CN104928322A

CN104928322A - 一种添加金属微量元素提高醋糟厌氧发酵制氢的方法

Info

Publication number: CN104928322A
Application number: CN201510301446.2A
Authority: CN
Inventors: 张存胜; 王振斌; 马海乐; 任晓锋; 马晓珂; 邵淑萍
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2015-06-04
Filing date: 2015-06-04
Publication date: 2015-09-23

Abstract

本发明提供了一种添加金属微量元素提高醋糟厌氧发酵制氢的方法，属于生物工程技术领域。特别是一种通过添加Fe³⁺提高醋糟厌氧发酵制氢的方法，步骤包括：（1）醋糟的预处理：称取干燥的醋糟样品，按照料液比1:（7~12）加入0.5~1.2%浓度的盐酸溶液，在99℃水浴锅中加热20~60 min，调节初始pH至6.0，以醋糟与Fe³⁺质量比为3/20 g-TS/mg加入FeCl₃溶液搅拌，作为发酵底物；（2）厌氧发酵制氢：于发酵罐投加一定体积预处理的活性污泥，调节pH至6.0，活性污泥与发酵底物混合后，迅速加塞密封，以氮气吹扫发酵瓶里的空气，连接产气装置，置于37℃水浴锅培养36 h。本发明提供的添加Fe³⁺提高醋糟厌氧发酵生物制氢的方法，操作简单，原料经济，能有效促进醋糟等纤维素类原料的生物利用率，提高发酵制氢的效率。

Description

一种添加金属微量元素提高醋糟厌氧发酵制氢的方法

技术领域

本发明涉及一种提高醋糟厌氧发酵制氢的方法，属于生物工程技术领域。

背景技术

醋糟是酿醋在制醅过程产生的副产物，主要成分为麦秆、稻谷壳等。我国醋糟产量丰富，年产量高达20万吨。因其木质纤维素含量较高，酸度大、不易腐烂，造成资源浪费和环境污染。为了减少环境污染，实现资源的综合利用，选择一种合理的醋糟处理方法很有必要。

有机废弃物厌氧发酵是国内外近年来研究的新领域，可以用来处理作物秸秆、餐厨垃圾等生物质材料。醋糟含有的醋酸可以直接被厌氧发酵利用，酸度大反而成为醋糟的一个优势。对醋糟的厌氧发酵不仅可以有效解决醋糟的处理问题，还可以产生氢气、甲烷等清洁可再生的能源气体。由于铁元素可以参与厌氧微生物体内细胞色素、细胞氧化酶的合成；作为胞内氧化还原反应的电子载体；而且还促进挥发性脂肪酸的产生。因此，铁元素对于厌氧发酵产氢有很重要的作用。

目前在铁元素对发酵产氢的影响研究领域，集中在单质铁和二价铁上，而对于三价铁的研究较少。由于单质铁成本较高，自然界中铁元素以三价铁存在形式较多，如铁锈等经济易得。因此研究三价铁对醋糟发酵产氢的影响很有必要。在少量报道Fe³⁺对发酵产氢的文献中，只考察了Fe³⁺对产气量的影响，并没有涉及到对气体成分的影响。怎样添加Fe³⁺，可以在得到最大产气量的基础上，保证最佳的氢气纯度需要进行更深入的研究。

发明内容

针对添加金属微量元素来促进醋糟的厌氧发酵产氢这一方面，本发明的目的是提供一个合适的金属元素浓度，使发酵在得到最大产气量的基础上，保证最佳的氢气纯度。

本发明的目的是通过添加合适的Fe³⁺浓度提高醋糟厌氧发酵制氢的方法实现的，一种添加金属微量元素提高醋糟厌氧发酵制氢的方法，按照下述步骤进行：

（1）醋糟的预处理：称取干燥的醋糟样品，按照料液比1:(7~12) g/mL加入0.5~1.2%体积浓度的盐酸溶液，在99℃水浴锅中加热20~60 min，冷却至室温后用6 mol/L的NaOH调节混合液初始pH至6.0，以醋糟与Fe³⁺质量比为3/20 g-TS/mg加入FeCl₃溶液搅拌，作为发酵底物；

（2）活性污泥预处理及厌氧发酵：用NaOH溶液调节活性污泥的pH至12.0，室温静置24 h后，用6 mol/L的HCl调节初始pH至6.0，与发酵底物以体积比1:(0.8 ~ 1.2) 混合于发酵瓶；用自来水补足一定体积，向发酵瓶内充入高纯氩气，吹扫发酵瓶内剩余的氧气后，连接产气装置，置于37℃水浴培养36 h；

（1）用排水法对产气进行收集。

本发明通过对醋糟发酵体系添加适量浓度的Fe³⁺，有效促进厌氧微生物的活性，合适浓度的Fe³⁺添加在促进醋糟内有机质的最大利用，提高氢气累积产量的同时，又没有造成产甲烷菌活性的恢复，避免了生成的氢气和挥发性脂肪酸被利用。与不添加Fe³⁺的对照组相比，最终氢气产量提高了28%，氢气纯度达到64%。

Fe³⁺作为一种金属元素添加可以有效提高厌氧制氢产量，因原料广泛经济，方法简单有效的有点，可以在工业产业化的生产中进行广泛的应用。

具体实施方式

本发明采用气相色谱分析分析发酵气体成分为H₂、CH₄、CO₂。采用气相色谱仪(SP-6890, 鲁南瑞虹，中国)，配置TCD检测器，TDX-01不锈钢柱（2 m×3 mm，配碳分子筛）。进样口温度、柱温、检测器温度分别为140℃ 、160℃和160℃。载气为氩气，检测器电流60 mA，压力0.08 MPa，流速25 mL/min。液相产物的挥发性脂肪酸(VFAs)由气相色谱仪(GC-5890, HP)检测，配有氢离子检测器(FID) 和毛细管柱(安捷伦1909/N-133HP-INNOWAX 30m×0.250mm)。FID的进样口和检测器温度分别为240℃和260℃。柱温程序升温：初温100℃保持1min，以15℃/min的速率升温至220℃保持5 min。氮气作为载气，氮气、氢气和空气的流速分别为290 mL/min, 170 mL/min 和290 mL/min。气体和液体都用外标法定量：以相同体积的标准物作为外标物注入色谱柱，得到标准色谱图。然后在相同条件下，对待测样品进行检测，得到色谱图。通过保留时间对待测样品进行定性，根据峰面积定量得到样品各成分浓度。

本发明中的醋糟全部取自镇江恒顺酱醋厂，自然风干后密封备用。经测定该醋糟中总固形物含量TS、挥发性固形物含量VS分别为：30.87%、89.91%；污泥取自江苏大学湖底，于40 L发酵罐驯化三个月，作为混合产氢菌种的来源。

实施例1：

（1）醋糟的预处理：称取30g-TS烘干的醋糟样品于500 mL烧杯中，加入300 mL的0.7 %的盐酸溶液，置于99℃水浴锅中加热20 min。用6 mol/L的NaOH调节初始pH至6.0，加入580 mg的FeCl₃搅拌，作为发酵底物。

（2）活性污泥预处理及厌氧发酵：取活性污泥300 mL，用NaOH溶液调节pH至12.0，室温静置24 h后，再用6 mol/L的HCl调节初始pH至6.0，与发酵底物以体积比1:1混合。用自来水定容至800 mL，迅速加塞密封，向发酵瓶内充入高纯氩气，连接产气装置，吹扫发酵瓶内剩余的氧气后，置于37℃恒温水浴培养36 h。用排水法对产气进行收集，发酵结束后，采集发酵液过0.45μm滤膜，与3%甲酸1:1混合。气体和发酵液进行气相产物成分分析。

（3）气体组成分析：累积产气量为1950 mL。发酵气体成分为H2、CH4、CO2。采用气相色谱仪(SP-6890, 鲁南瑞虹，中国)，配置TCD检测器，TDX-01不锈钢柱（2 m×3 mm，配碳分子筛）。进样口温度、柱温、检测器温度分别为140 ℃ 、160 ℃和160 ℃。载气为氩气，检测器电流60 mA，压力0.08 MPa，流速25 mL/min。用外标法定量：以相同体积的标准物作为外标物注入色谱柱，得到标准色谱图。然后在相同条件下，对待测样品进行检测，得到色谱图。通过保留时间对待测样品进行定性，根据峰面积定量得到样品各成分浓度。测得氢气得率为64%，没有甲烷产生。

（4）液体组成分析：液相产物的挥发性脂肪酸(VFAs)主要有乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸和己酸。采用气相色谱仪(GC-5890, HP)检测，配有氢离子检测器(FID) 和毛细管柱(安捷伦1909/N-133HP-INNOWAX 30m×0.250mm)。FID的进样口和检测器温度分别为240 ℃和260 ℃。柱温程序升温：初温100℃保持1min，以15 ℃/min的速率升温至220 ℃保持5 min。氮气作为载气，氮气、氢气和空气的流速分别为290 mL/min, 170 mL/min 和290 mL/min。气体和液体都用外标法定量：以相同体积的标准物作为外标物注入色谱柱，得到标准色谱图。然后在相同条件下，对待测样品进行检测，得到色谱图。通过保留时间对待测样品进行定性，根据峰面积定量得到样品各成分浓度。测得乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸、正戊酸、己酸含量分别为6379 mg/L、309 mg/L、298 mg/L、2757 mg/L、257 mg/L、355 mg/L、1068 mg/L。

实施例2：

（1）醋糟的预处理：称取30g-TS烘干的醋糟样品于500 mL烧杯中，加入210 mL的0.5%的盐酸溶液，置于99℃水浴锅中加热60 min。用6 mol/L的NaOH调节初始pH至6.0，不加入FeCl₃。

（2）活性污泥预处理及厌氧发酵：取活性污泥168 mL，用NaOH溶液调节pH至12.0，室温静置24 h后，再用6 mol/L的HCl调节初始pH至6.0，与发酵底物以体积比1:0.8混合。用自来水定容至800 mL，迅速加塞密封，向发酵瓶内充入高纯氩气，连接产气装置，吹扫发酵瓶内剩余的氧气后，置于37℃恒温水浴培养36 h。用排水法对产气进行收集，发酵结束后，采集发酵液过0.45μm滤膜，与3%甲酸1:1混合。气体和发酵液进行气相产物成分分析。

（3）气体组成分析：累积产气量为1680 mL。发酵气体成分为H2、CH4、CO2。采用气相色谱仪(SP-6890, 鲁南瑞虹，中国)，配置TCD检测器，TDX-01不锈钢柱（2 m×3 mm，配碳分子筛）。进样口温度、柱温、检测器温度分别为140 ℃ 、160 ℃和160 ℃。载气为氩气，检测器电流60 mA，压力0.08 MPa，流速25 mL/min。用外标法定量：以相同体积的标准物作为外标物注入色谱柱，得到标准色谱图。然后在相同条件下，对待测样品进行检测，得到色谱图。通过保留时间对待测样品进行定性，根据峰面积定量得到样品各成分浓度。测得氢气得率为60.8%，没有甲烷产生。

（5）液体组成分析：液相产物的挥发性脂肪酸(VFAs)主要有乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸和己酸。采用气相色谱仪(GC-5890, HP)检测，配有氢离子检测器(FID) 和毛细管柱(安捷伦1909/N-133HP-INNOWAX 30m×0.250mm)。FID的进样口和检测器温度分别为240 ℃和260 ℃。柱温程序升温：初温100℃保持1min，以15 ℃/min的速率升温至220 ℃保持5 min。氮气作为载气，氮气、氢气和空气的流速分别为290 mL/min, 170 mL/min 和290 mL/min。气体和液体都用外标法定量：以相同体积的标准物作为外标物注入色谱柱，得到标准色谱图。然后在相同条件下，对待测样品进行检测，得到色谱图。通过保留时间对待测样品进行定性，根据峰面积定量得到样品各成分浓度。测得乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸、正戊酸、己酸含量分别为5770 mg/L、1712 mg/L、467mg/L、2511 mg/L、361 mg/L、211 mg/L、912 mg/L。

实施例3：

（1）醋糟的预处理：称取30g-TS烘干的醋糟样品于500 mL烧杯中，加入360 mL的1.2 %的盐酸溶液，置于99℃水浴锅中加热45 min。用6 mol/L的NaOH调节初始pH至6.0，加入1160 mg的FeCl₃搅拌。

（2）活性污泥预处理及厌氧发酵：取活性污泥432 mL，用NaOH溶液调节pH至12.0，室温静置24 h后，再用6 mol/L的HCl调节初始pH至6.0，与发酵底物以质量比1:1.2混合。用自来水定容至800 mL，迅速加塞密封，向发酵瓶内充入高纯氩气，连接产气装置，吹扫发酵瓶内剩余的氧气后，置于37℃恒温水浴培养36 h。用排水法对产气进行收集，发酵结束后，采集发酵液过0.45μm滤膜，与3%甲酸1:1混合。气体和发酵液进行气相产物成分分析。

（3）气体组成分析：累积产气量为1900 mL。发酵气体成分为H2、CH4、CO2。采用气相色谱仪(SP-6890, 鲁南瑞虹，中国)，配置TCD检测器，TDX-01不锈钢柱（2 m×3 mm，配碳分子筛）。进样口温度、柱温、检测器温度分别为140 ℃ 、160 ℃和160 ℃。载气为氩气，检测器电流60 mA，压力0.08 MPa，流速25 mL/min。用外标法定量：以相同体积的标准物作为外标物注入色谱柱，得到标准色谱图。然后在相同条件下，对待测样品进行检测，得到色谱图。通过保留时间对待测样品进行定性，根据峰面积定量得到样品各成分浓度。测得氢气得率为58.4%，体系出现甲烷，其含量为6.8%。

（6）液体组成分析：液相产物的挥发性脂肪酸(VFAs)主要有乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸和己酸。采用气相色谱仪(GC-5890, HP)检测，配有氢离子检测器(FID) 和毛细管柱(安捷伦1909/N-133HP-INNOWAX 30m×0.250mm)。FID的进样口和检测器温度分别为240 ℃和260 ℃。柱温程序升温：初温100℃保持1min，以15 ℃/min的速率升温至220 ℃保持5 min。氮气作为载气，氮气、氢气和空气的流速分别为290 mL/min, 170 mL/min 和290 mL/min。气体和液体都用外标法定量：以相同体积的标准物作为外标物注入色谱柱，得到标准色谱图。然后在相同条件下，对待测样品进行检测，得到色谱图。通过保留时间对待测样品进行定性，根据峰面积定量得到样品各成分浓度。测得乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸、正戊酸、己酸含量分别为3299 mg/L、390 mg/L、183 mg/L、2305 mg/L、257 m/L、217 mg/L、877 mg/L。

近几十年大部分的醋糟直接被作为垃圾进行填埋处理，其酸度大会导致资源浪费和环境污染；一部分醋糟作为动物饲料原料，由于其醋酸和粗纤维含量较高，所以适口性差，消化率低；还有一小部分用作食用菌栽培料和植物无土栽培基质，但是处理量少，不能根本解决醋糟的处理问题。

有机废弃物厌氧发酵是国内外近年来研究的新领域，可以用来处理作物秸秆、餐厨垃圾等生物质材料。醋糟含有的醋酸可以直接被厌氧发酵利用，酸度大反而成为醋糟的一个优势。对醋糟的厌氧发酵不仅可以有效解决醋糟的处理问题，还可以产生氢气、甲烷等清洁可再生的能源气体。特别是氢气，热值高并且燃烧效率很高，是化石燃料的一种选择性替代燃料。因此从解决环境污染的角度和资源的综合开发利用，都是值得推广的方向。为了能实现资源的最大利用，对醋糟厌氧发酵产氢需要进行更深入的研究。

Claims

1.一种提高醋糟厌氧发酵制氢的方法，其特征在于按照下述步骤进行：

（2）活性污泥预处理及厌氧发酵：用NaOH溶液调节活性污泥的pH至12.0，室温静置24 h后，用6 mol/L的HCl调节初始pH至6.0，与发酵底物以体积比1:(0.8 ~ 1.2) 混合于发酵瓶；用自来水补足一定体积，向发酵瓶内充入高纯氩气，吹扫发酵瓶内剩余的氧气后，连接产气装置，置于37℃水浴培养36 h；（3）用排水法对产气进行收集。

2.根据一种提高醋糟厌氧发酵制氢的方法，其特征在于发酵所用的底物除了醋糟，还可以选用秸秆、水果残渣等纤维素类材料。

3.根据一种提高醋糟厌氧发酵制氢的方法，其特征在于预处理醋糟的试剂除了盐酸，还可以用草酸等有机酸或氢氧化钠等碱类试剂。

4.根据一种提高醋糟厌氧发酵制氢的方法，其特征在于预处理醋糟的盐酸最佳浓度为0.7%，此浓度下可以比较充分的溶出醋糟的有机质，而且更经济。

5.根据一种提高醋糟厌氧发酵制氢的方法，其特征在于所加Fe³⁺还可用铁锈（Fe₂O₃）等成分。

6.根据一种提高醋糟厌氧发酵制氢的方法，其特征在于活性污泥的预处理还可以用过酸处理或加热处理来抑制产甲烷细菌。

7.根据一种提高醋糟厌氧发酵制氢的方法，其特征在于可以用排饱和Na₂CO₃法，直接吸收产生气体中的CO₂，得到纯度更高的氢气。