CN103602715A - 利用秸秆制备氢气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用秸秆制备氢气的方法，包括以下步骤：利用降解秸秆的微生物复合菌剂对秸秆进行好氧降解；牛粪预处理：将牛粪用50目筛进行筛分去除颗粒固形物和杂质，煮沸30-60分钟，离心去掉多余水分，备用；配制秸秆厌氧降解培养基：先配制液体厌氧降解培养基，然后加入步骤一好氧降解后的秸秆；将预处理后的牛粪加入秸秆厌氧降解培养基中，用氮气充满容器，去掉氧气，密封，避光，在60～70℃、120r/min进行培养。本方法为好氧降解与厌氧发酵两部分的优化组合，秸秆产氢方法产氢所需时间短，制备方法应用于制氢成本低，发酵过程无需加酶，大节约了成本，并且原材料非常廉价。

Description

利用秸秆制备氢气的方法

技术领域

本发明涉及一种利用秸秆制备氢气的方法，具体为利用秸秆进行生物质发酵制备氢气的方法。

背景技术

我国是世界上的农业大国，拥有耕地15亿亩。据不完全统计，我国每年农作物收割后将会产生超过7亿吨的秸秆，这些秸秆往往没有什么可以利用的价值，以往用来作为燃料或沤肥等，但随着当代人民生活水平的提高，煤气、厨房电子设备走入人们家庭，以及工业化肥的广泛使用，秸秆都被当做垃圾处理或焚烧。因此，大量的秸秆给我们带来了巨大的环境压力，但同时也是一种廉价的潜在的生物质能源。

秸秆是有机碳水化合物，富含C、H元素，还含有少量蛋白质等其它有机质，经微生物降解后可以生产氢气或乙醇等生物质能源，既实现了秸秆的减量化问题，又可实现其资源化和无害化。

在我国，沼气化技术在包括秸秆在内的农业固体废物中得到广泛应用。它在降解秸秆等废弃物的同时，可以生产出沼气作为能源，沼液可以用作农肥。但沼气的主要成分是甲烷，其燃烧后会产生CO₂，其无疑增加了环境的碳排放，仍然不利于环保。而氢气是唯一不含碳的能源，热值高，其燃烧热能是汽油的3倍。并且氢气的燃料循环与生物圈吻合，水蒸汽是其唯一的废物，没有碳排放，因而氢气是非常环保且优质的能源。

而目前氢气的生产都为化学方法制氢，价格昂贵。用秸秆这类环境废物制氢原材料非常廉价，且来源丰富，是一种一举两得的很好的废物资源化利用的方法。现在生物制氢的方法较少，主要是效率低，产氢慢。如中国科学院的用秸秆产氢的方法需要几个月，超过了半年，这在工业化应用中是不可能的。主要原因在于多数生物方法不能很好地消化秸秆，因为秸秆主要由纤维素，半纤维素以及木质素这些成分组成。半纤维素和木质素在秸秆中以共价键结合形成复合物将纤维素包埋于其中，使得纤维素酶难以与纤维素接触，因此降解秸秆来制氢比较困难。因此，开发高效降解产氢能的微生物制氢方法进行快速降解秸秆是目前研究的重点。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效、快速降解秸秆产生氢气的方法，该方法先将采用微生物对秸秆进行好氧降解，然后与牛粪在厌氧发酵培养基中进行厌氧发酵从而制备出浓度高的氢气。

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：

一种利用秸秆制备氢气的方法，包括以下步骤：

步骤一：利用降解秸秆的微生物复合菌剂对秸秆进行好氧降解；

步骤二：牛粪预处理：将牛粪用50目筛进行筛分去除颗粒固形物和杂质，煮沸30-60分钟，离心去掉多余水分，备用；

步骤三：配制秸秆厌氧降解培养基：先配制液体厌氧降解培养基，然后加入步骤一好氧降解后的秸秆；

步骤四：将预处理后的牛粪加入秸秆厌氧降解培养基中，用氮气充满容器，去掉氧气，密封，避光，在60～70℃、120r/min进行培养。

在上述的方法中，步骤三中每毫升液体厌氧降解培养基中加入好氧降解后的秸秆0.1～0.5g。

在上述的方法中，所述的液体厌氧降解培养基每升中包含下述质量的组分：酵母提取物，8g；KH₂PO₄，0.2g；K₂HPO₄，1.6g；MgSO₄·7H₂O，0.2g；CaCl₂，0.01g；NaCl，0.1g；Na₂S·9H₂O，0.25g；NaHCO₃，0.2g；(NH4)₂SO₄，3g；Na₂MoO₄·2H₂O，0.01g；pH调至5.5。

在上述的方法中，所述的牛粪与好氧降解后的秸秆的质量之比为（0.8：1）～（2：1）。

在上述的制备方法中，步骤一的具体操作为：①秸秆预处理：将秸秆与稀硫酸以质量比1：2混合，于高压灭菌锅中150℃恒温加热2小时，然后用蒸馏水洗涤秸秆至洗涤液pH为7，并过滤，将秸秆60℃烘干备用；②配制秸秆好氧降解培养基：先配制液体好氧降解培养基，然后加入上述预处理后的秸秆；每毫升液体好氧降解培养基中加入秸秆0.5～1.5g；③将微生物复合菌剂加入秸秆好氧降解培养基中，25～30℃有氧发酵，发酵时间7～10天。

在上述的制备方法中，配制秸秆好氧降解培养基中，所述的液体好氧降解培养基每升中包含下述质量的组分：酒石酸铵，22g；KH₂PO₄，20g；MgSO₄，8.7g；CaCl₂，1.0g；NaCl，0.6g；MnSO₄，0.35g；FeSO₄，60mg；CoCl₂，110mg；ZnSO₄，60mg；CuSO₄，95mg；H₃BO₃，6mg；Na₂MoO₄，6mg；Vb，100mg。

在上述的制备方法中，所述的微生物复合菌剂包括白腐真菌、枯草芽孢杆菌、热带假丝酵母和黑曲霉，将菌种在PDA培养基中28℃培养48h以上，每毫升菌剂中总菌数为10⁹个以上。

在上述的制备方法中，所述微生物复合菌剂的加入量为每克秸秆加入1～2ml。

本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：

（1）本发明提供的利用秸秆进行生物产氢的方法，其方法为好氧降解与厌氧发酵两部分的优化组合。秸秆主要由纤维素，半纤维素以及木质素这些成分组成。对于这些物质的降解目前短时间内比较困难。本发明中的好氧降解部分利用白腐菌等多种微生物的协同作用，使包裹在纤维素外的木质素降解，有利于纤维素裸露，从而增强在厌氧发酵部分微生物对纤维素的降解和产氢效率。

（2）本发明中牛粪煮沸的预处理方法，使其中消耗氢气的细菌被杀死，而产氢的细菌仍然存活，有助于提高产氢的效率并能避免产生甲烷。

（3）本发明中的发酵温度为60～70℃，发酵温度尤其为65℃时，能保证生化反应朝着产氢的方向进行，产甲烷的反应受到抑制，几乎没有甲烷产生，因而所获得的气体中副产物较少，氢气产量高。因此，本发明的降解产氢方法组合能使其产氢效率比单用一种发酵方法效果好。

（4）本发明提供的秸秆产氢方法产氢所需时间短，经过秸秆预处理和好氧降解，使纤维素和木质素长链易于断裂，有利于产氢微生物降解，加快了降解过程，缩短了反应时间。现有的秸秆降解通常要几个月甚至半年以上才能收获氢气。而本发明总共只需七到十天即可达到产氢高峰。

（5）本发明提供的利用秸秆产氢的生物制备方法应用于制氢成本低，发酵过程无需加酶，大节约了成本，并且原材料非常廉价，大约每升氢气只需费用几十元，方法简便实用，易于实施。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚明白，下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。

实施例1：

一、利用秸秆制备氢气的方法，包括以下步骤：

1、利用降解秸秆的微生物复合菌剂对秸秆进行好氧降解：采用公开号为CN103194392A发明名称为降解秸秆的微生物复合菌剂及其降解秸秆的方法；具体操作为：①秸秆预处理：将秸秆与稀硫酸以质量比1：2混合，于高压灭菌锅中150℃恒温加热2小时，然后用蒸馏水洗涤秸秆至洗涤液pH为7，并过滤，将秸秆60℃烘干备用；②配制秸秆好氧降解培养基：先配制液体好氧降解培养基，然后加入上述预处理后的秸秆，每毫升液体好氧降解培养基中加入秸秆0.5～1.5g；液体好氧降解培养基每升中包含下述质量的组分：酒石酸铵22g，KH₂PO₄20g，MgSO₄8.7g，CaCl₂1.0g，NaCl0.6g，MnSO₄0.35g，FeSO₄60mg，CoCl₂110mg，ZnSO₄60mg，CuSO₄95mg，H₃BO₃6mg，Na₂MoO₄6mg，Vb100mg。③将微生物复合菌剂加入秸秆好氧降解培养基中，25～30℃有氧发酵，发酵时间7～10天；微生物复合菌剂包括白腐真菌（Phanerochaete chrysosporium Burdsall）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、热带假丝酵母(Candida tropicalis)和黑曲霉(Aspergillus niger)，将菌种在PDA培养基中28℃培养48h以上，每毫升菌剂中总菌数为10⁹个以上。发酵完成后将秸秆洗净，80度烘干备用。

2、牛粪预处理：将牛粪用50目筛进行过滤以除去颗粒固形物和杂质，煮沸30-60分钟，离心去掉多余水分，备用。

3、配制秸秆厌氧降解培养基：称取6g预处理后的秸秆粉末加入到60ml的液体厌氧降解培养基中，120℃高温灭菌20min。其中液体厌氧降解培养基每升中包含下述质量的组分：酵母提取物，8g；KH₂PO₄，0.2g；K₂HPO₄，1.6g；MgSO₄·7H₂O，0.2g；CaCl₂，0.01g；NaCl，0.1g；Na₂S·9H₂O，0.25g；NaHCO₃，0.2g；(NH4)₂SO₄，3g；Na₂MoO₄·2H₂O，0.01g；pH调至5.5。

4、将预处理后的牛粪按照每毫升液体培养液0.1g的量加入秸秆厌氧降解培养基中，通氮气3分钟，以去掉氧气，密封，避光，65℃、120r/min振荡进行培养。同时加入未经预处理秸秆和未加秸秆的样品作对比实施例。

二、秸秆降解产生氢气的结果

将每天的产氢量用气相色谱仪检测，获得最终产氢效率。本发明的实施例1和对比实施例的产氢结果如表1。

表1：实施例1和对比实施例的产氢结果

从表1的产氢效果可以看出，本发明的方法（好氧降解+厌氧发酵）对秸秆的降解产氢效果最好，原始氢气浓度高达33%。

实施例2：

一、利用秸秆制备氢气，包括以下步骤：

1、利用降解秸秆的微生物复合菌剂对秸秆进行好氧降解：同实施例1。

2、牛粪预处理：同实施例1。

3、配制秸秆厌氧降解培养基：称取5g预处理后的秸秆粉末加入到50ml的液体厌氧降解培养基中，120℃高温灭菌20min。其中液体厌氧降解培养基中组分与实施例1相同。

4、将预处理后的牛粪按照每克秸秆中加入1g的量加入到秸秆厌氧降解培养基中，通氮气3分钟，以去掉氧气，密封，避光，65℃、120r/min振荡进行发酵培养7天。同时加入未经预处理秸秆和未加秸秆的样品作对比实施例。

二、秸秆降解产生氢气的结果

将每天的产氢量用气相色谱仪检测，获得最终产氢效率。本发明的实施例2和对比实施例的产氢结果如表2。

表2：实施例2和对比实施例的产氢结果

从表2的产氢量可以看出，本发明的方法（好氧降解+厌氧发酵）对秸秆的降解产氢效果最好，原始氢气浓度高达36%。

实施例3：

一、利用秸秆制备氢气，包括以下步骤：

1、利用降解秸秆的微生物复合菌剂对秸秆进行好氧降解：同实施例1。

2、牛粪预处理：同实施例1。

3、配制秸秆厌氧降解培养基：称取5g预处理后的秸秆粉末加入到50ml的液体厌氧降解培养基中，120℃高温灭菌20min。其中液体厌氧降解培养基中组分与实施例1相同。

4、将预处理后的牛粪按照每克秸秆中加入1.5g的量加入到秸秆厌氧降解培养基中，通氮气3分钟，以去掉氧气，密封，避光，65℃、120r/min振荡进行发酵培养7天。同时加入未经预处理秸秆和发酵温度为35℃的样品作对比实施例。

二、秸秆降解产生氢气的结果

将每天的产氢量用气相色谱仪检测，获得最终产氢效率。本发明的实施例3和对比实施例的产氢结果如表3。

表3：实施例3和对比实施例的产氢结果

从表3的产氢量可以看出，本发明的方法（好氧降解+厌氧发酵）对秸秆的降解产氢效果最好，原始氢气浓度高达35%。

本发明还采用下述实施例降解秸秆，均取得了较好的降解效果。

1）称取5.3g预处理过的秸秆粉于50ml秸秆厌氧降解培养基中，每克秸秆加入1.2g牛粪，65℃发酵10天；

2）称取5.1g预处理过的秸秆粉于50ml秸秆厌氧降解培养基中，每克秸秆加入1.32g牛粪，65℃发酵8天；

3）称取4.9g预处理过的秸秆粉于50ml秸秆厌氧降解培养基中，每克秸秆加入0.92g牛粪，65℃发酵9天；

4）称取5.8g预处理过的秸秆粉于60ml秸秆厌氧降解培养基中，每克秸秆加入0.82g牛粪，65℃发酵10天。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (8)

1.一种利用秸秆制备氢气的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：利用微生物复合菌剂对秸秆进行好氧降解；

步骤二：牛粪预处理：将牛粪用50目筛进行筛分去除颗粒固形物和杂质，煮沸30-60分钟，离心去掉多余水分，备用；

步骤三：配制秸秆厌氧降解培养基：先配制液体厌氧降解培养基，然后加入步骤一好氧降解后的秸秆；

步骤四：将预处理后的牛粪加入秸秆厌氧降解培养基中，用氮气充满容器，去掉氧气，密封，避光，在60～70℃、120r/min进行培养。

2.根据权利要求1所述的利用秸秆制备氢气的方法，其特征在于步骤三中每毫升液体厌氧降解培养基中加入好氧降解后的秸秆0.1～0.5g。

3.根据权利要求1所述的利用秸秆制备氢气的方法，其特征在于步骤三中所述的液体厌氧降解培养基每升中包含下述质量的组分：酵母提取物，8g；KH₂PO₄，0.2g；K₂HPO₄，1.6g；MgSO₄·7H₂O，0.2g；CaCl₂，0.01g；NaCl，0.1g；Na₂S·9H₂O，0.25g；NaHCO₃，0.2g；(NH4)₂SO₄，3g；Na₂MoO₄·2H₂O，0.01g；pH调至5.5。

4.根据权利要求1所述的利用秸秆制备氢气的方法，其特征在于所述的牛粪与好氧降解后的秸秆的质量之比为（0.8：1）～（2：1）。

5.根据权利要求1所述的利用秸秆制备氢气的方法，其特征在于步骤一的具体操作为：①秸秆预处理：将秸秆与稀硫酸以质量比1：2混合，于高压灭菌锅中150℃恒温加热2小时，然后用蒸馏水洗涤秸秆至洗涤液pH为7，并过滤，将秸秆60℃烘干备用；②配制秸秆好氧降解培养基：先配制液体好氧降解培养基，然后加入上述预处理后的秸秆；每毫升液体好氧降解培养基中加入秸秆0.5～1.5g；③将微生物复合菌剂加入秸秆好氧降解培养基中，25～30℃有氧发酵，发酵时间7～10天。

6.根据权利要求5所述的利用秸秆制备氢气的方法，其特征在于所述的液体好氧降解培养基每升中包含下述质量的组分：酒石酸铵，22g；KH₂PO₄，20g；MgSO₄，8.7g；CaCl₂，1.0g；NaCl，0.6g；MnSO₄，0.35g；FeSO₄，60mg；CoCl₂，110mg；ZnSO₄，60mg；CuSO₄，95mg；H₃BO₃，6mg；Na₂MoO₄，6mg；Vb，100mg。

7.根据权利要求5所述的利用秸秆制备氢气的方法，其特征在于所述的微生物复合菌剂包括白腐真菌、枯草芽孢杆菌、热带假丝酵母和黑曲霉，将菌种在PDA培养基中28℃培养48h以上，每毫升菌剂中总菌数为10⁹个以上。

8.根据权利要求5所述的利用秸秆制备氢气的方法，其特征在于所述微生物复合菌剂的加入量为每克秸秆加入1～2ml。