CN116411029A - 一种利用预处理杨木厌氧发酵产氢的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用预处理杨木厌氧发酵产氢的方法，分为杨木废料处理、碱处理、水解、配制微生物液、微生物厌氧发酵五步；本方法提供了一种厌氧发酵制备氢气过程中更为温和的预处理方法，预处理后得到可被微生物利用的糖液进行厌氧发酵制备氢气，且在发酵过程中可实现补充物料连续性发酵；同时本方法可缓解水资源利用，在处理环节中无需水洗步骤，所得产物溶液ph值呈中性、对环境无污染，达到既节水又减少废水排放污染的问题；本发明为杨木加工剩余物的综合利用开辟了新的途径，也为厌氧发酵制备氢气提供了新的原料及技术选择。
Description
技术领域
本发明涉及氢气生产技术领域，尤其涉及一种利用预处理杨木厌氧发酵产氢的方法。
背景技术
杨树是世界上分布最广、适应性最强的树种。我国是世界杨树人工林种植第一位的国家。截至目前，30个优良品种已在我国26个省区市规模化推广应用，推广面积达63.72万公顷，覆盖主栽区面积80％以上。杨木的板材加工产业在全国范围也已经发展到相当的程度和水平，有力地支撑着各产地的工业进步和农民脱贫致富。但其加工水平，特别是资源的集成综合利用水平还相对较低。产地大量的采伐剩余物和加工剩余物堆积如山，没有得到高效利用，造成资源浪费，影响环境建设。大量的采伐剩余物和加工剩余物为林产化工产业提供了丰富的资源保障，具有良好的市场前景和巨大的产业开发潜力。对这些大量的采伐剩余物和加工剩余物资源进行化学综合加工利用，可制备出糖类物质、燃料酒精、糠醛及其衍生物、杨木液化产品、气化产品、功能性低聚木糖、生物质气、炭材料、饲料、纸浆、杨树皮有效成分提取物等产品，但以杨木加工剩余物为原料发酵制备氢气的研究较少。
氢气是一种有前景的未来能源，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁。氢是极好的传热载体，其存储量大，发热值高，燃烧性好。微生物发酵制氢技术因其反应条件温和、能耗低、环境友好、可再生等优点而受到广泛关注。更具吸引力的是，该技术可以直接利用废水、污水污泥、餐厨垃圾、农业和林业废弃物等的有机成分发酵制氢，同时实现有机废弃物的能源化利用和可再生氢能的生产。目前，微生物厌氧发酵制备氢气大多利用容易降解的原料，比较常见的有糖类、有机废水、有机固体废弃物等。以单质糖类为底物可以得到较高的产氢速率和底物利用率，但成本较高；所以选择以有机废物为底物，不仅可以降低发酵制备氢气的成本，还能起到有机废物治理的效果。
现有关于发酵产氢方法的具体实施方式为第一步通过嗜热菌直接发酵秸秆纤维原料产氢(生物预处理过程)，所得发酵残渣与氢氧化钠溶液混合，进行碱处理后获得复合预处理秸秆，将复合预处理秸秆再进行发酵制备氢气；其缺点在于单一的碱处理过程也将可溶性糖、部分半纤维素和纤维素转化为副产物，一方面副产物对微生物将产生毒害作用，不利于后续发酵；另一方面，传统碱预处理也降低了发酵过程的原料利用率，同时一般的碱处理还会出现有物料碱液残留、对环境污染大等明显缺点。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种利用预处理杨木厌氧发酵产氢的方法，以解决上述现有技术的不足。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是目前现有技术公开的产氢过程中碱处理方法存在的缺陷问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种利用预处理杨木厌氧发酵产氢的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、杨木废料初处理；
步骤2、配制碱溶液，将杨木废料低温碱处理，获得碱处理浆料；
步骤3、预处理一段时间后，在碱处理浆料中加入缓冲液，加入酶进行酶解反应，获得酶解糖液；
步骤4、培养微生物种子液；
步骤5、在酶解糖液中加入微生物种子液进行厌氧发酵产氢；
进一步地，对于步骤1，所述杨木废料处理方式为物理粉碎并烘干至恒重；
进一步地，对于步骤2，所述碱溶液的配制原料为过氧化氢、氢氧化钠(或氢氧化钾)；所述杨木废料与碱溶液的比例为1:6～1:12；所述低温碱处理所需的时间为0～24小时；所述过氧化氢浓度为0.5％-2.0％；所述氢氧化钠(或氢氧化钾)浓度1.0％-3.0％；
进一步地，对于步骤3，所述缓冲液为柠檬酸钠缓冲液、磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液、乙酸-乙酸钠缓冲液、磷酸盐缓冲液中的一种；所述酶为纤维素酶；所述酶的酶载量为30FPU/g葡聚糖：所述酶解反应需在震动培养箱中进行；所述酶解反应温度控制在40～60℃；
进一步地，对于步骤4，所述微生物种子液需使用培养基对微生物进行恢复培养；所述微生物选用产氢梭菌、嗜热产氢菌、瘤胃球菌、拟杆菌中的一种；所述培养基为改良PYG培养基；所述改良PYG培养基的成分及含量为葡萄糖5.0g/L，酪蛋白胨5.0g/L，蛋白胨5.0g/L，酵母提取物10.0g/L，牛肉提取物5.0g/L，K2HPO42.0g/L，吐温80 1.0mL/L，刃天青0.0001g/L，L-半胱氨酸0.5g/L，盐溶液40.0mL/L，氯化血红素溶液10.0mL/L，维生素K1溶液0.2mL/L，pH值为7.2；所述盐溶液中各有效组分含量的分别为CaCl2·2H2O 0.25g/L，MgSO4·7H2O 0.5g/L，K2HPO41.0g/L，KH2PO4 1.0g/L，NaHCO3 1.0g/L，NaCl 2.0g/L；
进一步地，对于步骤5，所述微生物种子液的接种量为4％～7％；
在本发明的具体实施方式中，所述杨木废料与碱溶液的比例为1:8；
在本发明的具体实施方式中，所述低温碱处理所需的时间为12小时；
在本发明的具体实施方式中，所述过氧化氢浓度为1％；
在本发明的具体实施方式中，所述氢氧化钠(或氢氧化钾)浓度2.5％；
在本发明的具体实施方式中，所述缓冲液为柠檬酸钠缓冲液；
在本发明的具体实施方式中，所述微生物选用丁酸梭菌；
在本发明的具体实施方式中，所述酶解反应温度为50℃；
采用以上方案，本发明公开的一种利用预处理杨木厌氧发酵产氢的方法，具有以下优点：
(1)本发明的一种利用预处理杨木厌氧发酵产氢的方法，利用碱性过氧化氢及生物酶复合处理杨木废料，预处理更加温和，预处理后得到可被微生物利用的糖液进行厌氧发酵制备氢气，且在发酵过程中可实现补充物料连续性发酵，更具实用性。
(2)本发明的一种利用预处理杨木厌氧发酵产氢的方法，碱性过氧化氢预处理条件温和，处理后的产物溶液ph值呈中性，预处理杨木废料过程中无需水洗，避免了废液会对环境造成污染的情况发生。
(3)本发明为杨木加工剩余物的综合利用开辟了新的途径，也为厌氧发酵制备氢气提供了新的原料及技术选择。
综上所述，本发明公开的一种利用预处理杨木厌氧发酵产氢的方法，提供了一种厌氧发酵制备氢气过程中更为温和的预处理方法，预处理后得到可被微生物利用的糖液进行厌氧发酵制备氢气，且在发酵过程中可实现补充物料连续性发酵；同时本方法可缓解水资源利用，在处理环节中无需水洗步骤，所得产物溶液ph值呈中性、对环境无污染，达到既节水又减少废水排放污染的问题，同时为杨木加工剩余物的综合利用开辟了新的途径，也为厌氧发酵制备氢气提供了新的原料及技术选择。
以下将结合具体实施方式对本发明的构思、具体技术方案及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明一种利用预处理杨木厌氧发酵产氢的方法的步骤示意图；
图2为H2O2/KOH体系预处理杨木厌氧发酵产氢曲线；
图3为H2O2/NaOH体系预处理杨木厌氧发酵产氢曲线。
具体实施方式
以下介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，这些实施例为示例性描述，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
如若有未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，如相关说明书或者手册进行实施。
如图1所示，本发明的利用预处理杨木厌氧发酵产氢的方法，
实施例1、利用H2O2/KOH体系预处理杨木厌氧发酵产氢方法
步骤1、将杨木加工剩余物进行物理粉碎处理并烘干至恒重；
步骤2、配制一定浓度的碱性过氧化氢溶液，取烘干后的杨木加工剩余物按照1:8的固液比(w/v)与碱性过氧化氢溶液混合于低温下反应；调控过氧化氢浓度(1％)、氢氧化钾浓度(2.5％)、预处理时间(12h)，预处理结束后进入第三步；
步骤3、在步骤2中预处理后的反应浆料中加入一定体积的柠檬酸钠缓冲液(0.05M,pH4.8)，在2％固体含量(w/v)的体系中用纤维素酶进行预处理样品的水解；酶载量为30FPU/g葡聚糖，酶解反应在50℃和150rpm的震动培养箱中进行；
步骤4、采用改良PYG培养基对丁酸梭菌进行恢复培养并得到种子液，其成分及含量为：葡萄糖5.0g/L，酪蛋白胨5.0g/L，蛋白胨5.0g/L，酵母提取物10.0g/L，牛肉提取物5.0g/L，K2HPO42.0g/L，吐温80 1.0mL/L，刃天青0.0001g/L，L-半胱氨酸0.5g/L，盐溶液(CaCl2·2H2O 0.25g/L，MgSO4·7H2O 0.5g/L，K2HPO4 1.0g/L，KH2PO4 1.0g/L，NaHCO3 1.0g/L，NaCl 2.0g/L)40.0mL/L，氯化血红素溶液10.0mL/L，维生素K1溶液0.2mL/L，pH值为7.2；
步骤5、将步骤3中得到的酶解后的糖液中接种步骤4中的丁酸梭菌种子液，接种量为5％，进行厌氧发酵产氢；在碱性过氧化氢预处理8g杨木屑并进行酶解反应后接种丁酸梭菌得到的400mL厌氧发酵体系中，氢气的产量能达到625.54mL，氢气的转化率为78.19mLH2/g杨木屑，产气结果见图2。
实施例2、利用H2O2/NaOH预处理杨木厌氧发酵产氢方法
步骤1、将杨木加工剩余物进行物理粉碎处理并烘干至恒重；
步骤2、配制一定浓度的碱性过氧化氢溶液，取烘干后的杨木加工剩余物按照1:8的固液比(w/v)与碱性过氧化氢溶液混合于低温下反应；调控过氧化氢浓度(1％)、氢氧化钠浓度(2.5％)、预处理时间(12h)，预处理结束后进入第三步；
步骤3、在步骤2中预处理后的反应浆料中加入一定体积的柠檬酸钠缓冲液(0.05M,pH4.8)，在2％固体含量(w/v)的体系中用纤维素酶进行预处理样品的水解；酶载量为30FPU/g葡聚糖，酶解反应在50℃和150rpm的震动培养箱中进行；
步骤4、采用改良PYG培养基对丁酸梭菌进行恢复培养并得到种子液，其成分及含量为：葡萄糖5.0g/L，酪蛋白胨5.0g/L，蛋白胨5.0g/L，酵母提取物10.0g/L，牛肉提取物5.0g/L，K2HPO42.0g/L，吐温80 1.0mL/L，刃天青0.0001g/L，L-半胱氨酸0.5g/L，盐溶液(CaCl2·2H2O 0.25g/L，MgSO4·7H2O 0.5g/L，K2HPO4 1.0g/L，KH2PO4 1.0g/L，NaHCO3 1.0g/L，NaCl 2.0g/L)40.0mL/L，氯化血红素溶液10.0mL/L，维生素K1溶液0.2mL/L，pH值为7.2；
步骤5、将步骤3中得到的酶解后的糖液中接种步骤4中的丁酸梭菌种子液，接种量为5％，进行厌氧发酵产氢；在碱性过氧化氢预处理8g杨木屑并进行酶解反应后接种丁酸梭菌得到的400mL厌氧发酵体系中，氢气的产量能达到621.48mL，氢气的转化率为77.68mLH2/g杨木屑；产气结果见图3。
对比例3、现有对杨木废料的生物处理、再碱预处理、最后发酵制氢方法
步骤1、首先将杨木废料进行初期处理，均匀粉碎后烘干至恒重；
步骤2、利用培养基将嗜热菌恢复培养得到嗜热菌种子液，利用嗜热菌种子液直接对杨木废料堆进行发酵产氢，发酵一段时间后，所剩发酵残渣为生物预处理杨木废料；
步骤3、将第二步的生物预处理废料与氢氧化钠溶液混合进行碱预处理；处理后的复合预处理杨木废料需添加酸性试剂调和碱性，使其pH值符合二次发酵产氢标准；
步骤4、将步骤3获得的复合预处理杨木废料再进行第二步发酵制备氢气，收集氢气；综合计算氢气的转化率约为65mLH2/g杨木屑，废弃尾液多，后续处理流程较长；
将实施例1和实施例2与对比例3进行对比分析，可知，本发明的一种利用预处理杨木厌氧发酵产氢的方法提供了一种厌氧发酵制备氢气过程中更为温和的预处理方法，同时本方法可缓解水资源利用，在处理环节中无需水洗步骤，所得产物溶液ph值呈中性、对环境无污染，达到既节水又减少废水排放污染的问题，同时为杨木加工剩余物的综合利用开辟了新的途径，也为厌氧发酵制备氢气提供了新的原料及技术选择。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种利用预处理杨木厌氧发酵产氢的方法，其特征在于，
所述方法包括以下步骤：
步骤1、杨木废料初处理；
步骤2、配制碱溶液，将杨木废料低温碱处理，获得碱处理浆料；
步骤3、在碱处理浆料中加入酸性缓冲液，加入酶进行酶解反应，获得酶解糖液；
步骤4、培养微生物种子液；
步骤5、在酶解糖液中加入微生物种子液进行厌氧发酵产氢。
2.如权利要求1所述一种利用预处理杨木厌氧发酵产氢的方法，其特征在于，
对于步骤1，所述杨木废料处理方式为物理粉碎并烘干至恒重。
3.如权利要求1所述一种利用预处理杨木厌氧发酵产氢的方法，其特征在于，
对于步骤2，所述碱溶液的配制原料为过氧化氢、氢氧化钠；所述杨木废料与碱溶液的比例为1:6～1:12；所述低温碱处理所需的时间为0～24小时；所述过氧化氢浓度为0.5％-2.0％；所述氢氧化钠浓度1.0％-3.0％；
所述碱溶液的配制原料中氢氧化钠可替换为氢氧化钾。
4.如权利要求1所述一种利用预处理杨木厌氧发酵产氢的方法，其特征在于，
对于步骤3，所述缓冲液为柠檬酸钠缓冲液、磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液、乙酸-乙酸钠缓冲液、磷酸盐缓冲液中的一种；所述酶为纤维素酶；所述酶的酶载量为30FPU/g葡聚糖：所述酶解反应需在震动培养箱中进行；所述酶解反应温度控制在40～60℃。
5.如权利要求1所述一种利用预处理杨木厌氧发酵产氢的方法，其特征在于，
对于步骤4，所述微生物种子液需使用培养基对微生物进行恢复培养；所述微生物选用产氢梭菌、嗜热产氢菌、瘤胃球菌、拟杆菌中的一种；所述培养基为改良PYG培养基；所述改良PYG培养基的成分及含量为葡萄糖5.0g/L，酪蛋白胨5.0g/L，蛋白胨5.0g/L，酵母提取物10.0g/L，牛肉提取物5.0g/L，K2HPO42.0g/L，吐温80 1.0mL/L，刃天青0.0001g/L，L-半胱氨酸0.5g/L，盐溶液40.0mL/L，氯化血红素溶液10.0mL/L，维生素K1溶液0.2mL/L，pH值为7.2；所述盐溶液中各有效组分含量的分别为CaCl2·2H2O 0.25g/L，MgSO4·7H2O 0.5g/L，K2HPO41.0g/L，KH2PO4 1.0g/L，NaHCO31.0g/L，NaCl 2.0g/L。
6.如权利要求1所述一种利用预处理杨木厌氧发酵产氢的方法，其特征在于，
对于步骤5，所述微生物种子液的接种量为4％～7％。
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