CN110484571A - 利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法 - Google Patents

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Abstract

利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，本发明涉及生物化工技术领域。本发明要解决现有玉米秸秆能量转化率低的技术问题。方法：玉米秸秆预处理，得到秸秆混合液；制备产氢菌种子液；向秸秆混合液接入产氢菌种子液，进行厌氧发酵，产生氢气和发酵液；重复发酵；去除发酵液中的固体；接入微藻种子液，进行微藻发酵，合成油脂；重复发酵；采收微藻发酵液中的微藻生物质，提取油脂。本发明方法的氢气产量为811.1mL H2/L工作体积，油脂产量为588.5mg/L工作体积，玉米秸秆的能量转化率提高了103.7％。本发明方法用于生产氢气和油脂，实现清洁生物能源开发和废弃物处理的有效结合。

Description

利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法
技术领域
本发明涉及生物化工技术领域。
背景技术
全球农业废弃物的产量约为1010吨，大多数都没有很好的利用，造成了资源的巨大浪费。氢气有着能量密度高、清洁无污染等特点，被认为是一种理想的可再生能源。常规的氢气生产方法是从化石燃料中提取或通过电解水制取，这些方法没有摆脱对化石能源的使用，难以满足能源可持续发展的需要。生物制氢有着节能环保的优点，且可以利用废弃物或废水为发酵基质，受到了广泛的关注。农业废弃物(如玉米秸秆)是生物制氢的一种潜在底物，然而，发酵过程中会产生有机酸等代谢副产物，降低了玉米秸秆的能量转化率，且这些有机酸的排放可能会带来许多环境问题。
发明内容
本发明要解决现有玉米秸秆能量转化率低的技术问题，而提供利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法。
利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，具体按以下步骤进行：
一、将玉米秸秆粉碎为秸秆粉末，然后采用硫酸溶液进行气爆预处理，得到秸秆混合液；
或将玉米秸秆粉碎为秸秆粉末，然后采用硫酸溶液进行气爆预处理，得到预处理秸秆液，再与产氢培养基混合，得到秸秆混合液；
二、对产氢接种物进行预处理，得到产氢菌种子液；
三、将步骤二获得的产氢菌种子液接入到步骤一得到的秸秆混合液中，得到待发酵液，进行厌氧发酵，产生氢气；
四、厌氧发酵结束后，按体积排出20～100％发酵液，向剩余发酵液中补入步骤一得到的秸秆混合液，继续进行厌氧发酵，产生氢气；
五、将步骤四重复多次，并收集排出的发酵液，去除固态物，得到处理后的发酵液；
六、将微藻种子液接入步骤五处理后的发酵液中，微藻种子接入量为0.05～0.2g/L，得到待微藻发酵液，进行微藻发酵反应，获得油脂；
七、微藻发酵结束后，按体积排出20～100％微藻发酵液，向剩余微藻发酵液中补入步骤五处理后的发酵液，继续进行发酵反应，获得油脂；
八、将步骤七重复多次，并收集排出的微藻发酵液，然后采收微藻发酵液中微藻生物质，提取油脂，完成利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法。
步骤五中可以将步骤四重复1～100次，步骤八中可以将步骤七重复1～100次。
本发明方法微藻利用待微藻发酵液中有机物进行生长并合成油脂。
本发明的有益效果是：
本发明以玉米秸秆为原料进行氢气和油脂的生产，利用微藻以有机酸为底物进行生长和油脂积累，将产氢发酵与微藻发酵相结合，既可以避免产氢发酵副产物对环境的危害，又有利于玉米秸秆的高效利用，提高其能量转化率，实现玉米秸秆的高效利用，减少其对环境的不良影响。同时，以玉米秸秆为原料有助于降低生物能源的生产成本，实现了玉米秸秆的资源化，对于加快生物柴油和生物制氢技术的产业化步伐有重要意义，具有较好的经济效益和环境效益，经验证本发明方法能量转化率达到为12.00％以上，相较于单独产氢能量转化率提高了103.7％。
本发明方法用于生产氢气和油脂，实现清洁生物能源开发和废弃物处理的有效结合。
附图说明
图1为实施例一产氢量变化图；
图2为实施例一微藻产量和油脂产量变化图，●代表油脂，■代表微藻；
图3为实施例一产能量和能量转化率图，其中a代表产能量，b代表能量转化率。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，具体按以下步骤进行：
一、将玉米秸秆粉碎为秸秆粉末，然后采用硫酸溶液进行气爆预处理，得到秸秆混合液；
或将玉米秸秆粉碎为秸秆粉末，然后采用硫酸溶液进行气爆预处理，得到预处理秸秆液，再与产氢培养基混合，得到秸秆混合液；
二、对产氢接种物进行预处理，得到产氢菌种子液；
三、将步骤二获得的产氢菌种子液接入到步骤一得到的秸秆混合液中，得到待发酵液，进行厌氧发酵，产生氢气；
四、厌氧发酵结束后，按体积排出20～100％发酵液，向剩余发酵液中补入步骤一得到的秸秆混合液，继续进行厌氧发酵，产生氢气；
五、将步骤四重复多次，并收集排出的发酵液，去除固态物，得到处理后的发酵液；
六、将微藻种子液接入步骤五处理后的发酵液中，微藻种子接入量为0.05～0.2g/L，得到待微藻发酵液，进行微藻发酵反应，获得油脂；
七、微藻发酵结束后，按体积排出20～100％微藻发酵液，向剩余微藻发酵液中补入步骤五处理后的发酵液，继续进行发酵反应，获得油脂；
八、将步骤七重复多次，并收集排出的微藻发酵液，然后采收微藻发酵液中微藻生物质，提取油脂，完成利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法。
本实施方式以玉米秸秆为原料进行氢气和油脂的生产，利用微藻以有机酸为底物进行生长和油脂积累，将产氢发酵与微藻发酵相结合，既可以避免产氢发酵副产物对环境的危害，又有利于玉米秸秆的高效利用，提高其能量转化率，实现玉米秸秆的高效利用，减少其对环境的不良影响。同时，以玉米秸秆为原料有助于降低生物能源的生产成本，实现了玉米秸秆的资源化，对于加快生物柴油和生物制氢技术的产业化步伐有重要意义，具有较好的经济效益和环境效益。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中秸秆粉末的粒径为30～60目。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中气爆预处理时，硫酸溶液的质量浓度为0.5～1.5％，控制气爆温度为120～130℃，气爆时间为1～3h。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中预处理秸秆液与产氢培养基的体积比为1∶(1～10)。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中产氢接种物为剩余污泥、消化污泥和土壤中一种或其中几种按任意比混合。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中产氢接种物进行预处理的方法为热处理、酸处理、碱处理、过氧化氢处理、超声波处理、微波处理、甲烷抑制剂处理、氯仿处理、二溴乙烷磺酸钠处理、辐照处理、曝气处理和冲击负荷处理中一种或其中几种的组合。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中产氢菌种子液的接种量为秸秆混合液体积的5～20％。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四中补入的秸秆混合液与排出发酵液体积相等。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤六中微藻种子液中的微藻为栅藻、小球藻、硅藻、隐甲藻、扁藻、杜氏藻、螺旋藻和金藻中的一种或其中几种按任意比混合。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤七中补入的处理后发酵液与排出微藻发酵液体积相等。其它与具体实施方式一至九之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，具体按以下步骤进行：
一、将玉米秸秆粉碎为秸秆粉末，秸秆粉末的粒径为40目，然后采用质量浓度为0.5％的硫酸溶液进行气爆预处理，控制气爆温度为121℃，气爆时间为1h，得到预处理秸秆液，再与产氢培养基混合，预处理秸秆液与产氢培养基的体积比为1∶1，得到秸秆混合液，其中底物浓度为10g/L；
二、对剩余污泥进行热处理，得到产氢菌种子液；热处理条件：温度为100条件℃下处理30min；
三、将步骤二获得的产氢菌种子液接入到步骤一得到的秸秆混合液中，产氢菌种子液接入量为秸秆混合液体积的10％，得到待发酵液，进行厌氧发酵，产生氢气；
四、厌氧发酵结束后，按体积排出50％发酵液，向剩余发酵液中补入步骤一得到的秸秆混合液，继续进行厌氧发酵，产生氢气；补入的秸秆混合液与排出发酵液体积相等；
五、将步骤四重复78次，并收集排出的发酵液，去除固态物，得到处理后的发酵液；
六、将微藻种子液接入步骤五处理后的发酵液中，微藻种子接入量为0.1g/L，得到待微藻发酵液，进行微藻发酵反应，获得油脂；
七、微藻发酵结束后，按体积排出50％微藻发酵液，向剩余微藻发酵液中补入步骤五处理后的发酵液，继续进行发酵反应，获得油脂；补入的处理后发酵液与排出微藻发酵液体积相等；
八、将步骤七重复18次，并收集排出的微藻发酵液，然后采收微藻发酵液中微藻生物质，提取油脂，完成利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法。
其中栅藻(Scenedesmus sp.)采用已公开中国发明专利《一种富油微藻的高通量筛选方法》(申请号：CN201310096030.2)中的方法筛选获得。
本实施例产氢量变化图如图1所示，从图中看出，本实施例氢气产量为811.1mLH2/L工作体积。
本实施例微藻产量和油脂产量变化图如图2图所示，●代表油脂，■代表微藻；从图中看出，本实施例微藻产量为1558.2mg/L工作体积，油脂产量为588.5mg/L工作体积。
本实施例产能量和能量转化率图如图3所示，其中a代表产能量，b代表能量转化率，从图可知，单独产氢能量转化率为6.16％，本实施例能量转化率为12.55％，能量转化率提高了103.7％。

Claims (10)

1.利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行：
一、将玉米秸秆粉碎为秸秆粉末，然后采用硫酸溶液进行气爆预处理，得到秸秆混合液；
或将玉米秸秆粉碎为秸秆粉末，然后采用硫酸溶液进行气爆预处理，得到预处理秸秆液，再与产氢培养基混合，得到秸秆混合液；
二、对产氢接种物进行预处理，得到产氢菌种子液；
三、将步骤二获得的产氢菌种子液接入到步骤一得到的秸秆混合液中，得到待发酵液，进行厌氧发酵，产生氢气；
四、厌氧发酵结束后，按体积排出20～100％发酵液，向剩余发酵液中补入步骤一得到的秸秆混合液，继续进行厌氧发酵，产生氢气；
五、将步骤四重复多次，并收集排出的发酵液，去除固态物，得到处理后的发酵液；
六、将微藻种子液接入步骤五处理后的发酵液中，微藻种子接入量为0.05～0.2g/L，得到待微藻发酵液，进行微藻发酵反应，获得油脂；
七、微藻发酵结束后，按体积排出20～100％微藻发酵液，向剩余微藻发酵液中补入步骤五处理后的发酵液，继续进行发酵反应，获得油脂；
八、将步骤七重复多次，并收集排出的微藻发酵液，然后采收微藻发酵液中微藻生物质，提取油脂，完成利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法。
2.根据权利要求1所述的利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，其特征在于步骤一中秸秆粉末的粒径为30～60目。
3.根据权利要求1所述的利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，其特征在于步骤一中气爆预处理时，硫酸溶液的质量浓度为0.5～1.5％，控制气爆温度为120～130℃，气爆时间为1～3h。
4.根据权利要求1所述的利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，其特征在于步骤一中预处理秸秆液与产氢培养基的体积比为1∶(1～10)。
5.根据权利要求1所述的利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，其特征在于步骤二中产氢接种物为剩余污泥、消化污泥和土壤中一种或其中几种按任意比混合。
6.根据权利要求1所述的利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，其特征在于步骤二中产氢接种物进行预处理的方法为热处理、酸处理、碱处理、过氧化氢处理、超声波处理、微波处理、甲烷抑制剂处理、氯仿处理、二溴乙烷磺酸钠处理、辐照处理、曝气处理和冲击负荷处理中一种或其中几种的组合。
7.根据权利要求1所述的利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，其特征在于步骤三中产氢菌种子液的接种量为秸秆混合液体积的5～20％。
8.根据权利要求1所述的利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，其特征在于步骤四中补入的秸秆混合液与排出发酵液体积相等。
9.根据权利要求1所述的利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，其特征在于步骤六中微藻种子液中的微藻为栅藻、小球藻、硅藻、隐甲藻、扁藻、杜氏藻、螺旋藻和金藻中的一种或其中几种按任意比混合。
10.根据权利要求1所述的利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，其特征在于步骤七中补入的处理后发酵液与排出微藻发酵液体积相等。
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