CN110863016A - 一种海藻的破解方法及在发酵产氢中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于生物发酵制氢技术领域的一种海藻的破解方法及在发酵产氢中的应用。本发明利用酸或碱与电离辐照耦合处理海藻，得到海藻破解液；本发明能有效促进海藻中有机组分的充分释放；将所得海藻破解液为底物用于高效产氢，为生物制氢过程提供一种廉价易得的底物来源，降低了发酵制氢的成本。

Description

一种海藻的破解方法及在发酵产氢中的应用
技术领域
本发明属于生物发酵制氢技术领域，特别涉及一种海藻的破解方法及在发酵产氢中的应用。
背景技术
氢气具有热值高、燃烧产物清洁、便于储存和运输等优点，具有广泛的用途，是一种理想的清洁能源。氢气有多种制备方法，传统的制备方法往往依赖于化石能源，降低了氢气的环境效益。与之相比，生物制氢具有反应条件温和，能量来源可再生的优点。特别是暗发酵产氢，产氢效率高且可以利用多种有机物为底物，受到广泛的关注。
底物的选择直接决定暗发酵系统的运行成本和产氢效果。以富含碳水化合物的能源作物为底物产氢往往能得到比较好的产氢效率，且利于大规模应用。目前，能源作物主要包括：以木薯、甜菜、高粱等能源植物为主的第一代能源作物，以农林废弃物等物质纤维素类物质为主的第二代能源作物和以海藻、微藻等藻类为主的第三代能源作物。其中，第一代能源作物含糖量高，但是需要占用耕地，难以满足长期大规模应用；第二代能源作物来源广泛，但其富含木质素等，对预处理的要求较高，发酵过程中的有机物利用率低，从而提高了产氢成本。第三代能源作物藻类具有生长快、生长环境要求低、不占用耕地且细胞结构简单等优点，被誉为最具有应用前景的能源作物。特别是海藻，能够快速通过光合作用实现固碳生长，可在海水中养殖，碳水化物含量高，是一种理想的发酵产氢底物来源。
虽然海藻与纤维素类物质相比，具有更加简单的细胞结构。但是仍然需要一定的预处理来破坏它的细胞结构，从而释放其细胞内的有机质。目前已有报道的海藻破解方法主要有热处理、酸处理、碱处理，超声处理及酶解处理等。但是研究发现，单独的酸、碱处理及超声处理难以有效地破解海藻细胞，释放有机质。热处理中，只有当温度较高(大于121-180℃)时，才能对海藻进行有效的破解，但是高温伴随着能耗的提升，且在反应过程中会发生梅拉德反应，使还原糖和蛋白质发生聚合、缩合反应，不仅消耗了可用于产氢的有机质，还会形成难降解的棕褐色大分子物质。酶解处理虽然反应条件温和，但是所需的反应时间较长，且酶制剂价格昂贵，难以实现工程中的推广应用。此外，海藻破解液中还含有的酚酸，具有抑菌效果，会抑制产氢微生物的活性，从而降低系统的产氢效果，而已报道的预处理方法很难在海藻的破解过程中同时实现对酚酸的降解。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海藻的破解方法及在发酵产氢中的应用，具体技术方案如下：
一种海藻的破解方法为，利用酸或碱与电离辐照耦合处理海藻，得到海藻破解液。
所述利用酸或碱与电离辐照耦合处理海藻为向海藻与水的混合液中加入酸或碱，然后进行电离辐照处理。
所述海藻与水的混合液中海藻浓度为10-30g TS/L；所述酸或碱加入量为所述海藻与水的混合液质量的0-2％。
进一步地，本发明所述酸或碱加入量为所述海藻与水的混合液质量的0.5％-2％。
本发明所述利用酸或碱与电离辐照耦合处理海藻，得到海藻破解液的具体操作为：将海藻洗净、烘干、粉碎后过18目筛，得到直径小于1mm的海藻颗粒，将海藻颗粒与水混合，得到海藻浓度为10-30g TS/L的混合液，向混合液中添加酸或碱，在室温下进行电离辐照，辐照结束后，将混合液的pH调节至中性，得到海藻破解液。
本发明所述酸为硫酸，如浓硫酸；所述碱为NaOH，如NaOH粉末。
本发明所述电离辐照为γ射线，放射源为60Co。所述电离辐照的剂量为10-30kGy。
本发明所述海藻破解方法中酸或碱加入量为0，即仅利用电离辐照处理海藻得到海藻破解液的具体操作为：将海藻烘干粉碎后，取粒径1mm以下颗粒与水混合，形成10-30gTS/L海藻混合液，在室温下进行电离辐照，辐照结束后，得到海藻破解液。
所述破解方法所得海藻破解液在发酵产氢中的应用包括以下步骤：
(1)接种菌群的预处理；
(2)以所述海藻破解液为底物，接种步骤(1)所得菌群，进行微生物厌氧发酵产氢。
所述步骤(1)接种菌群的预处理为利用γ射线辐照处理厌氧消化污泥，然后置于-80℃下冷冻保藏。所述γ射线的放射源为60Co源，辐射剂量为5kGy。γ射线辐照处理厌氧消化污泥可以抑制或杀死消化污泥中的非产氢菌。
所述步骤(2)中，步骤(1)所得菌群的接种量为海藻破解液体积的10-50％；微生物厌氧发酵产氢的具体操作为：将所述海藻破解液置于反应器中，取出步骤(1)所得辐照处理后消化污泥、解冻并接种于所述反应器中；发酵开始前，调节混合液初始pH至6.0-9.0，并用氮气吹脱3min，为反应提供厌氧环境；发酵温度为30-40℃，100r/min恒温振荡培养，直至停止产气。优选地，混合液初始pH至7.0，发酵温度为36℃。
本发明的有益效果为：
(1)本发明利用辐照与酸或碱耦合处理海藻的方法、或者直接利用辐照处理海藻的方法，其中电离辐照通过高能射线激发溶液中的水分子，生成一系列具有强氧化、还原性的活性基团，这些基团可以快速与海藻的细胞壁发生反应，破坏海藻细胞结构，同时促进海藻中有机质的充分释放和大分子有机物的水解，为其后续的资源化利用提供基础；此外，还可以降解海藻破解液中的酚酸分子，缓解或消除破解液中酚酸对产氢效果的抑制作用。
(2)本发明实现海藻破解液为底物的高效产氢，为生物制氢过程提供一种廉价易得的底物来源，降低发酵制氢的成本；
(3)与单纯粉碎处理的海藻液相比，本发明所得海藻破解液中溶解性COD即SCOD浓度提高了17％-132％，多糖浓度提高了3％-92％，蛋白质浓度提高了138％-463％倍。
附图说明
附图1为实施例4中无处理、10kGy、20kGy、30kGy剂量辐照处理海藻并用于产氢的效果图；
附图2为实施例5中无处理、0kGy+2％H2SO4、10kGy+2％H2SO4、20kGy+2％H2SO4、30kGy+2％H2SO4耦合处理海藻并用于产氢的效果图。
具体实施方式
本发明提供了一种海藻的破解方法及在发酵产氢中的应用，下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。
本发明所使用的海藻为购于京东的片状海带，所使用的厌氧消化污泥取自北京市某污水处理厂的初级消化池。本发明中与电离辐照耦合的酸或碱加入量为海藻与水混合液质量的0-2％，为简便直观，将酸或碱加入量直接表示为0-2％酸或碱。即本发明实施例中0-2％H2SO4、0-2％NaOH指的H2SO4、NaOH的加入量为海藻与水的混合液质量的0-2％。
实施例1
10-30kGy剂量辐照对海藻的破解效果：
取30g烘干粉碎的海藻颗粒置于1L磨口瓶中，向其中增加970mL去离子水，得到海藻浓度为30g TS/L的混合液。同样的方法制备3瓶海藻与水的混合液。将三份混合液在室温条件下分别接受剂量为10、20和30kGy的γ射线辐照，放射源为60Co。辐照结束后，得到海藻破解液；分析未处理海藻和各辐照剂量处理所得海藻破解液中的各项指标，得到海藻的破解效果如表1。
表1 10-30kGy剂量辐照对海藻的破解效果
Figure BDA0002245250110000061
从表1可以看出，单独的电离辐照处理中，SCOD、多糖和蛋白质的释放量随电离辐照剂量的增大而增大。
实施例2
0-30kGy剂量辐照与2％H2SO4耦合处理海藻的破解效果：
取30g烘干粉碎的海藻颗粒置于1L磨口瓶中，向其中增加970mL去离子水，得到海藻浓度为30g TS/L的混合液。同样的方法制备4瓶海藻与水的混合液。向4瓶混合液中添加海藻与水的混合液质量2％的浓H2SO4，并在室温条件下分别接受剂量为0、10、20和30kGy的γ射线辐照，放射源为60Co。辐照结束后，用NaOH调节混合液pH＝7.0，得到海藻破解液；分析未处理海藻和各辐照剂量与H2SO4耦合处理所得海藻破解液中各项指标，得到海藻的破解效果如表2。
表2 0-30kGy剂量辐照与2％H2SO4耦合处理海藻的破解效果
Figure BDA0002245250110000062
从表2可以看出，电离辐照与酸耦合处理中，随着电离辐照剂量的增加，SCOD和多糖的释放量在20kGy达到最大，蛋白质则在30kGy达到最大。分析其原因可能是，当电离辐照剂量过高时，会进一步氧化已经释放的还原性有机物。
实施例3
0-30kGy剂量辐照与2％NaOH耦合处理海藻的破解效果：
取30g烘干粉碎的海藻颗粒置于1L磨口瓶中，向其中增加970mL去离子水，得到海藻浓度为30g TS/L的混合液。同样的方法制备4瓶海藻与水的混合液。向4瓶混合液中添加海藻与水的混合液质量2％的NaOH粉末，并在室温条件下分别接受剂量为0、10、20和30kGy的γ射线辐照，放射源为60Co。辐照结束后，用H2SO4调节混合液pH＝7.0，得到海藻破解液；分析未处理海藻和各辐照剂量与NaOH耦合海藻破解液中各项指标，得到海藻的破解效果如表3。
表3 0-30kGy剂量辐照与2％NaOH耦合处理海藻的破解效果
Figure BDA0002245250110000071
从表3可以看出，电离辐照与碱耦合处理中，SCOD、多糖和蛋白的释放量随着电离辐照剂量的增加而增加。
分析实施例1-3的结果可以发现，电离辐照可以有效地破解海藻细胞，释放有机物。单独的电离辐照处理中，海藻的破解效果随着电离辐照剂量的增加而增加。单独的酸处理(2％H2SO4+0kGy)和单独的碱处理(2％NaOH+0kGy)都难以对海藻实现有效的破解。但电离辐照与酸或者碱耦合，与单独的酸或碱处理相比，有机质包括SCOD、多糖和蛋白的释放均得到显著提高；与单独的电离辐照处理相比，电离辐照与酸耦合处理的海藻破解液中SCOD、多糖的释放得到显著提高，电离辐照与碱耦合处理的海藻破解液中SCOD、多糖和蛋白质的释放均得到显著提高。
实施例4
0-30kGy剂量辐照处理海藻并用于产氢的效果：
(1)按照实施例1所述方法处理海藻，得到10kGy、20kGy、30kGy剂量辐照处理的海藻破解液。
(2)取厌氧消化污泥置于1L棕色磨口瓶中，在室温条件下接受辐照剂量为5kGy的γ射线辐照，放射源为60Co，得到辐照后的消化污泥，并置于-80℃下冷冻保藏，直到需要接种时取出解冻，待用。
(3)取四组150mL锥形瓶，其中一组为对照组，添加80mL没有处理的海藻与水的混合液(海藻浓度与实施例1相同)，另外三组分别向其中添加80mL步骤(1)所得海藻破解液。向四组反应瓶中接种20mL步骤(2)处理得到的消化污泥，使反应液总体积为100mL。发酵开始前，用5mol/L HCl和NaOH溶液调节反应液初始pH为7.0，利用氮气吹脱检验气密性并驱除瓶内氧气，将反应瓶置于恒温水浴摇床，以36℃，100r/min条件反应，间隔2h记录产气量，直至停止产气。无处理、10kGy、20kGy、30kGy剂量辐照海藻的累积产氢过程见图1。
经过8h后四组反应均结束。无处理的对照组，10kGy处理组，20kGy处理组和30kGy处理组得到的累积产氢量分别为20mL，28mL，34mL和18mL。可以看出，10-20kGy电离辐照处理显著提高了海藻的累积产氢量。30kGy处理后产气量有所下降，可能是高剂量电离辐射导致部分还原糖的损耗，进而降低了产氢效果。
实施例5
0-30kGy剂量辐照与2％H2SO4耦合处理海藻并用于产氢的效果：
(1)按照实施例2所述方法处理海藻，得到0kGy+2％H2SO4、10kGy+2％H2SO4、20kGy+2％H2SO4、30kGy+2％H2SO4耦合处理的海藻破解液。
(2)取厌氧消化污泥置于1L棕色磨口瓶中，在室温条件下接受辐照剂量为5kGy的γ射线辐照，放射源为60Co，得到辐照后的消化污泥，并置于-80℃下冷冻保藏，直到需要接种时取出解冻，待用。
(3)取五组150mL锥形瓶，其中一组为对照组，添加80mL没有处理的海藻与水的混合液(海藻浓度与实施例2相同)，另外四组分别向其中添加80mL步骤(1)所得海藻破解液。向五组反应瓶中接种20mL步骤(2)处理得到的消化污泥，使反应液总体积为100mL。发酵开始前，用5mol/LHCl和NaOH溶液调节反应液初始pH为7.0，利用氮气吹脱检验气密性并驱除瓶内氧气，将反应瓶置于恒温水浴摇床，以36℃，100r/min条件反应，间隔2h记录产气量，直至停止产气。无处理、0kGy+2％H2SO4、10kGy+2％H2SO4、20kGy+2％H2SO4、30kGy+2％H2SO4耦合处理产氢过程见图2。
经过8h后五组反应均结束。无处理的对照组，0kGy+2％H2SO4处理组，10kGy+2％H2SO4处理组，20kGy+2％H2SO4处理组和30kGy+2％H2SO4处理组得到的累积产氢量分别为20mL，24mL，22mL，20mL和18mL。可以看出，单独2％H2SO4处理组和10kGy+2％H2SO4处理组的累积产氢量有所提高，其余组有所降低。与单独电离辐照处理相比，累积产氢量提升不明显。其主要原因一方面是耦合处理时，高剂量辐照导致水解产生的还原糖损耗；另一方面是高浓度酸处理后需要大量的碱中和，导致溶液中钠离子含量较高，而钠离子对发酵产氢具有抑制作用。
实施例6
通过响应曲面优化电离辐照与H2SO4耦合处理海藻并用于产氢的效果：利用响应曲面BBD设计优化海藻破解条件，同时优化预处理过程中的电离辐照剂量与H2SO4加入量，优化范围为：0-30kGy电离辐照剂量，海藻与水的混合液质量0-2％的H2SO4加入量。得到的海藻的最优破解条件为12kGy电离辐照与海藻和水混合液质量1％的H2SO4耦合处理。
12kGy剂量辐照与1％H2SO4耦合处理海藻并用于产氢的效果：
(1)按照实施例2所述方法处理海藻，得到12kGy+1％H2SO4耦合处理的海藻破解液。
(2)取厌氧消化污泥置于1L棕色磨口瓶中，在室温条件下接受辐照剂量为5kGy的γ射线辐照，放射源为60Co，得到辐照后的消化污泥，并置于-80℃下冷冻保藏，直到需要接种时取出解冻，待用。
(3)向150mL锥形瓶中添加80mL步骤(1)所得海藻破解液，向反应瓶中接种20mL步骤(2)处理得到的消化污泥，使反应液总体积为100mL。发酵开始前，用5mol/LHCl和NaOH溶液调节反应液初始pH为7.0，利用氮气吹脱检验气密性并驱除瓶内氧气，将反应瓶置于恒温水浴摇床，以36℃，100r/min条件反应，直至停止产气；得到的最大累积产氢量为48mL。

Claims (10)

1.一种海藻的破解方法，其特征在于，利用酸或碱与电离辐照耦合处理海藻，得到海藻破解液。
2.根据权利要求1所述的破解方法，其特征在于，所述利用酸或碱与电离辐照耦合处理海藻为向海藻与水的混合液中加入酸或碱，然后进行电离辐照处理。
3.根据权利要求2所述的破解方法，其特征在于，所述海藻与水的混合液中海藻浓度为10-30g TS/L；所述酸或碱加入量为所述海藻与水的混合液质量的0-2％。
4.根据权利要求3所述的破解方法，其特征在于，所述酸或碱加入量为所述海藻与水的混合液质量的0.5％-2％。
5.根据权利要求1所述的破解方法，其特征在于，所述酸为硫酸，所述碱为NaOH。
6.根据权利要求1所述的破解方法，其特征在于，所述电离辐照为γ射线，放射源为60Co；所述电离辐照的剂量为10-30kGy。
7.权利要求1-6任一项所述破解方法所得海藻破解液在发酵产氢中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
(1)接种菌群的预处理；
(2)以所述海藻破解液为底物，接种步骤(1)所得菌群，进行微生物厌氧发酵产氢。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述步骤(1)接种菌群的预处理为利用γ射线辐照处理厌氧消化污泥，然后置于-80℃下冷冻保藏。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述γ射线的放射源为60Co源，辐射剂量为5kGy。
10.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述步骤(2)中，步骤(1)所得菌群的接种量为海藻破解液体积的10-50％，微生物厌氧发酵产氢的初始pH为6.0-9.0，发酵温度为30-40℃。
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