CN107012195A - 一种以农作物秸秆为原料发酵制氢的方法 - Google Patents

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Abstract

一种以农作物秸秆为原料发酵制氢的方法，包括，步骤(1)，培养产氢混合菌种群；步骤(2)，处理农作物秸秆；步骤(3)，以步骤(2)处理的秸秆为原料，进行发酵处理。本发明发酵的最大产氢量为65‑186mL/100mL。本发明使用农作物秸秆为原料进行发酵产生氢气。本发明创造性的对于农作秸秆进行了前处理，值得农作物秸秆在组成和孔道结构上发生了改变，利于发酵的快速进行，解决了秸秆的污染和浪费问题，同时为生物制氢领域提供了廉价原料，本发明将农作物秸秆变废为宝。本发明的成功应用对实现生物制氢的工业化具有重要意义，具有较高的经济效益、环境效益和社会效益。

Description

一种以农作物秸秆为原料发酵制氢的方法
技术领域
本发明涉及微生物发酵制氢领域，具体涉及一种以农作物秸秆为原料发酵制氢的方法。
背景技术
氢能是一种新型能源，与传统化石燃料相比，具有零污染、利用率高、危险系数小、储量充足的优点，是人们寄予厚望的替代能源。人类能源体系的结构在不断地变化，经历了一个以煤、植物体等固体燃料为主，到以石油、烃类等液体燃料为主的转变，目前正向以天然气、氢气等气体燃料为主的方向进行转变。化石燃料是目前能源消费的主体，随着能源需求的不断增大，能源危机、全球变暖及环境污染等问题日趋严重，氢能因其取之不尽、高效、零污染的特性逐渐受到重视。
制氢技术的分类方法众多。其中，电解水制氢是一种传统的制造氢气的方法，其生产历史已有90余年。电解水制氢的过程是由浸没在电解液中的一对电极，中间插入隔离氢、氧气体的隔膜构成了电解池，通以一定电压的直流电时，水分解成氢气和氧气。电解水制氢生产过程中，电能消耗较高，所以目前利用水电解制造氢气的产量仅占总产量的约4％。
化工原料制氢也是主要的制氢方式之一。天然气和煤层气是重要的气体形态化石原料，其中天然气制氢是最主要和最成熟的制氢方式。具体而言，天然气制氢的方法主要有：天然气水蒸气重整制氢、天然气部分氧化重整制氢、天然气水蒸气重整与部分氧化联合制氢、天然气催化裂解制氢等。
生物质制氢是指生物质通过气化或微生物催化脱氢方法制氢。生物质制氢是当前最有发展前景的清洁的生物质能转换技术之一，且由于生物质是廉价的可再生制氢原料，每千克生物质可生产0.672m3的氢气，占生物质总能量的40％以上。生物制氢是可持续地从自然界中获取氢气的重要途径之一。
生物质制氢主要有两种方法：分为厌氧发酵制氢和光合生物制氢。厌氧发酵制氢是在厌氧条件下、黑暗的环境之中，由厌氧菌来分解有机物，产出氢气，又称作黑暗发酵生产氢气或称为厌氧发酵生产氢气。其优点是有较多的厌氧细菌种类，还不会受到光照的限制，有无光照都能产氢。缺点是分解底物不彻底，还要作进一步的处理才行，不然就会对环境造成污染，因此原料的转化效率也不够高。
我国作为一个农业大国，拥有耕地超过十五亿亩，每年会产生大量的农作物秸秆。农作物秸秆大部分都没有得到有效利用，主要以就地焚烧的方式处置，不仅浪费了资源，而且对环境造成了污染。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种以农作物秸秆为原料发酵制氢的方法。本发明的一种以农作物秸秆为原料发酵制氢的方法，以农作物秸秆为发酵原料，成本低廉，产氢稳定。
本发明的技术方案如下。
一种以农作物秸秆为原料发酵制氢的方法，包括，
步骤(1)，培养产氢混合菌种群；在室温条件下使用以60Co为放射源的γ射线辐照棕色瓶中的消化污泥，辐照剂量为5kGy；辐照后的消化污泥于培养基中培养，厌氧条件下培养20-48h，得到混合菌群；其中，培养基组分为：葡萄糖15-20g/L，蛋白胨5-9g/L，土豆粉5-10g/L，玉米粉1-10g/L，MgSO4·7H2O 0.1-1g/L，K2HPO4 0.01-0.2g/L，FeSO4·7H2O 0.01-0.02g/L，MgCl2·6H2O 0.01-0.03g/L；所述的混合菌种为丁酸梭菌(Clostridiumbutyricum)INET1与屎肠球菌(EnterococcusFaecium)INET2；
步骤(2)，处理农作物秸秆；
将农作物秸秆自然干燥，将干燥的农作物秸秆在粉碎机中粉碎，过80目分样筛，取分样筛筛下破碎农作物秸秆，使用含有表面活性剂的水溶液洗涤1-3次，自然干燥；
之后使用氢氧化钠和双氧水的混合溶液浸泡秸秆，反应时间是1-3h，反应温度为50-80℃，混合水溶液中NaOH和H2O2的重量比为1-3∶0.5-1，NaOH在混合水溶液中的重量百分含量是1-2％；混合溶液浸泡后的秸秆在90-100℃干燥1-2h；
将浸泡干燥后的秸秆放入微波炉中进行活化处理，微波功率为650-1000W，反应时间为30-600min，之后再氮气气流中冷却至室温，备用；
步骤(3)，以步骤(2)处理的秸秆为原料，进行发酵处理；
使用紫外线照射发酵反应器，之后使用氮气吹扫反应器，提供厌氧环境，在氮气吹扫条件下，将步骤(2)处理的秸秆加入到发酵反应器中，然后将步骤(1)的混合菌种接种入发酵反应器中，其中，所说的发酵反应器中秸秆浓度为10-40g/L，葡萄糖1-5g/L，蛋白胨1-3/L，土豆粉1-3g/L，玉米粉1-3g/L，MgSO4·7H2O 0.01-1g/L，K2HPO4 0.001-0.02g/L，MgCl2·6H2O 0.001-0.09g/L，NiCl2·6H2O0.001-0.002g/L；
之后进行发酵处理，发酵温度为36℃，100r/min恒温振荡培养，进行发酵制氢时收集发酵气体除去CO2得到H2。
优选的，使用吸附法分离发酵气体除去CO2得到H2。
优选的，发酵反应器中，接种时，混合菌种与发酵液的比例为5-10mL/100mL。
优选的，发酵的最大产氢量为65-186mL/100mL。
优选的，所述的农作物秸秆为小麦秸秆、地瓜秧秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、花生秸秆、棉花秸秆、高粱秸秆中的一种或者多种的组合。
本发明取得了显著的技术进步。
本发明使用农作物秸秆为原料进行发酵产生氢气。由于农作物秸秆含有多种成分，且不同的作物秸秆的性质差异也较大，通常难以同时进行发酵产氢处理，本发明创造性的对于农作秸秆进行了前处理，值得农作物秸秆在组成和孔道结构上发生了改变，利于发酵的快速进行，解决了秸秆的污染和浪费问题，同时为生物制氢领域提供了廉价原料，本发明将农作物秸秆变废为宝。本发明的成功应用对实现生物制氢的工业化具有重要意义，具有较高的经济效益、环境效益和社会效益。
具体实施方式
下面结合具体实施方式进一步详述本发明的技术方案。
实施例1
一种以玉米秸秆为原料发酵制氢的方法，包括，
步骤(1)，培养产氢混合菌种群；在室温条件下使用以60Co为放射源的γ射线辐照棕色瓶中的消化污泥，辐照剂量为5kGy；辐照后的消化污泥于培养基中培养，厌氧条件下培养20h，得到混合菌群；其中，培养基组分为：葡萄糖15g/L，蛋白胨5g/L，土豆粉5g/L，玉米粉1g/L，MgSO4·7H2O 0.1g/L，K2HPO4 0.01g/L，FeSO4·7H2O 0.01g/L，MgCl2·6H2O 0.01g/L；所述的混合菌种为丁酸梭菌(Clostridiumbutyricum)INET1与屎肠球菌(EnterococcusFaecium)INET2；
步骤(2)，处理玉米秸秆；
将玉米秸秆自然干燥，将干燥的玉米秸秆在粉碎机中粉碎，过80目分样筛，取分样筛筛下破碎玉米秸秆，使用含有表面活性剂(选择市售洗衣粉)的水溶液洗涤1-3次，自然干燥；
之后使用氢氧化钠和双氧水的混合溶液浸泡秸秆，反应时间是2h，反应温度为50℃，混合水溶液中NaOH和H2O2的重量比为1∶1，NaOH在混合水溶液中的重量百分含量是1％；混合溶液浸泡后的秸秆在100℃干燥2h；
将浸泡干燥后的秸秆放入微波炉中进行活化处理，微波功率为1000W，反应时间为100min，之后再氮气气流中冷却至室温，备用；
步骤(3)，以步骤(2)处理的秸秆为原料，进行发酵处理；
使用紫外线照射发酵反应器，之后使用氮气吹扫反应器，提供厌氧环境，在氮气吹扫条件下，将步骤(2)处理的秸秆加入到发酵反应器中，然后将步骤(1)的混合菌种接种入发酵反应器中，其中，所说的发酵反应器中秸秆浓度为40g/L，葡萄糖5g/L，蛋白胨3/L，土豆粉3g/L，玉米粉3g/L，MgSO4·7H2O 1g/L，K2HPO4 0.02g/L，MgCl2·6H2O 0.09g/L，NiCl2·6H2O0.002g/L；
之后进行发酵处理，发酵温度为36℃，100r/min恒温振荡培养，进行发酵制氢时收集发酵气体除去CO2得到H2，发酵的最大产氢量为65mL/100mL。
对比例1
一种以玉米秸秆为原料发酵制氢的方法，包括，
步骤(1)，培养产氢混合菌种群；在室温条件下使用以60Co为放射源的γ射线辐照棕色瓶中的消化污泥，辐照剂量为5kGy；辐照后的消化污泥于培养基中培养，厌氧条件下培养20h，得到混合菌群；其中，培养基组分为：葡萄糖15g/L，蛋白胨5g/L，土豆粉5g/L，玉米粉1g/L，MgSO4·7H2O 0.1g/L，K2HPO4 0.01g/L，FeSO4·7H2O 0.01g/L，MgCl2·6H2O 0.01g/L；所述的混合菌种为丁酸梭菌(Clostridiumbutyricum)INET1与屎肠球菌(EnterococcusFaecium)INET2；
步骤(2)，处理玉米秸秆；
将玉米秸秆自然干燥，将干燥的玉米秸秆在粉碎机中粉碎，过80目分样筛，取分样筛筛下破碎玉米秸秆，灭菌处理；
步骤(3)，以步骤(2)处理的秸秆为原料，进行发酵处理；
使用紫外线照射发酵反应器，之后使用氮气吹扫反应器，提供厌氧环境，在氮气吹扫条件下，将步骤(2)处理的秸秆加入到发酵反应器中，然后将步骤(1)的混合菌种接种入发酵反应器中，其中，所说的发酵反应器中秸秆浓度为40g/L，葡萄糖5g/L，蛋白胨3/L，土豆粉3g/L，玉米粉3g/L，MgSO4·7H2O 1g/L，K2HPO4 0.02g/L，MgCl2·6H2O 0.09g/L，NiCl2·6H2O0.002g/L；
之后进行发酵处理，发酵温度为36℃，100r/min恒温振荡培养，进行发酵制氢时收集发酵气体除去CO2得到H2，发酵的最大产氢量为25mL/100mL。
实施例2
一种以小麦秸秆为原料发酵制氢的方法，包括，
步骤(1)，培养产氢混合菌种群；在室温条件下使用以60Co为放射源的γ射线辐照棕色瓶中的消化污泥，辐照剂量为5kGy；辐照后的消化污泥于培养基中培养，厌氧条件下培养20h，得到混合菌群；其中，培养基组分为：葡萄糖15g/L，蛋白胨5g/L，土豆粉5g/L，玉米粉1g/L，MgSO4·7H2O 0.1g/L，K2HPO4 0.01g/L，FeSO4·7H2O 0.01g/L，MgCl2·6H2O 0.01g/L；所述的混合菌种为丁酸梭菌(Clostridiumbutyricum)INET1与屎肠球菌(EnterococcusFaecium)INET2；
步骤(2)，处理小麦秸秆；
将小麦秸秆自然干燥，将干燥的小麦秸秆在粉碎机中粉碎，过80目分样筛，取分样筛筛下破碎小麦秸秆，使用含有表面活性剂的水溶液洗涤1-3次，自然干燥；
之后使用氢氧化钠和双氧水的混合溶液浸泡秸秆，反应时间是2h，反应温度为50℃，混合水溶液中NaOH和H2O2的重量比为1∶1，NaOH在混合水溶液中的重量百分含量是1％；混合溶液浸泡后的秸秆在100℃干燥2h；
将浸泡干燥后的秸秆放入微波炉中进行活化处理，微波功率为1000W，反应时间为100min，之后再氮气气流中冷却至室温，备用；
步骤(3)，以步骤(2)处理的秸秆为原料，进行发酵处理；
使用紫外线照射发酵反应器，之后使用氮气吹扫反应器，提供厌氧环境，在氮气吹扫条件下，将步骤(2)处理的秸秆加入到发酵反应器中，然后将步骤(1)的混合菌种接种入发酵反应器中，其中，所说的发酵反应器中秸秆浓度为40g/L，葡萄糖5g/L，蛋白胨3/L，土豆粉3g/L，玉米粉3g/L，MgSO4·7H2O 1g/L，K2HPO4 0.02g/L，MgCl2·6H2O 0.09g/L，NiCl2·6H2O0.002g/L；
之后进行发酵处理，发酵温度为36℃，100r/min恒温振荡培养，进行发酵制氢时收集发酵气体除去CO2得到H2，发酵的最大产氢量为70mL/100mL。
实施例3
一种以水稻秸秆为原料发酵制氢的方法，包括，
步骤(1)，培养产氢混合菌种群；在室温条件下使用以60Co为放射源的γ射线辐照棕色瓶中的消化污泥，辐照剂量为5kGy；辐照后的消化污泥于培养基中培养，厌氧条件下培养48h，得到混合菌群；其中，培养基组分为：葡萄糖20g/L，蛋白胨9g/L，土豆粉10g/L，玉米粉10g/L，MgSO4·7H2O 1g/L，K2HPO4 0.2g/L，FeSO4·7H2O 0.02g/L，MgCl2·6H2O 0.03g/L；所述的混合菌种为丁酸梭菌(Clostridiumbutyricum)INET1与屎肠球菌(EnterococcusFaecium)INET2；
步骤(2)，处理水稻秸秆；
将水稻秸秆自然干燥，将干燥的水稻秸秆在粉碎机中粉碎，过80目分样筛，取分样筛筛下破碎水稻秸秆，使用含有表面活性剂的水溶液洗涤3次，自然干燥；
之后使用氢氧化钠和双氧水的混合溶液浸泡秸秆，反应时间是3h，反应温度为80℃，混合水溶液中NaOH和H2O2的重量比为3∶1，NaOH在混合水溶液中的重量百分含量是2％；混合溶液浸泡后的秸秆在100℃干燥2h；
将浸泡干燥后的秸秆放入微波炉中进行活化处理，微波功率为1000W，反应时间为600min，之后再氮气气流中冷却至室温，备用；
步骤(3)，以步骤(2)处理的秸秆为原料，进行发酵处理；
使用紫外线照射发酵反应器，之后使用氮气吹扫反应器，提供厌氧环境，在氮气吹扫条件下，将步骤(2)处理的秸秆加入到发酵反应器中，然后将步骤(1)的混合菌种接种入发酵反应器中，其中，所说的发酵反应器中秸秆浓度为40g/L，葡萄糖5g/L，蛋白胨3/L，土豆粉3g/L，玉米粉3g/L，MgSO4·7H2O 1g/L，K2HPO4 0.02g/L，MgCl2·6H2O 0.09g/L，NiCl2·6H2O0.002g/L；
之后进行发酵处理，发酵温度为36℃，100r/min恒温振荡培养，进行发酵制氢时收集发酵气体除去CO2得到H2。发酵的最大产氢量为186mL/100mL。
实施例4
一种以玉米和高粱以1∶1质量比混合的秸秆为原料发酵制氢的方法，包括，
步骤(1)，培养产氢混合菌种群；在室温条件下使用以60Co为放射源的γ射线辐照棕色瓶中的消化污泥，辐照剂量为5kGy；辐照后的消化污泥于培养基中培养，厌氧条件下培养48h，得到混合菌群；其中，培养基组分为：葡萄糖20g/L，蛋白胨9g/L，土豆粉10g/L，玉米粉10g/L，MgSO4·7H2O 1g/L，K2HPO4 0.2g/L，FeSO4·7H2O 0.02g/L，MgCl2·6H2O 0.03g/L；所述的混合菌种为丁酸梭菌(Clostridiumbutyricum)INET1与屎肠球菌(EnterococcusFaecium)INET2；
步骤(2)，处理农作物秸秆；
将农作物秸秆自然干燥，将干燥的农作物秸秆在粉碎机中粉碎，过80目分样筛，取分样筛筛下破碎农作物秸秆，使用含有表面活性剂的水溶液洗涤3次，自然干燥；
之后使用氢氧化钠和双氧水的混合溶液浸泡秸秆，反应时间是2h，反应温度为60℃，混合水溶液中NaOH和H2O2的重量比为2∶1，NaOH在混合水溶液中的重量百分含量是2％；混合溶液浸泡后的秸秆在100℃干燥2h；
将浸泡干燥后的秸秆放入微波炉中进行活化处理，微波功率为1000W，反应时间为600min，之后再氮气气流中冷却至室温，备用；
步骤(3)，以步骤(2)处理的秸秆为原料，进行发酵处理；
使用紫外线照射发酵反应器，之后使用氮气吹扫反应器，提供厌氧环境，在氮气吹扫条件下，将步骤(2)处理的秸秆加入到发酵反应器中，然后将步骤(1)的混合菌种接种入发酵反应器中，其中，所说的发酵反应器中秸秆浓度为40g/L，葡萄糖5g/L，蛋白胨2/L，土豆粉2g/L，玉米粉2g/L，MgSO4·7H2O 0.01g/L，K2HPO4 0.02g/L，MgCl2·6H2O 0.09g/L，NiCl2·6H2O0.002g/L；
之后进行发酵处理，发酵温度为36℃，100r/min恒温振荡培养，进行发酵制氢时收集发酵气体除去CO2得到H2。发酵的最大产氢量为166mL/100mL。
其中，发酵反应器中，接种时，混合菌种与发酵液的比例为10mL/100mL。
需要特别指出的是，上述具体实施方式仅仅是本发明的技术方案的优选的实施例，不能对本发明的技术方案造成限制，任何构思落入本发明权利要求范围内的产品，均侵犯本发明的专利权。

Claims (5)

1.一种以农作物秸秆为原料发酵制氢的方法，其特征在于，包括，
步骤(1)，培养产氢混合菌种群；
在室温条件下使用以60Co为放射源的γ射线辐照棕色瓶中的消化污泥，辐照剂量为5kGy；辐照后的消化污泥于培养基中培养，厌氧条件下培养20-48h，得到混合菌群；其中，培养基组分为：葡萄糖15-20g/L，蛋白胨5-9g/L，土豆粉5-10g/L，玉米粉1-10g/L，MgSO4·7H2O0.1-1g/L，K2HPO40.01-0.2g/L，FeSO4·7H2O0.01-0.02g/L，MgCl2·6H2O 0.01-0.03g/L；所述的混合菌种为丁酸梭菌INET1与屎肠球菌INET2；
步骤(2)，处理农作物秸秆；
将农作物秸秆自然干燥，将干燥的农作物秸秆在粉碎机中粉碎，过80目分样筛，取分样筛筛下破碎农作物秸秆，使用含有表面活性剂的水溶液洗涤1-3次，自然干燥；
之后使用氢氧化钠和双氧水的混合溶液浸泡秸秆，反应时间是1-3h，反应温度为50-80℃，混合水溶液中NaOH和H2O2的重量比为1-3∶0.5-1，NaOH在混合水溶液中的重量百分含量是1-2％；混合溶液浸泡后的秸秆在90-100℃干燥1-2h；
将浸泡干燥后的秸秆放入微波炉中进行活化处理，微波功率为650-1000W，反应时间为30-600min，之后在氮气气流中冷却至室温，备用；
步骤(3)，以步骤(2)处理的秸秆为原料，进行发酵处理；
使用紫外线照射发酵反应器，之后使用氮气吹扫反应器，提供厌氧环境，在氮气吹扫条件下，将步骤(2)处理的秸秆加入到发酵反应器中，然后将步骤(1)的混合菌种接种入发酵反应器中，其中，所说的发酵反应器中秸秆浓度为10-40g/L，葡萄糖1-5g/L，蛋白胨1-3/L，土豆粉1-3g/L，玉米粉1-3g/L，MgSO4·7H2O 0.01-1g/L，K2HPO40.001-0.02g/L，MgCl2·6H2O0.001-0.09g/L，NiCl2·6H2O0.001-0.002g/L；
后进行发酵处理，发酵温度为36℃，100r/min恒温振荡培养，进行发酵制氢时收集发酵气体除去CO2得到H2。
2.根据权利要求1所述的一种以农作物秸秆为原料发酵制氢的方法，其特征在于，使用吸附法分离发酵气体除去CO2得到H2。
3.根据权利要求1所述的一种以农作物秸秆为原料发酵制氢的方法，其特征在于，发酵反应器中，接种时，混合菌种与发酵液的比例为5-10mL/100mL。
4.根据权利要求1所述的一种以农作物秸秆为原料发酵制氢的方法，其特征在于，发酵的最大产氢量为65-186mL/100mL。
5.根据权利要求1所述的一种以农作物秸秆为原料发酵制氢的方法，其特征在于，所述的农作物秸秆为小麦秸秆、地瓜秧秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、花生秸秆、棉花秸秆、高粱秸秆中的一种或者多种的组合。
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