蘋果渣液態(tài)厭氧發(fā)酵制備生物氫氣的研究

馬曉珂王振斌陳克平王倩倩，王世清

（1.江蘇大學生命科學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.中國江蘇大學—美國加州大學生物能源聯合研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.青島農業(yè)大學食品科學與工程學院，山東 青島 266109）

蘋果渣液態(tài)厭氧發(fā)酵制備生物氫氣的研究

馬曉珂1王振斌2陳克平1王倩倩2，3王世清3

（1.江蘇大學生命科學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.中國江蘇大學—美國加州大學生物能源聯合研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.青島農業(yè)大學食品科學與工程學院，山東 青島 266109）

以蘋果渣為原料，通過液態(tài)厭氧發(fā)酵技術制備氫氣，經過單因素試驗和正交試驗研究蘋果渣與活性污泥的比例、發(fā)酵溫度、初始pH、發(fā)酵液濃度對蘋果渣厭氧發(fā)酵產氫效率的影響。結果表明，蘋果渣液態(tài)厭氧發(fā)酵產氫的最優(yōu)條件：發(fā)酵溫度為（30±2）℃、活性污泥與蘋果渣比率為4∶10、初始pH值8.5、發(fā)酵液濃度0.125g/mL，該條件下，蘋果渣產氫率達到19.29mL/g·TS。

蘋果渣；液態(tài)發(fā)酵；厭氧發(fā)酵；生物氫氣

氫氣是一種燃燒值高的清潔能源［1，2］。以厭氧發(fā)酵的方式制備氫氣是一種經濟、環(huán)境友好的制備方法，具有廣闊的應用前景［3，4］。目前以有機廢棄物為原料，通過厭氧發(fā)酵的方式制備氫氣已成為研究開發(fā)的熱點。

蘋果渣是蘋果汁加工的下腳料，含有豐富的營養(yǎng)成分，處理不當會造成資源浪費和環(huán)境污染［5，6］。果渣的用途主要用作喂養(yǎng)牲畜的飼料，附加值較低。對蘋果渣應用的研究也有很多，如生產蛋白飼料、果膠、膳食纖維、檸檬酸、蘋果白蘭地、果膠低聚糖、食品添加劑、芳香物質、果膠酶、蘋果醋等方面。但目前蘋果渣產業(yè)化處理方法僅限于果膠的提取。從蘋果渣中提取果膠需要處理大量的蘋果渣才能獲得利潤，同時為了提高果膠的分離和提取效率，避免果膠被酶解，需要對蘋果渣進行干燥處理。因此，理想的蘋果渣應用方法仍在探索之中。

蘋果渣中含有較多的纖維素和糖類，具有厭氧發(fā)酵制備氫氣的潛力，且發(fā)酵殘渣可以作為有機肥料［6，7］。本試驗以活性污泥為產氫菌源，以廢棄蘋果渣為底物，采用液態(tài)厭氧發(fā)酵方法，考察蘋果渣原料與活性污泥的比例、發(fā)酵溫度、初始pH和發(fā)酵液濃度對蘋果渣厭氧發(fā)酵產氫的影響，以期為蘋果渣的綜合利用和氫氣的制備提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

活性污泥：鎮(zhèn)江征潤州污水處理廠；

蘋果渣：水分含量 11.6%（干基），總固定物（TS）85.8%，揮發(fā)性固體（VS）97.6%，陜西海升實業(yè)集團乾縣分公司；

鹽酸、氫氧化鈉：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

高純氫氣、甲烷、二氧化碳標準氣體：南京特種氣體廠有限公司。

1.2 試驗儀器

分光光度計：WFJ7200型，尤尼柯（上海）儀器有限公司；

氣相色譜儀：HP－5890，安捷倫科技公司；

數顯恒溫水浴鍋：HH－S型，金壇市醫(yī)療儀器廠；

數字酸度計：PHS－25型，上海理達儀器廠；

高速臺式冷凍離心機：TGL－16，湘儀離心機儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 活性污泥的預處理 活性污泥采用堿預處理方法，以氫氧化鈉調整活性污泥pH為11，煮沸1.5h，然后用鹽酸調整至pH 6.5，備用。

1.3.2 蘋果渣厭氧發(fā)酵制氫試驗 試驗裝置見圖1。

（1）蘋果渣與活性污泥的比例對產氫效率的影響：在500mL藍蓋瓶中加入50g預處理過的活性污泥，分別按蘋果渣∶活性污泥為1∶10，2∶10，3∶10，4∶10，5∶10，6∶10，7∶10，8∶10，9∶10，10∶10的比例加入蘋果渣。加自來水至約350mL，以0.1%氫氧化鈉和1%鹽酸調整pH至6.5，以自來水補充體積至400mL，然后密封，氮氣吹掃瓶中的空氣5min，置于（35±2）℃水浴中厭氧發(fā)酵，用排水法收集氣體，發(fā)酵結束后，進行氣相產物成分分析。

圖1 500mL批式厭氧發(fā)酵產氫試驗裝置Figure 1 Apparatus for hydrogen production of 250mL batch test

（2）發(fā)酵溫度對產氫效率的影響：加入50g預處理過的活性污泥，加入25g蘋果渣，加自來水至約200mL，以0.1%氫氧化鈉和1%鹽酸調整pH至6.5，加自來水至約350mL，以0.1%氫氧化鈉和1%鹽酸調整pH至6.5，以自來水補充體積至400mL，氮氣吹掃瓶中的空氣5min，分別置于（35±2），（50±2）℃和室溫（（20±3）℃）水浴中厭氧發(fā)酵，收集氣體。

（3）初始pH對產氫效率的影響：加入50g預處理過的活性污泥，加入25g蘋果渣，加自來水至約200mL，以0.1%氫氧化鈉和1%鹽酸調整pH 至5.0，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0，8.5，9.0，加自來水至約350mL，以0.1%氫氧化鈉和1%鹽酸調整pH至6.5，以自來水補充體積至400mL，氮氣吹掃瓶中的空氣5min，分別置于（35±2）℃水浴中厭氧發(fā)酵，收集氣體。

（4）發(fā)酵液濃度對產氫效率的影響：固定蘋果渣和活性污泥的比例為5∶10作為底物，發(fā)酵液濃度分別為0.025，0.050，0.075，0.10，0.125，0.150，0.175，0.20，0.225g/mL，以0.1%氫氧化鈉和1%鹽酸調整pH至6.5，加自來水至約350mL，以0.1%氫氧化鈉和1%鹽酸調整pH至6.5，以自來水補充體積至400mL，氮氣吹掃瓶中的空氣5min，分別置于（35±2）℃水浴中厭氧發(fā)酵，收集氣體。

（5）蘋果渣厭氧發(fā)酵制備氫氣條件的優(yōu)化：在單因素試驗的基礎上，采用（30±2）℃中的溫發(fā)酵方式，選擇活性污泥與蘋果渣比率、初始pH和發(fā)酵液濃度為考察因素，以厭氧發(fā)酵過程中累積產氫量為指標，設計L9（34）正交試驗，進一步優(yōu)化氫氣的制備工藝參數。

1.4 分析測定方法

1.4.1TS和VS的測定TS和VS按式（1）和（2）計算。

式中：

Wsd——樣品干重，g；

Ws——樣品重，g；

Wa——樣品灰分重，g。

1.4.2 蘋果渣累積產氫量計算 按式（3）計算。

式中：

Gt——累積產氣量，mL/g TS；

GH——收集氣體中氫氣的總量，mL；

W——蘋果渣的質量，g；

TS——蘋果渣中的總固形物含量，%。

1.4.3 生物氣中H2組分的百分含量測定 采用氣相色譜法測定。

（1）測定條件：采用SP2000氣相色譜儀，熱導檢測器（TCD）。PorapakQ6英尺不銹鋼填充柱（80/100Mesh），柱溫恒溫35℃；載氣為N2，流速20mL/min；檢測器電流和溫度分別是60mA、100℃；進樣器不分流，進樣溫度50℃。

（2）用外標法定量：以相同體積的標準純氣體作為外標物注入色譜柱，得到標準色譜圖。然后在相同條件下，對待測樣品進行檢測，得到其色譜圖。同一種氣體在色譜圖中顯示相同的保留時間，以同體積標準氣為標準，根據峰面積可計算得出生物氣中各氣相產物濃度。氣相產物濃度按式（4）計算：

式中：

CH——生物氣中H2組分的百分含量，%；

CSH——標準純氫氣的百分含量，%；

AA——生物氣中H2的峰面積；

ASH——標準純H2的峰面積。

2 結果與分析

2.1 活性污泥與蘋果渣的比例對產氫效率的影響

由圖2可知，在活性污泥與蘋果渣比例在1∶10到5∶10之間時，蘋果渣厭氧發(fā)酵產氫的得率較高，隨著活性污泥與蘋果渣比例進一步增大，蘋果渣厭氧發(fā)酵產氫的得率逐漸下降。分析其中原因，在厭氧發(fā)酵過程中，隨著有機物質的水解，發(fā)酵體系中的pH逐漸下降，過低的pH將抑制產氫菌的活性。因此，本試驗選取活性污泥與蘋果渣的比例4∶10，5∶10，6∶10作為正交試驗的考察水平。

圖2 活性污泥與蘋果渣的比例對產氫效率的影響Figure 2 The effect of sluge to apple pomace ratio on hydrogen production from apple pomace

2.2 發(fā)酵溫度條件對蘋果渣產氫量的影響

由圖3可知，高溫發(fā)酵（50±2）℃時，蘋果渣厭氧發(fā)酵產氫效率最高，中溫（35±2）℃次之，室溫（20±3）℃產氫效率較低。分析其原因可能是在試驗的（50±2）℃高溫條件下，產氫菌的發(fā)酵活性沒有受到抑制，而高溫有利于蘋果渣水解，利于底物的轉化。但是維持較高的發(fā)酵溫度需要更多的熱能，發(fā)酵成本高。因此本試驗選取中溫發(fā)酵（35±2）℃為蘋果渣適宜的發(fā)酵溫度條件。

圖3 發(fā)酵溫度條件對蘋果渣產氫量的影響Figure 3 The effect of temperature on hydrogen production from apple pomace

2.3 初始pH對蘋果渣厭氧發(fā)酵產氫效率的影響

由圖4可知，在初始pH值等于5.0時，幾乎沒有氫氣產生。當初始pH值為6.0～8.0時，蘋果渣的累計產氫量隨初始pH值的上升而增加。初始pH 8.0時，累計產氫量最大，達到18.51mL/g TS。初始pH值大于8.5后，蘋果渣的累計產氫量開始下降。分析其中原因，可能是因為本試驗選用的活性污泥預處理方式是堿處理法，得到產氫菌耐堿而不耐酸，偏堿性的環(huán)境有利于其萌發(fā)、生長、繁殖和發(fā)酵。這與顧順等人的研究結果［8－10］一致。本試驗選適宜的初始pH范圍為6.5到8.5。

圖4 初始pH對蘋果渣厭氧發(fā)酵產氫效率的影響Figure 4 The effect of initial pH on hydrogen production from apple pomace

2.4 發(fā)酵液濃度對蘋果渣產氫量的影響

由圖5可知，在試驗范圍內，發(fā)酵液產氫量較高，繼續(xù)增大發(fā)酵液濃度，累積產氫量逐漸下降。分析原因，可能是過高的底物濃度影響發(fā)酵中傳質，產氫菌和底物接觸受到影響，另一方面，高濃度的底物在發(fā)酵過程中很快降低了反應體系的pH，使得發(fā)酵受到抑制。本試驗選取適宜的底物濃度為0.075～0.125g/mL。

圖5 發(fā)酵液濃度對蘋果渣厭氧發(fā)酵產氫效率的影響Figure 5 The effect of fermentation broth content on hydrogen production from apple pomace

2.5 蘋果渣厭氧發(fā)酵制備氫氣條件的優(yōu)化

正交試驗因素水平表見表1，試驗設計及結果見表2。

由表2可知，在試驗條件下，影響蘋果渣厭氧發(fā)酵累計產氫量的3個因素中，按極差大小其主次順序為B＞A＞C；優(yōu)組合為A1B3C3，即活性污泥與蘋果渣比率為0.4、初始pH值8.5、發(fā)酵液濃度0.125g/mL，在此條件下，蘋果渣產氫率達到19.29mL/gTS。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factor and level of orthogonal design L9（34）

表2 正交試驗結果Table 2 Result of Orthogonal experiment

3 結論

以氫氧化鈉調整活性污泥pH為11，處理時間為1.5h，然后用鹽酸調整至pH 6.5的條件下，蘋果渣液態(tài)厭氧發(fā)酵制備氫氣的最佳條件：選用（30±2）℃的中溫發(fā)酵方式，活性污泥與蘋果渣比率為4∶10、初始pH值8.5、發(fā)酵液濃度0.125g/mL，在此條件下，蘋果渣產氫率達到19.29mL/g·TS。

1 Li C C，Fang H H P.Fermentative hydrogen production from wastewater and solid wastes by mixed culture［J］.Crit Rev.Env.Sci.Technol，2007，37：1～39.

2 張全國，尤希鳳，張軍合.生物制氫技術研究現狀及其進展［J］.生物質化學工程，2006，40（1）：27～31.

3 樊耀亭，李晨林，侯紅衛(wèi)，等.天然厭氧微生物氫發(fā)酵生產生物氫氣的研究［J］.中國環(huán)境科學，2002，22（4）：370～374.

4 張淑芳，樊耀亭.玉米芯發(fā)酵法生物制氫［J］.生物工程學報，2008，24（6）：1 085～1 090.

5 李麗，羅倉學，王白鷗，等.蘋果渣中纖維素、半纖維素的提取分離［J］.食品科技，2008（1）：132～136.

6 呂磊，徐抗震.鮮蘋果渣不同處理方式的成分變化研究［J］.飼料工業(yè)，2006，27（13）：52～53.

7 顧順.水稻秸稈和蘋果渣發(fā)酵制備高氫生物氣的研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學，2008.

8 馮小瓊.蘋果渣厭氧發(fā)酵生物制氫的研究［D］.西安：西北大學，2009.

9 李揚.玉米秸稈厭氧發(fā)酵制氫實驗研究［D］.鄭州：鄭州大學，2006.

10 李智.葡萄糖和蘋果渣厭氧發(fā)酵生物制氫的研究［D］.西安：西北大學，2008.

Biohydrogen production from apple residue by liquid－state anaerobic fermentation

MA Xiao－ke1WANG Zhen－bin2CHEN Ke－ping1WANG Qian－qian2，3WANG Shi－qing3

（1.Dept.of Life Science，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu212013，China；2.Dept.Food and Biological Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu212013，China；3.Dept.Food Science and Engineering，Qingdao Agricultural University，Qingdao，Shandong266109，China）

Biohydrogen was produced from apple pomace by anaerobic fermentation in liquid state.The effects of ratio of apple pomace to sludge，fermentation temperature，initial pH and solid content of fermention solution on the biohydrogen production were investigated by single factor tests and orthogonal tests.The optimum liquid state anaerobic fermenting parameters for hydrogen producing from apple pomace were as follows：fermentation temperature 30±2℃，ratio of sludge to apple pomace 4：10，initial pH value 8.5，solid content of fermention system 0.125g/mL.In this conditions，the total hydrogen rate reached to 19.29mL/gTS（TS：total solid）.

apple pomace；liquid－state fermentation；anaerobic fermentation；biohydrogen

10.3969 /j.issn.1003－5788.2011.06.063

鎮(zhèn)江市科技攻關項目（編號：GY2007002）；鎮(zhèn)江市國際科技合作項目（編號：GJ2007010）

馬曉珂（1974－），女，江蘇大學實驗師，碩士。E－mail：maxk2008＠jus.edu.cn

王振斌

2011－08－01