PDF《磷酸盐和碳酸盐对秸秆类生物质光发酵产氢的影响》

第33 卷第13 期农业工程学报Vol.

33 No.13

2017 年7月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jul.

2017 251 磷酸盐和碳酸盐对秸秆类生物质光发酵产氢的影响 张全国 1,2 ,刘会亮

1 ,胡建军

1 ,周雪花

2 , 荆艳艳

2 ,王毅1,张 甜1,张志萍

1 (1.河南农业大学农业部可再生能源新材料与装备重点实验室,郑州 450002;

2. 生物质能源河南省协同创新中心,郑州 450002) 摘要:为研究磷酸盐和碳酸盐对光发酵产氢过程的影响,该文主要以酶解预处理后的玉米秸秆为产氢基质,对不同浓 度的磷酸盐(K2HPO4)和碳酸盐(NaHCO3)下的氢气产量、pH 值、ORP 值和产氢动力学结果进行分析.结果表明,当K2HPO4 的浓度为

10 mmol/L 时,氢气产量为(40.65±0.35)mL/g,比对照组显著提高了 28.48%,对光发酵产氢的促进效 果最好;

终pH 值为 6.37±0.02,显著高于对照组的 6.06±0.03,能够有效缓冲反应体系的 pH 值.不同 K2HPO4 浓度下的 产氢动力学特性结果表明,适当的 K2HPO4 浓度提高了最大产氢潜能和最大产氢速率,缩短了产氢延迟时间,当K2HPO4 的浓度为

10 mmol/L 时, 最大产氢潜能最大, 和最大产氢速率较大, 产氢延迟时间较短, 分别是 40.81 mL/g、 1.87 mL/(h・g) 和2.85 h.当NaHCO3 浓度为

5 mmol/L 时,氢气产量为(37.46±1.40)mL/g,比对照组显著提高了 18.39%,对光发酵产 氢的促进效果最好;

终pH 值为 6.26±0.04,显著高于对照组的 6.06±0.03,能够有效缓冲反应体系的 pH 值.不同 NaHCO3 浓度下的产氢动力学结果表明,适当的 NaHCO3 浓度能够提高最大产氢潜能和最大产氢速率,但却会延迟光合细菌的产 氢,当NaHCO3 浓度为

5 mmol/L 时,最大产氢潜能和最大产氢速率最大,产氢延迟时间相对较短,分别是 37.26 mL/g、 1.92 mL/(h・g)和5.11 h.该研究可为秸秆类生物质光发酵生物制氢工艺提供参考. 关键词:秸秆;

氢气;

发酵;

磷酸盐;

碳酸盐;

光合细菌;

生物制氢 doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.13.033 中图分类号:TK6;

TK91 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2017)-13-0251-07 张全国,刘会亮,胡建军,周雪花,荆艳艳,王毅,张甜,张志萍. 磷酸盐和碳酸盐对秸秆类生物质光发酵产氢的 影响[J]. 农业工程学报, 2017, 33(13): 251-257. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.13.033 http://www.tcsae.org Zhang Quanguo, Liu Huiliang, Hu Jianjun, Zhou Xuehua, Jing Yanyan, Wang Yi, Zhang Tian, Zhang Zhiping. Effects of phosphate and carbonate on photo-fermentative hydrogen production of biomass straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(13): 251-257. (in Chinese with English abstract) doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.13.033 http://www.tcsae.org

0 引言开发利用清洁的可再生能源是当今科学研究的热 点,氢能因其高能量密度、燃烧产物无污染等优点被认 为是 最有前景的清洁能源 [1-2] .在众多制氢方法中, 绿色、低成本的微生物发酵制氢技术受到了越来越多的 关注和重视.目前,针对微生物发酵制氢的研究主要集 中在厌氧暗发酵制氢和光合生物制氢两方面.而光合生 物制氢由于具有可利用底物原料广并且底物利用率比较 彻底的优势成为国内外制氢技术的一个主要研究方向[3] . 中国农业废弃物资源丰富,利用秸秆类生物质制取氢气 是集农村清洁可再生能源及资源循环利用为一体的绿色 新技术[4-5] . 收稿日期:2017-03-16 修订日期:2017-05-19 基金项目:国家自然科学基金项目(51676065) ;

国家自然科学基金联合基 金(U1504509) ;

教育部博士点基金新能源优先领域项目 (20134105130001) 作者简介:张全国,男,博士,教授、博士生导师,主要从事可再生能源工 程方面的研究. 郑州 河南农业大学农业部可再生能源新材料与装备重点实 验室,450002.Email:[email protected] 通信作者:张志萍,女,博士,主要从事可再生能源工程领域的研究.郑州河南农业大学农业部可再生能源新材料与装备重点实验室,450002. Email:[email protected] 碳酸盐和磷酸盐等在微生物发酵制氢系统中可以作 为营养和缓冲能力的补充,而后者所提供的磷元素也是 微生物生长所必需的元素之一.关于碳酸盐和磷酸盐对 微生物发酵制氢的研究主要集中在厌氧细菌暗发酵产氢 方面, 如李永峰等[6] 发现 K2HPO4 对Biobydrogenbacterium R3 sp.nov.的生长及产氢效能有促进作用, 对培养基的 pH 值有良好的维持作用, 当K2HPO4 质量浓度为 1.5 g/L 时, Biobydrogenbacterium R3 sp.nov.的生物气体产量、 氢气产 量以及比产氢率都达到最大,分别是

4 960 mL/L、

2 107.5 mL/L 和1.93 mol/mol(底物为葡萄糖);

Lin 等[7] 发现碳酸盐和磷酸盐溶液对厌氧细菌发酵制氢的氢气产 量有较大影响,当Na2HPO4 质量浓度为

600 mg/L 时,混 合菌种的产氢率提高了 1.9 倍, 磷酸盐在氢气含量及产氢 速率方面较碳酸盐更具优势;

王家卓等[8] 研究发现当 NaHCO3 质量浓度为

4 g/L 时,每1mol 葡萄糖的产氢量 最大,最大值为 1.68 mol /mol(底物为葡萄糖),与不加 NaHCO3 作为产氢体系的缓冲物质时相比, 产氢量提高了 282%;

Xu 等[9] 发现反应体系磷酸盐的浓度能显著影响 E.harbinenseB49 的生长和产氢,当磷酸盐浓度为50 mmol/L,最大产氢潜能最大,为108.54 mmol/L.而在 光合生物制氢中,关于碳源、氮源、温度和初始 pH 值等 农业工程学报(http://www.tcsae.org)

2017 年252 因素对光合生物制氢的影响已有研究[10] ,但是关于磷酸 盐和碳酸盐对光合细菌发酵产氢影响的研究却较少,因 此本文选择以酶解预处理后的玉米秸秆为底物,研究磷 酸盐和碳酸盐对光合细菌发酵制氢的影响规律,旨在为 秸秆类生物质光发酵生物制氢工艺理论的进一步完善提 供科学参考.

1 材料与方法 1.1 菌株 试验所用菌种为河南农业大学农业部农村可再生能 源新材料与装备重点实验室提供的 HAU-M1 光合细菌菌 群,由深红红螺菌(Rhodospirillumrubrum)27%、荚膜 红假单胞菌(rhodopseudomonascapsulata)25%、沼泽红 假单胞菌(Rhodopseudomonaspalustris)28%、类球红细 菌(Rhodobactersphaeroides ) 9% 、 荚膜红细菌(Rhodobactercapsulatus)11%等组成[11] . 生长培养基[12] :NH4Cl:0.5 g/L,NaHCO3:1 g/L, K2HPO4:0.1 g/L,CH3COONa:2 g/L,MgSO4:0.1 g/L, NaCl:1.0 g/L,酵母膏 0.5 g/L. 产氢培养基[12] :NH4Cl:0.4 g/L,MgCl2:0.2 g/L, K2HPO4:0.5 g/L,NaCl:2 g/L,谷氨酸钠 3.56 g/L,酵 母膏 0.1 g/L. 利用 Logistic 模型对 HAU-M1 光合细菌群生长情况 进行回归模拟,得到细菌生长曲线,如图

1 所示.其相 关系数 R 是0.9906,说明拟合效果很好.因为菌种的生 长过程通常包括延滞期、对数期、稳定期和衰亡期[13-15] , 而处于对数生长期的光合细菌活性强,细胞质量浓度大, 因此,本文选择培养

48 h 的HAU-M1 光合细菌群进行产 氢试验. 图1HAU-M1 光合细菌生长特性曲线 Fig.1 Growth curve of HAU-M1 photosynthetic bacteria 1.2 原料试验所用产氢原料为取自郑州市惠济区河南农大科 教园区试验田中的玉米秸秆(河南农业大学农学院提供 的玉米自交系昌 7),自然风干后粉碎,经60 目(0.3 mm) 分样筛过筛后即为试样,密封储存备用.试验所用碳酸 盐和磷酸盐皆为分析纯.试验所用纤维素酶(1,4-β-D-葡 聚糖葡糖苷水解酶)购自上海源叶科技有限公司,酶活 50U.用改良的王玉万法[16] 和能谱仪 Energy Disperse Spectroscopy(EDS)[17] 分别测得其组成成分的质量分数 如表

1 所示. 表1玉米秸秆试样的组成成分 Table

1 Composition of corn straw samples 组成成分 Component 纤维素 Cellulose 半纤维素 Hemicellulose 木质素 Lignin C O N P K S 质量分数 Mass fraction/% 38.53 22.79 10.73 63.54 30.78 2.40 0.16 2.94 0.18 1.3 试验方法 1.3.1 玉米秸秆的酶解 取玉米秸秆试样

5 g,置于

150 mL 洗净烘干的锥形 瓶中, 向瓶中加入

100 mL 酸碱度为 pH 值=4.8 的柠檬酸- 柠檬酸钠缓冲液[18] ,在50 ℃水浴锅中水浴保温

30 min, 取出.按酶负荷

150 mg/g(以秸秆干质量计)加入纤维 素酶,振荡使充分溶解,用封口纸密封,放入

50 ℃,

150 r/min 的恒温振荡器中酶解

48 h[19] . 1.3.2 光发酵产氢试验方法 向玉米秸秆酶解液中加入产氢培养基后调节反应液 酸碱度, pH 值为 7.0±0.1, 按体积分数 20%的比例接入生 长48 h 的HAU-M1 光合细菌菌群(细菌质量浓度为 1.2 g/L)到反应器中,接着加入碳酸盐和磷酸盐,然后将 反应器放在温度为

30 ℃,光照强度

2 000 lx[20] (光源为 白炽灯)的光发酵产氢试验装置内进行产氢试验(试验 装置见图 2,反应器有效容积为

200 mL). 1.恒温箱 2.制氢反应........