装置(2)和ph检测装置(3)，通过直流电源(11)来促进产氢菌的生长和代谢，使得生物反应得以最大程度利用；所述暗发酵尾液处理反应器(12)下端设有暗发酵尾液、培养液及空气入口(15)；其中，反应容器包含第二控温装置(13)，对近中性尾液彻底降解；所述导线(10)串联直流电源(11)和阴极碳毡层片(7)阳极钛镀钌板(5)形成双室微生物电解池；所述导线(10)串联负载(17)碳布镀铜层片(16)形成单室微生物电合成系统；通过橡胶管(14)将他们耦合形成产氢微生物电化学系统。

2.根据权利要求1所述的电刺激耦合暗发酵产氢微生物电化学系统，其特征在于：所述暗发酵产氢反应器(1)为双室微生物电解池，中间用阳离子交换膜(6)隔开，允许h 通过，使其聚集在阴极，电子经过外电路到达阴极表面与其结合产生氢气，然后经阴极腔室顶端出气口(9)去气体收集装置。

3.根据权利要求1所述的电刺激耦合暗发酵产氢微生物电化学系统，其特征在于：暗发酵产氢反应器(1)包含第一控温装置(2)和ph检测装置(3)使得生物反应得以最大程度利用，并通过电刺激的方式促进产氢菌的生长和代谢。

4.根据权利要求1所述的电刺激耦合暗发酵产氢微生物电化学系统，其特征在于：暗发酵尾液处理反应器(12)能够将近中性的发酵尾液彻底降解，并在阴极将co2还原成ch4。

5.根据权利要求4所述的电刺激耦合暗发酵产氢微生物电化学系统，其特征在于：近中性的尾液通过橡胶管(14)装入暗发酵尾液处理反应器(12)，产生的物质都是气态的生物燃料，实现了燃料的气液分离。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的电刺激耦合暗发酵产氢微生物电化学系统，其特征在于：暗发酵产氢反应器(1)和暗发酵尾液处理反应器(12)间通过橡胶管(14)连接在一起形成产氢微生物电化学系统。

技术总结
本实用新型公开了一种电刺激耦合暗发酵产氢微生物电化学系统，旨在利用电刺激的方法促进微生物电解池中产氢菌的生长和代谢，以提高产氢菌的生长代谢能力，进而促进产氢量、利用微生物电合成系统进一步对暗发酵尾液彻底降解的耦合暗发酵产氢微生物电化学系统。包括生物反应器、阳离子交换膜(AEM)、阳极钛镀钌板、阴极碳毡层片、碳布镀铜层片、磁力搅拌器、pH检测装置、控温装置、橡胶管及进出阀等。生物反应器有两个一个为暗发酵产氢容器，一个为暗发酵尾液处理容器；前者是双室微生物电解池(MECs)；中间用阳离子交换膜隔开；后者是单室微生物电合成系统(MES)，在阴极将CO2还原成甲烷。

技术研发人员：王以明;赵乾利;童晋
受保护的技术使用者：成都理工大学
技术研发日：2020.08.05
技术公布日：2021.06.11