計(jì)新靜,李 濤,孫學(xué)習(xí),2,江振西,任保增

(1.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院 ,河南鄭州 450001;2.中州大學(xué)化工食品學(xué)院 ,河南鄭州 450044)

生物發(fā)酵制氫菌種富集優(yōu)化與產(chǎn)氫的關(guān)聯(lián)研究

計(jì)新靜1,李 濤1,孫學(xué)習(xí)1,2,江振西1,任保增1

(1.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院 ,河南鄭州 450001;2.中州大學(xué)化工食品學(xué)院 ,河南鄭州 450044)

本實(shí)驗(yàn)在不同溶液介質(zhì)中用加熱、曝氣及二者聯(lián)合并用的方法處理牛糞,富集厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫菌。以 4.4 g蔗糖為底物,用不同方法富集的產(chǎn)氫菌進(jìn)行厭氧發(fā)酵制氫,考察不同方法處理過(guò)的菌源的累積產(chǎn)氫量。結(jié)果表明在 0.25%NaOH溶液中加熱處理牛糞的效果最好,再與曝氣聯(lián)合富集優(yōu)化,能進(jìn)一步提高產(chǎn)氫量,累積產(chǎn)氫量為1345.5 mL,是直接曝氣富集菌源產(chǎn)氫量的 2.0倍,直接在水溶液加熱處理過(guò)的 1.8倍。而且經(jīng)過(guò)堿加熱處理過(guò)的菌源,最佳曝氣時(shí)間縮短至 30 min,為直接曝氣時(shí)間的 1/4,最佳發(fā)酵初始 pH值為 6.0～7.0。

生物制氫 ;厭氧發(fā)酵 ;牛 糞 ;產(chǎn)氫菌

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ),是人類文明的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展的制約條件。目前,石油、煤炭和天然氣等化石能源是人類主要利用的能源,但它們都是非可再生的,而且逐漸枯竭,能利用的時(shí)間越來(lái)越短[1]。尋求清潔的、可再生的能源是人類面臨的一項(xiàng)緊迫任務(wù)[2]。氫能,因其有儲(chǔ)運(yùn)性好、能量值高、清潔及應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是最具有吸引力的替代能源[3-4]。在諸多的制氫方法中,厭氧發(fā)酵制氫由于能解決有機(jī)廢物污染和能源短缺兩個(gè)難題[5],因而備受關(guān)注,并且取得了突破性進(jìn)展[6-7]。厭氧發(fā)酵制氫中,菌源的選擇非常重要。純菌種價(jià)格昂貴,且在不斷制氫過(guò)程中易發(fā)生變種,甚至被污染,制氫能力會(huì)逐漸下降。相比之下,混合菌種發(fā)酵制氫更具發(fā)展前景。牛糞堆肥易得,通過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚砗?可作為天然混合產(chǎn)氫菌源直接用于厭氧發(fā)酵制氫。但不同的預(yù)處理方法對(duì)產(chǎn)氫效果有重要影響,所以,尋求一種較佳從牛糞中富集產(chǎn)氫菌的預(yù)處理方法非常必要。目前,菌源富集的方法主要有酸、堿處理及加熱處理等。

本文在這些方法基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)預(yù)處理方法,并進(jìn)行產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn),得到了較佳結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

取自鄭州西郊奶牛養(yǎng)殖基地的牛糞堆肥,蔗糖,營(yíng)養(yǎng)液。

營(yíng)養(yǎng)液組成 (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,濃鹽酸。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器

250 mL發(fā)酵瓶,THZ-82B氣浴恒溫振蕩器, 6071型微電腦 pH計(jì),排水集氣裝置,FA2104N電子分析天秤,GC9900氣相色譜儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

牛糞通過(guò)曝氣,在不同溶液介質(zhì)中加熱煮沸預(yù)處理[8-9]。取不同方法預(yù)處理過(guò)的牛糞上清液200 mL加入到 250 mL發(fā)酵瓶中,加入 20 mL營(yíng)養(yǎng)液,各加 4.4 g蔗糖;然后通氮?dú)獬?密封后放入到氣浴振蕩箱中,37℃±1℃和 120 r/min條件下進(jìn)行培養(yǎng),間隔一定時(shí)間用自制排水集氣裝置收集。

2 結(jié)果與討論

2.1 菌源直接曝氣處理

取牛糞 500 g,加入 10 L水,攪拌均勻后,用空氣壓縮機(jī)通入空氣進(jìn)行強(qiáng)制曝氣,然后加入營(yíng)養(yǎng)液和蔗糖,搖床培養(yǎng),考察曝氣時(shí)間對(duì)蔗糖產(chǎn)氫效果的影響,結(jié)果如下頁(yè)圖 1所示。

圖 1 菌源曝氣時(shí)間對(duì)累積產(chǎn)氫量的影響

由圖 1可以看出,經(jīng)過(guò)曝氣處理后的菌源,對(duì)蔗糖模擬廢水表現(xiàn)出很好的產(chǎn)氫能力。隨著曝氣時(shí)間的增加,菌源的累積產(chǎn)氫量逐漸增大,從 20 min時(shí)的 366.5 mL上升到 120 min時(shí)的 648.0 mL,產(chǎn)氫量提高了76.83%;但隨著繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間,累積產(chǎn)氫量基本不再發(fā)生變化。這主要是因?yàn)?曝氣能夠除去菌源中的部分厭氧細(xì)菌,在進(jìn)行厭氧發(fā)酵制氫時(shí),產(chǎn)氫菌自身繁殖受到的限制就小,產(chǎn)氫量就會(huì)增多。隨著曝氣時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng),已經(jīng)不能有效殺死其它厭氧菌,所以產(chǎn)氫量基本不再變化。故直接強(qiáng)制曝氣最佳時(shí)間為 2 h,最大比產(chǎn)氫率為 147.3 mL/g。

2.2 菌源加熱處理

取在不同介質(zhì)加熱預(yù)處理過(guò)的牛糞上清液200 mL,調(diào)節(jié) pH值為 7.0,然后加入 4.4 g蔗糖和20 mL營(yíng)養(yǎng)液,經(jīng)過(guò)搖床培養(yǎng)后,考察加熱時(shí)間與累積產(chǎn)氫量的關(guān)系,如圖 2所示。

圖 2 加熱時(shí)間對(duì)累積產(chǎn)氫量的影響

由圖 2可知,對(duì)菌源進(jìn)行加熱處理能夠一定程度上提高累積產(chǎn)氫量。隨著加熱時(shí)間的增加,累積產(chǎn)氫量逐漸增大。

從圖 2可看到,在NaOH溶液中加熱對(duì)累積產(chǎn)氫量的提高最大,從 4 min時(shí)的 876.4 mL上升到 16 min時(shí)的 1 081.3 mL,累積產(chǎn)氫量提高了 23.38%。但隨著加熱時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng),產(chǎn)氫量出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)。菌源經(jīng)過(guò)后期分離培養(yǎng)及電鏡掃描[10],發(fā)現(xiàn)其與梭菌屬細(xì)菌相似。而梭菌屬細(xì)菌能在較惡劣的環(huán)境條件下存活,經(jīng)過(guò)酸、堿及NaNO2加熱處理,能殺死菌源中的非產(chǎn)氫細(xì)菌及產(chǎn)甲烷菌,產(chǎn)氫過(guò)程中有利于梭菌屬細(xì)菌自身繁殖,從而提高產(chǎn)氫量。

由此可知,采用堿液對(duì)菌源進(jìn)行處理,能夠得到較好產(chǎn)氫效果,加熱最佳時(shí)間為 14～18 min,最大比產(chǎn)氫率可達(dá) 245.8 mL/g。

2.3 菌源加熱和強(qiáng)制曝氣聯(lián)合處理

由上述知道,菌源加熱的最佳條件是在0.25%的NaOH溶液中加熱煮沸 14～18 min。把上述條件處理過(guò)的菌源,再進(jìn)行強(qiáng)制曝氣處理,考察二者聯(lián)合處理后對(duì)產(chǎn)氫量的影響,結(jié)果如圖 3所示。

圖 3 加熱處理曝氣時(shí)間對(duì)累積產(chǎn)氫量的影響

從圖3可以看出,經(jīng)過(guò)0.25%NaOH溶液加熱預(yù)處理后,強(qiáng)制對(duì)菌源曝氣,也能提高產(chǎn)氫量;而且較未經(jīng)過(guò)加熱預(yù)處理過(guò)的菌源,達(dá)到最大產(chǎn)氫量的時(shí)間大大縮小。

由圖 3可知,隨曝氣時(shí)間的延長(zhǎng),累積產(chǎn)氫量也逐漸增大,從 10 min時(shí) 1 278.3 mL上升到 30 min時(shí)的1 345.5 mL,累積產(chǎn)氫量提高了 5.3%。但是,曝氣時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng),累積產(chǎn)氫量基本不變,說(shuō)明經(jīng)過(guò)NaOH預(yù)處理過(guò)的菌源,曝氣最佳時(shí)間為 30 min,最大比產(chǎn)氫率達(dá)到 305.8 mL/g。

2.4 初始 pH值對(duì)產(chǎn)氫的影響

由前面的實(shí)驗(yàn)得知先用 NaOH溶液加熱處理,并經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的曝氣,能大大提高產(chǎn)氫效果。由于初始 pH值對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氫的影響很大,不同的初始pH值會(huì)影響發(fā)酵產(chǎn)氫菌的生理活性,進(jìn)而影響產(chǎn)氫的效果,所以研究初始 pH值對(duì)累積產(chǎn)氫量的影響,以確定在此處理下最佳初始 pH值。

把經(jīng)過(guò)NaOH加熱和曝氣聯(lián)合處理過(guò)的菌源,把初始 pH值分別調(diào)為 4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0和 10.0,按實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫,結(jié)果如圖 4所示。

圖 4 初始 pH值對(duì)累積產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫持續(xù)時(shí)間的影響

pH值的改變對(duì)微生物的細(xì)胞影響很大,環(huán)境中的 pH值如果超過(guò)了微生物能耐受的限制度時(shí),微生物將會(huì)死亡。在加熱處理中,由于環(huán)境溫度不適合梭菌屬細(xì)菌自身繁殖,其處于休眠狀態(tài),受 pH值的影響較小。由于產(chǎn)氫細(xì)菌最佳溫度為 35℃左右,環(huán)境達(dá)到此溫度時(shí),產(chǎn)氫菌開(kāi)始繁殖,對(duì)于梭菌屬細(xì)菌最佳 pH值為 5.0～7.0[11],與 pH值在 6.0～7.0產(chǎn)氫量最大一致。

由圖 4可以看出,隨 pH值的升高,累積產(chǎn)氫量逐漸增加,在 pH值 6.0時(shí),累積產(chǎn)氫量達(dá)到了最大1 349.3 mL;隨 pH為值的繼續(xù)升高,累積產(chǎn)氫量出現(xiàn)下降趨勢(shì)。持續(xù)產(chǎn)氫時(shí)間隨基本上是隨 pH值的升高而增加,但 pH值在 6.0～8.0時(shí),持續(xù)產(chǎn)氫時(shí)間維持不變。所以,綜合考慮產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫持續(xù)時(shí)間,初始 pH值在 6.0～7.0時(shí),對(duì)產(chǎn)氫最有利。

3 結(jié)論

對(duì)牛糞直接強(qiáng)制曝氣和加熱煮沸,都能提高的產(chǎn)氫量。直接加熱牛糞富集產(chǎn)氫菌時(shí),在堿液中加熱煮沸預(yù)處理菌源的產(chǎn)氫效果最好,而且如果再與曝氣聯(lián)合處理牛糞,能得到更佳的產(chǎn)氫效果;從牛糞中富集產(chǎn)氫菌的最佳條件是,在 0.25%NaOH溶液中加熱煮沸 14～18 min,然后強(qiáng)制曝氣 30 min,最佳發(fā)酵初始 pH值為 6.0～7.0;在實(shí)驗(yàn)得到的最適宜預(yù)處理?xiàng)l件下,進(jìn)行產(chǎn)氫發(fā)酵實(shí)驗(yàn),得到的最大的比產(chǎn)氫率為 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,王亞楠,王長(zhǎng)云,等.生物制氫 -能源、資源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展策略[J].中國(guó)生物工程雜志, 2007,27(2)：119-125.

[3] 王毅波.21世紀(jì)理想的能源——?dú)淠躘J].能源研究與信息,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,楊 濤,韓 靜,等.厭氧發(fā)酵生物制氫的研究進(jìn)展及應(yīng)用前景 [J].農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境科學(xué),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] 孫學(xué)習(xí),李 濤,任保增,等.玉米秸稈生物產(chǎn)氫菌的分離培養(yǎng)及鑒定研究 [J].現(xiàn)代化工,2009,29(1)：312-313.

[11] 任南琪,王愛(ài)杰,馬 放.產(chǎn)酸發(fā)酵微生物生理生態(tài)學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,2005.

TQ116.29

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1003-3467(2010)16-0031-03

2010-07-21

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(973計(jì)劃)(2005CB214500,2006CB708407)

計(jì)新靜(1985-),男,在讀碩士研究生;聯(lián)系人：任保增,電話：(0371)67781223。