CN106554974B - 一种利用改性花生壳作为补充基质发酵制氢的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物制氢技术领域，特别涉及一种利用改性花生壳作为补充基质发酵制氢的方法。本发明首先对花生壳进行粉碎处理，并选择性进行预处理，配置葡萄糖发酵产氢培养基，加入预处理后的花生壳得到厌氧发酵培养基，产氢菌种活化后接种在含有改性花生壳的厌氧发酵培养基上，在30‑35℃，120‑180rpm条件下进行厌氧产氢发酵2‑4天，采用排水法收集产生的包括氢气的生物气。本发明使用了有机废弃物花生壳作为发酵产氢的基质，降低了发酵产氢的成本，提高了产氢效率，实现了花生壳废弃资源再利用，减少了因花生壳焚烧而带来的环境影响。

Description

一种利用改性花生壳作为补充基质发酵制氢的方法
技术领域
本发明属于生物制氢技术领域，特别涉及一种利用改性花生壳作为补充基质发酵制氢的方法。
背景技术
矿物能源的长期使用势必会造成能源枯竭和大气环境污染等问题，因此开发出一种环境友好型的可持续新能源势在必行。氢气作为一种清洁、高效、可再生的新能源，已经越来越受到国内外重视。与甲烷裂化法、水煤气转化法、水电解法等制氢方式相比，发酵法生物制氢具有能耗低、可再生、无污染和可利用廉价基质等优势。目前国内外对生物制氢的研究均处于实验室研究阶段，无法实现工业化、产业化发展，底物的种类、性质及其可被利用率直接影响产氢的效率及运行成本，是限制生物制氢工业化的瓶颈性问题之一。因此，廉价、资源化、无害化的底物是研究的重点之一。
目前，廉价底物的研究大多集中于餐厨垃圾、工业废水、秸秆类纤维素生物基质等，既可以同时实现废弃物的资源化，又能实现清洁能源的生产。花生壳作为一种农产品加工剩余纤维素类废弃物，大多作为垃圾直接焚烧处理，或作为发酵饲料的辅料，造成了极大的资源浪费的同时，也带来了一定的环境问题。且花生壳与秸秆组成相似，均含有大量的纤维素、半纤维素、木质素等天然高分子物质。因此，将花生壳作为发酵制氢的基质具有较强的可操作性，实现其资源化、质能化，达到了清洁生产的目的。
但花生壳、秸秆、稻草等纤维素类生物质因其复杂的组成成分和结构，难以被微生物直接利用，为了加快木质纤维素类生物质生物能源化的进程，需要对原料进行一定的预处理。常见的预处理方法分为物理法（如粉碎、高能射线等）、化学法（酸、碱、氧化处理等）、联合法（酸化汽爆法、CO2***法等）和生物法（白腐菌、褐腐菌等）。Saha等于2005年在温度140℃，硫酸浓度为0.75% 的条件下，处理麦秸30-60 min后可以有效的提高后续酶解糖化作用，单糖产量可达55%；Dias等在2010年在研究担子菌Euc-1（Basidiomycetes Euc-1）和白囊耙齿菌（Irpexlacteus）处理稻草秸秆时发现，稻草秸秆中纤维素与木质素比例由2.7上升至5.9及4.6。
目前以秸秆等纤维类生物基质为底物进行发酵产氢的研究有很多，但以花生壳及改性花生壳作为发酵产氢的底物尚未见报道。我国作为花生生产大国，每年产出约450万吨花生壳，花生壳作为一种纤维素类资源浪费较为严重。
发明内容
针对以上问题，本发明提供一种利用改性花生壳作为补充基质发酵制氢的方法，目的是在利用花生壳资源、提高花生壳附加价值的同时实现氢的清洁生产。
实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：
（1）花生壳预处理：对花生壳进行粉碎处理备用，或者对粉碎后的花生壳进行超声波预处理或热碱法预处理；
（2）配置厌氧发酵培养基：先配置葡萄糖发酵产氢培养基，然后按照每50毫升葡萄糖发酵产氢培养基中加入花生壳0.2-1g的比例加入预处理后的花生壳，得到厌氧发酵培养基；
（3）产氢菌种活化：将产氢菌种在35℃、120 rpm条件下，在活化培养基中培养2-3天，进行活化；
（4）发酵产氢：在步骤（2）的厌氧发酵培养基中接种活化后的产氢菌种，在30-35℃，120-180rpm条件下进行厌氧产氢发酵2-4天，采用排水法收集产生的包括氢气的生物气。
其中，所述的粉碎处理是将花生壳经清水洗去表面灰尘，置于60℃烘箱内烘干18-24h，后由植物粉碎机磨碎至粒度0.2-0.5mm。
所述的超声波预处理是向离心管中加入粉碎后的花生壳，然后加入蒸馏水，花生壳与蒸馏水的质量比为1:10，置于超声波清洗器内进行超声处理，烘干备用。
所述的热碱法预处理是将花生壳没入质量浓度为10%的NaOH溶液中，在70℃下持续浸泡3个小时后，加入到稀盐酸溶液中进行中和后反复冲洗，烘干备用。
所述的葡萄糖发酵产氢培养基为PYG培养基，成分组成为：葡萄糖10g/L、蛋白胨4g/L、酵母粉1 g/L、KH2PO4 3.6 g/L、MgCl2•6H2O 0.2 g/L、FeSO4•7H2O 0.1 g/L、L-cysteine0.5g/L。
所述的活化培养基为木糖培养基，成分组成为：木糖10g/L、蛋白胨4 g/L、酵母粉1g/L、KH2PO4 3.6g/L、MgCl2•6H2O 0.2 g/L、FeSO4•7H2O 0.1 g/L、L-cysteine 0.5g/L。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
（1）本发明使用了有机废弃物花生壳作为发酵产氢的基质，实现了花生壳废弃资源再利用；
（2）本发明提供了一种利用花生壳作为补充底物的制氢方法，丰富了发酵产氢的基质，减少葡萄糖等常用碳源的使用量，这在一定程度上降低了发酵产氢的成本；
（3）本发明对补充底物花生壳进行物理及化学改性预处理，增加花生壳的表面积，降低纤维素的结晶度，提升了花生壳的利用率，提高了产氢效率；
（4）本发明提供了一种花生壳资源化的新途径，减少了因花生壳焚烧而带来的环境影响。
附图说明
图1是本发明实施例1~3采用的序批式产氢装置图；
其中：1：简易厌氧产氢发生器；2：水浴搅拌装置；3：潜水加热棒；4：排水集气装置；
图2是本发明实施例4采用的连续产氢装置图；
其中：5：出水；6：进水；7：循环水；8：温度计；9：CSTR反应器（全混合厌氧反应器）；10：搅拌器；11：恒温水浴锅。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本发明实施例中所涉及到的花生壳为市面购买经人工脱壳的花生壳。
本发明实施例1~4中所涉及的产氢菌种ZGM211是广西梭状芽孢杆菌ZGM211T（Clostridium guangxiense ZGM211T），该菌种的模式菌株于2016年2月1日保藏在中国工业微生物菌种保藏管理中心（CICC），保藏编号：CICC No. 24070。
实施例1
本实施例的利用粉碎改性花生壳作为补充基质发酵制氢的方法，采用图1所示的装置，按照以下步骤进行：
（1）花生壳预处理：对花生壳进行粉碎处理，将花生壳经清水洗去表面灰尘，置于60℃烘箱内烘干24h，后由植物粉碎机磨碎至粒度0.2-0.5mm；
（2）配置厌氧发酵培养基：先配置葡萄糖发酵产氢培养基，然后按照每50毫升葡萄糖发酵产氢培养基中加入粉碎花生壳1g的比例加入粉碎预处理后的花生壳，得到厌氧发酵培养基，所述的葡萄糖发酵产氢培养基为PYG培养基，成分组成为：葡萄糖10g/L、蛋白胨4g/L、酵母粉1 g/L、KH2PO4 3.6 g/L、MgCl2•6H2O 0.2 g/L、FeSO4•7H2O 0.1 g/L、L-cysteine0.5g/L；
（3）产氢菌种活化：将产氢菌种ZGM211在35℃、120 rpm条件下，在活化培养基中培养2-3天，进行活化，所述的活化培养基为木糖培养基，成分组成为：木糖10g/L、蛋白胨4 g/L、酵母粉1 g/L、KH2PO4 3.6g/L、MgCl2•6H2O 0.2 g/L、FeSO4•7H2O 0.1 g/L、L-cysteine0.5g/L；
（4）发酵产氢：在100mL西林瓶中加入上述厌氧发酵培养基50mL，另取100mL西林瓶中加入配置好的PYG培养液50mL作为对比，使用高纯氮气吹脱以排出氧气，并灭菌后，使用无菌注射器接入在活化培养2-3天的ZGM211菌液1mL，在35℃、120rpm摇床中震荡培养；采用图1所示的排水集气装置，以排水法收集产氢菌种产生的生物气，使用Agilent 7890A气相色谱仪对生物气成分及含量进行分析，计算出PYG培养基的最大产氢量为46.4 mL，加入补充底物后最大产氢量提高至52mL，其比产氢率可达5.6mL-H2/g-peanut shell。
实施例2
本实施例的利用粉碎改性花生壳作为补充基质发酵制氢的方法，采用如图1所示的装置，按照以下步骤进行：
（1）花生壳预处理：对花生壳进行粉碎处理，将花生壳经清水洗去表面灰尘，置于60℃烘箱内烘干18h，后由植物粉碎机磨碎至粒度0.2-0.5mm；
（2）配置厌氧发酵培养基：先配置葡萄糖发酵产氢培养基，按照葡萄糖及花生壳（mL/mg）的配比参数1:2、1:4、1:6、1:8、1:10，加入粉碎处理的花生壳样品，得到厌氧发酵培养基，所述的葡萄糖发酵产氢培养基为PYG培养基，成分组成为：葡萄糖10g/L、蛋白胨4 g/L、酵母粉1 g/L、KH2PO4 3.6 g/L、MgCl2•6H2O 0.2 g/L、FeSO4•7H2O 0.1 g/L、L-cysteine0.5g/L；
（3）产氢菌种活化：将产氢菌种ZGM211在35℃、120 rpm条件下，在活化培养基中培养2-3天，进行活化，所述的活化培养基为木糖培养基，成分组成为：木糖10g/L、蛋白胨4 g/L、酵母粉1 g/L、KH2PO4 3.6g/L、MgCl2•6H2O 0.2 g/L、FeSO4•7H2O 0.1 g/L、L-cysteine0.5g/L；
（4）发酵产氢：在各100mL西林瓶中加入上述不同配比厌氧发酵培养基各50mL，另取100mL西林瓶中加入配置好的PYG培养液50mL作为对比，使用高纯氮气吹脱以排出氧气，并灭菌后，使用无菌注射器接入在活化培养2-3天的ZGM211菌液1mL，在35℃、120rpm摇床中震荡培养；采用集气瓶收集产生的生物气，使用Agilent 7890A气相色谱仪对生物气成分及含量进行分析。计算出最佳配比为1:10，此时的最大产氢量为75.2mL，最大比产氢率为13.67mL-H2/g-底物，花生壳最高比产氢率可达5.76mL-H2/g- peanut shell。
实施例3
本实施例的利用超声改性花生壳作为补充基质发酵制氢的方法，采用如图1所示的装置，按照以下步骤进行：
（1）花生壳预处理：对花生壳进行粉碎处理，将花生壳经清水洗去表面灰尘，置于60℃烘箱内烘干22h，后由植物粉碎机磨碎至粒度0.2-0.5mm，然后对粉碎后的花生壳进行超声波预处理，所述的超声波预处理是向离心管中加入粉碎后的花生壳，然后加入蒸馏水，花生壳与蒸馏水的质量比为1:10，置于超声波清洗器内进行超声处理，超声预处理参数如表1所示，共设置16个预处理组及1个空白对照组，烘干备用。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（2）配置厌氧发酵培养基：先配置葡萄糖发酵产氢培养基，然后按照每50毫升葡萄糖发酵产氢培养基中加入超声花生壳1g的比例加入超声预处理后的花生壳，得到厌氧发酵培养基，所述的葡萄糖发酵产氢培养基为PYG培养基，成分组成为：葡萄糖10g/L、蛋白胨4g/L、酵母粉1 g/L、KH2PO4 3.6 g/L、MgCl2•6H2O 0.2 g/L、FeSO4•7H2O 0.1 g/L、L-cysteine0.5g/L；
（3）产氢菌种活化：将产氢菌种ZGM211在35℃、120 rpm条件下，在活化培养基中培养2-3天，进行活化，所述的活化培养基为木糖培养基，成分组成为：木糖10g/L、蛋白胨4 g/L、酵母粉1 g/L、KH2PO4 3.6g/L、MgCl2•6H2O 0.2 g/L、FeSO4•7H2O 0.1 g/L、L-cysteine0.5g/L；
（4）发酵产氢：在100mL西林瓶中加入上述厌氧发酵培养基50mL，另取100mL西林瓶中加入配置好的PYG培养液50mL作为对比，使用高纯氮气吹脱以排出氧气，并灭菌后，使用无菌注射器接入在活化培养2-3天的ZGM211菌液1mL，在35℃、120rpm摇床中震荡培养；使用Agilent 7890A气相色谱仪对生物气成分及含量进行分析。计算出PYG培养液的最大产氢量为46.4 mL，加入补充底物后最大产氢量提高至61.7mL其比产氢率可达15.3mL-H2/g-peanut shell，最佳超声条件为400W-20 min。
实施例4
本实施例的利用热碱法改性花生壳作为补充基质发酵制氢的方法，采用图2所述的装置，按照以下步骤进行：
（1）花生壳预处理：对花生壳进行粉碎处理，将花生壳经清水洗去表面灰尘，置于60℃烘箱内烘干18h，后由植物粉碎机磨碎至粒度0.2-0.5mm，然后对粉碎后的花生壳进行热碱法预处理，所述的热碱法预处理是将花生壳没入质量浓度为10%的NaOH溶液中，在70℃下持续浸泡3个小时后，加入到稀盐酸溶液中进行中和后反复冲洗，烘干备用；
（2）配置厌氧发酵培养基：先配置葡萄糖发酵产氢培养基，按照葡萄糖及花生壳（mL/mg）的配比参数1:2、1:4、1:6、1:8、1:10，加入热碱法处理的花生壳样品，得到厌氧发酵培养基，所述的葡萄糖发酵产氢培养基为PYG培养基，成分组成为：葡萄糖10g/L、蛋白胨4g/L、酵母粉1 g/L、KH2PO4 3.6 g/L、MgCl2•6H2O 0.2 g/L、FeSO4•7H2O 0.1 g/L、L-cysteine0.5g/L；
（3）产氢菌种活化：将产氢菌种ZGM211在35℃、120 rpm条件下，在活化培养基中培养2-3天，进行活化，所述的活化培养基为木糖培养基，成分组成为：木糖10g/L、蛋白胨4 g/L、酵母粉1 g/L、KH2PO4 3.6g/L、MgCl2•6H2O 0.2 g/L、FeSO4•7H2O 0.1 g/L、L-cysteine0.5g/L；
（4）发酵产氢：在各100mL西林瓶中加入上述不同配比厌氧发酵培养基各50mL，另取100mL西林瓶中加入配置好的PYG培养液50mL作为对比，使用高纯氮气吹脱以排出氧气，并灭菌后，使用无菌注射器接入在活化培养2-3天的ZGM211菌液1mL，在35℃、120rpm摇床中震荡培养；采用排水法收集产生的生物气，使用Agilent 7890A气相色谱仪对生物气成分及含量进行分析。计算出最佳配比为1:10，此时的最大产氢量为96.2mL，最大比产氢率为17.49mL-H2/g-底物，花生壳比产氢率可达9.96mL-H2/g-peanut shell。
实施例5
本实施例是利用粉碎花生壳作为补充基质进行连续发酵制氢，具体步骤如下：
（1）采用由有机玻璃制成，有效容积为5L的连续流搅拌槽式反应器（CSTR），内设气-液-固三相分离装置，以1:10配比的蜜糖废水及粉碎处理的花生壳为基质，并加入少量尿素、磷酸二氢钾使得COD:N:P=500:5:1；
（2）种泥取自来沈阳市辽中县污水处理厂二沉池，经过滤、沉淀、淘洗后，用糖蜜废水曝气培养7d后接种至反应器内，污泥接种量MLVSS为8.52g/L，在温度35±1℃、HRT为8h、进水COD浓度为2000 mg/L、进水pH为7等条件下启动CSTR；
（3）逐步调整pH、ORP、温度、HRT 等各项参数，待反应器运行达到稳定状态后，采用集气瓶收集产生的生物气，使用Agilent 7890A气相色谱仪对生物气成分及含量进行分析；
（4）***在较低的OLR下产氢速率较大，运行20d时***达到稳定状态，计算出污泥最高产氢效率可达8.6mmol/L/h，乙醇和乙酸的含量占总液相末端产物的质量比为83.4%
说明本发明的技术方案可适用于连续工业生产。

Claims (2)

1.一种利用改性花生壳作为补充基质发酵制氢的方法，其特征在于按照以下步骤进行：
(1)花生壳预处理：对花生壳进行粉碎处理备用，或者对粉碎后的花生壳进行超声波预处理或热碱法预处理；
(2)配置厌氧发酵培养基：先配置葡萄糖发酵产氢培养基，然后按照每50毫升葡萄糖发酵产氢培养基中加入花生壳0.2-1g的比例加入预处理后的花生壳，得到厌氧发酵培养基；
(3)产氢菌种活化：将产氢菌种在35℃、120rpm条件下，在活化培养基中培养2-3天，进行活化；
(4)发酵产氢：在步骤(2)的厌氧发酵培养基中接种活化后的产氢菌种，在30-35℃，120-180rpm条件下进行厌氧产氢发酵2-4天，采用排水法收集产生的包括氢气的生物气；
所述的热碱法预处理是将粉碎花生壳没入质量浓度为10％的NaOH溶液中，在70℃下持续浸泡3个小时后，加入到稀盐酸溶液中进行中和后反复冲洗，烘干备用；
所述的超声波预处理是向离心管中加入粉碎后的花生壳，然后加入蒸馏水，花生壳与蒸馏水的质量比为1:10，置于超声波清洗器内进行超声处理，烘干备用；
所述的葡萄糖发酵产氢培养基为PYG培养基，成分组成为：葡萄糖10g/L、蛋白胨4g/L、酵母粉1g/L、KH2PO4 3.6g/L、MgCl2·6H2O 0.2g/L、FeSO4·7H2O 0.1g/L、L-cysteine 0.5g/L；
所述的活化培养基为木糖培养基，成分组成为：木糖10g/L、蛋白胨4g/L、酵母粉1g/L、KH2PO4 3.6g/L、MgCl2·6H2O 0.2g/L、FeSO4·7H2O 0.1g/L、L-cysteine 0.5g/L。
2.根据权利要求1所述的一种利用改性花生壳作为补充基质发酵制氢的方法，其特征在于所述的粉碎处理是将花生壳经清水洗去表面灰尘，置于60℃烘箱内烘干18-24h，后由植物粉碎机磨碎至粒度0.2-0.5mm。
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