CN110106223A - 一种促进玉米秸秆光合产氢的方法 - Google Patents

一种促进玉米秸秆光合产氢的方法 Download PDF

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Abstract

一种促进玉米秸秆光合产氢的方法，属于生物质光合制氢技术领域，包括如下步骤：（1）将产氢培养基、玉米秸秆和纤维素酶加入光合反应器中；（2）将HAU‑M1光合产氢菌群接种到光合反应器中，菌液体积为总反应液体积的20~30%；总反应液体积=产氢培养基体积+菌液体积；（3）调节反应器内pH值及温度；（4）将产氢促进剂加入光合反应器中，收集气体。本发明具有下述优点：以玉米秸秆为原料，提高了光合产氢的能力，利于获得更多清洁能源氢气；一方面，添加产氢促进剂可以提高氢气产量，提高了产氢持续时间，产氢持续时间可达96 h；另一方面，可以利用玉米秸秆发酵产氢，将清洁能源生产与资源循环利用结合。

Description

一种促进玉米秸秆光合产氢的方法
技术领域
本发明属于生物质光合制氢技术领域，具体涉及一种促进玉米秸秆光合产氢的方法。
背景技术
以化石燃料为主的传统能源逐渐短缺，且其带来的环境问题日趋严重，因此，如何开发利用高效、低成本的可再生资源与能源已经成为当今人类可持续发展的重点之一。氢能不但能量密度高、燃烧产物无污染，而且热值高（142.35 kJ/g），为汽油的2.75倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍，被认为是21世纪最有前景的清洁能源，还被认为是化石能源最理想的替代能源。目前制氢的常用方法是热催化重整和水电解法，然而，这些技术需要消耗大量能源，成本较高。环境友好型的生物制氢科学技术利用微生物代谢进行产氢，产氢过程中不消耗其他能源，是一种极具前景的制氢技术。利用玉米秸秆进行光发酵产氢可在生产氢气的同时避免了资源的浪费。
光合细菌可在光能的作用下将碳水化合物、小分子有机酸等转化为氢气。目前光合细菌产氢转换效率远远低于理论的12 mol H2/mol glucose的理论产氢量。纳米四氧化三铁具有表面与界面效应和小尺寸效应，能够加速电子的转移，同时缓释出的Fe2+/Fe3+离子对能够对氢化酶活性有重要的影响。目前尚未见关于利用纳米四氧化三铁、二氧化钛或维生素B4促进光合细菌利用玉米秸秆产氢的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米四氧化三铁促进玉米秸秆光合产氢的方法。
基于上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种促进玉米秸秆光合产氢的方法，包括如下步骤：
（1）将产氢培养基、玉米秸秆和纤维素酶加入光合反应器中；
（2）将HAU-M1光合产氢菌群接种到光合反应器中，菌液体积为总反应液体积的20~30%；总反应液体积=产氢培养基体积+菌液体积；
（3）调节反应器内pH值及温度；
（4）将产氢促进剂加入光合反应器中，收集气体。
进一步地，所述步骤（2）中的HAU-M1光合产氢菌群由河南农业大学农业部农村可再生能源新材料与装备重点实验室提供，以数量比计，由27%的深红红螺菌（Rhodospirillum rubrum）、36%的荚膜红细菌(Rhodopseudomonas capsulata)、28%的沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)和9%的类球红细菌（Rhodobacter sphaeroides）组成；接种细菌处于生长对数期末期，此时细菌的质量浓度为1.2 g/L。
进一步地，所述产氢促进剂为纳米四氧化三铁、纳米二氧化钛或维生素B4。
进一步地，当产氢促进剂为纳米四氧化三铁时，玉米秸秆与纤维素酶在总反应液体积中的浓度分别为30 g/L和4.5 g/L，纳米四氧化三铁粒径为20~100 nm，Fe3O4在总反应液体积中的浓度为25~100 mg/L。
进一步地，当产氢促进剂为纳米二氧化钛时，玉米秸秆与纤维素酶在总反应液体积中的浓度分别为20 g/L和15 g/L，纳米二氧化钛的粒径为25±5 nm，在总反应液体积中的浓度为300 mg/L。
进一步地，当产氢促进剂为维生素B4时，玉米秸秆与纤维素酶在总反应液体积中的浓度分别为20 g/L和3 g/L，维生素B4在总反应液体积中的浓度为30~200 mg/L。
所述步骤（3）中的pH值调节至6~8，温度调节至25~35℃。
所述步骤（4）中光合反应器以具有连续全光谱的白炽灯为光源，反应器中平均光照度为3000 Lux。
玉米秸秆粒径为0.3 mm，纤维素酶活性为50 U。
进一步地，产氢培养基以蒸馏水为溶剂，产氢培养基中各营养物质在总反应液体积的浓度为NH4Cl：0.4 g/L，MgCl2：0.2 g/L，K2HPO4：0.5 g/L，NaCl：2 g/L，谷氨酸钠：3.56g/L，酵母膏0.1 g/L。
进一步地，所述步骤（4）中的纳米四氧化三铁由上海科延实业有限公司提供，Fe3O4含量≥99.5%，粒径为20~100 nm。
本发明具有下述优点：
（1）具有良好的环境效益：以玉米秸秆为原料，提高了光合产氢的能力，利于获得更多清洁能源氢气；
（2）具有良好的经济效益：一方面，添加产氢促进剂可以提高氢气产量，提高了产氢持续时间，产氢持续时间可达96 h；另一方面，可以利用玉米秸秆发酵产氢，将清洁能源生产与资源循环利用结合。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，但不应作为对本发明保护范围的限制。
实施例1
一种纳米四氧化三铁促进玉米秸秆光合产氢的方法，包括如下步骤：
（1）将玉米秸秆和纤维素酶加入光合反应器中；使玉米秸秆与纤维素酶在总反应液体积中的浓度分别为30 g/L和4.5 g/L；玉米秸秆粒径为0.3 mm，纤维素酶活性为50 U；
（2）将HAU-M1光合产氢菌群接种到光合反应器中，HAU-M1光合产氢菌群由河南农业大学农业部农村可再生能源新材料与装备重点实验室提供，由深红红螺菌（Rhodospirillum rubrum）、荚膜红细菌(Rhodopseudomonas capsulata)、沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)和类球红细菌（Rhodobacter sphaeroides）组成，质量百分比分别为27%、36%、28%和9%，将菌种接入生长培养基中进行培养制成菌液，生长培养基中各营养物质含量为：NH4Cl：0.5 g/L，NaHCO3：1 g/L，K2HPO4：0.1 g/L，CH3COONa：2 g/L，MgSO4：0.1 g/L，NaCl：1 g/L，酵母膏0.5 g/L；接种细菌处于生长对数期末期，此时细菌的质量浓度为1.2 g/L；接种菌液体积为总反应液体积的25%；总反应液体积为150mL，总反应液除产氢细菌、玉米秸秆和纤维素酶外还包含营养物质如下：NH4Cl：0.4 g/L，MgCl2：0.2 g/L，K2HPO4：0.5 g/L，NaCl：2 g/L，谷氨酸钠：3.56 g/L，酵母膏0.1 g/L；菌液和反应液均以蒸馏水为溶剂；
（3）用2mol/L的盐酸或氢氧化钠溶液调节反应液pH值为7，温度为30 ℃；
（4）将纳米四氧化三铁加入光合反应器中，光合反应器以具有连续全光谱的白炽灯为光源，光合反应器中平均光照度为3000 Lux，进行反应并收集气体，纳米四氧化三铁由上海科延实业有限公司提供，Fe3O4含量≥99.5%，粒径为60 nm，Fe3O4浓度为100 mg/L，该实施例光合反应器的产氢持续时间可达96 h，整个产氢周期的实际产氢量为219.88 mL，氢气产率为46.68 mL/gVSS，平均产氢速率为2.29 mL/h，玉米秸秆的能量转化率为3.33%。
实施例2
一种纳米四氧化三铁促进玉米秸秆光合产氢的方法，和实施例1的不同之处在于：通过改变四氧化三铁的粒径和浓度，考察四氧化三铁的粒径和浓度对玉米秸秆光合产氢比产氢量和玉米能量转化率的影响，具体结果见表1和表2。
表1 纳米Fe3O4粒径和浓度对玉米秸秆光合产氢比产氢量的影响
表中：单元格上行数据为各组的比产氢量（mL/gVSS），下行带括号数据为与不添加纳米Fe3O4（浓度为0）时相比各组比产氢量的提升率。
表2 纳米Fe3O4对玉米秸秆能量转化率的影响（%）
由表1和表2可知，随着纳米Fe3O4浓度的上升，比产氢量和玉米秸秆能量转化率先上升后下降，当纳米Fe3O4浓度过高时，对产氢产生抑制作用，出现比产氢量低于对照组（不添加纳米Fe3O4）的情况；
随着纳米Fe3O4粒径的上升，除800 mg/L时比产氢量和玉米秸秆转化率一直上升外，其余各浓度比产氢量均先上升后下降；
纳米Fe3O4的浓度为100g/L、粒径为60 nm时，比产氢量和玉米秸秆转化率最好；
纳米Fe3O4浓度变化引起的比产氢量和玉米秸秆转化率的变化幅度较大，而纳米Fe3O4粒径变化引起的比产氢量和玉米秸秆转化率的变化幅度较小。
实施例3
一种维生素B4促进玉米秸秆光合产氢的方法，和实施例1的不同之处在于，步骤（1）中玉米秸秆和纤维素酶在总反应液体积中的浓度分别为20 g/L和3 g/L，步骤（4）中将4 mL浓度为5 g/L维生素B4溶液加入光合反应器中，该实施例光合反应器的产氢持续时间可达96h，整个产氢周期的实际产氢量为178.73 mL，产氢速率为2.28 mL/h。
实施例4
一种维生素B4促进玉米秸秆光合产氢的方法，和实施例3的不同之处在于，通过改变维生素B4溶液的加入量，考察维生素B4的加入量对玉米秸秆产氢量和产氢速率的影响，并以不加维生素B4溶液作为对照组，下表中维生素B4溶液的浓度均为5 g/L。
表3 不同维生素B4溶液的加入量对玉米秸秆光合产氢速率的影响
表4 不同维生素B4溶液的加入量对玉米秸秆光合产氢量的影响
由表3和表4可知，随着维生素B4加入量的上升，产氢速率和产氢量先上升后下降，当维生素B4过高时，对产氢产生抑制作用；
在维生素B4加入量为0~5 mL时，产氢速率均先上升后下降；
维生素B4溶液的加入量为4 mL，产氢量最高。
实施例5
一种纳米二氧化钛促进玉米秸秆光合产氢的方法，和实施例1的不同之处在于，步骤（1）中玉米秸秆和纤维素酶在总反应液体积中的浓度分别为20 g/L和15 g/L，步骤（4）中二氧化钛粒径25±5 nm，在总反应液中的浓度300 mg/L，该实施例光合反应器的产氢持续时间可达96 h。

Claims (10)

1.一种促进玉米秸秆光合产氢的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将产氢培养基、玉米秸秆和纤维素酶加入光合反应器中；
（2）将HAU-M1光合产氢菌群接种到光合反应器中，菌液体积为总反应液体积的20~30%；
（3）调节反应器内pH值及温度；
（4）将产氢促进剂加入光合反应器中，收集气体。
2.如权利要求1所述的促进玉米秸秆光合产氢的方法，其特征在于：以数量比计，所述步骤（2）中的HAU-M1光合产氢菌群由27%的深红红螺菌、36%的荚膜红细菌、28%的沼泽红假单胞菌和9%的类球红细菌组成；接种细菌处于生长对数期末期，此时细菌的质量浓度为1.2g/L。
3.如权利要求1所述的促进玉米秸秆光合产氢的方法，其特征在于：所述产氢促进剂为纳米四氧化三铁、纳米二氧化钛或维生素B4。
4.如权利要求1或3所述的促进玉米秸秆光合产氢的方法，其特征在于：当产氢促进剂为纳米四氧化三铁时，玉米秸秆与纤维素酶在总反应液体积中的浓度分别为30 g/L和4.5g/L，纳米四氧化三铁粒径为20~100 nm，Fe3O4在总反应液体积中的浓度为25~100 mg/L。
5.如权利要求1或3所述的促进玉米秸秆光合产氢的方法，其特征在于：当产氢促进剂为纳米二氧化钛时，玉米秸秆与纤维素酶在总反应液体积中的浓度分别为20 g/L和15 g/L，纳米二氧化钛的粒径为25±5 nm，在总反应液体积中的浓度为300 mg/L。
6.如权利要求1或3所述的促进玉米秸秆光合产氢的方法，其特征在于：当产氢促进剂为维生素B4时，玉米秸秆与纤维素酶在总反应液体积中的浓度分别为20 g/L和3g/L，维生素B4在总反应液体积中的浓度为30~200 mg/L。
7.如权利要求1所述的促进玉米秸秆光合产氢的方法，其特征在于：所述步骤（3）中的pH值调节至6~8，温度调节至25~35 ℃。
8.如权利要求1所述的促进玉米秸秆光合产氢的方法，其特征在于：所述步骤（4）中光合反应器以具有连续全光谱的白炽灯为光源，反应器中平均光照度为3000 Lux。
9.如权利要求1所述的促进玉米秸秆光合产氢的方法，其特征在于：玉米秸秆粒径为0.3 mm，纤维素酶活性为50 U。
10.如权利要求1所述的促进玉米秸秆光合产氢的方法，其特征在于：产氢培养基以蒸馏水为溶剂，产氢培养基中各营养物质在总反应液体积的浓度为NH4Cl：0.4 g/L，MgCl2：0.2g/L，K2HPO4：0.5 g/L，NaCl：2 g/L，谷氨酸钠：3.56 g/L，酵母膏0.1 g/L。
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