CN106520841A - 氧化甲基吗啉离子液体预处理的木薯渣生产氢烷气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物质能利用技术，旨在提供一种氧化甲基吗啉离子液体预处理的木薯渣生产氢烷气的方法。包括：将木薯渣研磨后烘干得到预处理原料；然后与氧化甲基吗啉离子液体混合后在110℃预处理；加入蒸馏水搅拌，沉淀物为酶水解的原料；继续加入去离子水、纤维素酶；密封加热得酶解液；再和去离子水混合后加入酵母提取物，接种暗发酵产氢菌，通入高纯氮气，直至暗发酵产氢结束；尾液经灭菌后，接种活化的产甲烷菌，通高纯氮气后进行发酵产甲烷。本发明利用氧化甲基吗啉离子液体预处理木薯渣显著提高了氢烷气产率。而与氧化甲基吗啉离子液体预处理的木薯渣单产甲烷相比，本发明利用预处理的木薯渣发酵联产氢气和甲烷能使能量转化效率提高。

Description

氧化甲基吗啉离子液体预处理的木薯渣生产氢烷气的方法
技术领域
本发明是关于生物质能利用技术，特别涉及氧化甲基吗啉离子液体预处理的木薯渣生产氢烷气的方法。
背景技术
随着能源需求的日益增长，化石燃料的逐渐减少以及环保要求的逐渐提高，对可再生能源的寻找越来越重要。氢能作为一种清洁、高效的可再生能源，受到了人们的重视。利用木质纤维素为原料，通过细菌发酵制取氢气具有很好的应用前景。在广西、广东、海南等省份有大量的淀粉厂，用木薯来加工生产淀粉时会产生很多木薯渣。如果不合理利用，这些废弃物会对环境产生不利影响。木薯渣是一种天然的木质纤维素，结构致密且复杂，其主要成分纤维素、半纤维素和木质素通过氢键密集地交联起来，使得水解过程难以迅速进行。因此，必须通过预处理来破坏其完整的物理结构，降低结晶度和聚合度，以提高水解性。现有预处理方法以碱法和酸法等为主，已经取得了较好的预处理效果，但是存在能耗高和成本高、效率低和规模化困难等问题。虽然稀酸法已经规模化应用，但对反应温度和反应器的要求较高，产物中的有害副产物(呋喃，糠醛等)影响细菌的发酵代谢。碱法预处理在脱除木质素的同时分解了半纤维素，有效成分损失较多，另外所产生的碱废液难以处理，造成了较大的环境负担。
近年来，利用离子液体预处理木质纤维素的技术研究方兴未艾。离子液体是在室温(或接近)状态下呈液态，完全由阳离子(通常为有机物)和阴离子构成的有机盐。离子液体作为一种新型的绿色溶剂能够有效地溶解纤维素，相比于传统的溶剂具有以下特性：①不易挥发；②不易燃；③极宽的液态温度范围(室温-250℃左右)；④易于产物分离、易回收、可循环使用。氧化甲基吗啉是很有前途的一种离子液体，它能与水混溶且N-O键具有很强的极性，可破坏木质纤维素的氢键网络并与纤维素形成新的氢键，降低其结晶度，从而有效地提高木质纤维素的水解糖化效率，主要用于生产纤维素膜和发酵产酒精领域。生物质经过离子液体氧化甲基吗啉预处理，酶解糖产率和发酵能力均得到提高。Teghammar等对云杉在130℃进行离子液体氧化甲基吗啉预处理3h，得到甲烷产率228mL/g TVS。Kabir等对大麦秆在90℃进行离子液体氧化甲基吗啉预处理3h，得到甲烷产率160mL/g TVS。但是离子液体氧化甲基吗啉用于预处理木薯渣尚未有文献报道，而且在生物质发酵产氢气方面尚未有涉及。
发明内容
本发明的要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种氧化甲基吗啉离子液体预处理的木薯渣生产氢烷气的方法。
为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种氧化甲基吗啉离子液体预处理的木薯渣生产氢烷气的方法，具体包括下述步骤：
(1)将木薯渣研磨至粒径≤0.02mm，置于烘箱中6℃下干燥24h，得到预处理原料；将5g预处理原料与50g质量浓度为85％-90％的氧化甲基吗啉离子液体以质量比1∶10混合后，放入密封的50ml圆底烧瓶，在110℃的油浴磁力搅拌器中预处理2-3h；然后加入20ml蒸馏水，继续搅拌10min，再经6000r/min离心10min，收集上清液回收离子液体；沉淀物用去离子水洗涤3遍，放入60℃烘箱，烘干至恒重，得到酶水解的原料；
(2)将酶水解的原料置于250ml锥形瓶中，加入100ml去离子水，用NaOH溶液调节pH值为4.5后，按质量占比5wt％加入纤维素酶；将锥形瓶密封，置于45℃恒温水浴锅中加热72h，得到发酵所需的酶解液；
(3)将100ml酶解液和125ml去离子水混合后加入容积为330ml的发酵瓶，再加入0.25-0.5g酵母提取物作为氮源；用NaOH溶液调节pH值为6.0后，接种暗发酵产氢菌25-50ml，用橡胶塞将发酵瓶密封，通入高纯氮气20min营造厌氧发酵环境，发酵时控制温度为35.0℃；每隔12h抽取气体进行分析，并重新调节pH值至6.0；每次取气和调节pH值后均重新通入高纯氮气20min，再密封继续发酵，直至暗发酵产氢过程结束；
(4)将暗发酵产氢的尾液经121℃灭菌20min，消除产氢菌的活性；用NaOH溶液调节灭菌后的尾液pH值为8.0后，接种25-50ml活化的产甲烷菌，发酵瓶用胶塞密封并通高纯氮气20min，随后置于35.0℃恒温水浴锅中进行发酵产甲烷。
本发明中，所述NaOH溶液的质量浓度为6mol/L。
本发明中，所述暗发酵产氢菌是由厌氧消化污泥经过100℃加热处理30min分离得到的，用产氢细菌培养基富集三次，每72小时一次；暗发酵产氢菌中的优势菌种为丁酸梭菌。
本发明中，所述产甲烷菌是将不经过加热处理的沼气池活性污泥在厌氧培养箱中三次富集培养得到的，产甲烷菌中的优势菌种为甲烷八叠球菌和甲烷丝菌。
本发明中，所述纤维素酶的酶活≥15000U/g。
发明原理描述：
本发明利用氧化甲基吗啉离子液体预处理木薯渣发酵联产氢气和甲烷。由于氧化甲基吗啉可以与水混溶，而且其N-O键具有很强的极性，故能破坏木质纤维素的氢键网络并与纤维素形成新的氢键，降低其结晶度，增加木薯渣与纤维素酶的接触面积，明显提高酶水解效率。酶水解得到的葡萄糖、木糖、纤维二糖等还原糖被产氢菌高效利用发酵产氢气。产氢发酵尾液主要包含乙酸和丁酸等副产物，其继续利用接种产甲烷菌能够发酵联产甲烷。预处理木薯渣通过发酵联产氢气和甲烷能明显提高能量转化效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
与未经预处理的木薯渣相比，本发明利用氧化甲基吗啉离子液体预处理木薯渣显著提高了氢烷气产率，使氢气产量由92mL/g TVS提高到120-130mL/g TVS，氢气峰值速率由7.3mL/g TVS/h提高到14-15mL/g TVS/h；使联产甲烷量由79mL/g TVS提高到100-105mL/gTVS，甲烷峰值速率由19mL/g TVS/d提高到25-27mL/g TVS/d。而与氧化甲基吗啉离子液体预处理的木薯渣单产甲烷相比，本发明利用预处理的木薯渣发酵联产氢气和甲烷使能量转化效率由20％提高到26％-28％。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明中，暗发酵产氢菌是由厌氧消化污泥经过100℃加热处理30min分离得到的，用产氢细菌培养基富集三次，每72小时一次；暗发酵产氢菌中的优势菌种为丁酸梭菌。产甲烷菌是将不经过加热处理的沼气池活性污泥在厌氧培养箱中三次富集培养得到的，产甲烷菌中的优势菌种为甲烷八叠球菌和甲烷丝菌。上述菌种获取方法均为现有技术。
下述实施例中，木薯渣来源于广西自治区木薯淀粉加工厂的废弃物；所述离子液体购置于阿拉丁试剂公司。纤维素酶购置于国药集团化学试剂有限公司，酶活≥15000U/g。酵母提取物是指浓缩酵母浸出粉，购自浙江省富阳市杭富生物制品厂；高纯氮气是指纯度≥99.999％的氮气，市购获得。
实施例1
将木薯渣研磨至粒径≤0.02mm,置于烘箱中6℃下干燥24h，得到预处理原料；将5g预处理原料与50g质量浓度为85％的离子液体混合，放入密封的50ml圆底烧瓶，在110℃的油浴磁力搅拌器中预处理2h。然后加入20ml蒸馏水，继续搅拌10min，再经6000r/min离心10min，收集上清液回收离子液体。沉淀物用去离子水洗涤3遍，放入60℃烘箱，烘干至恒重，作为酶水解的原料；
将酶水解的原料置于250ml锥形瓶中，加入100ml去离子水，用质量浓度为6mol/L的NaOH将溶液pH调到4.5，按5wt％的用量加入纤维素酶。然后将锥形瓶密封，置于45℃恒温水浴锅中加热72h，得到发酵所需的酶解液；
将100ml酶解液和125ml去离子水混合后加入容积为330ml的发酵瓶，并加入0.25g酵母提取物作为氮源。用质量浓度为6mol/L的NaOH将初始pH调节到6.0，接种暗发酵产氢菌25ml，用橡胶塞将发酵瓶密封，通入高纯氮气20min营造厌氧发酵环境，发酵时控制温度为35.0℃。每隔约12h抽取气体进行分析，并重新调整pH至6.0。每次取气和调节pH后需要重新通入高纯氮气20min，再密封继续发酵，直至暗发酵产氢过程结束；
将暗发酵产氢的尾液经121℃灭菌20min，消除产氢菌的活性。灭菌后的尾液用6mol/L的NaOH将pH调节到8.0。接种25ml活化的产甲烷菌，发酵瓶用胶塞密封并通高纯氮气20min，随后置于35.0℃恒温水浴锅中进行发酵产甲烷。
与未经预处理的木薯渣相比，本发明利用氧化甲基吗啉离子液体预处理木薯渣显著提高了氢烷气产率，通过离子液体氧化甲基吗啉预处理木薯渣，氢气的产量由92mL/gTVS提高到120mL/g TVS，氢气的峰值速率由7.3mL/g TVS/h提高到14mL/g TVS/h。使联产甲烷量由79mL/g TVS提高到100mL/g TVS，甲烷的峰值速率由19mL/g TVS/d提高到25mL/gTVS/d。与氧化甲基吗啉离子液体预处理的木薯渣单产甲烷相比，本发明利用预处理的木薯渣发酵联产氢气和甲烷使能量转化效率由20％提高到26％。
实施例2
将木薯渣研磨至粒径≤0.02mm,置于烘箱中6℃下干燥24h，得到预处理原料；将预处理原料(5g)与质量浓度为87％的离子液体(50g)以质量比1：10混合，放入密封的50ml圆底烧瓶，在110℃的油浴磁力搅拌器中预处理2.5h。然后加入20ml蒸馏水，继续搅拌10min，再经6000r/min离心10min，收集上清液回收离子液体。沉淀物用去离子水洗涤3遍，放入60℃烘箱，烘干至恒重，作为酶水解的原料；
将酶水解的原料置于250ml锥形瓶中，加入100ml去离子水，用质量浓度为6mol/L的NaOH将溶液pH调到4.5，按5wt％的用量加入纤维素酶。然后将锥形瓶密封，置于45℃恒温水浴锅中加热72h，得到发酵所需的酶解液；
将100ml酶解液和125ml去离子水混合后加入容积为330ml的发酵瓶，并加入0.4g酵母提取物作为氮源。用质量浓度为6mol/L的NaOH将初始pH调节到6.0，接种暗发酵产氢菌40ml，用橡胶塞将发酵瓶密封，通入高纯氮气20min营造厌氧发酵环境，发酵时控制温度为35.0℃。每隔约12h抽取气体进行分析，并重新调整pH至6.0。每次取气和调节pH后需要重新通入高纯氮气20min，再密封继续发酵，直至暗发酵产氢过程结束；
将暗发酵产氢的尾液经121℃灭菌20min，消除产氢菌的活性。灭菌后的尾液用6mol/L的NaOH将pH调节到8.0。接种40ml活化的产甲烷菌，发酵瓶用小胶塞密封并通高纯氮气20min，随后置于35.0℃恒温水浴锅中进行发酵产甲烷。
与未经预处理的木薯渣相比，本发明利用氧化甲基吗啉离子液体预处理木薯渣显著提高了氢烷气产率，通过离子液体氧化甲基吗啉预处理木薯渣，氢气的产量由92mL/gTVS提高到125mL/g TVS，氢气的峰值速率由7.3mL/g TVS/h提高到14.5mL/g TVS/h。使联产甲烷量由79mL/g TVS提高到102mL/g TVS，甲烷的峰值速率由19mL/g TVS/d提高到26mL/gTVS/d。与氧化甲基吗啉离子液体预处理的木薯渣单产甲烷相比，本发明利用预处理的木薯渣发酵联产氢气和甲烷使能量转化效率由20％提高到27％。
实施例3
将木薯渣研磨至粒径≤0.02mm,置于烘箱中6℃下干燥24h，得到预处理原料；将预处理原料(5g)与质量浓度为90％的离子液体(50g)以质量比1：10混合，放入密封的50ml圆底烧瓶，在110℃的油浴磁力搅拌器中预处理3h。然后加入20ml蒸馏水，继续搅拌10min，再经6000r/min离心10min，收集上清液回收离子液体。沉淀物用去离子水洗涤3遍，放入60℃烘箱，烘干至恒重，作为酶水解的原料；
将酶水解的原料置于250ml锥形瓶中，加入100ml去离子水，用质量浓度为6mol/L的NaOH将溶液pH调到4.5，按5wt％的用量加入纤维素酶。然后将锥形瓶密封，置于45℃恒温水浴锅中加热72h，得到发酵所需的酶解液；
将100ml酶解液和125ml去离子水混合后加入容积为330ml的发酵瓶，并加入0.5g酵母提取物作为氮源。用质量浓度为6mol/L的NaOH将初始pH调节到6.0，接种暗发酵产氢菌50ml，用橡胶塞将发酵瓶密封，通入高纯氮气20min营造厌氧发酵环境，发酵时控制温度为35.0℃。每隔约12h抽取气体进行分析，并重新调整pH至6.0。每次取气和调节pH后需要重新通入高纯氮气20min，再密封继续发酵，直至暗发酵产氢过程结束；
将暗发酵产氢的尾液经121℃灭菌20min，消除产氢菌的活性。灭菌后的尾液用6mol/L的NaOH将pH调节到8.0。接种50ml活化的产甲烷菌，发酵瓶用小胶塞密封并通高纯氮气20min，随后置于35.0℃恒温水浴锅中进行发酵产甲烷。
与未经预处理的木薯渣相比，本发明利用氧化甲基吗啉离子液体预处理木薯渣显著提高了氢烷气产率，通过离子液体氧化甲基吗啉预处理木薯渣，氢气的产量由92mL/gTVS提高到130mL/g TVS，氢气的峰值速率由7.3mL/g TVS/h提高到15mL/g TVS/h。使联产甲烷量由79mL/g TVS提高到105mL/g TVS，甲烷的峰值速率由19mL/g TVS/d提高到27mL/gTVS/d。与氧化甲基吗啉离子液体预处理的木薯渣单产甲烷相比，本发明利用预处理的木薯渣发酵联产氢气和甲烷使能量转化效率由20％提高到28％。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种氧化甲基吗啉离子液体预处理的木薯渣生产氢烷气的方法，其特征在于，具体包括下述步骤：
(1)将木薯渣研磨至粒径≤0.02mm，置于烘箱中6℃下干燥24h，得到预处理原料；将5g预处理原料与50g质量浓度为85％-90％的氧化甲基吗啉离子液体以质量比1∶10混合后，放入密封的50ml圆底烧瓶，在110℃的油浴磁力搅拌器中预处理2-3h；然后加入20ml蒸馏水，继续搅拌10min，再经6000r/min离心10min，收集上清液回收离子液体；沉淀物用去离子水洗涤3遍，放入60℃烘箱，烘干至恒重，得到酶水解的原料；
(2)将酶水解的原料置于250ml锥形瓶中，加入100ml去离子水，用NaOH溶液调节pH值为4.5后，按质量占比5wt％加入纤维素酶；将锥形瓶密封，置于45℃恒温水浴锅中加热72h，得到发酵所需的酶解液；
(3)将100ml酶解液和125ml去离子水混合后加入容积为330ml的发酵瓶，再加入0.25-0.5g酵母提取物作为氮源；用NaOH溶液调节pH值为6.0后，接种暗发酵产氢菌25-50ml，用橡胶塞将发酵瓶密封，通入高纯氮气20min营造厌氧发酵环境，发酵时控制温度为35.0℃；每隔12h抽取气体进行分析，并重新调节pH值至6.0；每次取气和调节pH值后均重新通入高纯氮气20min，再密封继续发酵，直至暗发酵产氢过程结束；
(4)将暗发酵产氢的尾液经121℃灭菌20min，消除产氢菌的活性；用NaOH溶液调节灭菌后的尾液pH值为8.0后，接种25-50ml活化的产甲烷菌，发酵瓶用胶塞密封并通高纯氮气20min，随后置于35.0℃恒温水浴锅中进行发酵产甲烷。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述NaOH溶液的质量浓度为6mol/L。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述暗发酵产氢菌是由厌氧消化污泥经过100℃加热处理30min分离得到的，用产氢细菌培养基富集三次，每72小时一次；暗发酵产氢菌中的优势菌种为丁酸梭菌。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产甲烷菌是将不经过加热处理的沼气池活性污泥在厌氧培养箱中三次富集培养得到的，产甲烷菌中的优势菌种为甲烷八叠球菌和甲烷丝菌。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维素酶的酶活≥15000U/g。
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