劉淑敏, 白艷霞, 李彥紅, 樊耀亭

(鄭州大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001)

利用高濃度秸稈廢棄物發(fā)酵產(chǎn)氫

劉淑敏, 白艷霞, 李彥紅, 樊耀亭*

(鄭州大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001)

采用高濃度的玉米秸稈(60 g·L-1)作為產(chǎn)氫底物, 研究了在氫發(fā)酵過程中幾個關(guān)鍵過程參數(shù)對發(fā)酵產(chǎn)氫的影響,以期在秸稈廢棄物的清潔氫能轉(zhuǎn)化過程中減少發(fā)酵廢水的生成總量. 結(jié)果表明, 在酸化秸稈濃度為60 g·L-1,碳酸氫銨添加量為1.2 g·L-1，十六烷基三甲基溴化銨添加量為30 mg·L-1，菌株Bacillus sp. FS2011添加量為10%(質(zhì)量分數(shù))，以及初始pH= 7.5±0.5、發(fā)酵溫度(37±1) ℃條件下, 最大產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速率分別為(79.8±1.5) mL·g-1和3.78 mL·g-1·h-1. 與使用低濃度秸稈(≤20 g·L-1)底物時相比, 生成的氫發(fā)酵廢水總體積減小了約67%.

秸稈廢棄物; 發(fā)酵; 高底物濃度; 產(chǎn)氫

由于傳統(tǒng)化石燃料日趨枯竭以及使用化石燃料所造成的日益嚴重的環(huán)境污染問題,研究開發(fā)清潔和可再生的替代能源已成為我國能源研究領(lǐng)域中的一項緊迫任務(wù).與其他能源相比, 氫能具有清潔(燃燒產(chǎn)物為水)、高效(熱值是化石燃料的三倍)和可再生(可利用廢棄的生物質(zhì)資源)的特點, 是本世紀公認的清潔可再生能源[1]. 在傳統(tǒng)的制氫方法中, 例如電解水、水煤氣轉(zhuǎn)化、石油裂解和熱化學(xué)分解等, 不僅能耗高, 且大多需消耗一次性能源. 與前述方法相比, 暗發(fā)酵制氫具有反應(yīng)條件溫和、能耗低, 分離提純簡單的特點[2].

另一方面, 我國生物質(zhì)資源豐富, 目前秸稈類生物質(zhì)年產(chǎn)量已達7億噸, 其中玉米秸稈的年產(chǎn)量約為2.2億噸[3]. 這些廢棄物除少量被用作飼料外, 大多被廢棄或焚燒, 不僅污染環(huán)境, 也造成資源的重大浪費, 因而將這些廢棄的生物質(zhì)進行資源化處理意義重大. 由于秸稈類廢棄物的化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 難以被生物降解, 因此在發(fā)酵產(chǎn)氫前需要對其進行水解預(yù)處理. 迄今關(guān)于秸稈的預(yù)處理方法已有許多報道, 但在發(fā)酵產(chǎn)氫研究中, 大多仍局限于使用低的秸稈濃度(5.0～20.0 g·L-1), 由此導(dǎo)致了大量發(fā)酵廢水的生成以及二次環(huán)境污染問題[4-6]. 為了解決上述問題, 近年來人們也嘗試在秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫研究中使用較高的秸稈濃度, 例如：AKUTSU等在批式發(fā)酵產(chǎn)氫實驗中, 把淀粉濃度增加至30 g·L-1, 但液相副產(chǎn)物中VFAs(揮發(fā)性脂肪酸)和醇的濃度迅速增加, 導(dǎo)致產(chǎn)氫量的迅速下降[7]. IDANIA等利用20.9%的市政有機廢物進行高溫發(fā)酵產(chǎn)氫實驗時, 僅得到了463.7 mL·kg-1·d-1的最大產(chǎn)氫速率. 上述研究表明高濃度底物對產(chǎn)氫存在嚴重的抑制作用[8]. 李冬敏等在汽爆玉米秸稈固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)氫研究中得到秸稈的最大產(chǎn)氫量僅為44.5 mL·g-1-汽爆秸稈[9]. 白真真等在秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫研究中發(fā)現(xiàn), 當酸解秸稈濃度從20 g·L-1增加至60 g·L-1時, 最大產(chǎn)氫量則從104.0 mL·g-1-秸稈降至49.6 mL·g-1-秸稈, 介質(zhì)pH也從4.8降至4.2[10-11]. 綜上所述, 高濃度秸稈對發(fā)酵產(chǎn)氫的抑制作用是導(dǎo)致其產(chǎn)氫效率不佳的主要瓶頸, 直至現(xiàn)在該研究也仍未獲得實質(zhì)性進展. 因此, 有必要對其開展進一步的研究工作. 本文作者在前期工作基礎(chǔ)上, 以高濃度玉米秸稈(60 g·L-1)作為發(fā)酵產(chǎn)氫的模型物, 考察并優(yōu)化了秸稈氫發(fā)酵過程中的幾個關(guān)鍵參數(shù).

1 實驗部分

1.1 實驗原料

玉米秸稈: 新收獲的玉米秸稈(鄭州郊區(qū))經(jīng)空氣風(fēng)干除塵后備用, 其主要成分如下: 總固體量(TS)75%(質(zhì)量分數(shù),下同)、纖維素33.64%、半纖維素24.4%、木質(zhì)素8.65%、可溶性糖0.073 g·g-1-TS. 使用前將玉米秸稈粉碎, 過40目篩，按1∶10的固液比加入0.5%稀H2SO4，并進行煮沸處理1 h, 冷至室溫后用氫氧化鈣調(diào)節(jié)pH至7.0后備用.

1.0 g·L-1十六烷基三甲基溴化銨溶液: 將 1.0 g十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)溶于1 000 mL水中.

產(chǎn)氫菌源: 以牛糞堆肥(取自河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園)作為天然產(chǎn)氫菌源, 含水量為58%. 將含有堆肥與水的混合物(固液比1∶6 )煮沸30 min, 冷至室溫后繼續(xù)浸泡12 h, 過濾除渣, 參照文獻方法[11]在濾液中分別加入蔗糖(10 g·L-1)和營養(yǎng)液(10 mL·L-1), 在(37±1) ℃預(yù)培養(yǎng)10 h后作為產(chǎn)氫菌源(種子液).

菌種增強實驗: 將實驗室分離得到的純菌株Bacillus sp. FS2011按常規(guī)方法馴化培養(yǎng)后用于本文的菌種增強實驗. 培養(yǎng)液組成如下(g·L-1): 葡萄糖20, 蛋白胨4, 氯化鈉3, 磷酸二氫鉀1, 磷酸氫二鉀1, 半胱氨酸0.5, 硫酸亞鐵0.1, 氯化鎂0.1, 營養(yǎng)液10 mL·L-1[11].

1.2 實驗方法

在300 mL血清瓶中依次加入30 mL酸解的秸稈和15 mL種子液. 根據(jù)實驗室前期優(yōu)化的實驗條件, 再依次加入0.6 g·L-1磷酸二氫鉀和0.05 g鐵粉, 調(diào)節(jié)介質(zhì)pH至7.5±0.5, 加水至工作體積為50 mL, 使秸稈濃度為60 g·L-1. 通入氮氣置換出反應(yīng)瓶中的空氣, 用橡膠塞密封瓶口, 將其置于恒溫振蕩器中, 在(37±1) ℃和120 rpm條件下進行發(fā)酵產(chǎn)氫實驗. 為了保證數(shù)據(jù)的可信度, 實驗組與對照組各設(shè)3個平行實驗.

1.3 儀器及分析方法

氣體體積用排水集氣法進行測定: 氫氣、甲烷、VFAs(揮發(fā)性脂肪酸)和醇含量用Agilent-4890型氣相色譜儀(美國安捷倫儀器公司)按照文獻方法進行測定[4]; pH用6071型微電腦酸度計測定; 秸稈中還原糖含量用DNS比色法，通過HP 4853型UV-Vis分光光度計測定[6].

2 結(jié)果與討論

2.1 碳酸氫銨對產(chǎn)氫的影響

圖1 碳酸氫銨添加量對產(chǎn)氫的影響Fig.1 Effects of ammonium bicarbonate dosage on hydrogen production

圖2 十六烷基三甲基溴化銨添加量對產(chǎn)氫的影響Fig.2 Effects of cetyl trimethyl ammonium bromide dosage on hydrogen production

2.2 十六烷基三甲基溴化銨添加量對產(chǎn)氫的影響

圖3 菌株FS2011添加量對產(chǎn)氫的影響Fig.3 Effects of strain FS2011 dosage on hydrogen production

在氫發(fā)酵體系中添加適量的表面活性物質(zhì)有利于增加產(chǎn)氫菌表面的通透性，促進菌體對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和有害物質(zhì)的釋放能力，從而提高其產(chǎn)氫活性.圖2為當十六烷基三甲基溴化銨濃度在0～50 mg·L-1范圍內(nèi)變化時，產(chǎn)氫量隨培養(yǎng)時間的變化趨勢.從圖2可以看出，當十六烷基三甲基溴化銨添加量小于30 mg·L-1時，產(chǎn)氫量隨著十六烷基三甲基溴化銨劑量的增大逐漸增加，最大產(chǎn)氫量為68.3 mL·g-1-秸稈，對應(yīng)的十六烷基三甲基溴化銨用量為30 mg·L-1，與對照樣(47.0 mL·g-1-秸稈)相比，產(chǎn)氫量提高了約45.3%，表明在發(fā)酵介質(zhì)中加入適量的表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨對發(fā)酵產(chǎn)氫有顯著的促進作用.其后，隨著十六烷基三甲基溴化銨劑量的進一步增加，產(chǎn)氫量呈逐漸下降趨勢.例如：當十六烷基三甲基溴化銨劑量從40 mg·L-1增加至50 mg·L-1時，產(chǎn)氫量從最大值的68.3 mL·g-1-秸稈分別降至63.5和53.9 mL·g-1-秸稈，表明在發(fā)酵產(chǎn)氫體系中添加過量的十六烷基三甲基溴化銨對產(chǎn)氫菌的抑制作用.因此，為了獲得更好的產(chǎn)氫效果，十六烷基三甲基溴化銨添加的劑量應(yīng)控制在一個合理的水平.

2.3 菌株Bacillus sp. FS2011對產(chǎn)氫的增強作用

利用實驗室分離培養(yǎng)的優(yōu)勢產(chǎn)氫菌株Bacillus sp. FS2011考察了菌株添加量對底物產(chǎn)氫的增強作用, 結(jié)果如圖3所示. 可以看出, 當菌株劑量在0～10%(體積分數(shù))范圍內(nèi)變化時, 累積產(chǎn)氫量隨著菌株劑量的增加逐漸增加. 例如: 當菌株劑量從0增加至2.0%時, 產(chǎn)氫量從對照樣的52.1 mL·g-1-秸稈增加至53.2 mL·g-1-秸稈, 產(chǎn)氫量的最大值為59.29 mL·g-1-秸稈, 對應(yīng)的菌株劑量為10%, 與對照樣相比, 產(chǎn)氫量增加了13.6%. 其后, 隨著菌株劑量的進一步增加產(chǎn)氫量逐漸減少. 例如, 當菌株劑量增加至12%時, 產(chǎn)氫量從最大值的59.3 mL·g-1-秸稈降至54.72 mL·g-1-秸稈. 實驗結(jié)果表明，在秸稈的發(fā)酵產(chǎn)氫體系中加入一定量的純菌株Bacillus sp. FS2011可以明顯改善底物的產(chǎn)氫性能，原因在于菌種間的協(xié)同作用有利于改善和加強不同菌種間的互利共生關(guān)系,共同完成對復(fù)雜底物的降解.

2.4 放大實驗

在酸化秸稈濃度為60 g·L-1，初始pH=7.5±0.5和發(fā)酵溫度為(37±1) ℃的條件下，根據(jù)優(yōu)化的實驗參數(shù)，在一個10 L連續(xù)攪拌反應(yīng)器中(工作體積為4.5 L)依次加入種子液(菌源)，1.2 g·L-1的碳酸氫銨，30 mg·L-1十六烷基三甲基溴化銨和體積百分比為10%的菌株Bacillus sp. FS2011進行氫發(fā)酵實驗,定時檢測生物氣中氫氣濃度及發(fā)酵液中VFAs和醇含量，結(jié)果如圖4所示.由圖4a可知，反應(yīng)器啟動后產(chǎn)氫立即開始，產(chǎn)氫量和氫濃度隨著培養(yǎng)時間的增加迅速增加，分別從起始的0 mL·g-1-秸稈和0%增加至培養(yǎng)時間為14 h的58.0 mL·g-1-秸稈和59%，介質(zhì)的pH水平也從反應(yīng)起始的8.0迅速降至培養(yǎng)時間為14 h的4.48.有趣的是，這個變化趨勢與低濃度底物的發(fā)酵產(chǎn)氫曲線相比存在顯著的差異[3-5]，當培養(yǎng)時間在14～64 h時出現(xiàn)了一個平臺區(qū)，其間幾乎沒有氫氣生成，介質(zhì)的pH略有下降，從14 h的4.48降至64 h的4.26. 經(jīng)歷平臺區(qū)后，隨著培養(yǎng)時間的增加產(chǎn)氫速率逐漸恢復(fù)，在培養(yǎng)時間為90 h產(chǎn)氫量達到最大值79.8 mL·g-1-秸稈.介質(zhì)的pH隨著培養(yǎng)時間的增加從69 h的4.21增加至90 h的4.73，整個氫發(fā)酵過程持續(xù)約97 h.在氫發(fā)酵期間，最大氫濃度為59.0%出現(xiàn)在培養(yǎng)時間14 h.但在平臺區(qū)，氫濃度降至64 h的45.7%，經(jīng)歷平臺區(qū)后，氫濃度維持在50%～60%(質(zhì)量分數(shù)).

圖4 產(chǎn)氫量、氫濃度和介質(zhì)pH隨培養(yǎng)時間的變化Fig.4 Developing trends of hydrogen yield, hydrogen content and medium pH value with culture time

與低濃度底物的氫發(fā)酵過程類似，在高濃度秸稈(60 g·L-1)的氫發(fā)酵期間，通常伴隨著氣相和液相發(fā)酵副產(chǎn)物的生成.氣相發(fā)酵副產(chǎn)物僅檢測到二氧化碳(濃度為39%～49%)及少量水蒸氣，但沒有檢測到甲烷的存在；液相發(fā)酵副產(chǎn)物主要為揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)和醇. 主要液相發(fā)酵副產(chǎn)物和殘?zhí)请S培養(yǎng)時間的變化曲線示于圖4b. 可以看出，在氫發(fā)酵期間，乙酸、丁酸和乙醇的產(chǎn)量分別為10 997, 7 648和376 mg·L-1，同時伴隨少量丁醇和丙酸的生成，其中乙酸和丁酸含量占總VFAs的70%～80%,氫發(fā)酵廢液中總COD濃度為22 300 mg·L-1.值得關(guān)注的是，本實驗采用高的秸稈濃度(60 g·L-1)，生成的發(fā)酵廢液(VFAs和醇等)體積總量與使用低濃度底物(≤ 20 g·L-1)相比減少了一半，這對于規(guī)?；镏茪渲邪l(fā)酵廢液的后續(xù)處理具有重要意義.

正如所預(yù)期的那樣，在氫發(fā)酵期間，還原糖含量隨著培養(yǎng)時間的增加從起始250.3 mg·L-1-秸稈降至90 h的3.43 mg·g-1-秸稈，表明了秸稈中的還原糖在氫發(fā)酵期間幾乎被完全降解. 令人困惑的是，在培養(yǎng)時間為14～64 h的平臺區(qū)仍然有少量還原糖被緩慢消耗，但在此期間幾乎沒有觀察到有相應(yīng)的氫氣生成，而作為主要發(fā)酵副產(chǎn)物的VFAs和醇的含量則呈緩慢增加趨勢，該現(xiàn)象暗示了在平臺期內(nèi)發(fā)酵底物僅僅被轉(zhuǎn)化為液相代謝副產(chǎn)物(VFAs 和醇)及細胞物質(zhì).這個不尋常的現(xiàn)象完全不同于傳統(tǒng)上使用低底物濃度進行發(fā)酵產(chǎn)氫時液相副產(chǎn)物的變化趨勢.

此外，本文作者也簡要比較了幾個類似農(nóng)業(yè)廢棄物的發(fā)酵產(chǎn)氫特性(見表1).可以看出，本文的實驗結(jié)果優(yōu)于一些文獻報道的數(shù)據(jù)[12-16].因此，我們認為可采用高的底物濃度(60 g·L-1)來減少發(fā)酵生物制氫中的廢水生成量.

表1 不同農(nóng)業(yè)廢棄物生物產(chǎn)氫數(shù)據(jù)的比較Table 1 Comparison of bio-hydrogen production for several agricultural wastes

3 結(jié)論

在發(fā)酵產(chǎn)氫中，以高濃度玉米秸稈廢棄物(60 g·L-1)為原料，通過對系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化，累積產(chǎn)氫量達到70.9 mL·g-1-秸稈，表明了高濃度秸稈廢棄物用于氫發(fā)酵是可行的.該方法與低濃度秸稈(≤ 20 g·L-1)的發(fā)酵產(chǎn)氫相比，生成的發(fā)酵廢水總體積減少了一半.在發(fā)酵培養(yǎng)14～64 h發(fā)現(xiàn)了一個平臺區(qū)，在此區(qū)間，發(fā)酵底物僅僅被轉(zhuǎn)化為液相副產(chǎn)物(VFAs和醇)，但沒有觀察到氫氣生成.

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[責(zé)任編輯：毛立群]

Hydrogenproductionfromahighconcentrationofmaizestrawwasterbydarkfermentation

LIU Shumin, BAI Yanxia, LI Yanhong, FAN Yaoting*

(CollegeofChemistryandMolecularEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,Henan,China)

A high concentration of maize straw (60 g·L-1) was employed as the feedstock to produce hydrogen, and the effects of several key process parameters on the hydrogen productionviahydrogen fermentation process were investigated with the hope to substantially reduce the amount of effluent generated from the bio-reactor during the conversion of maize straw castoff into biological hydrogen energy. Results indicate that, under 60 g·L-1concentration of acidized maize straw, NH4HCO3dosage of 1.2 g·L-1, cetyltrimethyl ammonium bromide dosage of 30 mg·L-1and 10% dosage (m/m) of strains FS2011, as well as initial pH of 7.5±0.5 and fermentation temperature of (37±1) ℃, the maximum hydrogen yield and hydrogen production rate are recorded to be (79.8±1.5) mL·g-1and 3.78 mL·g-1·h-1. Besides, as comparison with the case involving low concentration of maize straw (≤20 g·L-1), the total volume of the effluent produced by hydrogen fermentation at high concentration of maize straw is reduced by about 67%.

maize straw waste; fermentation; high concentration of substrate; hydrogen production

2014-04-18.

國家自然科學(xué)基金(21171147和20871106)，國家973重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(2009CB220005-1).

劉淑敏(1967—),女,實驗師,研究方向為應(yīng)用化學(xué).*

,E-mail: yt.fan@zzu.edu.cn.

X 382

A

1008-1011(2014)05-0522-05

10.14002/j.hxya.2014.05.017