CN110484571B - 利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法 - Google Patents

利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法 Download PDF

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Abstract

利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，本发明涉及生物化工技术领域。本发明要解决现有玉米秸秆能量转化率低的技术问题。方法：玉米秸秆预处理，得到秸秆混合液；制备产氢菌种子液；向秸秆混合液接入产氢菌种子液，进行厌氧发酵，产生氢气和发酵液；重复发酵；去除发酵液中的固体；接入微藻种子液，进行微藻发酵，合成油脂；重复发酵；采收微藻发酵液中的微藻生物质，提取油脂。本发明方法的氢气产量为811.1mL H2/L工作体积，油脂产量为588.5mg/L工作体积，玉米秸秆的能量转化率提高了103.7％。本发明方法用于生产氢气和油脂，实现清洁生物能源开发和废弃物处理的有效结合。

Description

利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法
技术领域
本发明涉及生物化工技术领域。
背景技术
全球农业废弃物的产量约为1010吨，大多数都没有很好的利用，造成了资源的巨大浪费。氢气有着能量密度高、清洁无污染等特点，被认为是一种理想的可再生能源。常规的氢气生产方法是从化石燃料中提取或通过电解水制取，这些方法没有摆脱对化石能源的使用，难以满足能源可持续发展的需要。生物制氢有着节能环保的优点，且可以利用废弃物或废水为发酵基质，受到了广泛的关注。农业废弃物(如玉米秸秆)是生物制氢的一种潜在底物，然而，发酵过程中会产生有机酸等代谢副产物，降低了玉米秸秆的能量转化率，且这些有机酸的排放可能会带来许多环境问题。
发明内容
本发明要解决现有玉米秸秆能量转化率低的技术问题，而提供利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法。
利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，具体按以下步骤进行：
一、将玉米秸秆粉碎为秸秆粉末，然后采用硫酸溶液进行气爆预处理，得到秸秆混合液；
或将玉米秸秆粉碎为秸秆粉末，然后采用硫酸溶液进行气爆预处理，得到预处理秸秆液，再与产氢培养基混合，得到秸秆混合液；
二、对产氢接种物进行预处理，得到产氢菌种子液；
三、将步骤二获得的产氢菌种子液接入到步骤一得到的秸秆混合液中，得到待发酵液，进行厌氧发酵，产生氢气；
四、厌氧发酵结束后，按体积排出20～100％发酵液，向剩余发酵液中补入步骤一得到的秸秆混合液，继续进行厌氧发酵，产生氢气；
五、将步骤四重复多次，并收集排出的发酵液，去除固态物，得到处理后的发酵液；
六、将微藻种子液接入步骤五处理后的发酵液中，微藻种子接入量为0.05～0.2g/L，得到待微藻发酵液，进行微藻发酵反应，获得油脂；
七、微藻发酵结束后，按体积排出20～100％微藻发酵液，向剩余微藻发酵液中补入步骤五处理后的发酵液，继续进行发酵反应，获得油脂；
八、将步骤七重复多次，并收集排出的微藻发酵液，然后采收微藻发酵液中微藻生物质，提取油脂，完成利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法。
步骤五中可以将步骤四重复1～100次，步骤八中可以将步骤七重复1～100次。
本发明方法微藻利用待微藻发酵液中有机物进行生长并合成油脂。
本发明的有益效果是：
本发明以玉米秸秆为原料进行氢气和油脂的生产，利用微藻以有机酸为底物进行生长和油脂积累，将产氢发酵与微藻发酵相结合，既可以避免产氢发酵副产物对环境的危害，又有利于玉米秸秆的高效利用，提高其能量转化率，实现玉米秸秆的高效利用，减少其对环境的不良影响。同时，以玉米秸秆为原料有助于降低生物能源的生产成本，实现了玉米秸秆的资源化，对于加快生物柴油和生物制氢技术的产业化步伐有重要意义，具有较好的经济效益和环境效益，经验证本发明方法能量转化率达到为12.00％以上，相较于单独产氢能量转化率提高了103.7％。
本发明方法用于生产氢气和油脂，实现清洁生物能源开发和废弃物处理的有效结合。
附图说明
图1为实施例一产氢量变化图；
图2为实施例一微藻产量和油脂产量变化图，●代表油脂，■代表微藻；
图3为实施例一产能量和能量转化率图，其中a代表产能量，b代表能量转化率。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，具体按以下步骤进行：
一、将玉米秸秆粉碎为秸秆粉末，然后采用硫酸溶液进行气爆预处理，得到秸秆混合液；
或将玉米秸秆粉碎为秸秆粉末，然后采用硫酸溶液进行气爆预处理，得到预处理秸秆液，再与产氢培养基混合，得到秸秆混合液；
二、对产氢接种物进行预处理，得到产氢菌种子液；
三、将步骤二获得的产氢菌种子液接入到步骤一得到的秸秆混合液中，得到待发酵液，进行厌氧发酵，产生氢气；
四、厌氧发酵结束后，按体积排出20～100％发酵液，向剩余发酵液中补入步骤一得到的秸秆混合液，继续进行厌氧发酵，产生氢气；
五、将步骤四重复多次，并收集排出的发酵液，去除固态物，得到处理后的发酵液；
六、将微藻种子液接入步骤五处理后的发酵液中，微藻种子接入量为0.05～0.2g/L，得到待微藻发酵液，进行微藻发酵反应，获得油脂；
七、微藻发酵结束后，按体积排出20～100％微藻发酵液，向剩余微藻发酵液中补入步骤五处理后的发酵液，继续进行发酵反应，获得油脂；
八、将步骤七重复多次，并收集排出的微藻发酵液，然后采收微藻发酵液中微藻生物质，提取油脂，完成利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法。
本实施方式以玉米秸秆为原料进行氢气和油脂的生产，利用微藻以有机酸为底物进行生长和油脂积累，将产氢发酵与微藻发酵相结合，既可以避免产氢发酵副产物对环境的危害，又有利于玉米秸秆的高效利用，提高其能量转化率，实现玉米秸秆的高效利用，减少其对环境的不良影响。同时，以玉米秸秆为原料有助于降低生物能源的生产成本，实现了玉米秸秆的资源化，对于加快生物柴油和生物制氢技术的产业化步伐有重要意义，具有较好的经济效益和环境效益。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中秸秆粉末的粒径为30～60目。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中气爆预处理时，硫酸溶液的质量浓度为0.5～1.5％，控制气爆温度为120～130℃，气爆时间为1～3h。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中预处理秸秆液与产氢培养基的体积比为1∶(1～10)。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中产氢接种物为剩余污泥、消化污泥和土壤中一种或其中几种按任意比混合。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中产氢接种物进行预处理的方法为热处理、酸处理、碱处理、过氧化氢处理、超声波处理、微波处理、甲烷抑制剂处理、氯仿处理、二溴乙烷磺酸钠处理、辐照处理、曝气处理和冲击负荷处理中一种或其中几种的组合。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中产氢菌种子液的接种量为秸秆混合液体积的5～20％。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四中补入的秸秆混合液与排出发酵液体积相等。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤六中微藻种子液中的微藻为栅藻、小球藻、硅藻、隐甲藻、扁藻、杜氏藻、螺旋藻和金藻中的一种或其中几种按任意比混合。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤七中补入的处理后发酵液与排出微藻发酵液体积相等。其它与具体实施方式一至九之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，具体按以下步骤进行：
一、将玉米秸秆粉碎为秸秆粉末，秸秆粉末的粒径为40目，然后采用质量浓度为0.5％的硫酸溶液进行气爆预处理，控制气爆温度为121℃，气爆时间为1h，得到预处理秸秆液，再与产氢培养基混合，预处理秸秆液与产氢培养基的体积比为1∶1，得到秸秆混合液，其中底物浓度为10g/L；
二、对剩余污泥进行热处理，得到产氢菌种子液；热处理条件：温度为100条件℃下处理30min；
三、将步骤二获得的产氢菌种子液接入到步骤一得到的秸秆混合液中，产氢菌种子液接入量为秸秆混合液体积的10％，得到待发酵液，进行厌氧发酵，产生氢气；
四、厌氧发酵结束后，按体积排出50％发酵液，向剩余发酵液中补入步骤一得到的秸秆混合液，继续进行厌氧发酵，产生氢气；补入的秸秆混合液与排出发酵液体积相等；
五、将步骤四重复78次，并收集排出的发酵液，去除固态物，得到处理后的发酵液；
六、将微藻种子液接入步骤五处理后的发酵液中，微藻种子接入量为0.1g/L，得到待微藻发酵液，进行微藻发酵反应，获得油脂；
七、微藻发酵结束后，按体积排出50％微藻发酵液，向剩余微藻发酵液中补入步骤五处理后的发酵液，继续进行发酵反应，获得油脂；补入的处理后发酵液与排出微藻发酵液体积相等；
八、将步骤七重复18次，并收集排出的微藻发酵液，然后采收微藻发酵液中微藻生物质，提取油脂，完成利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法。
其中栅藻(Scenedesmus sp.)采用已公开中国发明专利《一种富油微藻的高通量筛选方法》(申请号：CN201310096030.2)中的方法筛选获得。
本实施例产氢量变化图如图1所示，从图中看出，本实施例氢气产量为811.1mLH2/L工作体积。
本实施例微藻产量和油脂产量变化图如图2图所示，●代表油脂，■代表微藻；从图中看出，本实施例微藻产量为1558.2mg/L工作体积，油脂产量为588.5mg/L工作体积。
本实施例产能量和能量转化率图如图3所示，其中a代表产能量，b代表能量转化率，从图可知，单独产氢能量转化率为6.16％，本实施例能量转化率为12.55％，能量转化率提高了103.7％。

Claims (5)

1.利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行：
一、将玉米秸秆粉碎为秸秆粉末，然后采用硫酸溶液进行气爆预处理，得到秸秆混合液；
或将玉米秸秆粉碎为秸秆粉末，然后采用硫酸溶液进行气爆预处理，得到预处理秸秆液，再与产氢培养基混合，得到秸秆混合液；
二、对产氢接种物进行预处理，得到产氢菌种子液；
三、将步骤二获得的产氢菌种子液接入到步骤一得到的秸秆混合液中，得到待发酵液，进行厌氧发酵，产生氢气；
四、厌氧发酵结束后，按体积排出50%发酵液，向剩余发酵液中补入步骤一得到的秸秆混合液，继续进行厌氧发酵，产生氢气；
五、将步骤四重复多次，并收集排出的发酵液，去除固态物，得到处理后的发酵液；
六、将微藻种子液接入步骤五处理后的发酵液中，微藻种子接入量为0.05~0.2 g/L，得到待微藻发酵液，进行微藻发酵反应，获得油脂；
七、微藻发酵结束后，按体积排出50%微藻发酵液，向剩余微藻发酵液中补入步骤五处理后的发酵液，继续进行发酵反应，获得油脂；
八、将步骤七重复多次，并收集排出的微藻发酵液，然后采收微藻发酵液中微藻生物质，提取油脂，完成利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法；
步骤一中气爆预处理时，硫酸溶液的质量浓度为0.5~1.5%，控制气爆温度为120~130℃，气爆时间为1~3h；
步骤四中补入的秸秆混合液与排出发酵液体积相等；
步骤七中补入的处理后发酵液与排出微藻发酵液体积相等；
步骤二中产氢接种物为剩余污泥、消化污泥和土壤中一种或其中几种按任意比混合；
步骤六中微藻种子液中的微藻为栅藻、小球藻、硅藻、隐甲藻、扁藻、杜氏藻、螺旋藻和金藻中的一种或其中几种按任意比混合。
2.根据权利要求1所述的利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，其特征在于步骤一中秸秆粉末的粒径为30~60目。
3.根据权利要求1所述的利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，其特征在于步骤一中预处理秸秆液与产氢培养基的体积比为1∶（1~10）。
4.根据权利要求1所述的利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，其特征在于步骤二中产氢接种物进行预处理的方法为热处理、酸处理、碱处理、过氧化氢处理、超声波处理、微波处理、甲烷抑制剂处理、氯仿处理、二溴乙烷磺酸钠处理、辐照处理、曝气处理和冲击负荷处理中一种或其中几种的组合。
5.根据权利要求1所述的利用玉米秸秆半连续生产氢气和油脂的方法，其特征在于步骤三中产氢菌种子液的接种量为秸秆混合液体积的5~20%。
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