CN103436559A - 一种酶解高纤维水生植物联产氢气和甲烷的生物燃气制备方法 - Google Patents

一种酶解高纤维水生植物联产氢气和甲烷的生物燃气制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103436559A
CN103436559A CN2013103997807A CN201310399780A CN103436559A CN 103436559 A CN103436559 A CN 103436559A CN 2013103997807 A CN2013103997807 A CN 2013103997807A CN 201310399780 A CN201310399780 A CN 201310399780A CN 103436559 A CN103436559 A CN 103436559A
Authority
CN
China
Prior art keywords
methane
hydrogen
preparation
waterplant
high fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2013103997807A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103436559B (zh
Inventor
贾璇
祝超伟
杨洋
席北斗
李鸣晓
刘东明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Original Assignee
Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chinese Research Academy of Environmental Sciences filed Critical Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Priority to CN201310399780.7A priority Critical patent/CN103436559B/zh
Publication of CN103436559A publication Critical patent/CN103436559A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103436559B publication Critical patent/CN103436559B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/59—Biological synthesis; Biological purification

Landscapes

  • Processing Of Solid Wastes (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)

Abstract

本发明公开了属于生物能源技术领域的一种采用高纤维水生植物酶解联产氢气和甲烷的生物燃气制备方法。该方法将水体富营养化导致的大量繁殖的沉水植物打捞转移，采用降解酶酶解预处理后作为发酵底物，并与厌氧活性污泥混合，通过厌氧生物发酵方式，调节反应过程中的反应条件来达到产氢之后产甲烷，实现氢气-甲烷联合生产，以生物燃气的形式回收固体有机质中所含生物质能源。本发明在有机废弃物高值化利用的同时实现了减排产能的目标，并将可再生资源利用、污染治理和生物能源制备联合进行，具有重要的环境效益和广阔的应用前景。

Description

一种酶解高纤维水生植物联产氢气和甲烷的生物燃气制备方法
技术领域
本发明属于生物能源技术领域，涉及一种酶解联产氢气和甲烷的新工艺，具体涉及一种采用高纤维水生植物酶解联产氢气和甲烷的生物燃气制备方法。
背景技术
由于人类生产及生活的影响，大量氮、磷营养盐经农田退水、工业废水、生活污水及地表流失输入到湖泊、水库及河道，造成日益严重的水体富营养化。在以大型水生植物响应型的草型湖泊内，各种沉水植物过量生长，形成了极大的初级生产力，其群落盖度可达100%，最大生物量(鲜重)为22.5kg/m2以上，它们充塞水体空间，破坏自然景观，危害渔业生产，沉落腐败后对水体造成二次污染，同时还形成强烈的生物促淤作用，导致草型湖泊迅速沼泽化。据调查，乌梁素海、哈素海、红山水库、伊胡塔湖、于桥水库、异龙湖、南四湖、东太湖、固城湖、滇池、洱海、赤湖、保安湖、隔湖等都在不同程度上存在着这方面的影响。
沉水植物在生长期间具有从水中和底质中吸收与富集营养盐的能力，收获沉水植物即可使湖泊内氮、磷营养盐的积累效应得到抑制，并减少生物填平作用。目前，国际上对“通过控制营养盐而控制湖泊营养状态的途径”已达成共识，因此通过机械化方式收割沉水植物，在地球化学物质循环中转移氮、磷营养盐已成为草型湖泊富营养化治理的关键技术。
草型湖泊的沉水植物资源是一笔未被利用的巨大财富，是可持续开发利用的水生植物资源。例如乌梁素海沉水植物生产量8.5×104t·a-1(干重)，以收割60%计算，每年可开发利用5×104t(干重)水生植物资源。采用生物厌氧发酵技术将水生植物转化为具有高附加值的绿色生物能源——氢气，厌氧产氢的末端产物进一步被产甲烷菌利用产生甲烷燃气，实现氢气和甲烷的联产。
目前，在能源紧张和环境污染日益严重，开发可替代能源成为世界各国政府和科学家所关注的热点之一。许多学者对两相厌氧同时产氢、产甲烷方法处理有机废水或有机固体废物过程进行了广泛研究。有文献报道，氢气和甲烷混合作为燃料可减少氮氧化物等的排放。与单相厌氧过程相比，两相厌氧过程将不同的优势菌群分选于两相中，并且保持两相中菌群的稳定，使产氢产酸菌主要维持在第一阶段，产甲烷菌主要维持在第二阶段。两步联产氢气和甲烷工艺，一方面可以继续降低废弃物中的有机物含量，另一方面又能生产CO2作为能源气体，使得整个发酵过程的能源转化率大幅提高，是一种理想的变废为宝，环境友好的能源化工艺。
因此，研发一种龙须眼子菜酶解后联产氢气和甲烷的生物燃气制备方法，不仅能够缓解沉水植物大量繁殖导致的环境污染，解决农业废弃物的处置问题，还可通过有机废弃物的高值化生产绿色生物能源，在一定程度上减少对化石燃料的依赖，优化我国能源结构，促进社会经济的可持续发展和生态环境的改善。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种酶解高纤维水生植物联产氢气和甲烷的生物燃气制备方法。该方法将水体富营养化导致的大量繁殖的沉水植物打捞转移，采用降解酶酶解预处理后作为发酵底物，并与厌氧活性污泥混合，通过厌氧生物发酵方式，调节反应过程中的反应条件来达到产氢之后产甲烷，实现氢气-甲烷联合生产，以生物燃气的形式回收固体有机质中所含生物质能源。本发明在有机废弃物高值化利用的同时实现了减排产能的目标，并将可再生资源利用、污染治理和生物能源制备联合进行，具有重要的环境效益和广阔的应用前景。
本发明所述的酶解高纤维水生植物联产氢气和甲烷的生物燃气的制备方法：
（1）酶解预处理：将高纤维水生植物清洗干净后冷冻干燥，粉碎至粒径为0.2-1cm；然后与降解酶混合加入反应罐中，降解酶与高纤维水生植物的质量比为(1:1)-(15:1)mg/g；添加0.5-5倍体积的水，温度35-55℃，厌氧条件下处理12-48h后，取出冷却至室温备用；
（2）产氢气阶段：将步骤（1）酶解预处理后的高纤维水生植物加入厌氧发酵罐中，接入10-30wt%的厌氧活性污泥，通入氮气或氩气2-10min，排除体系中的空气；控制反应体系的pH值为4.5-6.5，反应温度为30-50℃，搅拌速度控制在80-180rpm，产氢7-15d后进入产甲烷阶段；
（3）产甲烷阶段：控制pH值为7-8，反应温度为30-50℃，搅拌速度为80-180rpm，产甲烷7-15d后终止反应。
所述的高纤维水生植物为沉水植物，包含龙须眼子菜、苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻。
所述的降解酶为纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶中的一种或几种；其中纤维素酶包含葡聚糖内切酶、葡聚糖外切酶、纤维二糖酶、β-葡萄糖苷酶，木质素酶包含木质素过氧化物酶、漆酶和锰过氧化物酶。
所述的pH值调控采用0.5-2.5M的HCl和0.5-2.5M的NaOH溶液经蠕动泵流加进入厌氧发酵罐内进行控制。
本发明的原理在于降解酶特异性地吸附在沉水植物的纤维素上，使天然纤维素在一种非水解性质的解链因子或解氢键酶作用下，纤维素链间和链内氢键打开，形成无序的非结晶纤维素，在降解酶的协同作用下水解成纤维糊精和葡萄糖，以提高底物的利用率；然后在厌氧条件下，利用厌氧污泥混合菌种的作用进行生物发酵，首先将酶解后沉水植物中的有机高分子化合物、碳水化合物、蛋白质和脂肪分解为挥发性脂肪酸和氢气；第二步产甲烷阶段产甲烷菌利用产酸阶段生成的挥发性短链脂肪酸产生甲烷，达到氢气-甲烷联产。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）本发明利用高效生物酶对高纤维植物进行预处理，有效破坏植物蜡质层结构，增大微生物附着面积和生物酶反应界面，提高生物酶及微生物的特异性吸附作用，显著提高高纤维植物联产氢气和甲烷燃气的产能效率，缩短反应器的启动时间。
（2）本发明将湖泊水体富营养化及水体修复产生的大量高纤维植物高值能源化，不仅使湖泊内氮、磷营养盐的积累效应得到有效控制，减少生物填平作用，而且节约成本，减少固体废弃物对环境的危害，实现了有机废弃物的资源化、减量化、无害化。
（3）本发明中高纤维水生植物经生物酶解预处理后，通过调控pH值、有机负荷等，使单一反应器反应体系中微生物适应生长环境，实现两阶段厌氧发酵产能，分阶段实现氢气和甲烷的生产与收集，其产物氢气、甲烷不会对环境造成二次污染。
（4）本发明易于操作及控制，设备简单，反应条件温和，能耗低，效率高，可以在降解高纤维水生植物的同时产生生物燃气——氢气和甲烷，保证厌氧发酵产氢过程的微生物代谢平衡，有效解决了厌氧发酵产氢效率低，产氢过程不稳定等问题。
附图说明
图1为酶解高纤维水生植物联产氢气和甲烷的生物燃气制备方法的工艺流程图；
图2为实施例1厌氧发酵产氢气阶段的气相产物色谱图；
图3为实施例1厌氧发酵产甲烷阶段的气相产物色谱图。
具体实施方式
实施例1
（1）酶解预处理：将乌梁素海的优势沉水植物龙须眼子菜清洗干净后冷冻干燥，粉碎至粒径为0.5-1cm；然后与纤维素酶R-10混合加入厌氧发酵罐中，纤维素酶R-10与龙须眼子菜的质量比为10mg/g；添加2倍体积的水，温度48℃，厌氧条件下处理48h后，取出冷却至室温备用；
（2）产氢气阶段：将步骤（1）酶解预处理后的高纤维水生植物加入厌氧发酵罐中，接入25wt%的厌氧活性污泥，通入氮气2min，排除体系中的空气；控制反应体系的pH值为5.0，反应温度为37℃，搅拌速度控制在150rpm，产氢7d后进入产甲烷阶段；
（3）产甲烷阶段：调节pH至7，反应温度为37℃，搅拌速度为150rpm，产甲烷10d后终止反应。
所用的龙须眼子菜，含水率为80%-98%，粗蛋白7.55-15.21％，粗脂肪0.6-1.89％，粗纤维素19.1-23.7％，总糖类含46.0-51.6％。
所述的pH值调控采用1M的HCl和1M的NaOH溶液经蠕动泵流加进入厌氧发酵罐内进行控制。
其中，气体收集采用排气收集法，组分测定采用气相-质谱联用色谱仪测定气相和液相产物组成，湿式气体流量计测定产气量。
采用SP-6890型气相色谱法测定发酵气相产物组成和浓度，气相色谱条件为：柱长4m，担体为13X分子筛，TCD热导池检测器，高纯氩气作载气，流速为40mL/min，柱温120℃，热导池和进样器温度为150℃，进样量1mL，以峰面积定量，校正归一法计算气体含量。生物气各成分测定的色谱图参见图2和3。

Claims (4)

1.一种酶解高纤维水生植物联产氢气和甲烷的生物燃气制备方法，其特征在于，其具体操作步骤为：
（1）酶解预处理：将高纤维水生植物清洗干净后冷冻干燥，粉碎至粒径为0.2-1cm；然后与降解酶混合加入反应罐中，降解酶与高纤维水生植物的质量比为(1:1)-(15:1)mg/g；添加0.5-5倍体积的水，温度35-55℃，厌氧条件下处理12-48h后，取出冷却至室温备用；
（2）产氢气阶段：将步骤（1）酶解预处理后的高纤维水生植物加入厌氧发酵罐中，接入10-30wt%的厌氧活性污泥，通入氮气或氩气2-10min，排除体系中的空气；控制反应体系的pH值为4.5-6.5，反应温度为30-50℃，搅拌速度控制在80-180rpm，产氢7-15d后进入产甲烷阶段；
（3）产甲烷阶段：控制pH值为7-8，反应温度为30-50℃，搅拌速度为80-180rpm，产甲烷7-15d后终止反应。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的高纤维水生植物为沉水植物，包含龙须眼子菜、苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的降解酶为纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶中的一种或几种；其中纤维素酶包含葡聚糖内切酶、葡聚糖外切酶、纤维二糖酶、β-葡萄糖苷酶，木质素酶包含木质素过氧化物酶、漆酶和锰过氧化物酶。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的pH值调控采用0.5-2.5M的HCl和0.5-2.5M的NaOH溶液经蠕动泵流加进入厌氧发酵罐内进行控制。
CN201310399780.7A 2013-09-05 2013-09-05 一种酶解高纤维水生植物联产氢气和甲烷的生物燃气制备方法 Active CN103436559B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310399780.7A CN103436559B (zh) 2013-09-05 2013-09-05 一种酶解高纤维水生植物联产氢气和甲烷的生物燃气制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310399780.7A CN103436559B (zh) 2013-09-05 2013-09-05 一种酶解高纤维水生植物联产氢气和甲烷的生物燃气制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103436559A true CN103436559A (zh) 2013-12-11
CN103436559B CN103436559B (zh) 2015-04-29

Family

ID=49690274

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310399780.7A Active CN103436559B (zh) 2013-09-05 2013-09-05 一种酶解高纤维水生植物联产氢气和甲烷的生物燃气制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103436559B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103757058A (zh) * 2014-01-28 2014-04-30 福建农林大学 一种利用能源草和大型海藻共同发酵制备生物燃气的方法
CN104004653A (zh) * 2014-05-16 2014-08-27 沈阳航空航天大学 厌氧消化产气催化制甲醇循环利用系统
CN105177051A (zh) * 2015-09-15 2015-12-23 中国农业大学 一种提高能源草厌氧发酵产沼气效能的方法
CN108841580A (zh) * 2018-07-27 2018-11-20 中国农业大学 一种处理固体废弃物的产氢产甲烷反应器
CN111100835A (zh) * 2020-01-07 2020-05-05 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 Pet降解生物催化剂及其应用

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1896252A (zh) * 2006-06-24 2007-01-17 中国科学技术大学 利用有机物高效厌氧发酵生产沼气的方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1896252A (zh) * 2006-06-24 2007-01-17 中国科学技术大学 利用有机物高效厌氧发酵生产沼气的方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张东旭等: "水生植物与猪粪混合厌氧消化的实验研究与工艺设计", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *
张明辉: "蓝藻发酵联产氢气和甲烷的机理研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *
秦蓉等: "水生植株残体厌氧发酵产气的研究", 《中国科技论文在线》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103757058A (zh) * 2014-01-28 2014-04-30 福建农林大学 一种利用能源草和大型海藻共同发酵制备生物燃气的方法
CN104004653A (zh) * 2014-05-16 2014-08-27 沈阳航空航天大学 厌氧消化产气催化制甲醇循环利用系统
CN104004653B (zh) * 2014-05-16 2016-05-25 沈阳航空航天大学 厌氧消化产气催化制甲醇循环利用系统
CN105177051A (zh) * 2015-09-15 2015-12-23 中国农业大学 一种提高能源草厌氧发酵产沼气效能的方法
CN108841580A (zh) * 2018-07-27 2018-11-20 中国农业大学 一种处理固体废弃物的产氢产甲烷反应器
CN108841580B (zh) * 2018-07-27 2021-11-30 中国农业大学 一种处理固体废弃物的产氢产甲烷反应器
CN111100835A (zh) * 2020-01-07 2020-05-05 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 Pet降解生物催化剂及其应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN103436559B (zh) 2015-04-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xia et al. Innovation in biological production and upgrading of methane and hydrogen for use as gaseous transport biofuel
CN102559499B (zh) 一种沼气干发酵复合菌剂的制备方法
Xia et al. Production of hydrogen, ethanol and volatile fatty acids through co-fermentation of macro-and micro-algae
Phanduang et al. Improvement in energy recovery from Chlorella sp. biomass by integrated dark-photo biohydrogen production and dark fermentation-anaerobic digestion processes
CN101760432B (zh) 微藻两步法生产生物能源
Shen et al. Simultaneous carbon dioxide reduction and enhancement of methane production in biogas via anaerobic digestion of cornstalk in continuous stirred-tank reactors: The influences of biochar, environmental parameters, and microorganisms
CN103436559B (zh) 一种酶解高纤维水生植物联产氢气和甲烷的生物燃气制备方法
Chen et al. Microalgal biofuels in China: The past, progress and prospects
CN102533609B (zh) 沼气干发酵复合菌
Farghali et al. Thermophilic anaerobic digestion of Sargassum fulvellum macroalgae: biomass valorization and biogas optimization under different pre-treatment conditions
Patil et al. Impact of dilution on biomethanation of fresh water hyacinth
Patil et al. Anaerobic co-digestion of water hyacinth with primary sludge
Buraimoh et al. Bioconversion of organic wastes for sustainable biogas production using locally sourced materials
Zhu et al. Performance evaluation of bio-hydrogen and bio-methane cogeneration from corn stover over a range of initial pH and temperature
Patil et al. Biomethanation of water hyacinth, poultry litter, cow manure and primary sludge: A comparative analysis
CN101481676A (zh) 一种复合菌的制作方法
Costa et al. Biomethanation potential of biological and other wastes
CN105755049A (zh) 一种以木糖为底物发酵制备氢气的方法
Ramadan Challenges and opportunities of microbial fuel cells (MFCs) technology development in Indonesia
CN102382860A (zh) 一种以蓝藻为原料生产沼气的方法
Tetteh et al. Biochemical Methane Potential (BMP) of miscanthus fuscus for anaerobic digestion
Cao Application status and development strategies of biomass energy in China
Watanabe et al. Biohydrogen using leachate from an industrial waste landfill as inoculum
Muhamad et al. Biohydrogen production using dark and photo fermentation: A mini review
Ahmad et al. Implementation and optimizing methane content in biogas for the production of electricity

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant