瞿曉蘇，湯虹，朱明軍

(華南理工大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 廣東，510006)

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嗜熱厭氧梭菌27405直接發(fā)酵造紙污泥產(chǎn)氫特性

瞿曉蘇，湯虹，朱明軍*

(華南理工大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 廣東，510006)

摘要造紙污泥含有大量纖維素和半纖維素，能被纖維素降解菌直接利用。嗜熱厭氧梭菌(Clostridium thermocellum)能利用不同來(lái)源的木質(zhì)纖維素生產(chǎn)氫氣。為評(píng)價(jià)C.thermocellum直接發(fā)酵造紙污泥產(chǎn)氫特性，研究了接種量、尿素濃度、酵母提取物濃度和底物濃度對(duì)產(chǎn)氫的影響。結(jié)果表明:當(dāng)C.thermocellum接種量為7%、培養(yǎng)基中尿素濃度為15 μg/L、酵母提取物質(zhì)量濃度為5 μg/L及造紙污泥質(zhì)量濃度為20 μg/L時(shí)，氫氣產(chǎn)量最高，為110.61 μmmol/L。造紙污泥相對(duì)于其他木質(zhì)纖維素原料具有明顯的產(chǎn)氫優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞熱纖梭菌;發(fā)酵;造紙污泥;產(chǎn)氫

近年來(lái)，環(huán)境污染的威脅、全球能源需求的增長(zhǎng)及能源的愈發(fā)短缺加速了人們尋找新的可再生清潔能源的步伐。氫氣是一種零污染物排放的可再生能源，其完全燃燒僅產(chǎn)生水。與汽油相比，氫氣具有更高的熱值，每克氫氣完全燃燒時(shí)所放出的熱量為122 kJ[1]，因此氫氣作為替代燃料開(kāi)發(fā)潛力巨大。氫氣可以在燃料電池和內(nèi)燃機(jī)中使用，研究指出，在天然氣中加入10%氫氣將顯著減少溫室氣體排放[2]。相對(duì)于熱化學(xué)制氫和電化學(xué)制氫，發(fā)酵法生物制氫過(guò)程耗能少且成本低，備受世人關(guān)注。發(fā)酵法生產(chǎn)氫氣的經(jīng)濟(jì)可行性很大程度上取決于以有機(jī)廢物或廢水為原料的可用性，現(xiàn)今大多數(shù)原材料來(lái)源于農(nóng)業(yè)廢棄物[2-3]，多數(shù)原料需要進(jìn)行預(yù)處理，增加了氫氣的生產(chǎn)成本。

造紙污泥是制漿造紙廢水生化處理過(guò)程的固體殘?jiān)?009年，中國(guó)產(chǎn)生9.982×106t 80%含水量的造紙污泥，居世界首位，且將以10%的增長(zhǎng)率逐年增加[4]。在制漿造紙過(guò)程中，原料中的大部分纖維質(zhì)被用于生產(chǎn)紙制品，余下的有機(jī)質(zhì)則被轉(zhuǎn)移到廢水中，因此造紙污泥中含有豐富的生物質(zhì)，碳水化合物含量約為50%～70%，其中大約有80%是纖維素和半纖維素[5]，另外還含有一些填料、凝聚劑等。將造紙污泥隨意棄置或未經(jīng)無(wú)害化處理容易污染環(huán)境，尤其是污染地下水資源，危害人體健康，甚至帶來(lái)生態(tài)危機(jī)[6]。由于污泥成分的復(fù)雜性，處理的難度大且成本高，如何將造紙污泥進(jìn)行資源化利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

嗜熱厭氧梭菌(Clostridiumthermocellum)是一種嚴(yán)格嗜熱厭氧菌，它能迅速降解纖維素和半纖維素。這種菌在細(xì)胞膜表面形成胞外多酶復(fù)合物(即纖維小體)，其中包含20種以上的水解酶，如纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶、幾丁質(zhì)酶、糖苷酶和脂酶[7]。水解纖維素后，C.thermocellum利用高聚合度的纖維二糖和纖維糊精產(chǎn)生乙醇、氫氣、乙酸、乳酸、甲酸和二氧化碳等代謝產(chǎn)物。C.thermocellum能高效水解不同種類的纖維素原料，理論上可以直接利用造紙污泥發(fā)酵產(chǎn)氫。本研究以造紙污泥為原料，利用C.thermocellum在不經(jīng)任何預(yù)處理和不加酶的情況下直接發(fā)酵造紙污泥，并對(duì)其產(chǎn)氫性能進(jìn)行了研究。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1菌種來(lái)源

嗜熱厭氧梭菌(ClostridiumthermocellumATCC 27405)由Dartmouth College 的 Lee R. Lynd 教授贈(zèng)送，保藏于華南理工大學(xué)發(fā)酵工程研究室。

1.1.2原料

化學(xué)制漿污泥(含纖維素57.60%，半纖維素13.41%，灰分12.60%)來(lái)自廣東某造紙廠。將造紙污泥放入60 ℃烘箱干燥48 h后，使用高速萬(wàn)能粉碎機(jī)粉碎后過(guò)200目篩，室溫存放。

1.1.3主要試劑及儀器

微晶纖維素Avicel? PH-105購(gòu)自美國(guó)FMC BioPolymer公司; G+細(xì)菌基因組DNA提取試劑盒購(gòu)自北京莊盟國(guó)際生物基因科技有限公司; qPCR用premix試劑SYBR? Premix Ex TaqTMⅡ(Tli RNaseH Plus)購(gòu)自寶生物工程(大連)有限公司(TaKaRa); 其余試劑為進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)的分析純或生化試劑。主要儀器:7500型實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀，美國(guó)應(yīng)用生物系統(tǒng)公司(ABI)生產(chǎn)。

1.2培養(yǎng)基及培養(yǎng)方法

本研究所用的基本培養(yǎng)基為MTC培養(yǎng)基，主要包括A、B、C、D、E五種培養(yǎng)液。培養(yǎng)基的具體成分詳見(jiàn)李平等的研究[8]。培養(yǎng)基5種成分按體積比40∶2∶1∶1∶1用無(wú)菌注射器在100 mL血清瓶中混合，每個(gè)血清瓶中培養(yǎng)基裝液量為45 mL。以10%的接種量(V/V)接入C.thermocellum菌液，于55 ℃、150 r/min的條件下培養(yǎng)84 h作為種子液。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1菌種降解造紙污泥產(chǎn)氫特性研究

在55 ℃、150 r/min的條件下，研究接種量、酵母提取物濃度、尿素濃度和底物濃度對(duì)C.thermocellum直接發(fā)酵造紙污泥產(chǎn)氫的影響。所有實(shí)驗(yàn)在100 mL血清瓶中進(jìn)行，工作體積為50 mL。以10%的接種量(V/V)接種新鮮種子液，發(fā)酵168 h后測(cè)定氫氣產(chǎn)量、生物量、pH值以及發(fā)酵液中產(chǎn)物的分布。為了保證數(shù)據(jù)的可信度，實(shí)驗(yàn)組各設(shè)3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)。

1.3.2最優(yōu)條件下菌種降解造紙污泥產(chǎn)氫

在1.3.1研究的基礎(chǔ)上，探索最優(yōu)條件下C.thermocellum直接發(fā)酵造紙污泥產(chǎn)氫特性。以最優(yōu)濃度的造紙污泥為碳源，配制MTC培養(yǎng)基，其中尿素濃度和酵母提取物濃度按照最優(yōu)濃度配置，以最優(yōu)接種量(V/V)接種新鮮菌液，放置于55 ℃、150 r/min的搖床中培養(yǎng)，每24 h取樣，連續(xù)取樣至168 h，測(cè)定各瓶中氫氣產(chǎn)量、生物量、pH值、底物降解率以及發(fā)酵液中產(chǎn)物的分布。底物降解率通過(guò)測(cè)定發(fā)酵前后造紙污泥干重的變化進(jìn)行計(jì)算。

(1)

1.4分析測(cè)定方法

1.4.1氫氣產(chǎn)量的測(cè)定

發(fā)酵后血清瓶中H2和CO2濃度通過(guò)氣相色譜(GC)法分析得出。具體步驟詳見(jiàn)之前的研究[9]。

1.4.2發(fā)酵液中產(chǎn)物的測(cè)定

發(fā)酵液中的次級(jí)代謝產(chǎn)物(乙醇、乙酸)通過(guò)高效液相色譜(HPLC)測(cè)定，色譜儀為Waters 1525 Binary HPLC Pump;色譜柱為Aminex HPX-87H column (Bio-Rad Laboratories, CA, USA)，柱溫60 ℃;檢測(cè)器為Waters 2414示差折光檢測(cè)器 (RID, refractive index detector)，檢測(cè)器溫度為40 ℃。流動(dòng)相為5 mmol/L H2SO4(超純水配制)，流速為0.6 mL/min。所有樣品在HPLC分析前都必須進(jìn)行預(yù)處理，具體方法詳見(jiàn)李平等的研究[8]。

1.4.3細(xì)胞生長(zhǎng)的測(cè)定

生物量按照之前所建立的qPCR方法進(jìn)行測(cè)定[9]。

1.4.4pH的測(cè)定

發(fā)酵后發(fā)酵液的pH值直接用PB-10酸度計(jì)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定范圍為0～14，精度為0.01。

2結(jié)果與討論

2.1不同接種量對(duì)菌種直接發(fā)酵造紙污泥產(chǎn)氫的影響

發(fā)酵初期的菌體濃度可能顯著影響菌體生長(zhǎng)的延滯期及產(chǎn)物的合成，為研究接種量對(duì)C.thermocellum直接發(fā)酵造紙污泥產(chǎn)氫的影響，分別以5%、7%、10%、12%和15%的接種量(V/V)接種菌液，168 h后測(cè)定各瓶中氫氣的產(chǎn)量、生物量、pH值以及發(fā)酵液中產(chǎn)物的分布，其結(jié)果如圖1所示。

圖1　在不同的接種量下發(fā)酵168 h后得到的發(fā)酵產(chǎn)物、生物量和pH變化情況 Fig.1　Effect of inoculum size on products, cell number and pH at the end-point(168 h) of fermentation

由圖1可以看出，接種量對(duì)C.thermocellum直接發(fā)酵造紙污泥產(chǎn)氫具有較為明顯的影響。當(dāng)接種量為5%時(shí)，發(fā)酵液中菌體含量較低，同時(shí)，發(fā)酵液中纖維素酶的酶解效率較低，不利于菌體利用底物。氫氣的產(chǎn)量在接種量為7%時(shí)最高，達(dá)到41.17 mmol/L(0.59 mmol/g); 隨著接種量的繼續(xù)增加，氫氣的產(chǎn)量逐漸下降，這可能是由于接種量較高時(shí)，發(fā)酵前期菌體生長(zhǎng)迅速，同時(shí)快速產(chǎn)生有機(jī)酸，伴隨著發(fā)酵液pH的迅速下降。過(guò)低的pH一方面抑制菌體的生長(zhǎng)，另一方面也抑制了纖維素酶的活力[8]，從而阻礙了菌體的代謝和酶解。另外，種子液的pH約為5.0～5.5，而C.thermocellum生長(zhǎng)最適的pH為7.4，接種量越大，發(fā)酵液初始pH越低，從而抑制菌體的生長(zhǎng)和代謝，進(jìn)一步抑制發(fā)酵產(chǎn)氫。

2.2尿素濃度對(duì)菌種直接發(fā)酵造紙污泥產(chǎn)氫的影響

ISLAM等[10]在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)提高培養(yǎng)基中尿素的濃度時(shí)，能同時(shí)促進(jìn)C.thermocellum產(chǎn)生氫氣和乙醇。為研究尿素濃度對(duì)C.thermocellum發(fā)酵造紙污泥的影響，調(diào)整MTC培養(yǎng)基中尿素質(zhì)量濃度分別為0、5、10、15和20 g/L，發(fā)酵168 h后測(cè)定各瓶中氫氣產(chǎn)量、生物量、pH值以及發(fā)酵液中產(chǎn)物的分布，其結(jié)果如圖2所示。

圖2　在不同的尿素質(zhì)量濃度下發(fā)酵168 h后得到的發(fā)酵產(chǎn)物、生物量和pH變化情況Fig.2　Effect of urea concentration on products, cell number and pH at the end-point(168 h) of fermentation

由圖2可知，在較低質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，氫氣產(chǎn)量隨著尿素質(zhì)量濃度的升高而略微升高，當(dāng)濃度從0 g/L升高為15 g/L時(shí)到達(dá)最大值，為37.18 mmol/g，進(jìn)一步提高尿素質(zhì)量濃度則使氫氣產(chǎn)量下降。與氫氣產(chǎn)量不同，乙醇產(chǎn)量隨著尿素含量的升高而顯著提高，尿素質(zhì)量濃度為15 g/L時(shí)，乙醇產(chǎn)量最高，為25.27 mmol/L，比不添加尿素時(shí)提高了210%; 進(jìn)一步提高尿素質(zhì)量濃度并沒(méi)有使乙醇產(chǎn)量繼續(xù)提高。LIN等[11]指出，產(chǎn)氫微生物活性依賴于碳氮比，合適的碳氮比通過(guò)影響微生物的代謝途徑從而增強(qiáng)氫氣的產(chǎn)量。可以推斷，尿素濃度的提高改變了碳氮比，使C.thermocellum發(fā)酵產(chǎn)生乙醇的代謝途徑顯著增強(qiáng)，而C.thermocellum的氫氣代謝途徑與乙醇代謝途徑都屬于葡萄糖代謝的分支途徑，存在一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，因此當(dāng)乙醇代謝途徑增強(qiáng)時(shí)， 往往伴隨著氫氣代謝途徑的減弱。

曾有文獻(xiàn)報(bào)道，尿素對(duì)乙酸的產(chǎn)生起促進(jìn)作用[12]。也有文獻(xiàn)指出，尿素可以與乙醇反應(yīng)生成氨基甲酸乙酯(尿烷)，從而降低乙醇濃度[13]。

乙酸產(chǎn)量在低質(zhì)量濃度范圍內(nèi)隨尿素質(zhì)量濃度的升高而升高，但當(dāng)尿素質(zhì)量濃度高于10 g/L時(shí)，乙酸產(chǎn)量并沒(méi)有進(jìn)一步增加。造成這種現(xiàn)象的原因可能是:尿素的堿性使發(fā)酵終pH值隨尿素濃度的升高而升高(圖2(b))，當(dāng)尿素含量從0 g/L增加到20 g/L時(shí)，發(fā)酵終pH值從5.17增加到6.29。

2.3酵母提取物質(zhì)量濃度對(duì)菌種直接發(fā)酵造紙污泥產(chǎn)氫的影響

酵母提取物與尿素都屬于有機(jī)氮源，為微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成提供營(yíng)養(yǎng)。尿素對(duì)微生物的促進(jìn)作用僅在于細(xì)胞的比生產(chǎn)能力，而酵母提取物則對(duì)發(fā)酵的各個(gè)方面都存在顯著的影響[10]。為研究酵母提取物對(duì)C.thermocellum生長(zhǎng)代謝的影響，調(diào)整MTC培養(yǎng)基中酵母提取物質(zhì)量濃度分別為0、1、3、5和7 g/L，發(fā)酵168 h后測(cè)定各瓶中氫氣產(chǎn)量、生物量、pH值以及發(fā)酵液中產(chǎn)物的分布，其結(jié)果如圖3所示。

據(jù)報(bào)道，C.thermocellumATCC 27405完全轉(zhuǎn)化1%纖維素時(shí)，需要至少0.6%酵母提取物[14];C.thermopalmarium與C.thermocellum共培養(yǎng)的條件下，1 g纖維素底物在添加1 g酵母提取物時(shí)達(dá)到最高產(chǎn)氫量和底物利用率[15]。另外，酵母提取物除了含有氨基氮外還含有維生素和其他未知生長(zhǎng)因子，為微生物生長(zhǎng)提供良好的營(yíng)養(yǎng)源;而C.thermocellum所利用酵母提取物中的功能組分主要是對(duì)氨基苯甲酸、VB12、吡哆胺和生物素。這可能是酵母提取物同時(shí)對(duì)纖維素降解和氫氣的生產(chǎn)產(chǎn)生顯著促進(jìn)作用的原因。如圖3所示，當(dāng)酵母抽提物質(zhì)量濃度從0提高到5 g/L的過(guò)程中，氫氣的產(chǎn)量隨之不斷升高，從21.55 mmol/L增加到38.51 mmol/L;同時(shí)，發(fā)酵結(jié)束時(shí)細(xì)胞量從6.60×108cell/mL上升為21.89×108cell/mL，發(fā)酵終點(diǎn)的pH從5.25下降為5.10。然而，進(jìn)一步提高酵母提取物的濃度，氫氣產(chǎn)量有所下降。因此，C.thermocellum在以造紙污泥為碳源時(shí)發(fā)酵產(chǎn)氫，酵母提取物的最優(yōu)濃度為5 g/L。

圖3　在不同酵母提取物質(zhì)量濃度下發(fā)酵168 h得到的發(fā)酵產(chǎn)物、生物量和pH變化情況Fig.3　Effect of yeast extract concentration on products, cell number and pH at the end-point(168 h) of fermentation

2.4底物濃度對(duì)菌種直接發(fā)酵造紙污泥產(chǎn)氫的影響

底物濃度對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量具有顯著的影響，工業(yè)化生產(chǎn)中常期望提高底物濃度以增大產(chǎn)物的產(chǎn)量。底物濃度過(guò)低會(huì)增加發(fā)酵成本，底物濃度過(guò)高則不利于發(fā)酵過(guò)程的傳質(zhì)傳熱。為探索造紙污泥最佳濃度，分別以5、10、20和40 g/L的造紙污泥為碳源，測(cè)定發(fā)酵168 h后各瓶中氫氣產(chǎn)量、生物量、pH值以及發(fā)酵液中產(chǎn)物的分布，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，氫氣產(chǎn)量隨著造紙污泥濃度的增加而上升(圖4(a))。當(dāng)造紙污泥質(zhì)量濃度達(dá)到40 g/L時(shí)，氫氣濃度達(dá)到最大值132.99 mmol/L，為20 g/L造紙污泥濃度時(shí)氫氣產(chǎn)量的1.41倍。但是40 g/L造紙污泥濃度下的每克底物的氫氣產(chǎn)量為3.32 mmol，比20 g/L造紙污泥濃度時(shí)每克底物的氫氣產(chǎn)量4.72 mmol/L低29%。這說(shuō)明在高濃度底物條件下，C.thermocellum酶解效率較低。高底物濃度下發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量降低的現(xiàn)象在其他文獻(xiàn)中也有報(bào)道[16]。當(dāng)?shù)孜餄舛冗^(guò)高時(shí)，由于游離水少，傳質(zhì)傳熱困難，氫氣產(chǎn)量增加放緩，發(fā)酵效率下降。底物濃度過(guò)高，也將促使血清瓶?jī)?nèi)揮發(fā)性脂肪酸的積累增多，進(jìn)而使pH下降幅度增大，影響脫氫酶的活性，不利于菌體產(chǎn)氫。另外，隨著底物濃度的提高，血清瓶中的氫分壓也相應(yīng)增大，過(guò)高的氫分壓抑制氫氣的生成。考慮到當(dāng)?shù)孜镔|(zhì)量濃度超過(guò)20 g/L時(shí)，目的產(chǎn)物氫氣濃度上升而單位氫氣產(chǎn)量卻下降，故研究選取20 g/L的造紙污泥作為最適的底物質(zhì)量濃度。

圖4　在不同的造紙污泥濃度下發(fā)酵168 h得到的發(fā)酵產(chǎn)物、生物量和pH變化情況Fig.4　Effect of paper sludge concentration on products, cell number and pH at the end-point(168 h) of fermentation

2.5最優(yōu)條件下C.thermocellum直接發(fā)酵造紙污泥產(chǎn)氫

基于之前的研究結(jié)果，探索最優(yōu)條件下C.thermocellum直接發(fā)酵造紙污泥產(chǎn)生氫氣的量。以20 g/L的造紙污泥為碳源，調(diào)整MTC培養(yǎng)基中尿素濃度和酵母提取物含量分別為15 g/L和5 g/L，以最優(yōu)接種量7%(V/V)接種新鮮菌液，放置于55 ℃，150 r/min的搖床中培養(yǎng)，每24 h取樣，連續(xù)取樣至168 h，測(cè)定各瓶中氫氣產(chǎn)量、生物量、pH值、底物降解率以及發(fā)酵液中產(chǎn)物的分布，其結(jié)果如圖5所示。

圖5　最優(yōu)條件下發(fā)酵168 h得到的產(chǎn)物、生物量、pH和底物降解率隨時(shí)間的變化曲線Fig.5　Time course of products, cell growth, pH value and substrate degradation during fermentation by C. thermocellum

C.thermocellum經(jīng)過(guò)24 h的延滯期，進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期(圖5(b))，在對(duì)數(shù)前期(48 h)開(kāi)始有少量氫氣生成(圖5(a))。隨著發(fā)酵的進(jìn)行，氫氣的產(chǎn)量迅速增加，呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)。96 h氫氣產(chǎn)生速率減緩，此時(shí)pH降至5.38，研究指出，產(chǎn)氫最適的pH的范圍是5.5～7.5，在此pH范圍之外時(shí)氫氣產(chǎn)率將顯著降低[17]。發(fā)酵期間，pH由最初的7.28降至最終的5.21。直至168 h發(fā)酵結(jié)束時(shí)，氫氣產(chǎn)量達(dá)到110.61 mmol/L，與優(yōu)化前相比，產(chǎn)量增加17.11%;底物降解率達(dá)到63.37%(圖5(c))。乙酸產(chǎn)量的積累趨勢(shì)與氫氣產(chǎn)量相似(圖5(a))。 乙醇在24 h開(kāi)始產(chǎn)生，但濃度很低，24 h～72 h乙醇產(chǎn)量迅速增加，發(fā)酵結(jié)束時(shí)乙醇濃度為14.89 mM，與優(yōu)化前相比，產(chǎn)量增加21.85%。另外，發(fā)酵結(jié)束時(shí)(168 h)，發(fā)酵液中葡萄糖含量為0.09 g/L，說(shuō)明直接發(fā)酵造紙污泥后的發(fā)酵液可發(fā)酵糖含量非常低，菌體利用非常充分。

對(duì)近年來(lái)發(fā)酵(木質(zhì))纖維素原料生物制氫的研究與本研究進(jìn)行了比較(表1)。造紙污泥在不進(jìn)行預(yù)處理的條件下，由C.thermocellum直接發(fā)酵產(chǎn)氫具有顯著的優(yōu)勢(shì):不僅氫氣產(chǎn)率高，而且免去了因預(yù)處理產(chǎn)生的成本。

發(fā)酵過(guò)程中的pH被認(rèn)為是影響菌種代謝途徑和產(chǎn)氫的最重要環(huán)境因素之一。GENG等[15]指出，添加一定濃度的KHCO3有利于延遲pH降低的時(shí)間，緩解了低pH對(duì)C.thermocellum生長(zhǎng)和代謝的抑制，從而導(dǎo)致纖維素的利用率提高，產(chǎn)氫增加，發(fā)酵終pH維持在較高值。ZHANG等[18]也在研究中發(fā)現(xiàn)，氨堿法純堿生產(chǎn)固體廢棄物白泥中含有大量碳酸鈣，在培養(yǎng)基中加入的白泥能參與發(fā)酵系統(tǒng)的酸堿平衡，增加了發(fā)酵液的堿度和緩沖能力，從而在無(wú)需外部調(diào)控pH的情況下顯著提高產(chǎn)氫率。與此類似，造紙污泥中存在著大量的碳酸鈣填料，緩沖能力較強(qiáng)，且富含纖維素和半纖維素，作為生物制氫的原料具有很大的潛力。

表1　木質(zhì)纖維素生物制氫的比較

3結(jié)論

C.thermocellum能在不經(jīng)任何預(yù)處理和不加酶的情況下直接發(fā)酵造紙污泥生產(chǎn)氫氣，在最適接種量為7%，尿素質(zhì)量濃度為15 g/L，酵母提取物的質(zhì)量濃度為5 g/L，底物質(zhì)量濃度為20 g/L的條件下，血清瓶培養(yǎng)時(shí)氫氣產(chǎn)量達(dá)到110.61 mmol/L，相對(duì)于其他木質(zhì)纖維素原料具有明顯的產(chǎn)氫優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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Study on characteristics of biohydrogen production from unpretreated paper sludge byClostridiumthermocellum

QU Xiao-su,TANG Hong,ZHU Ming-jun*

(School of Biological Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China)

ABSTRACTPaper sludge was largely composed of cellulose and hemicellulose. It could be used as carbon source by bacteria with cellulolytic capability. Clostridium thermocellum could utilize various lignocellulose to produce hydrogen. In order to evaluate the use of cellulose contained in this type of sludge for Clostridium thermocellum to produce hydrogen, the influence of various factors including inoculum size, urea concentration, yeast extract concentration and substrate concentration on hydrogen production were studied. The maximum yield of hydrogen reached 110.61 mmol/L medium under the optimal conditions as follows: 7% of inoculum size, 15 g/L of urea, 5 g/L of yeast extract and 20 g/L of paper sludge. Paper sludge has considerable advantages over the other lignocellulosic biomass on hydrogen production, which might be attributed to the existence of calcium carbonate. This kind of alkali-rich materials could maintain the relative stability of pH thus improve hydrogen fermentation performance. The glucose concentration at the end of fermentation was lower than 0.1 g/L, indicating that no new pollutants were produced in the biodegradation.

Key wordsClostridium thermocellum(C.thermocellum); paper sludge;fermentation;hydrogen production

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201606015

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51278200 & 51478190)；廣東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2014A030311014)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201510010288)

收稿日期：2015-12-22，改回日期：2016-01-23

第一作者：碩士研究生(朱明軍教授為通訊作者,E-mail：mjzhu@scut.edu.cn)。