苹果渣厌氧发酵生物制氢的研究

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随着化石燃料的枯竭及环境问题的日益严重,人类将面临严重的能源危机与环境污染。因此,可替代能源的开发变得尤为紧迫。氢是一种很具潜能的替代能源,因为它能量密度大,燃烧热值高,不会产生有害副产物。通过厌氧发酵制取氢气方法具有很大的发展潜力,因为它产氢速率快,操作简单,不受天气情况影响。此外,它能利用工农业废弃物作为底物制氢,有利于废弃物的处理和能量的回收。本文以煮沸15 min的河底污泥为天然产氢菌源,对苹果渣的发酵产氢效率进行了研究。系统考察了预处理、初始pH值、发酵温度、酶用量、超声时间和底物浓度对苹果渣发酵制氢的影响。首先,研究了不同的预处理方法对苹果渣产氢效率的影响。研究结果表明:氨水预处理的最佳条件是在室温下用浓度为6%的氨水浸泡24 h。硫酸预处理的最佳条件是:在0.5%硫酸浸泡下超声处理60 min。用NaOH溶液处理过的苹果渣发酵产氢效率相对较低。其次,我们以6%氨水室温浸泡24 h后的苹果渣为底物,探索了初始pH值和发酵温度对产氢效率的影响。结果表明:在初始pH值为7.0,温度为37℃时,苹果渣发酵产氢的效率最高,此时的累积产氢量、平均产氢速率和氢气的含量分别为90.06 mL·g-1-TS、6.00 mL·g-1-TS·h-1和53.49%。最后,在最佳的发酵条件下和本课题组对于苹果渣酶解研究的基础上,我们进一步考察了酶解对苹果渣产氢效率的影响。经过各种条件优化后,苹果渣的产氢效率有了很大提高,累积产氢量、平均产氢速率和混合气中氢气的百分含量分别为134.04 mL·g-1-TS、12.00 mL·g-1-TS·h-1和62.71%。通过对比批次实验的结果,我们得出一条相对经济有效的厌氧发酵制氢途径:将苹果渣和6%氨水以固液比(g:ml)为1:10的比例混合后在室温下浸泡24 h,再按比例加入12.5 mg·g-1-TS纤维素酶,配制成酶解底物浓度为5%(w/v)和pH值为5.0的悬浮液,将此悬浮液超声处理20 min后置于45℃的水浴中酶解48 h,继而在37℃、初始pH值为7.0和底物浓度为15 g·L-1条件下发酵产氢。
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