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基本信息

項目名稱：
生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制氫的研究
小類：
能源化工
簡介：
本文針對農(nóng)業(yè)固體廢棄物玉米秸稈進(jìn)行了發(fā)酵產(chǎn)氫實驗研究。實驗考查了菌源的預(yù)處理方式、加熱煮沸時間、菌源的用量、底物的預(yù)處理對玉米秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫過程的影響，并在5 L和30 L反應(yīng)器中對這些影響因素進(jìn)行了優(yōu)化。
詳細(xì)介紹：
本文針對農(nóng)業(yè)固體廢棄物玉米秸稈進(jìn)行了發(fā)酵產(chǎn)氫實驗研究。實驗考查了菌源的預(yù)處理方式、加熱煮沸時間、菌源的用量、底物的預(yù)處理對玉米秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫過程的影響，并在5 L和30 L反應(yīng)器中對這些影響因素進(jìn)行了優(yōu)化。得出適宜的控制條件為：采用加熱煮沸與強(qiáng)制曝氣相結(jié)合的菌源預(yù)處理方式；加熱煮沸時間為18 min；菌源用量為50 g/L；秸稈粒度為小于0.850 mm；液固比為10:1；溫度37 ℃；pH 5.0±0.2；最適宜的底物濃度：5 L反應(yīng)器為10 g/L，30 L反應(yīng)器為15 g/L；底物停留時間為12 h；攪拌轉(zhuǎn)速：5 L反應(yīng)器為120 r/min，30 L反應(yīng)器為100 r/min；適宜的離子濃度：Fe2+為200 mg/L，Mg2+ 為10 mg/L。在此條件下，5 L反應(yīng)器中最大產(chǎn)氫潛勢為112.37 mL/g，最大產(chǎn)氫速率為115.68 mL/(L?h)；30 L反應(yīng)器中得到的最大產(chǎn)氫潛勢為193.85 mL/g，最大產(chǎn)氫速率為373.92 mL/(L?h)。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

本文以厭氧發(fā)酵制氫工藝能夠盡快的實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的要求出發(fā)，進(jìn)行生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制氫的工藝的放大實驗研究。在前期實驗的基礎(chǔ)上，對發(fā)酵過程中的主要的影響因素作進(jìn)一步的研究，重點(diǎn)對底物濃度、攪拌轉(zhuǎn)速、底物停留時間和發(fā)酵液中金屬離子濃度對發(fā)酵過程的影響進(jìn)行研究，找到最適宜的工藝條件。同時，對發(fā)酵產(chǎn)氫微生物代謝途徑和不同規(guī)模反應(yīng)器發(fā)酵產(chǎn)氫效果進(jìn)行比較，早日實現(xiàn)生物發(fā)酵制氫的產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

本文著眼于氫這一全新能源的開發(fā)問題，采用具有原料廣泛成本低廉、生物酶的作用下反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)氫所轉(zhuǎn)化的能量完全脫離了常規(guī)的化石燃料、產(chǎn)物經(jīng)過處理后可實現(xiàn)零排放的綠色無污染等優(yōu)越性的生物制氫技術(shù)。

應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義

煤、石油和天然氣等化石燃料作為現(xiàn)在使用最廣泛的能源，目前已面臨資源枯竭以及引起溫室效應(yīng)、環(huán)境污染等問題，因此新能源的而在眾多新能源中，氫作為清潔高效的可再生能源其優(yōu)勢日漸突出。本文的制氫技術(shù)具有成本低，反應(yīng)條件溫和和產(chǎn)率高等特點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。

學(xué)術(shù)論文摘要

本文以農(nóng)業(yè)固體廢棄物玉米秸稈為底物進(jìn)行了發(fā)酵產(chǎn)氫實驗研究。實驗考查了菌源的預(yù)處理方式、加熱煮沸時間、菌源的用量、底物的預(yù)處理對玉米秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫過程的影響，并在5L和30L反應(yīng)器中對這些影響因素進(jìn)行了優(yōu)化。得出最適宜的控制條件為：采用加熱煮沸與強(qiáng)制曝氣相結(jié)合的菌源預(yù)處理方式；加熱煮沸時間為18min；菌源用量為50g/L；秸稈粒度為小于0.850mm；液固比為10；溫度37℃；pH 5.0±0.2；最適宜的底物濃度：5L反應(yīng)器10g/L，30L反應(yīng)器15g/L；底物停留時間12h；攪拌轉(zhuǎn)速：5L反應(yīng)器120r/min，30L反應(yīng)器 100r/min。最適宜的離子濃度為：Fe2+ 200mg/L，Mg2+ 10mg/L。

獲獎情況

無

鑒定結(jié)果

無

參考文獻(xiàn)

[1] 史繼祥.連續(xù)流生物制氫反應(yīng)系統(tǒng)的啟動及產(chǎn)氫微生物的強(qiáng)化[D].廈門大學(xué):2007,1-3. [2] 丁兆軍.生物質(zhì)制氫技術(shù)綜合評價研究[D]. 北京:中國礦業(yè)大學(xué),2009,1-2. [3] 徐琰,張茂林,杏艷,李倬,任保增,樊耀亭,侯紅衛(wèi).纖維素類生物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的研究[J].化學(xué)研究,2005,16(2):6-8. [4] Suzuki S,Karnbe I,Matsunaga T.Biotehnol Bioeng Symp,1978(8):501. [5] 任南琪,李建政,林明,王勇.產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫機(jī)理探討[J].太陽能學(xué)報,2003,23(1):124～128. [6] 樊耀亭,李晨林.天然厭氧微生物氫發(fā)酵生產(chǎn)生物氫氣的研究[J].中國環(huán)境科學(xué),2002, 22(4):370-374. [7] 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):4564-456. [8] Leyla Ozkan, Tuba H. Erguder, Goksel N. DemirerEffects of pretreatment methods on solubilization of beet-pulp and bio-hydrogen production yield[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2010, in press: 1-8. [9] Hidayet Argun, Fikret Kargi, Ilgi K. Kapdan. Effects of the substrate and cell concentration on bio-hydrogen production from ground wheat by combined dark and photo-fermentation[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34: 6181-6188.

同類課題研究水平概述

目前，化石能源日漸短缺，石油價格日益攀升，亟待尋求可再生、高效、清潔能源來替代化石能源。氫能作為清潔能源的首選，是未來理想的燃料之一。在不同的制氫方法中，生物制氫技術(shù)作為一種低成本、低能耗的綠色能源生產(chǎn)技術(shù)，可以結(jié)合生物質(zhì)的資源化利用和清潔能源生產(chǎn)而備受關(guān)注。 對于生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制氫技術(shù)的研究，研究者們對發(fā)酵底物生物質(zhì)的研究較多。生物質(zhì)發(fā)酵制氫所用底物主要包括：來自于農(nóng)業(yè)和林業(yè)的生物質(zhì)廢棄物、食品廢水、城市污泥和生活垃圾等。生物制氫方法中，光發(fā)酵制氫需光照，易受到氧的抑制。暗發(fā)酵生物制氫潛力較大，其產(chǎn)氫微生物主要有：梭酸菌屬、腸細(xì)菌屬、放線菌以及一些嗜熱真菌屬，以梭酸菌屬氫氣產(chǎn)率較高。其中，最具有代表性的是Suzuki、任南琪和樊耀亭。Suzuki瓊脂固定化C.butyrium菌株對糖蜜酒精廢液進(jìn)行的產(chǎn)氫實驗表明，隨攪拌速率的提高，產(chǎn)氫速率也由7 mL/min增加到10 mL/min。任南琪對碳水化合物廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的機(jī)理、細(xì)菌的選育、細(xì)菌的生理生態(tài)學(xué)、生物制氫反應(yīng)設(shè)備的研制等多方面進(jìn)行了大量研究，研究表明，在良好運(yùn)行條件下，生物制氫反應(yīng)器最高持續(xù)產(chǎn)氫能力達(dá)到5.7 m3 H2/m3?d。樊耀亭等以牛糞堆肥為菌源，對生物質(zhì)玉米秸稈預(yù)處理后，進(jìn)行產(chǎn)氫發(fā)酵實驗，得到了較好的實驗效果。 但是，到目前為止，生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制氫仍處于實驗研究階段，要達(dá)到大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，除需要進(jìn)一步研究發(fā)酵產(chǎn)氫過程的影響因素、厭氧生物產(chǎn)氫菌種的富集[9]和發(fā)酵底物的產(chǎn)氫潛能外，還需要對產(chǎn)氫效率、產(chǎn)氫過程的穩(wěn)定性、發(fā)酵產(chǎn)氫的反應(yīng)器、產(chǎn)氫過程的控制系統(tǒng)、產(chǎn)氫系統(tǒng)的能效及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行深入研究。因此，對生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制氫反應(yīng)器的放大進(jìn)行研究，深入探討反應(yīng)器的放大規(guī)律，提高系統(tǒng)的產(chǎn)氫效率，最大限度的降低產(chǎn)氫成本，將其推向產(chǎn)業(yè)化，成為目前生物發(fā)酵制氫技術(shù)向前發(fā)展首要解決的問題。 任何生物產(chǎn)品的研究開發(fā)大都需要經(jīng)歷三個階段，即：實驗室階段、中試階段和工業(yè)化規(guī)模階段。要實現(xiàn)生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制氫的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，工藝過程的放大成為關(guān)鍵問題，而發(fā)酵制氫所用的反應(yīng)器放大的研究則成為研究的核心之一。
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