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混合菌厌氧发酵制氢工艺研究

汪同嘉  
【摘要】:化石燃料有限的储量使人类正面临着前所未有的能源危机,可再生能源将成为未来可持续发展能源系统的主体。自然界中大量存在农业秸秆,这些废弃生物质是一种可再生资源,将废弃物秸秆转化为高效洁净的氢能具有重大意义。本文以取自牛粪发酵液的混合菌为产氢菌源,从菌源预处理条件、碳源组成、操作的压力和微量添加剂四个方面研究了产氢发酵的工艺条件;并用响应面法优化了制氢工艺条件;同时探索了碱处理和离子液处理秸秆所得的纤维素、半纤维素产氢能力,旨在得到以秸秆为最终碳源的产氢发酵工艺。 实验结果表明,热处理和碱处理是较为有效的混合菌预处理方法,在100℃条件下处理20~50 min或在PH=9的条件下处理24h所得累计产氢量较未处理的混合菌提高约30%。葡萄糖/木糖共发酵可获得更大的产氢能力,在总糖浓度为30 g.·L~(-1),木糖/葡萄糖质量比为1:2的条件下发酵所得累计产氢量较30 g·L~(-1)的葡萄糖或木糖培养基分别提高37.4%或46.1%。体系压力也是影响产氢的一个重要因素,体系压力在40.52 kPa的累计产氢量较常压下的累计产氢量提高了31.74%。当发酵体系含有0.027 g·L~(-1)的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)时,累计产氢量提高29.22%。以上因素对产氢发酵的影响效应主次顺序为:碳源中木糖/葡萄糖质量比操作压力CTAB浓度。 此外,采用离子液1-丁基-3-甲基咪唑氯盐对秸秆进行预处理较碱处理方法得到的纤维素和半纤维素更适合发酵制氢,浓度为40 g·L~(-1)纤维素的产氢量为2760 mL·L~(-1),较碱处理后同浓度的纤维素发酵产氢量提高了32.69%。离子液处理秸秆所得半纤维素在25 g·L~(-1)的条件下可获得最大产氢量2700 mL·L~(-1),较同浓度下碱处理秸秆所得半纤维素的产氢量提高了36.36%。纤维素和半纤维素共发酵较纤维素或半纤维素发酵可获得更大的累计产氢量和产氢速率。在45 g.·L~(-1)浓度下,半纤维素/纤维素质量比为1:2的条件下发酵所得累计产氢量最大,为3480 mL·L~(-1),最大产氢速率为2700 mL·(L·h)~(-1)。根据以上研究结果我们对混合菌在100℃条件下预处理30 min并在半纤维素/纤维素质量之比为1:2,压力为40.52 kPa,发酵体系添加0.027 g·L~(-1)的CTAB条件下进行发酵操作,获得累计产氢量和产氢速率分别为5480 mL·L~(-1)和350 mL·(L·h)~(-1)。


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