專利名稱：一種生物、堿復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫的方法
一種生物、堿復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于可再生能源技術(shù)領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種生物、堿復(fù)合預(yù)處理秸 稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫的方法。
背景技術(shù)：
進(jìn)入21世紀(jì)，可再生能源的開發(fā)成為世界范圍內(nèi)的熱點，利用廢棄生物質(zhì)再生能 源成為應(yīng)對能源和環(huán)境危機(jī)的重要途徑。氫氣可直接用作燃料，也可通過燃料電池通過電 化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能，用于交通運輸?shù)?。氫作為能源載體具有能量密度高，綠色無污染 等突出優(yōu)點，是真正意義上的綠色可再生能源。
據(jù)報道，目前90%的氫氣都來源于一次能源(煤、石油和天然氣)的轉(zhuǎn)化，但其設(shè) 備投資大，加速一次能源消耗的同時也帶來了或多或少的環(huán)境危害。以有機(jī)廢棄物為原料， 通過微生物發(fā)酵制備氫氣，在治理環(huán)境的同時再生能源，成為極具潛力的氫氣生產(chǎn)途徑之ο
目前，采用生物方法制備氫氣大多利用容易降解的原料，如葡萄糖、蔗糖和廢水等 (David B. Levin^. Biohydrogen production -prospects and limitations topractical application. International Journal of Hydrogen Energy，2004，29 :173—185)。禾吉禾干纖 維廢棄物是一個巨大的資源，利用農(nóng)作物秸稈作為原材料使獲取廉價氫氣和實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化成 為可能。然而，秸稈纖維原料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以被產(chǎn)氫菌直接利用。樊耀亭提供了一種利用 酸預(yù)處理秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫的方法，該方法先將秸稈粉碎，然后加入一定濃度的鹽酸溶液混合 煮沸，調(diào)節(jié)PH到中性，加入?yún)捬跷勰嗪退纯砂l(fā)酵制得氫氣(Fan Yao Ting等.Efficient conversion of wheat straw wastes intobiohydrogen gas by cow dung compost. Bioresource Technology, 2006,97 :500-505) 陳洪章(CN12MM4C，使用汽爆植物結(jié)稈發(fā) 酵制備氫氣的方法)也提供了一種使用汽爆秸稈發(fā)酵制備氫氣的方法，不同的是發(fā)酵過程 中采用的接種物是丙酮丁醇菌和球形紅假單胞菌。上述的發(fā)酵產(chǎn)氫過程使用到預(yù)處理，有 時還要用到纖維素酶，以將纖維成分轉(zhuǎn)化為可溶性的糖，從而被產(chǎn)氫菌利用產(chǎn)氫。
王愛杰(CN 200710071696，一種菌種復(fù)配降解纖維素發(fā)酵產(chǎn)氫的方法)公開了一 種復(fù)合菌發(fā)酵產(chǎn)氫的方法，將纖維素降解產(chǎn)氫菌與高效產(chǎn)氫菌接種于以纖維素原料中進(jìn)行 厭氧發(fā)酵，即可獲得大量氫氣。熱纖梭菌是一種高效的纖維降解菌，可以直接發(fā)酵纖維原料 制備氧氣(David B. Levin等· Hydrogen production byClostridium thermocellum 27405 from cellulosic biomass substrates. InternationalJournal of Hydrogen Energy 2006,31 :1496-1503)，然而，當(dāng)發(fā)酵天然未處理的秸稈廢棄物時，產(chǎn)氫水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純的纖 維素底物。
傳統(tǒng)堿預(yù)處理可以去除秸稈纖維原料中部分木質(zhì)素，提高纖維原料可及性， 從而提高熱纖梭菌發(fā)酵纖維原料的過程轉(zhuǎn)化效率(K. Sudha Rani等.Production ofethanol from various pure and natural cellulosic biomass by Clostridiumthermocellumstrains SS21 and SS22. Process Biochemistry 1998，33 :435-440)。然而， 傳統(tǒng)堿預(yù)處理過程也將可溶性糖、部分半纖維素和纖維素轉(zhuǎn)化成為副產(chǎn)物，一方面副產(chǎn)物 對微生物將產(chǎn)生毒害作用，不利于后續(xù)發(fā)酵；另一方面，傳統(tǒng)堿預(yù)處理也降低了發(fā)酵過程的 原料利用率。
如上所述，現(xiàn)有技術(shù)報道了一些秸稈纖維原料厭氧發(fā)酵制備氫氣的方法，但對預(yù) 處理過程和纖維素酶的要求都比較高，這無疑提高了產(chǎn)氫過程成本，預(yù)處理過程也將導(dǎo)致 有毒副產(chǎn)物的生成和原料利用率的降低，而直接的纖維原料高溫發(fā)酵產(chǎn)氫方法存在產(chǎn)氫效 率低的不足，大大的阻礙了產(chǎn)氫過程的實際應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明人為了解決上述問題，提出了一種生物、堿復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原 料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫的方法。
根據(jù)本發(fā)明的生物、堿復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫的方法，包括以下 步驟
1)破碎秸稈纖維原料，將破碎原料與營養(yǎng)鹽溶液混合得到混合物；
2)向混合物中接入嗜熱菌種子液，進(jìn)行第一步厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫氣，秸稈纖維原料經(jīng) 生物預(yù)處理后得到發(fā)酵殘渣，發(fā)酵制氫過程也是秸稈生物預(yù)處理過程，發(fā)酵殘渣即為生物 預(yù)處理秸稈；
幻將上述生物預(yù)處理秸稈、水與氫氧化鈉按10-20 200 1比例混合，55_120°C 下放置15min-3d進(jìn)行堿預(yù)處理，預(yù)處理殘渣過濾、水洗至中性，獲得復(fù)合預(yù)處理秸稈；
4)將獲得的復(fù)合預(yù)處理秸稈與營養(yǎng)鹽溶液混合，向混合物中接入嗜熱菌種子液， 進(jìn)行第二步厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫。
根據(jù)本發(fā)明的方法，復(fù)合預(yù)處理為生物預(yù)處理和堿預(yù)處理，所述的第一步發(fā)酵產(chǎn) 氫過程同時又是采用嗜熱菌對秸稈的生物預(yù)處理過程。所述的兩步發(fā)酵為第一步發(fā)酵產(chǎn)氫 和第二步發(fā)酵產(chǎn)氫過程。優(yōu)選地，其中，在步驟幻和步驟4)中，所述秸稈與營養(yǎng)液的混合 比例為5-50g IL0
根據(jù)本發(fā)明的方法，其中，每升所述營養(yǎng)鹽液包括(NH4)2SO4,1. 3g ；KH2PO4,1. 5g ； K2HPO4 · 3H20，3. 8g ；CaCl2,0. 013g ；FeSO4,1. 25mg ；酵母粉，5g ；MgCl2 · 6H20，1. 41g ；半胱氨 酸，0. 5g。
根據(jù)本發(fā)明的方法，其中，所述的嗜熱菌為熱纖梭菌，或者為嗜熱解糖梭菌熱纖 梭菌按0-10 10的混合菌液，所述嗜熱菌種子液的接種量為5-20% V。
根據(jù)本發(fā)明的方法，其中，在步驟幻或4)中，在所述發(fā)酵產(chǎn)氫過程中，溫度控制為 55-60°C，時間為 2-5 天，pH 為 6. 5-7. 5。
根據(jù)本發(fā)明的方法，其中，所述秸稈纖維原料為選自高粱秸稈、小麥秸稈、稻草、玉 米秸稈中的一種或者幾種，其中，任意兩種的混合比例為0-10 0-10。
本發(fā)明的生物、堿復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫的方法具體包括如下步 驟
1)原料破碎和混合
收集秸稈纖維原料，采用植物粉碎機(jī)粉碎至粒徑15mm以下，將一定量固體原料和營養(yǎng)鹽溶液混合后加入到在產(chǎn)氫反應(yīng)器中，其中固體秸稈濃度為5_50g/L，每升營養(yǎng)鹽溶液 包括(NH4)2SO4,1. 3g ；KH2PO4,1. 5g ；K2HPO4 · 3H20，3. 8g ；CaCl2,0. 013g ；FeSO4,1. 25mg ；酵母 粉，5g ；MgCl2 · 6H20，1. 41g ；半胱氨酸，0. 5g。
2)第一步發(fā)酵產(chǎn)氫和生物預(yù)處理
將步驟1)中產(chǎn)氫反應(yīng)器充氮氣獲得厭氧環(huán)境，然后以5-20%的接種量接入嗜熱 菌種子液，攪拌均勻后進(jìn)行第一步厭氧發(fā)酵，制得氫氣。產(chǎn)氫過程溫度控制為，時間 為2-5天，pH為6. 5-7. 5。發(fā)酵產(chǎn)氫過程同時又是對秸稈的生物預(yù)處理過程，發(fā)酵殘渣即為 生物預(yù)處理秸稈。
3)堿預(yù)處理
將生物預(yù)處理秸稈、水與氫氧化鈉的按質(zhì)量比為10-20 200 1混合，在 55-120°C下放置15min-3d進(jìn)行堿預(yù)處理，預(yù)處理殘渣過濾、水洗至中性，獲得復(fù)合預(yù)處理 秸稈。
4)第二步發(fā)酵制得氫氣
將復(fù)合預(yù)處理秸稈和營養(yǎng)鹽溶液混合后加入到產(chǎn)氫反應(yīng)器中，使復(fù)合預(yù)處理秸稈 濃度為5_50g/L，充氮氣獲得厭氧環(huán)境，然后以5-20%的接種量接入嗜熱菌種子液，進(jìn)行第 二步厭氧發(fā)酵制得氫氣。產(chǎn)氫過程溫度控制為55-60°C，時間為2-5天，pH為6. 5-7. 5。
前述的一種復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫氣的方法，其中 所述的發(fā)酵制得氫氣步驟中用于接種的嗜熱菌種子液可以是單獨的熱纖梭菌 (Clostridiumthermocellum),也可以是嗜熱角軍糖梭菌(Thermoanaerobacteriumthermosac charolyticum)熱纖梭菌按0_10 10的混合菌液。所述熱纖梭菌菌種子液的制備是將熱 纖梭菌接種于DSM 122培養(yǎng)基中，55或60°C培養(yǎng)2-4天，獲得菌種子液。所述的嗜熱解糖 梭菌菌種子液的制備是將嗜熱解糖梭菌接種于DSM 61培養(yǎng)基中，60°C培養(yǎng)1-2天，獲得菌 種子液。所述的DSM 122和DSM 61為常規(guī)培養(yǎng)基，按常規(guī)方法配制，其詳細(xì)成分和配制方 法見德國菌種保藏中心網(wǎng)站(www. dsmz. de)。
所述的秸稈纖維原料選自高粱秸稈、小麥秸稈、稻草、玉米秸稈中的一種或者幾 種，其中，任意兩種的混合比例為0-10 0-10。
綜上所述，本發(fā)明提供了一種生物、堿復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫的 方法，該方法先通過嗜熱菌直接發(fā)酵秸稈纖維原料產(chǎn)氫，同時此過程又是秸稈生物預(yù)處理 過程，發(fā)酵殘渣即為生物預(yù)處理秸稈，將生物預(yù)處理秸稈與氫氧化鈉溶液混合及進(jìn)行堿預(yù) 處理，獲得復(fù)合預(yù)處理秸稈，將復(fù)合預(yù)處理秸稈再進(jìn)行第二步發(fā)酵制備氫氣。
根據(jù)本發(fā)明的生物、堿復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫的方法的優(yōu)點在 于
1、秸稈發(fā)酵制備氫氣，再生能源的同時解決了秸稈焚燒的環(huán)境問題，從而提出了 一種秸稈資源化新途徑，具有產(chǎn)業(yè)上廣泛的利用價值；
2、根據(jù)本發(fā)明的一種生物、堿復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫的方法，即 “第一步發(fā)酵產(chǎn)氫&生物預(yù)處理-堿預(yù)處理-第二步發(fā)酵產(chǎn)氫”過程，所述的復(fù)合預(yù)處理兩 步發(fā)酵產(chǎn)氫過程的優(yōu)點體現(xiàn)在①第一步發(fā)酵過程利用秸稈中可溶性糖和易降解纖維組分 產(chǎn)氫，避免了直接堿預(yù)處理過程可溶性糖和易降解纖維組分損失，提高了原料利用率；②堿 預(yù)處理脫木質(zhì)素過程容易將可溶性糖和易降解纖維組分水解形成對發(fā)酵細(xì)菌有抑制的副5產(chǎn)物，第一步發(fā)酵產(chǎn)氫利用了上述組分，因此減少了副產(chǎn)物形成；③第一步發(fā)酵產(chǎn)氫又是生 物預(yù)處理過程，部分打開了纖維復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從而提高了后續(xù)堿預(yù)處理過程效率，因此在第二 步發(fā)酵產(chǎn)氫過程中產(chǎn)氫水平得到大幅提高；④嗜熱菌生物預(yù)處理過程降低了堿預(yù)處理過程 的處理量，因此降低了堿預(yù)處理費用。采用上述的復(fù)合預(yù)處理秸稈兩步發(fā)酵產(chǎn)氫，產(chǎn)氫水平 提高75 %，原料利用率從40 %提高到70 %，堿預(yù)處理費用降低40 %。
綜上所述，本發(fā)明提供的生物、堿復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料發(fā)酵制備氫氣的方法， 因其使用原料為秸稈，資源豐富，價格低廉，有效解決了生物制氫過程原料不足的問題；復(fù) 合預(yù)處理兩步發(fā)酵過程提高了產(chǎn)氫水平和原料利用率，降低了預(yù)處理成本，使本發(fā)明更加 適于應(yīng)用。本發(fā)明工藝簡單高效，節(jié)能，成本低，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境和生態(tài)效益，適 宜于作為秸稈資源化利用技術(shù)加以推廣應(yīng)用。
具體實施方式
以下結(jié)合較佳實施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，但這些實施例僅限于說明本發(fā)明，而不 能限制本發(fā)明的范圍。
實施例1堿預(yù)處理秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫
使用玉米秸稈(取自北京市大興郊區(qū))、熱纖梭菌DSM No. 7072(購買自德國菌種 保藏中心)通過堿預(yù)處理秸稈纖維原料發(fā)酵產(chǎn)氫過程，步驟如下
(1)原料破碎和堿預(yù)處理
收集秸稈纖維原料，采用植物粉碎機(jī)粉碎至粒徑15mm以下，將秸稈、水和氫氧化 鈉按照10 200 1的比例混合，55°C下放置3d，殘渣水洗至中性，獲得堿預(yù)處理秸稈。
(2)原料混合
將一定量堿預(yù)處理秸稈和營養(yǎng)鹽溶液混合后加入到在產(chǎn)氫反應(yīng)器中，其中堿預(yù) 處理秸稈濃度為10g/L,每升營養(yǎng)鹽溶液包括(NH4)2SO4,1. 3g ；KH2PO4,1. 5g ;Κ2ΗΡ04 · 3H20， 3. 8g ；CaCl2,0. 013g ；FeSO4,1. 25mg ；酵母粉，5g ；MgCl2 · 6H20，1. 41g ；半胱氨酸，0. 5g。
(3)發(fā)酵制得氫氣
以10%的接種量接入嗜熱菌種子液，攪拌均勻后進(jìn)行第一步厭氧發(fā)酵，制得氫氣。 產(chǎn)氫過程溫度控制為55°C，時間為4天，pH為7. 5。
所述的嗜熱菌種子液是將熱纖梭菌DSM No. 7072以10%的接種量接種于DSM 122 培養(yǎng)基中，55°C培養(yǎng)4天獲得。
采用如上所述堿預(yù)處理秸稈纖維原料發(fā)酵產(chǎn)氫的方法，氫氣產(chǎn)率(單位質(zhì)量秸稈 的產(chǎn)氫氣量)達(dá)到65ml H2/g_秸稈，原料利用率為38%。
實施例2堿預(yù)處理秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫
使用玉米秸稈和高粱秸稈(取自北京市大興郊區(qū)，其混合比例為10 10)、熱纖梭 菌DSM No. 7072和熱解糖梭菌DSM No. 869 (購買自德國菌種保藏中心)通過堿預(yù)處理秸稈 纖維原料發(fā)酵產(chǎn)氫過程，步驟如下
(1)原料破碎和堿預(yù)處理
收集秸稈纖維原料，采用植物粉碎機(jī)粉碎至粒徑15mm以下，將秸稈、水和氫氧化 鈉按照12 200 1的比例混合，120°C下放置15min，殘渣水洗至中性，獲得堿預(yù)處理秸 稈。
(2)原料混合
將一定量堿預(yù)處理秸稈和營養(yǎng)鹽溶液混合后加入到在產(chǎn)氫反應(yīng)器中，其中堿預(yù)處 理秸稈濃度為10g/L，營養(yǎng)鹽溶液成分同實施例1。
(3)發(fā)酵制得氫氣
以20 %的接種量接入嗜熱菌種子液，攪拌均勻后進(jìn)行厭氧發(fā)酵，制得氫氣。產(chǎn)氫過 程溫度控制為55°C，時間為5天，pH為7. 2。
所述的嗜熱菌種子液是A菌種子液和B菌種子液等比例混合液。所述的A菌種子 液是將熱纖梭菌DSM No. 7072以10%的接種量接種于DSM 122培養(yǎng)基中，55°C培養(yǎng)4天獲 得。所述的B菌種子液是將熱纖梭菌DSM No. 869以10%的接種量接種于DSM 61培養(yǎng)基 中，60°C培養(yǎng)1天獲得。
采用如上所述堿預(yù)處理秸稈纖維原料發(fā)酵產(chǎn)氫的方法，氫氣產(chǎn)率達(dá)到MmlH2/ g_秸稈，原料利用率達(dá)40%。
實施例3牛物、堿預(yù)處理秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫
使用玉米秸稈，熱纖梭菌DSM No. 7072通過復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn) 氫過程，步驟如下
(1)原料破碎和混合
收集秸稈原料，采用植物粉碎機(jī)粉碎至粒徑15mm以下，將一定量秸稈原料和營養(yǎng) 鹽溶液混合后加入到在產(chǎn)氫反應(yīng)器中，其中秸稈濃度為10g/L，營養(yǎng)鹽成分同實施例1。
(2)第一步發(fā)酵產(chǎn)氫和生物預(yù)處理
以10%的接種量接入嗜熱菌種子液，攪拌均勻后進(jìn)行第一步厭氧發(fā)酵，制得氫氣。 產(chǎn)氫過程溫度控制為55°C，時間為4天，pH*7.5。發(fā)酵產(chǎn)氫過程同時又是對秸稈的生物 預(yù)處理過程，發(fā)酵殘渣即為生物預(yù)處理秸稈。
(3)堿預(yù)處理
將生物預(yù)處理秸稈、水與氫氧化鈉的按質(zhì)量比為10 200 1混合，在55°C下放 置3d進(jìn)行堿預(yù)處理，預(yù)處理殘渣過濾、水洗至中性，獲得復(fù)合預(yù)處理秸稈。
(4)第二步發(fā)酵制得氫氣
將一定量復(fù)合預(yù)處理秸稈和營養(yǎng)鹽溶液混合后加入到產(chǎn)氫反應(yīng)器中，其中復(fù)合預(yù) 處理秸稈濃度為10g/L，營養(yǎng)鹽成分同實施例1。然后以10%的接種量接入嗜熱菌種子液， 進(jìn)行第二步厭氧發(fā)酵制得氫氣。產(chǎn)氫過程溫度控制為55°C，時間為4天，pH為7. 5。
步驟⑵和⑷中所述的嗜熱菌種子液同實施例1。
采用如上所述復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫的方法，氫氣產(chǎn)率達(dá)到 115ml H2/g-禾吉稈，原料利用率為68%。
使用玉米秸稈和高粱秸稈(取自北京市大興郊區(qū)，其混合比例為10 10)、熱纖梭 菌DSM No. 7072和熱解糖梭菌DSM No. 869 (購買自德國菌種保藏中心)通過生物、堿預(yù)處 理秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫過程，步驟如下:
(1)原料破碎和混合
具體步驟同實施例3。
(2)第一步發(fā)酵產(chǎn)氫和生物預(yù)處理
以20%的接種量接入嗜熱菌種子液，攪拌均勻后進(jìn)行第一步厭氧發(fā)酵，制得氫氣。 產(chǎn)氫過程溫度控制為55°C，時間為5天，pH為7. 2。收集發(fā)酵殘渣即獲得生物預(yù)處理秸稈。
(3)堿預(yù)處理
將生物預(yù)處理秸稈、水與氫氧化鈉的按質(zhì)量比為12 200 1混合，在120°C下放 置15min進(jìn)行堿預(yù)處理，預(yù)處理殘渣過濾、水洗至中性，獲得復(fù)合預(yù)處理秸稈。
(4)第二步發(fā)酵制得氫氣
將一定量復(fù)合預(yù)處理秸稈和營養(yǎng)鹽溶液混合后加入到產(chǎn)氫反應(yīng)器中，其中復(fù)合預(yù) 處理秸稈濃度為10g/L，營養(yǎng)鹽成分同實施例1，然后以20%的接種量接入嗜熱菌種子液， 進(jìn)行第二步厭氧發(fā)酵制得氫氣。產(chǎn)氫過程溫度控制為55°C，時間為5天，pH為7. 2。
步驟⑵和(4)中所述的嗜熱菌種子液同實施例2。
采用如上所述復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫的方法，氫氣產(chǎn)率達(dá)到 131ml H2/g-秸稈，原料利用率為70%。
實施例5牛物、堿預(yù)處理秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫
使用高粱秸稈、小麥秸稈、稻草和玉米秸稈(其混合比例為10 10 10 10，其 中小麥秸桿取自河北農(nóng)村、稻草取自湖南農(nóng)村、高粱和玉米秸稈取自北京市大興郊區(qū))，熱 纖梭菌DSM No. 7072通過復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫過程，步驟如下
(1)原料破碎和混合
具體步驟同實施例3，所不同的是其中秸稈濃度為50g/L。
(2)第一步發(fā)酵產(chǎn)氫和生物預(yù)處理
以5%的接種量接入嗜熱菌種子液，攪拌均勻后進(jìn)行第一步厭氧發(fā)酵，制得氫氣。 產(chǎn)氫過程溫度控制為60°C，時間為2天，pH為6. 5。收集發(fā)酵殘渣即獲得生物預(yù)處理秸稈。
(3)堿預(yù)處理
將生物預(yù)處理秸稈、水與氫氧化鈉的按質(zhì)量比為20 200 1混合，在100°C下放 置45min進(jìn)行堿預(yù)處理，預(yù)處理殘渣過濾、水洗至中性，獲得復(fù)合預(yù)處理秸稈。
(4)第二步發(fā)酵制得氫氣
將一定量復(fù)合預(yù)處理秸稈和營養(yǎng)鹽溶液混合后加入到產(chǎn)氫反應(yīng)器中，其中復(fù)合預(yù) 處理秸稈濃度為5g/L，營養(yǎng)鹽成分同實施例1。然后以8%的接種量接入嗜熱菌種子液，進(jìn) 行第二步厭氧發(fā)酵制得氫氣。產(chǎn)氫過程溫度控制為55°C，時間為4天，pH為7. 5。
所述的嗜熱菌種子液是將熱纖梭菌DSM No. 7072以10%的接種量接種于DSM 122 培養(yǎng)基中，55°C培養(yǎng)4天獲得。
采用如上所述復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫的方法，氫氣產(chǎn)率達(dá)到87ml H2/g-秸稈，原料利用率為63%。
使用高粱秸稈、小麥秸稈和玉米秸稈(其混合比例為10 10 10，秸稈來源地 同實施例幻，熱纖梭菌DSM No. 4150和嗜熱解糖梭菌DSM No. 572 (購買自德國菌種保藏中 心)通過復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫過程，步驟如下
(1)原料破碎和混合
具體步驟同實施例3，所不同的是其中秸稈濃度為50g/L。
(2)第一步發(fā)酵產(chǎn)氫和生物預(yù)處理
以15%的接種量接入嗜熱菌種子液，攪拌均勻后進(jìn)行第一步厭氧發(fā)酵，制得氫氣。 產(chǎn)氫過程溫度控制為60°C，時間為5天，pH為6. 5。收集發(fā)酵殘渣即獲得生物預(yù)處理秸稈。
(3)堿預(yù)處理
將生物預(yù)處理秸稈、水與氫氧化鈉的按質(zhì)量比為20 200 1混合，在120°C下放 置25min進(jìn)行堿預(yù)處理，預(yù)處理殘渣過濾、水洗至中性，獲得復(fù)合預(yù)處理秸稈。
(4)第二步發(fā)酵制得氫氣
將一定量復(fù)合預(yù)處理秸稈和營養(yǎng)鹽溶液混合后加入到產(chǎn)氫反應(yīng)器中，其中復(fù)合預(yù) 處理秸稈濃度為5g/L，營養(yǎng)鹽成分同實施例1，然后以20%的接種量接入嗜熱菌種子液，進(jìn) 行第二步厭氧發(fā)酵制得氫氣。產(chǎn)氫過程溫度控制為60°C，時間為2天，pH為7。
所述的嗜熱菌種子液是A菌種子液和B菌種子液按10 5比例混合液，所述的A 菌種子液是將熱纖梭菌DSM No. 4150以10%的接種量接種于DSM 122培養(yǎng)基中，55°C培養(yǎng) 2天獲得，獲得A菌種子液，所述的B菌種子液是將熱纖梭菌DSM No. 572以10%的接種量 接種于DSM 61培養(yǎng)基中，60°C培養(yǎng)1天獲得。
采用如上所述復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫的方法，氫氣產(chǎn)率達(dá)到93ml H2/g-秸稈，原料利用率為64%。
實施例7牛物、堿預(yù)處理秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫
使用高粱秸稈、稻草和玉米秸稈(其混合比例為10 10 10，秸稈來源地同實施 例5)，熱纖梭菌DSM No. 4150和嗜熱解糖梭菌DSM No. 869通過復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩 步發(fā)酵產(chǎn)氫過程，步驟如下
(1)原料破碎和混合
具體步驟同實施例3，所不同的是其中秸稈纖維原料濃度為15g/L。
(2)第一步發(fā)酵產(chǎn)氫和生物預(yù)處理
具體步驟同實施例4，產(chǎn)氫過程溫度控制為60°C，時間為3天，pH為7. 0。
(3)堿預(yù)處理
具體步驟同實施例4，所不同的是生物預(yù)處理秸稈、水與氫氧化鈉的按質(zhì)量比為 20 200 1混合，在80°C下放置Id進(jìn)行堿預(yù)處理。
(4)第二步發(fā)酵制得氫氣
具體步驟同實施例4，所不同的是復(fù)合預(yù)處理秸稈濃度為20g/L，以15%的接種量 接入嗜熱菌種子液。產(chǎn)氫過程溫度控制為60°C，時間為5天。
所述的嗜熱菌種子液是A菌種子液和B菌種子液按10 5比例混合的混合液， 所述的A菌種子液是將熱纖梭菌DSM No. 4150以10%的接種量接種于DSM 122培養(yǎng)基中， 60°C培養(yǎng)2天獲得，所述的B菌種子液是將熱纖梭菌DSM No. 869以10%的接種量接種于 DSM 61培養(yǎng)基中，60°C培養(yǎng)2天獲得。
采用如上所述復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫的方法，氫氣產(chǎn)率達(dá)到 107ml H2/g-秸稈，原料利用率為66%。
實施例8生物、堿預(yù)處理秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫
使用高粱秸稈、稻草、玉米秸稈和小麥秸稈(其混合比例為10 5 10 5，來源 地同實施例幻，熱纖梭菌DSM No. 7072和嗜熱解糖梭菌DSM No. 572通過復(fù)合預(yù)處理秸稈纖 維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫過程，步驟如下
(1)原料破碎和混合
具體步驟同實施例3。
(2)第一步發(fā)酵產(chǎn)氫和生物預(yù)處理
具體步驟同實施例4，所不同的是產(chǎn)氫過程溫度控制為55°C，時間為5天，pH為 6. 5o
(3)堿預(yù)處理
具體步驟同實施例6，所不同的是在70°C下放置1. 5d進(jìn)行堿預(yù)處理。
(4)第二步發(fā)酵制得氫氣
具體步驟同實施例4，所不同的是復(fù)合預(yù)處理秸稈濃度為30g/L。
所述的嗜熱菌種子液同實施例4，所不同的是熱解糖梭菌為DSM No. 572。
采用如上所述復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫的方法，氫氣產(chǎn)率達(dá)到 122ml H2/g-秸稈，原料利用率為68%。
以上實施例1-6所述的DSM 122和DSM 61培養(yǎng)基為常規(guī)培養(yǎng)基，按常規(guī)方法配 制，其詳細(xì)成分和配制方法見德國菌種保藏中心網(wǎng)站dsmz. de)。
綜上所述，與采用傳統(tǒng)堿預(yù)處理強(qiáng)化發(fā)酵產(chǎn)氫過程相比，采用本發(fā)明提出的生物、 堿復(fù)合預(yù)處理秸稈兩步發(fā)酵產(chǎn)氫，氫氣產(chǎn)率提高75%，原料利用率從40%提高到70%。同 時生物預(yù)處理過程降解了部分秸稈和秸稈中可溶性物質(zhì)，不但避免了這部分物質(zhì)在傳統(tǒng)堿 預(yù)處理過程的損失，提高了原料利用率，而且降低后續(xù)堿預(yù)處理過程的處理量40%左右，因 此堿預(yù)處理成本降低40%左右。
以上已結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明作了具體說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，依 據(jù)本發(fā)明所述具體實施方式
的所有變體、變型、替代方式和等同物均在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種生物、堿復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫的方法，其特征在于，所述方法 包括以下步驟1)破碎秸稈纖維原料，將破碎原料與營養(yǎng)鹽溶液混合得到混合物；2)向混合物中接入嗜熱菌種子液，進(jìn)行第一步厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫氣，秸稈纖維原料經(jīng)生物 預(yù)處理后的發(fā)酵殘渣即為生物預(yù)處理秸稈；3)將上述生物預(yù)處理秸稈、水與氫氧化鈉按10-20 200 1比例混合，55-120°C下放 置15min-3d進(jìn)行堿預(yù)處理，預(yù)處理殘渣過濾、水洗至中性，獲得復(fù)合預(yù)處理秸稈；4)將獲得的復(fù)合預(yù)處理秸稈與營養(yǎng)鹽溶液混合，向混合物中接入嗜熱菌種子液，進(jìn)行 第二步厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟2)和步驟4)中，所述秸稈與營養(yǎng)液 的混合比例為5-50g IL0
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，每升所述營養(yǎng)鹽液包括(NH4)2SO4,1.3g; KH2PO4,1. 5g ；K2HPO4 · 3Η20，3· 8g ；CaCl2,0. 013g ；FeSO4,1. 25mg ；酵母粉，5g ；MgCl2 · 6H20, 1.41g;半胱氨酸，0. 5g。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的嗜熱菌為熱纖梭菌，或者為嗜熱解糖 梭菌熱纖梭菌為0-10 10的混合菌液，所述嗜熱菌種子液的接種量為5-20% ν。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟2)或4)中，在所述發(fā)酵產(chǎn)氫過程中， 溫度控制為55-60°C，時間為2-5天，pH為6. 5-7. 5。
6.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述秸稈纖維原料為選自高粱秸稈、小麥秸 稈、稻草、玉米秸稈中的一種或者幾種，其中，任意兩種的混合比例為0-10 0-10。
全文摘要
本發(fā)明屬于可再生能源技術(shù)領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種生物、堿復(fù)合預(yù)處理秸稈纖維原料兩步發(fā)酵產(chǎn)氫的方法。本發(fā)明的方法包括以下步驟1)破碎秸稈纖維原料，將破碎原料與營養(yǎng)鹽溶液混合得到混合物；2)向混合物中接入嗜熱菌種子液，進(jìn)行第一步厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫氣；3)將上述發(fā)酵殘渣、水與氫氧化鈉按比例混合，進(jìn)行堿預(yù)處理，預(yù)處理殘渣過濾、水洗至中性，獲得復(fù)合預(yù)處理秸稈；4)將獲得的復(fù)合預(yù)處理秸稈與營養(yǎng)鹽溶液混合，向混合物中接入嗜熱菌種子液，進(jìn)行第二步厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫。與傳統(tǒng)堿預(yù)處理秸稈產(chǎn)氫相比，采用上述的復(fù)合預(yù)處理秸稈兩步發(fā)酵產(chǎn)氫，產(chǎn)氫水平提高75％，原料利用率從40％提高70％，堿預(yù)處理費用降低40％。
文檔編號C12R1/01GK102031276SQ20091023523
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者劉春朝, 成喜雨 申請人:中國科學(xué)院過程工程研究所