CN102154371B

CN102154371B - 一种秸秆制氢方法

Info

Publication number: CN102154371B
Application number: CN 201110051107
Authority: CN
Inventors: 张全国; 杨群发; 胡建军; 周雪花; 张志萍
Original assignee: Henan Agricultural University
Current assignee: Henan Agricultural University
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2031-03-03
Also published as: CN102154371A

Abstract

本发明涉及一种秸秆制氢方法，其包括如下步骤：将秸秆粉碎至粒径330～420nm后加入到100~200mLpH4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，再加入125～225mg纤维素酶，在40℃～60℃条件下振荡反应40~60h，振荡速度135～165rpm，得反应料液a；用碱液把料液a调至pH为6～8，然后加入产氢培养基，接种15~30%处于生长对数期的培养的光合细菌（球形红假单胞菌），25～35℃、光照强度2000～4000lux，24h后即可产氢，产氢持续时间6～10天。该方法以农业废弃物秸秆为原料，使光合生物制氢成本大大降低，实现能源产出和废弃物利用双目标。

Description

一种秸秆制氢方法

技术领域

本发明属于农业工程中的农村能源利用技术领域，具体涉及一种以秸秆作为原料，利用红螺杆菌混合菌群进行生物光合产氢的方法。　　

背景技术

化石能源的大规模开发利用带来了严重的全球性环境问题，能源短缺、资源枯竭、环境恶化，油荒、电荒屡见不鲜。利用生物质制取高品位氢能源因其具有生产清洁能源和解决环境污染等优势受到关注，寻找一种高效、低成本的制氢方法是目前亟待解决的关键。秸秆中富含大量的木质纤维素，通过生物发酵等处理可以转化为可再生糖类资源，目前针对纤维素类生物质的预处理技术主要可分为物理法、化学法和生物法。物理法通常与其他方法合并使用，主要有机械粉碎、高能辐射、微波处理等，通过改变其物理结构增加纤维素与酶等接触的表面积。化学法有酸法、碱法、臭氧分解等，以除去半纤维素和木质素，但是该法对设备要求高，所用酸碱试剂不易回收，会造成污染等缺点。生物法主要采用白腐真菌和纤维素酶等对纤维素原料进行预处理，能耗低、操作简单、环境污染小，但处理周期长。对秸秆进行降解生成小分子酸、葡萄糖等物质，可以用做进一步进行高品位能源的生产。近几年已有少数学者利用不同的秸秆类原料通过不同的预处理方法进行发酵产氢，但产氢效率降低。我国秸秆类生物质资源丰富，却没有得到很好的利用。生物制氢技术因其生产成本高、产氢效率低，也一直没有得到行之有效的推广。

发明内容

本发明目的在于提供一种环保、高效的秸秆发酵与光合细菌联合制氢方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种秸秆制氢方法，其包括如下步骤：

①秸秆预处理：将洗净烘干后的秸秆粉碎，备用；

②秸秆酶解糖化：取2.5~4.5g粉碎后秸秆加入到100~200mL pH4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，再加入125～225mg 纤维素酶，在40℃～60℃条件下振荡反应40~60h，振荡速度135～165rpm，得反应料液a；

③光合细菌培养：将光合细菌球形红假单胞菌(Rhodopseudo monas phaeroides) AS 1.1737

菌株接种至生长培养基中，于25～35℃培养2～4天（处于生长对数期）；

④联合产氢：用碱液把反应料液a调至pH为 6～8，然后加入产氢培养基，按15~30%（v/v）的接种量接种步骤③培养的光合细菌，于温度25～35℃、光照强度2000～4000 lux条件下保持24小时后产氢，产氢持续时间6～10天。

本发明所使用的球形红假单胞菌(Rhodopseudo monas phaeroides) AS 1.1737菌株在题目为“光照度对猪粪污水条件下红假单胞菌光合产氢的影响”的期刊论文中被公开过，《农业工程学报》2005年09期，作者：张军合、张全国等。另外，在题目为“红假单胞菌利用畜禽粪便产氢能力的试验研究” 的期刊论文中也被公开过，《河南农业大学学报》2005年02期，作者：尤希凤、张全国等。

上述步骤③中生长培养基组分为：1 g/L NH₄Cl、2g/L NaHCO₃、1g/L酵母膏、0.2g/L K₂HPO₄、4g/L CH₃COONa、0.2g/L MgSO₄和2g/L NaCl。

上述步骤④中碱液为质量浓度40～50%的KOH溶液；产氢培养基组分为：0.4 g/L NH₄Cl、0.2 g/L MgCl₂、0.1 g/L酵母膏、0.5 g/L K₂HPO₄、2 g/L NaCl和3.56 g/L谷氨酸钠。

本发明所述的秸秆可以为高粱秸秆、玉米秸秆等常见农作物秸秆。

本发明探索出一种将秸秆应用于光合生物制氢的方法，不仅使秸秆这一农业废弃物得以利用，打破了大多数生物制氢原料为碳水化合物（例如：葡萄糖、淀粉及其含糖和淀粉的废水）的局限，降低了光合产氢的成本，实现了废物利用与能源产出的双重目标。由于光合细菌不能直接利用纤维素，因此秸秆原料需要经过一定的预处理才能被利用。利用秸秆进行光合生物制氢的技术步骤主要经历3个阶段：（1）秸秆类生物质球磨机械粉碎预处理；（2）纤维素原料经纤维素酶酶解，转化为可发酵糖或小分子酸；（3）可发酵糖或小分子酸经光合细菌新陈代谢反应产生氢气。

本发明将秸秆预处理和光合细菌产氢进行有机结合，设计出一种环保高效的生物制氢方法。秸秆的降解预处理是关键步骤。秸秆洗净烘干后，先用粉碎机进行初步粉碎后，再用垂吊式纳米球磨机进行更细粒径的机械粉碎，采用X射线小角散射测定其粒径，粒径范围330～420nm。其技术效果有：（1）降低纤维素的结晶度、提高基质的孔隙率，进而提高酶水解的结合率；（2）避免碳水化合物的降解和损失；（3）避免产生对水解及发酵过程起抑制作用的副产品；（4）性价比高，易于实现工业化。粉碎处理后的秸秆在酶解过程中可以提高反应性能和提高水解糖化率，有利于纤维素酶发挥作用。球磨可使纤维素的结构松散和使微纤中及微纤间晶区中存在的分子间氢键断裂，因此通过球磨这种机械预处理，可使秸秆纤维素的水解速率和酶解后葡萄糖的产率得到提高，使资源丰富的秸秆能够成为为生物制氢过程中的碳源，被光合细菌利用，进行代谢产氢。光合细菌产氢效率优于其他多种厌氧反应细菌，且利用球磨进行秸秆粉碎后酶解产糖的过程易于实现工业化，所以该发明具有非常好的实用性，从可持续发展的角度来看，以秸秆类物质作为原料进行光合生物产氢，将会是制氢工业一个非常具有潜力的发展方向。

和现有技术相比，本发明的有益效果：

利用丰富的农作物秸秆进行粉碎预处理后，再经过纤维素酶的水解糖化作用，便能够获得光合产氢菌所能利用的葡萄糖等物质，使光合生物制氢成本大大降低，并且利用了秸秆等农业废弃物，实现了能源产出和废弃物利用的双重目标，降低了光合产氢的成本。

具体实施方式

以下以玉米秸秆为例对本发明方法进行详细说明，但本发明的保护范围不限于此。

实施例1

一种秸秆制氢方法，其包括如下步骤：

① 玉米秸秆预处理：将洗净烘干后的玉米秸秆用百信牌LG-02型粉碎机（瑞安市百信药

机器械厂生产）进行初步粉碎，然后用秦皇岛太极环纳米有限公司生产的MY-SQ-B型单筒垂吊式纳米球磨机（进料粒度≤25mm，筒体转速36～38r/min）进行更细粒径的机械粉碎，粉碎2～8h即可，X射线小角散射测其粒径范围330～420nm。

②秸秆酶解糖化：取3.0g上述粉碎后秸秆加入到100mL pH4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，再加入130mg 纤维素酶(Trichoderma viride,酶活为3×10⁴U·g^-1,由郑州博兴生物科技有限公司提供,2~8℃冷藏保存），在50℃温度条件下振荡反应48h，振荡速度150rpm，得反应料液a（用3-5-二硝基水杨酸法测定反应料液a中还原糖含量为1.6g，糖化率53%）；

菌株接种至生长培养基中，于30℃培养2天；该生长培养基组分为：1g/L NH₄Cl、2g/L NaHCO₃、1g/L酵母膏、0.2g/L K₂HPO₄、4g/L CH₃COONa、0.2g/L MgSO₄和2g/L NaCl。

④联合产氢：用40%KOH碱液把反应料液a调至pH为 7，然后加入产氢培养基，该产氢培养基组分为：0.4g/L NH₄Cl、0.2g/L MgCl₂、0.1g/L酵母膏、0.5g/L K₂HPO₄、2g/L NaCl和3.56g/L谷氨酸钠。按20%（v/v）的接种量接种步骤③培养的光合细菌，在温度28℃、光照强度3000 lux的条件下保持24小时后产氢。玉米秸秆的产氢量为120ml/g（干重），整个产氢过程持续144小时，最大产氢速率为65ml/h，其中氢气浓度为40%。

葡萄糖对照实验：与酶解后还原糖量为1.6g的玉米秸秆酶解反应料液a做对比，具体如下：向100mL蒸馏水中加入1.6g葡萄糖，接种20%实施例1步骤③培养的光合细菌，置于同样环境下进行光合产氢，实施例1中的玉米秸秆光合产氢产氢量达360mL，而利用葡萄糖进行光合产氢产氢量为397mL。

实施例2

一种秸秆制氢方法，其包括如下步骤：

①秸秆酶解糖化：取2.5g洗净烘干粉碎过粒径在330～420nm的玉米秸秆，加入到100mL pH4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，再加入125mg 纤维素酶(Trichoderma viride,酶活为3×10⁴U·g^-1,由郑州博兴生物科技有限公司提供,2～8℃冷藏保存），在40℃温度条件下振荡反应40h，振荡速度135rpm，得反应料液a（用3-5-二硝基水杨酸法测定反应料液a中还原糖含量为1.2g，糖化率48%）；

②光合细菌培养：将光合细菌球形红假单胞菌(Rhodopseudo monas phaeroides) AS 1.1737

菌株接种至生长培养基中，于35℃培养4天；该生长培养基组分为：1g/L NH₄Cl、2g/L NaHCO₃、1g/L酵母膏、0.2g/L K₂HPO₄、4g/L CH₃COONa、0.2g/L MgSO₄和2g/L NaCl；

③联合产氢：用50%KOH碱液把反应料液a调至pH为 6，然后加入产氢培养基，该产氢培养基组分为0.4g/L NH₄Cl、0.2g/L MgCl₂、0.1g/L酵母膏、0.5g/L K₂HPO₄、2g/L NaCl和3.56g/L谷氨酸钠。按15%（v/v）的接种量接种步骤②培养的光合细菌，在温度25℃、光照强度2000 lux的条件下保持24小时后产氢。玉米秸秆的产氢量为70ml/g（干重），整个产氢过程持续144小时，最大产氢速率为43ml/h，其中氢气浓度为35%。

葡萄糖对照实验：与酶解后还原糖量为1.2g的玉米秸秆酶解反应料液a做对比，具体如下：向100mL蒸馏水中加入1.2g葡萄糖，接种15%实施例2步骤②培养的光合细菌，置于同样环境下进行光合产氢，实施例2中的玉米秸秆光合产氢产氢量达175mL，而利用葡萄糖进行光合产氢产氢量为181mL。

实施例3

一种秸秆制氢方法，其包括如下步骤：

①秸秆酶解糖化：取4.5g洗净烘干粉碎过粒径在330～420nm的玉米秸秆，加入到200mL

pH4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，再加入225mg 纤维素酶(Trichoderma viride,酶活为3×10⁴U·g^-1,由郑州博兴生物科技有限公司提供），在60℃温度条件下振荡反应60h，振荡速度165rpm，得反应料液a（用3-5-二硝基水杨酸法测定反应料液a中还原糖含量为2.6g，糖化率58%）；

菌株接种至生长培养基中，于25℃培养3天；该生长培养基组分为：1g/L NH₄Cl、2g/L NaHCO₃、1g/L酵母膏、0.2g/L K₂HPO₄、4g/L CH₃COONa、0.2g/L MgSO₄和2g/L NaCl；

③联合产氢：用45%KOH碱液把反应料液a调至pH为 8，然后加入产氢培养基，该产氢培养基组分为0.4g/L NH₄Cl、0.2g/L MgCl₂、0.1g/L酵母膏、0.5g/L K₂HPO₄、2g/L NaCl和3.56g/L谷氨酸钠。按30%（v/v）的接种量接种步骤②培养的光合细菌，在温度35℃、光照强度4000 lux的条件下保持24小时后产氢。玉米秸秆的产氢量为110ml/g（干重），整个产氢过程持续148小时，最大产氢速率为60ml/h，其中氢气浓度为40%。

葡萄糖对照实验：与酶解后还原糖量为2.6g的玉米秸秆酶解反应料液a做对比，具体如下：向200mL蒸馏水中加入2.6g葡萄糖，接种30%实施例3步骤②培养的光合细菌，置于同样环境下进行光合产氢，实施例3中的玉米秸秆光合产氢产氢量达495mL，而利用葡萄糖进行光合产氢产氢量为507mL。

由上述各实施例及对照试验可以看出，玉米秸秆酶解后产生的氢气量与单纯用葡萄糖发酵的产氢量基本相等，因而利用玉米秸秆酶解后产氢基本上可以代替直接用葡萄糖进行产氢，使农业废弃物秸秆被再利用，降低了光合产氢的成本，实现了能源产出和废弃物利用的双目标。

Claims

1.一种秸秆制氢方法，其特征在于，包括如下步骤：

①秸秆酶解糖化：取2.5~4.5g洗净烘干粉碎过的秸秆加入到100~200mL pH4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，再加入125～225mg 纤维素酶，在40℃～60℃条件下振荡反应40~60h，振荡速度135～165rpm，得反应料液a；其中，所述秸秆洗净烘干后，先用粉碎机进行初步粉碎，再用垂吊式纳米球磨机机械粉碎至粒径范围在330－420nm；

②光合细菌培养：将光合细菌球形红假单胞菌(Rhodopseudo monas phaeroides) AS 1.1737菌株接种至生长培养基中，于25～35℃培养2～4天；

③联合产氢：用碱液把反应料液a调至pH为 6～8，然后加入产氢培养基，按15~30%的接种量接种步骤②培养的光合细菌，于温度25～35℃，光照强度2000～4000 lux条件下保持24小时后产氢，产氢持续时间6～10天。

2.如权利要求1所述的秸秆制氢方法，其特征在于，步骤②中生长培养基组分为：1g/L NH₄Cl、2g/L NaHCO₃、1g/L酵母膏、0.2g/L K₂HPO₄、4g/L CH₃COONa、0.2g/L MgSO₄和2g/L NaCl。

3.如权利要求1所述的秸秆制氢方法，其特征在于，步骤③中碱液为质量浓度40～50%的KOH溶液。

4.如权利要求1、2或3所述的秸秆制氢方法，其特征在于，步骤③中产氢培养基组分为：0.4g/L NH₄Cl、0.2g/L MgCl₂、0.1g/L酵母膏、0.5g/L K₂HPO₄、2g/L NaCl和3.56g/L谷氨酸钠。

5.如权利要求4所述的秸秆制氢方法，其特征在于，所述秸秆为玉米或高粱秸秆。