生物發酵制氫菌種富集優化與產氫的關聯研究

計新靜,李 濤,孫學習,2,江振西,任保增

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

生物發酵制氫菌種富集優化與產氫的關聯研究

計新靜1,李 濤1,孫學習1,2,江振西1,任保增1

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

本實驗在不同溶液介質中用加熱、曝氣及二者聯合并用的方法處理牛糞,富集厭氧發酵產氫菌。以 4.4 g蔗糖為底物,用不同方法富集的產氫菌進行厭氧發酵制氫,考察不同方法處理過的菌源的累積產氫量。結果表明在 0.25%NaOH溶液中加熱處理牛糞的效果最好,再與曝氣聯合富集優化,能進一步提高產氫量,累積產氫量為1345.5 mL,是直接曝氣富集菌源產氫量的 2.0倍,直接在水溶液加熱處理過的 1.8倍。而且經過堿加熱處理過的菌源,最佳曝氣時間縮短至 30 min,為直接曝氣時間的 1/4,最佳發酵初始 pH值為 6.0～7.0。

生物制氫 ;厭氧發酵 ;牛 糞 ;產氫菌

能源是人類賴以生存和發展的基礎,是人類文明的進步與經濟的發展的制約條件。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,能利用的時間越來越短[1]。尋求清潔的、可再生的能源是人類面臨的一項緊迫任務[2]。氫能,因其有儲運性好、能量值高、清潔及應用范圍廣等優點,被認為是最具有吸引力的替代能源[3-4]。在諸多的制氫方法中,厭氧發酵制氫由于能解決有機廢物污染和能源短缺兩個難題[5],因而備受關注,并且取得了突破性進展[6-7]。厭氧發酵制氫中,菌源的選擇非常重要。純菌種價格昂貴,且在不斷制氫過程中易發生變種,甚至被污染,制氫能力會逐漸下降。相比之下,混合菌種發酵制氫更具發展前景。牛糞堆肥易得,通過適當的處理后,可作為天然混合產氫菌源直接用于厭氧發酵制氫。但不同的預處理方法對產氫效果有重要影響,所以,尋求一種較佳從牛糞中富集產氫菌的預處理方法非常必要。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上進一步改進預處理方法,并進行產氫實驗,得到了較佳結果。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗原料

取自鄭州西郊奶牛養殖基地的牛糞堆肥,蔗糖,營養液。

營養液組成 (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 實驗設備及儀器

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

1.3 實驗方法

牛糞通過曝氣,在不同溶液介質中加熱煮沸預處理[8-9]。取不同方法預處理過的牛糞上清液200 mL加入到 250 mL發酵瓶中,加入 20 mL營養液,各加 4.4 g蔗糖;然后通氮氣除氧,密封后放入到氣浴振蕩箱中,37℃±1℃和 120 r/min條件下進行培養,間隔一定時間用自制排水集氣裝置收集。

2 結果與討論

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,用空氣壓縮機通入空氣進行強制曝氣,然后加入營養液和蔗糖,搖床培養,考察曝氣時間對蔗糖產氫效果的影響,結果如下頁圖 1所示。

圖 1 菌源曝氣時間對累積產氫量的影響

由圖 1可以看出,經過曝氣處理后的菌源,對蔗糖模擬廢水表現出很好的產氫能力。隨著曝氣時間的增加,菌源的累積產氫量逐漸增大,從 20 min時的 366.5 mL上升到 120 min時的 648.0 mL,產氫量提高了76.83%;但隨著繼續延長時間,累積產氫量基本不再發生變化。這主要是因為,曝氣能夠除去菌源中的部分厭氧細菌,在進行厭氧發酵制氫時,產氫菌自身繁殖受到的限制就小,產氫量就會增多。隨著曝氣時間的繼續延長,已經不能有效殺死其它厭氧菌,所以產氫量基本不再變化。故直接強制曝氣最佳時間為 2 h,最大比產氫率為 147.3 mL/g。

2.2 菌源加熱處理

取在不同介質加熱預處理過的牛糞上清液200 mL,調節 pH值為 7.0,然后加入 4.4 g蔗糖和20 mL營養液,經過搖床培養后,考察加熱時間與累積產氫量的關系,如圖 2所示。

圖 2 加熱時間對累積產氫量的影響

由圖 2可知,對菌源進行加熱處理能夠一定程度上提高累積產氫量。隨著加熱時間的增加,累積產氫量逐漸增大。

從圖 2可看到,在NaOH溶液中加熱對累積產氫量的提高最大,從 4 min時的 876.4 mL上升到 16 min時的 1 081.3 mL,累積產氫量提高了 23.38%。但隨著加熱時間的繼續延長,產氫量出現了下降的趨勢。菌源經過后期分離培養及電鏡掃描[10],發現其與梭菌屬細菌相似。而梭菌屬細菌能在較惡劣的環境條件下存活,經過酸、堿及NaNO2加熱處理,能殺死菌源中的非產氫細菌及產甲烷菌,產氫過程中有利于梭菌屬細菌自身繁殖,從而提高產氫量。

由此可知,采用堿液對菌源進行處理,能夠得到較好產氫效果,加熱最佳時間為 14～18 min,最大比產氫率可達 245.8 mL/g。

2.3 菌源加熱和強制曝氣聯合處理

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。把上述條件處理過的菌源,再進行強制曝氣處理,考察二者聯合處理后對產氫量的影響,結果如圖 3所示。

圖 3 加熱處理曝氣時間對累積產氫量的影響

從圖3可以看出,經過0.25%NaOH溶液加熱預處理后,強制對菌源曝氣,也能提高產氫量;而且較未經過加熱預處理過的菌源,達到最大產氫量的時間大大縮小。

由圖 3可知,隨曝氣時間的延長,累積產氫量也逐漸增大,從 10 min時 1 278.3 mL上升到 30 min時的1 345.5 mL,累積產氫量提高了 5.3%。但是,曝氣時間的繼續延長,累積產氫量基本不變,說明經過NaOH預處理過的菌源,曝氣最佳時間為 30 min,最大比產氫率達到 305.8 mL/g。

2.4 初始 pH值對產氫的影響

由前面的實驗得知先用 NaOH溶液加熱處理,并經過一定時間的曝氣,能大大提高產氫效果。由于初始 pH值對發酵產氫的影響很大,不同的初始pH值會影響發酵產氫菌的生理活性,進而影響產氫的效果,所以研究初始 pH值對累積產氫量的影響,以確定在此處理下最佳初始 pH值。

把經過NaOH加熱和曝氣聯合處理過的菌源,把初始 pH值分別調為 4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0和 10.0,按實驗方法進行發酵產氫,結果如圖 4所示。

圖 4 初始 pH值對累積產氫量和產氫持續時間的影響

pH值的改變對微生物的細胞影響很大,環境中的 pH值如果超過了微生物能耐受的限制度時,微生物將會死亡。在加熱處理中,由于環境溫度不適合梭菌屬細菌自身繁殖,其處于休眠狀態,受 pH值的影響較小。由于產氫細菌最佳溫度為 35℃左右,環境達到此溫度時,產氫菌開始繁殖,對于梭菌屬細菌最佳 pH值為 5.0～7.0[11],與 pH值在 6.0～7.0產氫量最大一致。

由圖 4可以看出,隨 pH值的升高,累積產氫量逐漸增加,在 pH值 6.0時,累積產氫量達到了最大1 349.3 mL;隨 pH為值的繼續升高,累積產氫量出現下降趨勢。持續產氫時間隨基本上是隨 pH值的升高而增加,但 pH值在 6.0～8.0時,持續產氫時間維持不變。所以,綜合考慮產氫量和產氫持續時間,初始 pH值在 6.0～7.0時,對產氫最有利。

3 結論

對牛糞直接強制曝氣和加熱煮沸,都能提高的產氫量。直接加熱牛糞富集產氫菌時,在堿液中加熱煮沸預處理菌源的產氫效果最好,而且如果再與曝氣聯合處理牛糞,能得到更佳的產氫效果;從牛糞中富集產氫菌的最佳條件是,在 0.25%NaOH溶液中加熱煮沸 14～18 min,然后強制曝氣 30 min,最佳發酵初始 pH值為 6.0～7.0;在實驗得到的最適宜預處理條件下,進行產氫發酵實驗,得到的最大的比產氫率為 305.8 mL/g。

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TQ116.29

A

1003-3467(2010)16-0031-03

2010-07-21

國家重點基礎研究發展計劃項目(973計劃)(2005CB214500,2006CB708407)

計新靜(1985-),男,在讀碩士研究生;聯系人：任保增,電話：(0371)67781223。