生物发酵制氢菌种富集优化与产氢的关联研究

计新静,李 涛,孙学习,2,江振西,任保增

(1.郑州大学化工与能源学院 ,河南郑州 450001;2.中州大学化工食品学院 ,河南郑州 450044)

生物发酵制氢菌种富集优化与产氢的关联研究

计新静1,李 涛1,孙学习1,2,江振西1,任保增1

(1.郑州大学化工与能源学院 ,河南郑州 450001;2.中州大学化工食品学院 ,河南郑州 450044)

本实验在不同溶液介质中用加热、曝气及二者联合并用的方法处理牛粪,富集厌氧发酵产氢菌。以 4.4 g蔗糖为底物,用不同方法富集的产氢菌进行厌氧发酵制氢,考察不同方法处理过的菌源的累积产氢量。结果表明在 0.25%NaOH溶液中加热处理牛粪的效果最好,再与曝气联合富集优化,能进一步提高产氢量,累积产氢量为1345.5 mL,是直接曝气富集菌源产氢量的 2.0倍,直接在水溶液加热处理过的 1.8倍。而且经过碱加热处理过的菌源,最佳曝气时间缩短至 30 min,为直接曝气时间的 1/4,最佳发酵初始 pH值为 6.0～7.0。

生物制氢 ;厌氧发酵 ;牛 粪 ;产氢菌

能源是人类赖以生存和发展的基础,是人类文明的进步与经济的发展的制约条件。目前,石油、煤炭和天然气等化石能源是人类主要利用的能源,但它们都是非可再生的,而且逐渐枯竭,能利用的时间越来越短[1]。寻求清洁的、可再生的能源是人类面临的一项紧迫任务[2]。氢能,因其有储运性好、能量值高、清洁及应用范围广等优点,被认为是最具有吸引力的替代能源[3-4]。在诸多的制氢方法中,厌氧发酵制氢由于能解决有机废物污染和能源短缺两个难题[5],因而备受关注,并且取得了突破性进展[6-7]。厌氧发酵制氢中,菌源的选择非常重要。纯菌种价格昂贵,且在不断制氢过程中易发生变种,甚至被污染,制氢能力会逐渐下降。相比之下,混合菌种发酵制氢更具发展前景。牛粪堆肥易得,通过适当的处理后,可作为天然混合产氢菌源直接用于厌氧发酵制氢。但不同的预处理方法对产氢效果有重要影响,所以,寻求一种较佳从牛粪中富集产氢菌的预处理方法非常必要。目前,菌源富集的方法主要有酸、碱处理及加热处理等。

本文在这些方法基础上进一步改进预处理方法,并进行产氢实验,得到了较佳结果。

1 实验材料和方法

1.1 实验原料

取自郑州西郊奶牛养殖基地的牛粪堆肥,蔗糖,营养液。

营养液组成 (g/L)：NH4HCO32.0 g;KH2PO41.0 g;MgSO4·7H2O 100 mg;Na2MoO4·2H2O 10 mg;NaCl 10 mg;CaCl2·2H2O 10 mg;MnSO4·7H2O 15 mg;FeCl22.78 mg。NaOH,浓盐酸。

1.2 实验设备及仪器

250 mL发酵瓶,THZ-82B气浴恒温振荡器, 6071型微电脑 pH计,排水集气装置,FA2104N电子分析天秤,GC9900气相色谱仪。

1.3 实验方法

牛粪通过曝气,在不同溶液介质中加热煮沸预处理[8-9]。取不同方法预处理过的牛粪上清液200 mL加入到 250 mL发酵瓶中,加入 20 mL营养液,各加 4.4 g蔗糖;然后通氮气除氧,密封后放入到气浴振荡箱中,37℃±1℃和 120 r/min条件下进行培养,间隔一定时间用自制排水集气装置收集。

2 结果与讨论

2.1 菌源直接曝气处理

取牛粪 500 g,加入 10 L水,搅拌均匀后,用空气压缩机通入空气进行强制曝气,然后加入营养液和蔗糖,摇床培养,考察曝气时间对蔗糖产氢效果的影响,结果如下页图 1所示。

图 1 菌源曝气时间对累积产氢量的影响

由图 1可以看出,经过曝气处理后的菌源,对蔗糖模拟废水表现出很好的产氢能力。随着曝气时间的增加,菌源的累积产氢量逐渐增大,从 20 min时的 366.5 mL上升到 120 min时的 648.0 mL,产氢量提高了76.83%;但随着继续延长时间,累积产氢量基本不再发生变化。这主要是因为,曝气能够除去菌源中的部分厌氧细菌,在进行厌氧发酵制氢时,产氢菌自身繁殖受到的限制就小,产氢量就会增多。随着曝气时间的继续延长,已经不能有效杀死其它厌氧菌,所以产氢量基本不再变化。故直接强制曝气最佳时间为 2 h,最大比产氢率为 147.3 mL/g。

2.2 菌源加热处理

取在不同介质加热预处理过的牛粪上清液200 mL,调节 pH值为 7.0,然后加入 4.4 g蔗糖和20 mL营养液,经过摇床培养后,考察加热时间与累积产氢量的关系,如图 2所示。

图 2 加热时间对累积产氢量的影响

由图 2可知,对菌源进行加热处理能够一定程度上提高累积产氢量。随着加热时间的增加,累积产氢量逐渐增大。

从图 2可看到,在NaOH溶液中加热对累积产氢量的提高最大,从 4 min时的 876.4 mL上升到 16 min时的 1 081.3 mL,累积产氢量提高了 23.38%。但随着加热时间的继续延长,产氢量出现了下降的趋势。菌源经过后期分离培养及电镜扫描[10],发现其与梭菌属细菌相似。而梭菌属细菌能在较恶劣的环境条件下存活,经过酸、碱及NaNO2加热处理,能杀死菌源中的非产氢细菌及产甲烷菌,产氢过程中有利于梭菌属细菌自身繁殖,从而提高产氢量。

由此可知,采用碱液对菌源进行处理,能够得到较好产氢效果,加热最佳时间为 14～18 min,最大比产氢率可达 245.8 mL/g。

2.3 菌源加热和强制曝气联合处理

由上述知道,菌源加热的最佳条件是在0.25%的NaOH溶液中加热煮沸 14～18 min。把上述条件处理过的菌源,再进行强制曝气处理,考察二者联合处理后对产氢量的影响,结果如图 3所示。

图 3 加热处理曝气时间对累积产氢量的影响

从图3可以看出,经过0.25%NaOH溶液加热预处理后,强制对菌源曝气,也能提高产氢量;而且较未经过加热预处理过的菌源,达到最大产氢量的时间大大缩小。

由图 3可知,随曝气时间的延长,累积产氢量也逐渐增大,从 10 min时 1 278.3 mL上升到 30 min时的1 345.5 mL,累积产氢量提高了 5.3%。但是,曝气时间的继续延长,累积产氢量基本不变,说明经过NaOH预处理过的菌源,曝气最佳时间为 30 min,最大比产氢率达到 305.8 mL/g。

2.4 初始 pH值对产氢的影响

由前面的实验得知先用 NaOH溶液加热处理,并经过一定时间的曝气,能大大提高产氢效果。由于初始 pH值对发酵产氢的影响很大,不同的初始pH值会影响发酵产氢菌的生理活性,进而影响产氢的效果,所以研究初始 pH值对累积产氢量的影响,以确定在此处理下最佳初始 pH值。

把经过NaOH加热和曝气联合处理过的菌源,把初始 pH值分别调为 4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0和 10.0,按实验方法进行发酵产氢,结果如图 4所示。

图 4 初始 pH值对累积产氢量和产氢持续时间的影响

pH值的改变对微生物的细胞影响很大,环境中的 pH值如果超过了微生物能耐受的限制度时,微生物将会死亡。在加热处理中,由于环境温度不适合梭菌属细菌自身繁殖,其处于休眠状态,受 pH值的影响较小。由于产氢细菌最佳温度为 35℃左右,环境达到此温度时,产氢菌开始繁殖,对于梭菌属细菌最佳 pH值为 5.0～7.0[11],与 pH值在 6.0～7.0产氢量最大一致。

由图 4可以看出,随 pH值的升高,累积产氢量逐渐增加,在 pH值 6.0时,累积产氢量达到了最大1 349.3 mL;随 pH为值的继续升高,累积产氢量出现下降趋势。持续产氢时间随基本上是随 pH值的升高而增加,但 pH值在 6.0～8.0时,持续产氢时间维持不变。所以,综合考虑产氢量和产氢持续时间,初始 pH值在 6.0～7.0时,对产氢最有利。

3 结论

对牛粪直接强制曝气和加热煮沸,都能提高的产氢量。直接加热牛粪富集产氢菌时,在碱液中加热煮沸预处理菌源的产氢效果最好,而且如果再与曝气联合处理牛粪,能得到更佳的产氢效果;从牛粪中富集产氢菌的最佳条件是,在 0.25%NaOH溶液中加热煮沸 14～18 min,然后强制曝气 30 min,最佳发酵初始 pH值为 6.0～7.0;在实验得到的最适宜预处理条件下,进行产氢发酵实验,得到的最大的比产氢率为 305.8 mL/g。

[1] Melis A,Green alga.hydrogen production：process,challenges and prospects[J].International Journal of Hydrogen Energy,2002,27：1217-1228.

[2] 傅秀梅,王亚楠,王长云,等.生物制氢 -能源、资源、环境与经济可持续发展策略[J].中国生物工程杂志, 2007,27(2)：119-125.

[3] 王毅波.21世纪理想的能源——氢能[J].能源研究与信息,2003,19(2)：63-68.

[4] MomirlanM,Veziroglu TN.The properties of hydrogen as fuel tomorrow in sustainable energy system for a cleaner planet[J].Int J Hydrogen Energy,2005,30：795-802.

[5] 王 娜,杨 涛,韩 静,等.厌氧发酵生物制氢的研究进展及应用前景 [J].农业资源与环境科学,2008, 24(7)：454-456.

[6] JUN Zhu,X IAO Wu,CURTIS Miller,et al.Bilhydrogen production through fermentation using liquid swine manure as substrate[J].Journal of Environmental Science and Health PartB,2007,45：393-401.

[7] Tatauya Noike,Hiroo Takabatake,Osamu Mizuno.Inhibition of hydrogen fermentation of organic wastes by lactic acid bacteria[J].International Journal of Hydrogen Energy,2002,27：1367-1371.

[8] Mohan S V,Babu V L,Sarma P N.Effect of various pretreatment methods on anaerobic mixed microflora to enhance biohydrogen production utilizing dairywastewater as substrate[J].Bioresour Technol,2008,99：59-67.

[9] Mu Y,Yu H Q,Wang G.Evaluation of three methods for enriching H2-producing seeds from digested wastewater sludge[J].Int J Tech,2007,40：947-953.

[10] 孙学习,李 涛,任保增,等.玉米秸秆生物产氢菌的分离培养及鉴定研究 [J].现代化工,2009,29(1)：312-313.

[11] 任南琪,王爱杰,马 放.产酸发酵微生物生理生态学[M].北京：科学出版社,2005.

TQ116.29

A

1003-3467(2010)16-0031-03

2010-07-21

国家重点基础研究发展计划项目(973计划)(2005CB214500,2006CB708407)

计新静(1985-),男,在读硕士研究生;联系人：任保增,电话：(0371)67781223。