全 文 ：影响纤维素类物质厌氧发酵产氢因素的研究
张雪松 朱建良
(南京工业大学 制药与生命科学学院,南京 210009)
摘 要: 用预处理后的农作物水稻秸秆作为原料, 进行厌氧发酵产氢, 对产氢过程中的几种主要影响因素进
行了实验研究。结果表明,起始 pH 值和反应温度对厌氧发酵产氢结果均有显著影响。在起始 pH 值为 7, 温度
37e 时,可获得最大累计产氢量为 122. 1ml/ g, 在以玉米浆作为有机氮源的情况下, 最大累计产氢量为 141. 2 ml/ g。
关键词: 纤维素 生物质 厌氧发酵 生物制氢 活性污泥
Study on Effects of Anaerobic Fermentative Bio-hydrogen
Production with Cellulose Materials
Zhang Xuesong Zhu Jianliang
( Col l ege of L if e Sc ie nc e an d Pharmacy , Nanj in g Univ e rsi ty of T echnolog y , N anj ing 210009)
Abstract: Effects o f some major factor s of anaer obic ferment ative bio-hydro gen production w ith str aws by pre-
tr eatment. The results of the experiment show that the temperature and the init ial pH value had g reat effects on the
anaer obic bio-hydro gen product ion process. The optimal initial pH value was 7, and the optimal temperatur e w as
37e . A t the optimal conditions, the highest total hydro gen production of 122. 1ml/ g w as reached, and it r eached
141. 2 ml/ g w hen using byproducts of corn hydrolyzed as or ganic nitr og en.
Key words: Cellulose Biomass Anaerobic fermentative Biolog ical hydro gen product ion Digested sludge
1 引言
生物制氢技术作为一种新兴的制氢技术,它可以利用可再生的厌氧发酵微生物作为反应主体,利用包括
工农业废弃物在内的多种有机物作为基质产生氢气,耗能少,成本低廉,有巨大的应用前景和发展潜力[ 1] 。
在生物制氢研究领域,直 20世纪 90年代后期,人们才直接以厌氧活性污泥作为天然产氢微生物,以碳
水化合物为供氢体, 通过厌氧发酵成功制备出生物氢气[ 2~ 5] , 从而使生物制氢成本大大降低,并使生物制氢
技术在向实际应用转化方面有了实质性的进展。例如:赖俊吉教授以市政污泥作为产氢菌源,以蔗糖为供氢
体,通过厌氧发酵获得了氢气[ 2] ;任南琪等 [ 3]以厌氧活性污泥为菌种来源,以废糖蜜为原料, 采用两相厌氧反
应器制备出氢气,开创了利用非固定化菌种进行生物制氢的新途径。但迄今为止,生物制氢技术的整体研究
水平还处在研究阶段。
以经预处理过的废弃的农作物水稻秸秆作为原料,对厌氧发酵生物产氢过程在不同条件( pH 值、温度
等)下的产氢过程进行了试验研究,优化了产氢条件,为以后厌氧产氢的机理研究、高效产氢反应器的研制以
及日后的工业化利用提供了一定的依据。
2 材料与方法
2. 1 材料
2. 1. 1 水稻秸秆 取自江苏楚州。经测定该秸秆中灰份含量 14. 46% ,水份含量 11. 29%。
2. 1. 2 厌氧发酵产氢菌来源 取自纸板厂附近水沟污泥, 干重 5. 5克。
收稿日期: 2004-10-22
作者简介:张雪松( 1979- ) ,男(汉族) ,江苏淮安,硕士在读,生物工程 联系电话: 13851725672 E-mail: zy_zx s. student@ sina. com
朱建良( 1964-) ,男(汉族) ,江苏太仓,博士,教授,生物工程
生物技术通报
# 研究报告# BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2005年第 2期
2. 1. 3 恒温水浴锅、CX-260型气相色谱仪、GS-0. 5型反应釜及测控仪、精密电子天平、PHS-3C型酸度计。
图 1 产氢量随时间的变化
2. 2 实验方法
6. 0克粉碎后的水稻秸秆,经稀硫酸预处理后利用活性
污泥厌氧发酵产氢,研究不同的条件对产氢过程的影响。气
体组分用气相色谱法测定。产氢量用排饱和食盐水法计量。
为保证试验数据准确可靠, 每个试验均采用 3 个平行
样。因此试验数据均为多个平行样的平均值。
3 实验结果与分析
3. 1 起始 pH 值对厌氧产氢过程的影响
固定其他条件不变( 6克秸秆, 活性污泥 5. 5克, T=
37 e ) ,分别考察物料在 pH = 5、6、6. 5、7、8下的产氢情况。
pH 值对产氢影响很大, 保持一个中性或偏酸性的环境可以
形成厌氧发酵的产酸段,阻断了产甲烷阶段。在试验过程中
对反应产生的气体进行检测,结果表明 pH 在 7 以下时,没
有检测到甲烷,氢气含量均在90%左右,二氧化碳含量很少,
一般在 5%以下。pH= 8时,甲烷含量为 33. 49%,氢气含量
54. 88%。实验结果分别见图 1、图2、图 3和图 4。
从图1可以看出,在不同的起始 pH 值下, 厌氧产氢过
图 2 起始 pH对产氢延迟时间的影响
程具有相同的趋势,即均有一段时间的停滞期。不同的起始
pH值,产氢的延迟时间也各不相同。从图 2可以看到, 在本实
验中,产氢的延迟时间随着 pH 值的增加,先缩短后延长。从
pH 为 5时的14. 3小时缩短到 pH= 7时的 6. 3小时, pH 继续
增大到 pH= 8,延迟时间又增加到 7小时。随后产氢速率逐渐
增加,并且在一段时间内保持较高的产氢速率,最后产氢过程慢
慢停止。产氢的平均速率见图 3,从该图可以看出,随着 pH 的
增加,产氢的平均速率也是先增大后减小, pH= 7时达到最大,
为13. 87 ml/ h, pH 继续增大到 pH= 8,产氢的平均速率减小到
4. 08 ml/ h。最终产氢量见图 4, 产氢量在 pH= 7时达到最大,
为544ml。
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环境的 pH 值会影响到细胞膜所带的电荷,从而引起细胞对营养物质的吸收状况的变化; 同时, pH 值还可以
通过改变培养基中一些化合物的离子作用程度,来间接影响微生物的生长。虽然微生物能够生长的 pH 值
范围比较广泛, 但细胞内部的 pH 值却十分接近中性。同时胞内酶的最适 pH 值也十分接近中性,因此,细
胞内的中性环境是十分必须的 [ 6]。pH 值较低时,由于微生物控制 H + 进出细胞的能力有限,使得细胞内环
境较难控制在中性,抑制了细胞的活性。在本实验中, 以 NH4 Cl为无机氮源,由于 NH4 Cl的消耗, 体系的
pH 值会下降,同时发酵产生的一些有机酸等物质也会影响体系的 pH 值, 因此在实验中控制起始 pH 值为
7,可以达到较好的效果。
3. 2 温度对厌氧产氢过程的影响
固定其他条件不变( 6克秸秆,活性污泥 5. 5克, pH= 7) ,研究了在温度为 27 e 、32 e 、37 e 、42 e 、47 e
下的产氢情况。实验结果分别见图 5、图 6和图 7。
温度是另外一个比较重要的影响因素。产氢菌一般都是中温微生物,实验中研究了温度分别为 27 e 、
32 e 、37 e 、42 e 、47 e 时的产氢情况。研究结果表明(见图 5、图 6和图 7) ,随着温度的升高, 产氢延迟时间、
产氢量、产氢平均速率均先缩短或增大,达到峰值后, 温度再升, 则延长或降低。在 37 e 时,产氢量、产氢平
均速率均达到最大, 分别为 544ml, 13. 87 m l/ h,而在 42 e 时延迟时间最短,为 4. 3h。
微生物的生长一般都有一个最适温度,这个最适温度与产生某种代谢产物的最佳条件并不完全一致[ 7]。
在本实验中,产氢菌生长的最佳温度是 42 e ,但是由于发酵产氢过程是一个释放 A TP, 体系温度升高的过
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程,因此当体系的温度控制在 37 e 时,产氢能力最大。
3. 3 培养基的优化
本实验前面所用的培养基中, 氮源占了较大比例。为提高产氢效果,在前面的实验中同时添加了蛋白胨
作为有机氮源。在大规模的工业生产中以蛋白胨等蛋白质水解物作添加剂则显得较为昂贵,因此在这方面
作了一点研究。研究玉米浆为替代有机氮源, NH 4Cl为无机氮源,研究其对产氢过程的影响, 实验结果见图
8。从图 8可以看出, 玉米浆作为有机氮源也可以提高产氢量,当玉米浆浓度为 10m l/ L 时,产氢量为 629m l,
同时将产氢的延迟时间缩短到 5. 2小时。
4 结论
通过以上实验, 可以得到以下几点结论:
4. 1 起始 pH 值对利用经预处理的纤维素类物质厌氧发酵产氢影响很大, 在温度为 37 e 时,最佳起始 pH
值为 7。
4. 2 温度对其过程影响也较大,本实验中,发酵产氢的最合适温度为 37 e 。
4. 3 有机氮源的添加可以提高产氢能力。
4. 4 本实验中,最佳的发酵产氢条件是起始 pH 值为 7,温度 37 e ,玉米浆添加浓度为 10ml/ L ,此时产氢量
为 629ml。消除秸秆中灰份、水份的影响, 秸秆经预处理后厌氧发酵产氢的有效产量为 141. 2ml/ g。
参 考 文 献
1 左宜,左剑恶,张薇.环境科学与技术, 2004, 1: 97~ 99.
2 Lay JJ. Biotech nology and Bioengineerin g, 2000, 68( 30) : 269~ 277.
3 任南琪,王宝贞,马放.中国环境科学, 1995, 15( 6) : 401~ 406.
4 樊耀亭,李晨林,等.中国环境科学, 2002, 22( 4) : 370~ 374.
5 U en o Y, H aruta S, et al . Appl M icrobiol Biotechn ol . , 2001, 57: 555~ 562.
6 唐是雯.微生物学[ M ] .北京:中国轻工业出版社 1999
7 徐浩,等.工业微生物学基础及其应用[ M ] .北京:科学出版社 1991.
#国外动态 #
日利用生物技术育成低咖啡因咽啡树
Appropriate T echno logy 2003年 30卷 3期 11页报道:已知咖啡因可引起心悸、高血压和失眠。但目前
工业上使用的去咖啡因方法, 不仅代价高昂, 而且可影响咖啡风味。为此,科学家们一直试图培育一种低咖
啡因的咽啡树品种。
最近,日本奈良科学技术研究所的科学家,通过实验研究,已育成了一种转基因咖啡树。由于通过基因
工程减少了咖啡树中负责合成咖啡因的基因的活性,从而使其咖啡豆中咖啡因的含量减少了 70%。 汪开治
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