利用CSTR生物制氢系统厌氧发酵的研究现状.pdf

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1、2014年第2期中国甜菜糖业2014No．22014年6月CHlNA8EET＆SUGARJun．2014文章编号：1002—0551(2014)02—0020—05利用CSTR生物制氢系统厌氧发酵的研究现状赵健慧，梁乾伟，冯可心，程国玲，李永峰(东北林业大学林学院，哈尔滨150040)摘要：生物制氢技术在开发能源方面具有重要的现实地位，连续流搅拌槽式反应系统(CSTR)采用机械搅拌，传质效率高，可有效提高产氢效率，同时此设备技术要求较为简单，能大幅降低生物制氢的成本，易于实现氢气的工业化生产。本文阐述了连续流搅拌槽式反应器(CSTR)生物

2、制氢系统的研究进展，着重剖析了CSTR生物制氢系统的影响因素、底物范围和相关的技术研究，并对其发展和实际应用进行了简要论述。关键词：生物制氢；CSTR；影响因素；底物范围中图分类号：TS248文献标识码：Bdoi：10．3639／j．issn．1002—0551．2014．02．0050前言1CSTR生物制氢系统简介现代生物制氢技术的研究始于上世纪70年代连续流搅拌槽式反应器(ContinuousStirred的能源危机，因上世纪90年代对温室效应的进一TankReactor，CSTR)是指带有搅拌桨的槽式反应步认识再次引起了国际社会的广

3、泛关注j。在生器，又被称为完全混合式反应器，CSTR生物制氢物制氢技术中，发酵法生物制氢因其稳定性好、产系统的结构见图1。反应器内设气一液一固三相氢能力高、能够利用可再生资源和废弃有机物而优分离装置，且具有反应区与沉淀区一体化的结构。于光合法生物制氢，更容易在短期内实现产业化应通过对轴处液封，可保证反应器的厌氧条件。反应用。器外壁缠绕电阻丝，通过温控系统维持反应器内的在发酵法制氢过程中，反应器的设计和运行模温度稳定在厌氧发酵产氢微生物的最适范围。通式对产氢量和产氢速率具有重要的影响。厌氧过搅拌，可实现微生物与进水的完全混合，避免了发酵生物

4、制氢反应器主要包括序批式制氢反应器分层状态，增加了物料和微生物接触的机会，大大和连续流制氢反应器，序批式制氢反应器操作简单提高了产气率和投资利用率。该系统结构简单、占和容易控制，主要用于实验室研究；从经济性和实地少、成本低，是目前应用最广泛的连续流发酵生用性的角度考虑，连续流制氢反应器是实现工程应物制氢反应器之一。用的关键。连续流搅拌槽式反应器(CSTR)构造简单，广泛地应用于厌氧发酵制氢技术的研究，本文2工程控制参数阐述了CSTR生物制氢系统的研究现状，着重分析其工程控制参数、发酵底物以及相关的技术研究。乙醇型发酵被认为是最佳的运行状态

5、及最佳控制的标志，而该发酵类型又受多种运行参数的调控。其中温度、pH、氧化还原电位(ORP)、反应器搅拌速度、水力停留时间(HRT)和有机负荷率收稿日期：2013—09—08(OLR)都对产氢过程有着重要的影响。基金项目：上海市重点科技攻关(071605122)(1)温度对微生物的生存有显著的影响，而且作者简介：赵健慧(1991一)，女，在读硕士，研究方向为水污染控制对生化反应速度的影响也极为明显。当发酵温度工程。通信作者：李永峰(1961一)，男，博士，教授，研究方向为水污染调节在35～38范围时，厌氧活性污泥中的微生控制工程与生物制氢

6、技术，E—mail：dr_lyf@163．con物菌群具有最高的生长代谢速度，增殖较快，能使第2期赵健慧，等：利用CSTR生物制氢系统厌氧发酵的研究现状21运行状况。耗氢的产甲烷细菌的生长速率较慢，产4氢细菌如梭菌等生长较快，因此减少HRT可以有效去除产甲烷细菌，提高产氢效率。当HRT过短5时会导致产氢细菌的稀释和淘汰，导致系统内生物量过低、产氢量不高，反应器的效能得不到有效发挥。Zhang等¨利用混合产氢菌群在CSTR反应器中进行连续产氢，发现HRT为6～8h时产氢效果最佳。(6)有机负荷是影响厌氧发酵产氢的又一个直接影响因子，过低或过

7、高的底物浓度都不利于发1．水箱2．蠕动泵3．反应器4．搅拌机5．湿式气体流量计6．水封酵产氢。负荷较低，有机物只能供给微生物正常生图1CSTR生物制氢系统结构图长和新陈代谢所需的能量，无剩余能量转化为氢气释放出来；负荷较高，发酵产物中过量的酸会抑制反应器中保持较高的生物持有量，有机物酸化率和微生物的生长代谢甚至对其产生毒害作用，不利于产氢速率也达到最大。微生物的生长，产氢能力降低。韩伟等L1人的研(2)产酸发酵细菌，包括稳定性较强的乙醇型究表明产氢速率开始随OLR的增加而增大(8—24发酵菌群，对pH值的变化均十分敏感。反应器内kg／m·

8、d)，之后随OLR的增加而降低(24～32pH值的变化会造成其微生物生长繁殖速率及代谢kg／m。·d)。途径的改变，也会引起代谢产物的变化进而使发酵类型发生改变J。乙醇型发酵的最佳pH值应为3