專利名稱：一種以蘋果渣為底物厭氧發(fā)酵制氫方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以蘋果渣為底物厭氧發(fā)酵制備氫氣的方法，屬于可再生能源利用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在當(dāng)今世界，能源和環(huán)境是全人類共同關(guān)心的問題。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人類對能源的需求量日益增加。而在能源危機、資源短缺、環(huán)境污染的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)下，可再生的綠色能源的開發(fā)迫在眉睫。 氫能是高熱值的清潔能源，每千克的燃燒值為142351kJ，是汽油發(fā)熱值的3倍。并且燃燒后只生成水，可實現(xiàn)污染的零排放。傳統(tǒng)的理化法制備氫氣存在以下幾點不足①傳統(tǒng)的礦物燃料制氫過程一般都伴有大量的二氧化碳排放，對環(huán)境的污染非常嚴(yán)重。②礦物燃料制氫、水電解制氫和熱化學(xué)循環(huán)制氫的原料成本和設(shè)備投資都很高，嚴(yán)重影響了這些方法的普及和發(fā)展。③有些制氫技術(shù)雖然能產(chǎn)生氫氣，但是能耗過大，現(xiàn)實意義不大，如等離子體制氫。與此形成鮮明對比的是，生物發(fā)酵制氫不但對環(huán)境沒有任何污染，而且它利用的是可再生資源，可以循環(huán)往復(fù)。另外，生物制氫過程一般都是在常溫常壓下進行，能耗較低。 蘋果渣是加工蘋果濃縮汁的副產(chǎn)物，含有豐富的還原糖、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等物質(zhì)。鮮果渣容易腐爛變質(zhì)，嚴(yán)重污染環(huán)境。如果將其轉(zhuǎn)化為可以利用的資源，不僅可以實現(xiàn)廢棄物的再利用，而且減少了環(huán)境污染。因此，本發(fā)明利用蘋果渣作底物進行厭氧發(fā)酵制氫，是一種廢棄物資源化、經(jīng)濟有效的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種產(chǎn)氫速率快，操作簡單，以成本低廉的蘋果渣為底物的發(fā)酵制氫方法。
本發(fā)明實現(xiàn)過程如下 —種以蘋果渣為底物的厭氧發(fā)酵制氫方法，包括以下步驟
(1)將蘋果渣干燥粉碎； (2)將粉碎后的蘋果渣與質(zhì)量百分比為2% 12%的氨水混合，最好與6%的氨水混合浸泡，室溫浸泡12 30h ; (3)在45 80。C加熱蒸干氨水，加入含有Clostridium perfringens ATCC13124
菌的污泥和培養(yǎng)基在33 4rC，初始pH值為5. 0 9. 0條件下發(fā)酵制氫。 上述蘋果渣與氨水混合的固液質(zhì)量體積比為(1 : 5) (1 : 20)g/ml。 步驟(3)發(fā)酵制氫溫度最好為37t:，發(fā)酵初始時pH值為7.0。 發(fā)酵底物濃度為5 25g L—、即100ml發(fā)酵液中含有0. 5 2. 5g蘋果渣。 步驟(3)中，污泥使用前經(jīng)紫外照射5 30分鐘，抑制產(chǎn)甲烷菌生長，利于產(chǎn)氫菌
的富集，同時提高產(chǎn)氫速率，縮短了產(chǎn)氫遲滯時間，紫外燈(30 250W)照射時間最好為15分鐘。紫外處理后的污泥在33 4rC條件下馴化3 10h，馴化溫度最好為37°C ，時間以6h為宜。 本發(fā)明選擇烘干后的蘋果渣為原料，用氨水溶液對原料進行預(yù)處理，厭氧活性污泥為菌源，在37"左右的溫度下發(fā)酵制氫，累積產(chǎn)氫量為90. 06mL g—^TS。為了提高產(chǎn)氫效率，本發(fā)明還對污泥進行優(yōu)化處理(紫外照射與污泥馴化)，然后與蘋果渣混合發(fā)酵，累積產(chǎn)氫量達到134. 04mL g—^TS。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點如下(l)利用蘋果渣作為底物發(fā)酵制氫，產(chǎn)氫效率高。(2)本發(fā)明原料成本低，實驗過程簡單易操作。(3)原料利用率高。


圖1為本發(fā)明厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫實驗裝置圖； 圖2為本發(fā)明厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫實驗流程圖； 圖3為本發(fā)明累積產(chǎn)氫量隨氨水濃度的變化圖； 圖4為本發(fā)明不同初始pH值下累積產(chǎn)氫量隨時間的變化圖； 圖5為本發(fā)明累積產(chǎn)氫量隨發(fā)酵溫度的變化圖； 圖6為本發(fā)明不同紫外照射時間下累積產(chǎn)氫量隨時間的變化圖。
具體實施方式
1.原料 蘋果渣為底物，7(TC烘干，粉碎，過篩(80目)備用。
2.接種物 本發(fā)明以河底厭氧活性污泥作為菌種來源(經(jīng)16S rDNA序列檢測鑒定主要菌種為Clostridium perfringens ATCC 13124)。
3.培養(yǎng)基組成(g L—0 本發(fā)明所述培養(yǎng)基可選用生物制氫通用的培養(yǎng)基，本發(fā)明使用的一種培養(yǎng)基組成 蛋白胨4 ;牛肉膏2 ;酵母膏1 ;NaCl 4 ;KH2P04 1. 5 ;K2HP04 l;L-半胱氨酸O. 5;FeS04 7H20 0. 1 ;擰檬酸鈉0. 02 ;抗壞血酸0. 025 ;NiCl 6H20 0. 01 ;VA 250000單位，VD225000單位，VB口OOmg， VB2100mg， VC 3g，煙酰胺lOOmg。
4.分析方法 4. 1底物組成分析還原糖的含量按水果、蔬菜中可溶性糖的測定方法進行測定[GB/T 6194-86，水果、蔬菜中可溶性糖的測定方法[S].北京中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999];纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量的測定參照文獻[熊素敏，左秀鳳，朱永義.稻殼中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的測定[J].糧食與飼料工業(yè)，2005， (8) :4-14]進行。
4. 2氣相產(chǎn)物組分分析產(chǎn)生的混合氣體的體積由自制排水裝置測量，GC-SP6890型氣相色譜儀測定發(fā)酵氣體組分。其配置如下熱導(dǎo)監(jiān)測器(TCD)，3mm內(nèi)徑不銹鋼(TDX-01分子篩填充柱)，氬氣為載氣，其流速為40ml min—、柱溫、汽化室和檢測室溫度分別為90。C、130。C、13(TC。
5.發(fā)酵過程
4
5. 1厭氧發(fā)酵裝置自制厭氧發(fā)酵裝置主要由恒溫裝置、發(fā)酵罐和排水裝置組成(如圖l所示)。 5. 2發(fā)酵流程將底物與污泥混合于反應(yīng)瓶，加入培養(yǎng)基，用lmol L—、aOH或lmol L—力C1調(diào)節(jié)系統(tǒng)的pH值，加塞密封攪拌，33 4rC恒溫發(fā)酵。反應(yīng)過程中發(fā)酵液的pH值用pH計進行在線監(jiān)測。定時測量產(chǎn)氣量，分析氣相成分及其濃度。具體發(fā)酵流程如圖2所示。 6.實驗結(jié)果 6. 1氨水預(yù)處理對蘋果渣發(fā)酵產(chǎn)氫效率的影響 室溫下固定浸泡時間為24h，不同濃度氨水以固液比(g : ml)為l : IO的比例浸泡蘋果渣，研究其發(fā)酵產(chǎn)氫效率。累積產(chǎn)氫量隨時間變化如圖3所示。 圖3表明氨水預(yù)處理對蘋果渣的產(chǎn)氫能力有較大影響。隨氨水濃度不斷增加產(chǎn)氫量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。在氨水濃度為6X時產(chǎn)氫量達到最大值80.37mL，g—^TS。這可能是因為木質(zhì)素縮聚反應(yīng)隨著氨水濃度的升高而加劇，在前期氨水濃度不斷增加時產(chǎn)氫量會有明顯的提高，但隨著氨水濃度的逐漸增加，降解產(chǎn)物也隨之增加，使得部分溶解的木素沉聚到底物表面，不利于底物利用，影響底物發(fā)酵效率。
6. 2氨水處理前后蘋果渣成分含量的分析
表1是氨水處理前后蘋果渣的成分分析結(jié)果。
表1.氨水處理前后蘋果渣成分含量的分析
組成 未處理 預(yù)處理
可溶性糖/%13.5221.71《 琳16.9125.03
半纖維素/%20.0011.21
每 》24.118.27 可以看出，氨水預(yù)處理改變了蘋果渣中的各成分的含量，與未做任何處理的原始蘋果渣相比，經(jīng)過6%氨水浸泡2處的蘋果渣中，還原糖和纖維素含量分別提高了 60. 6%和48. 0%，半纖維素和木質(zhì)素含量分別降低了 43. 9%和65. 7%。
6. 3最佳發(fā)酵條件 6. 3. 1初始pH值對蘋果渣發(fā)酵產(chǎn)氫效率的影響 固定發(fā)酵溫度37t:，研究不同初始pH值(5. 0、6. 0、6. 5、7. 0、7. 5、8. 0和9. 0)對蘋
果渣發(fā)酵產(chǎn)氫的影響，累積產(chǎn)氫量隨時間變化如圖4所示。 由圖4可見，當(dāng)初始pH值從5. 0增加到7. 0時，累積產(chǎn)氫量從42. 71mL g—^TS提高到90. 06mL* g—^TS，此后隨著初始pH值的繼續(xù)增加，蘋果渣的累積產(chǎn)氫量反而減小，從初始pH值7. 0時的90. 06mL g-[TS降低到初始pH值9. 0時的19. 53mL g—^TS。
6. 3. 2發(fā)酵溫度對發(fā)酵產(chǎn)氫效率的影響
固定初始pH值為7. 0，研究發(fā)酵溫度對蘋果渣發(fā)酵產(chǎn)氫效率的影B向，累積產(chǎn)氫量 隨發(fā)酵溫度變化如圖5所示。 從圖5可以看出，隨發(fā)酵溫度不斷升高，累積產(chǎn)氫量呈明顯的先上升后下降趨勢， 在發(fā)酵溫度為37"達最大值90. 06mL g—^TS。當(dāng)溫度升高到41°C時，蘋果渣的產(chǎn)氫效果 受到嚴(yán)重抑制，累積產(chǎn)氫量降低至5. 40mL g—^TS。
6. 4污泥處理方式
6. 4. 1污泥預(yù)處理 將污泥放在紫外燈下照射不同時間(10、15、20和30min)，然后與氨水處理過的蘋 果渣混合發(fā)酵，研究蘋果渣產(chǎn)氫效率。 圖6為累積產(chǎn)氫量隨時間變化圖。由圖可得，累積產(chǎn)氫量在紫外照射污泥15min時 達到峰值125. 71mg g—^TS，相比未經(jīng)紫外處理的污泥(累積產(chǎn)氫量90. 06mL g-[TS)提 高了39.6%。可見，紫外照射可以富集產(chǎn)氫菌種，提高了底物產(chǎn)氫效率。在污泥處理30min 時，累積產(chǎn)氫量下降到81. 14mL g—^TS。因為紫外處理時間太長，對菌種有一定的殺傷作 用，導(dǎo)致成活的菌種數(shù)量和質(zhì)量嚴(yán)重受到限制。作為菌種來源的污泥，對其進行紫外照射 15min的處理后得到的產(chǎn)氫結(jié)果比未經(jīng)紫外處理的的結(jié)果有很大的提升。由此可見，紫外照
射后的污泥與底物混合，更有利于發(fā)酵反應(yīng)的進行。
6. 4. 2污泥馴化 將污泥紫外照射15min后，在37。C培養(yǎng)馴化6h，然后再與氨水處理過的蘋果渣混 合發(fā)酵。相比沒有馴化的結(jié)果，產(chǎn)氫量由125. 71mL g—^TS提高到134. 04mL g—^TS。在 馴化過程中，更多適應(yīng)條件的菌成活留下且不斷繁殖，更有利于發(fā)酵反應(yīng)的進行。
綜合以上分析，適合蘋果渣產(chǎn)氫的最佳條件組合為將污泥紫外照射15min后馴 化6h，然后與經(jīng)6%氨水室溫浸泡24h后的蘋果渣混合，在初始pH值為7. 0，發(fā)酵溫度為 37t:，底物濃度15g/l的條件下進行厭氧發(fā)酵反應(yīng)，累積產(chǎn)氫量可達134. 04mL g—^TS。
實施例1 : 蘋果渣7(TC烘干后，粉碎過篩。取1.0g與151111質(zhì)量百分比為2%和8%的氨水分 別混合，室溫浸泡24h，然后在55t:時蒸干氨水。加入25g含有Clostridium perfringens ATCC 13124菌的污泥和10ml培養(yǎng)基，在37。C、初始pH值為7. 0條件下發(fā)酵，累積產(chǎn)氫量分 別為64. 28和72. 05mL g—"-TS，均低于氨水濃度為6%時的80. 37mL g—^TS。
實施例2: 蘋果渣7(TC烘干后，粉碎過篩。取1. 5g與15ml質(zhì)量百分比為6%的氨水混合，室 溫浸泡24h，然后在55t:時蒸干氨水。加入25g含有Clostridiumperfringens ATCC 13124 菌的污泥和10ml培養(yǎng)基，在37t:、初始pH值為6. 0和8. 0條件下發(fā)酵，累積產(chǎn)氫量分別為 80. 65和39. 50mL g—[TS，均低于初始pH值為7. 0時的90. 06mL g—[TS。
實施例3 : 蘋果渣7(TC烘干后，粉碎過篩。取1. 5g與15ml質(zhì)量百分比為6%的氨水混合，室 溫浸泡24h，然后在55t:時蒸干氨水。加入25g含有Clostridiumperfringens ATCC 13124 菌的污泥和10ml培養(yǎng)基，在初始pH值為7. 0、發(fā)酵溫度分別為35t:和39。C的條件下發(fā)酵， 累積產(chǎn)氫量分別為85. 95和38. 05mL g—^TS，均低于發(fā)酵溫度為37。C的90. 06mL g—^TS。
實施例4 :
蘋果渣7(TC烘干后，粉碎過篩。取1. 5g與15ml質(zhì)量百分比為6%的氨水混合， 室溫浸泡24h，然后在55t:時蒸干氨水。與10ml培養(yǎng)基以及分別經(jīng)紫外照射10min和 20min的25g污泥混合，在37°C ，初始pH值為7. 0條件下發(fā)酵，累積產(chǎn)氫量分別為95. 16和 101. 42mL g—'-TS，均低于污泥經(jīng)紫外照射15min時的累積產(chǎn)氫量125. 71mL g—'-TS。
權(quán)利要求
一種以蘋果渣為底物的厭氧發(fā)酵制氫方法，包括以下步驟(1)將蘋果渣干燥粉碎；(2)將粉碎后的蘋果渣與質(zhì)量百分比為2％～12％的氨水混合，室溫浸泡12～30h；(3)蒸干氨水，加入含有Clostridium perfringens ATCC 13124菌的污泥和培養(yǎng)基在33～41℃，初始pH值為5.0～9.0條件下發(fā)酵制氫。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以蘋果渣為底物的厭氧發(fā)酵制氫方法，其特征在于蘋果渣與氨水的固液質(zhì)量體積比為(1 : 5) (1 : 20)g/ml。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以蘋果渣為底物的厭氧發(fā)酵制氫方法，其特征在于蘋果渣與6%的氨水混合浸泡。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以蘋果渣為底物的厭氧發(fā)酵制氫方法，其特征在于發(fā)酵制氫溫度為37°C。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以蘋果渣為底物的厭氧發(fā)酵制氫方法，其特征在于發(fā)酵初始時pH值為7.0。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以蘋果渣為底物的厭氧發(fā)酵制氫方法，其特征在于發(fā)酵底物濃度為5 25g L—、
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任意之一所述的以蘋果渣為底物的厭氧發(fā)酵制氫方法，其特征在于步驟(3)中，污泥使用前經(jīng)紫外照射5 30分鐘。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的以蘋果渣為底物的厭氧發(fā)酵制氫方法，其特征在于紫外處理后的污泥在33 4rC條件下馴化3 10h。
全文摘要
本發(fā)明公開一種以蘋果渣為底物厭氧發(fā)酵制氫方法，包括以下步驟(1)將蘋果渣干燥粉碎；(2)將粉碎后的蘋果渣與質(zhì)量百分比為2％～12％的氨水混合，室溫浸泡12～30h；(3)蒸干氨水，加入含有Clostridium perfringens ATCC13124菌的污泥和培養(yǎng)基發(fā)酵制氫。本發(fā)明原料成本低，利用蘋果渣作為底物發(fā)酵制氫，產(chǎn)氫效率高。
文檔編號C12R1/145GK101717791SQ20091025465
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者徐輝, 方忠, 方明, 歩懷宇, 王劍, 王小芳, 王惠 申請人:西北大學(xué)