醋糟厌氧发酵制氢的影响因素研究_马海乐

摘要：以预处理后的牛粪为接种物，以醋糟为发酵底物进行厌氧发酵产氢试验，研究了底物预处理方法、发酵温度、
底物浓度、初始 pH 值、微量金属元素添加量对产氢量的影响。结果表明，用体积分数 0.7%的 HCl 静置处理 24 h 为
最佳预处理方法，且在最佳发酵条件 （发酵温度 35 ℃，底物浓度 175 g/L，初始 pH 值 6.0） 下，微量金属元素营养
2 结果与讨论
2.1 醋糟预处理 2.1.1 不同酸碱预处理对醋糟产氢能力的影响
酸碱预处理对醋糟产氢量的影响见图 1。
40 35 30 25 20 15 10 5 0
磷酸 硫酸 盐酸 高氯酸 硝酸 NaOH 对照 - 静置； - 加热
图 1 酸碱预处理对醋糟产氢量的影响
由图 1 可以看出，加热和静置 2 种情况下， NaOH 处理过的醋糟其发酵累积产氢量均低于未处理 醋糟的累积产氢量；各种酸处理后的醋糟其累积产氢 量均有所提高，其中磷酸加热预处理的醋糟产氢效果 最好；其次为盐酸静置处理的醋糟，两者的累积产氢 量分别为：35.25 mL/g TS 和 32.49 mL/g TS，是未处 理醋糟的 4.8 倍和 4.4 倍。这说明酸溶液是催化降解 醋糟中纤维素类物质的合适试剂。考虑到盐酸静置预 处理的醋糟其产氢量达到磷酸加热预处理的醋糟累积 产氢量的 91%以上，且静置处理可以避免加热处理 时的能耗。因此，选择盐酸静置 24 h 作为醋糟的预 处理方法。 2.1.2 不同浓度盐酸预处理对醋糟产氢能力的影响
（4） 主要仪器及器具：250 mL 蓝盖试剂瓶，南 京润泽生物工程设备有限公司提供；HH—2 型数显 恒温水浴锅，金坛市医疗仪器厂生产；JZ5002 型电 子天平，上海天平仪器厂生产；pHS—25 型酸度计， 上海理达仪器厂生产；SP2000 型气相色谱仪，山东 鲁南瑞虹化工仪器有限公司提供。 1.2 发酵试验
CA 95616，USA） Abstract： Vinegar residue was digested with culture from the enriched cattle manure under anaerobic condition to produce hydrogen. The effect of pretreatment method of vinegar residue，fermentation temperature，substrate concentration，initial pH and supplement of trace metals on the hydrogen yield was investigated. The results showed that the best pretreatment method were that vinegar residue was placed in 0.7% HCl for 24 h，and maximal hydrogen yield 46.91 mL/g TS was obtained under fermentative temperature 35 ℃，substrate concentration 175 g/L，initial pH 6.0 and trace metals solution supplement 2%. Key words：vinegar residue；cattle manure；anaerobic digestion；hydrogen
本研究以富集后的牛粪为混合产氢菌种，以醋糟 为底物进行厌氧发酵，发酵在工作体积为 200 mL， 在 250 mL蓝盖试剂瓶中进行。试验中，将预处理过 的菌种和醋糟按照设定比例加入发酵瓶，以自来水定 容至 200 mL，调节 pH 值后，垫上硅胶垫，拧紧螺 旋盖。通过瓶盖上的导管向发酵瓶内充入高纯氮气， 然后置于恒温水浴锅中培养。每个处理进行 3 次重 复，以排水法对产气进行收集，发酵结束后取样进行 气体测定。 1.3 醋糟预处理试验
累积产氢量 /mL·(gTS)-1 累积产氢量 /mL·(gTS)-1
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盐酸体积分数 /%
图 2 盐酸体积分数对醋糟产氢量的影响
由图 2 可以看出，盐酸体积分数对醋糟预处理后 的累积产氢量影响显著。当盐酸体积分数为 0% ~ 0.7%时，随着盐酸体积分数的增大，醋糟累积产氢 量急剧增加。当盐酸体积分数为 0.7%时，累积产氢 量达到峰值 （34.5 mL/g TS）。此后，累积产氢量随着 盐酸体积分数的增大逐渐下降，从体积分数 0.7%时 的 34.51 mL/g TS 降至 5.0%的 15.86 mL/g TS。尽管高 浓度的盐酸溶液更有利于醋糟的降解，但发酵液中高 浓度的氯离子抑制了产氢菌的生长代谢，从而抑制了 氢气的生成。因此，以体积分数 0.7%的盐酸，按固 液比 1∶2.5 将醋糟浸泡 24 h 作为醋糟厌氧发酵制氢 中底物的预处理方法。 2.2 发酵条件对产氢能力的影响 2.2.1 发酵温度对醋糟产氢能力的影响
（2） 厌氧发酵产氢菌来源及富集，以取自镇江市 长江乳业有限公司的牛粪作为混合产氢菌，该牛粪的 TS 和 VS 分别为 20.30%和 83.54%。富集方法：取一 定质量的湿牛粪，按照固液比 3∶5 （g∶mL） 加入浓 度 0.7 mol/L 的 NaOH，搅拌均匀后于 100 ℃水浴锅 中加热 1 h，取出后冷却至室温，然后将 pH 值调至 试验所需的值，用于批量发酵试验。
前期试验发现醋糟直接发酵产氢气率很低，因此 需要进行预处理。本文拟采用酸碱预处理法，分加热 和室温 （25 ℃左右） 静置 2 种情况。具体处理方法： ①取 6 份 20 g 的湿醋糟，按照固液比 1∶2.5 分别加
累积产氢量 /mL·(gTS)-1
入体积分数为 1%的磷酸、硫酸、盐酸、高氯酸、硝 酸和浓度 1 mol/L 的 NaOH，搅拌均匀后，于 100 ℃ 水浴锅中加热 1 h；②6 份 20 g 的湿醋糟，按上述方 法加入酸和碱后，于室温下静置 24 h。将每份预处 理后的醋糟与 30 g 富集后的牛粪混合，调 pH 值于 6.5，于 35 ℃下进行发酵。发酵结束后，测定产氢 量，以评价预处理方法的优劣。试验中，以未处理的 醋糟进行发酵，作为对照试验。 1.4 气体分析
0 引言
醋糟是利用粮食原料生产食醋过程中排放的有机 废弃物，长期以来都作为垃圾被填埋。人们对醋糟的 利用有过不少研究[1~3]，大多着眼于作为饲料或食用 菌栽培料。但前者烘干成本过高，后者处理量少，均 不能从根本上解决问题。所以对醋糟的处理，既是制 醋行业的一大难题，又是城市环境卫生治理的一大难 点。
为了得到醋糟预处理的最佳盐酸浓度，在与 2.1.1 相同的试验条件下，就体积分数 0%~5.0%范围 内盐酸浓度对醋糟产氢效果的影响进行试验。
盐酸体积分数对醋糟产氢量的影响见图 2。
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农产品加工·学刊
2009 年第 10 期
累积产氢量 /mL·(gTS)-1 累积产氢量 /mL·(gTS)-1
醋糟厌氧发酵制氢的影响因素研究
马海乐 1， 2， 3，刘瑞光 1， 3，王振斌 1， 2， 3，顾 顺 1， 3，R uihong Zhang4， 3
（1. 江苏大学 食品与生物工程学院，江苏 镇江 212013； 2. 江苏省农产品生物加工与分离工程技术研究中心，江苏 镇江 212013； 3. 美国加州大学—中国江苏大学生物质能联合研究中心，江苏 镇江 212013； 4. Department of Biological & Agricultural Engineering，University of California- Davis，Davis，CA 95616，USA）
（3） 微量元素营养液：H3BO3 2 mg/L，ZnCl2 10 mg/L， CuCl2 10 mg/L，MnSO4·H2O 10 mg/L，AlCl3 50 mg/L， CoCl2·6H2O 5 mg/L，NiCl2 10 mg/L，FeSO4 400 mg/L， NaMoO4 200 mg/L，CaCl2 2 200 mg/L，MgSO4 1 000 mg/L。
液添加量为 2%时，产氢效果最好，累积产氢量为 46.91 mL/g TS。
关键词：醋糟；厌氧发酵；氢气；响应面法；优化
中图分类号：TS209
文献标志码：A
doi：10·39691jissn·1671- 9646 （X）·2009·10·006
Research on Influence Factors of Hydrogen Production from Vinegar Residue
有机废弃物厌氧发酵制氢技术是近年来国内外研 究的新领域，该技术能够高效降解有机质，并且发酵
以后的底物能够用作有机肥料[4， 5]。因此，将有机废 弃物用于厌氧发酵制氢，既能解决有机废弃物的处理 问题，又可获得清洁能源──氢气。目前采用各种有 机废水和有机固体废弃物进行生物发酵制氢的研究已 有很多，其中包括利用糖蜜废水、酿酒废水、植物淀 粉生产废水、纤维素微晶以及城市有机固体垃圾等发 酵产氢[6~10]。
by Anaerobic Digestion
Ma Haile1， 2， 3，Liu Ruiguang1， 3，Wang Zhenbin1， 2， 3，Gu Shun1， 3，Ruihong Zhang4， 3 （1. School of Food and Biological Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China； 2. Jiangsu Provincial Research Center of Bio- process and Separation Engineering of Agri- products，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China；3. Joint Bio- energy Research Center of Jiangsu University and University of California- Davis，Zhenjiang， Jiangsu 212013，China；4. Department of Biological & Agricultural Engineering，University of California- Davis，Davis，
到目前为止，还没有人对醋糟厌氧发酵制氢技术 进行研究。
本文以醋糟为研究对象，以预处理的牛粪为混合 产氢菌种，对醋糟厌氧发酵生物制氢的影响因素进行 优化研究，以期为大规模制氢提供理论依据，同时为 醋糟的综合利用提供新的途径。
1 材料与方法
1.1 材料 Baidu Nhomakorabea1） 醋糟，取自镇江恒顺酱醋厂。经测定该醋糟
中 TS （总固形物含量） 和 VS （挥发性固形物含量） 分别为 29.87%和 94.42%。
E- mail：mhl@ujs.edu.cn。
2009 年第 10 期
马海乐，等：醋糟厌氧发酵制氢的影响因素研究
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卢怡等人采用恒温厌氧发酵工艺，进行了牛粪和 鸡粪发酵产氢的试验研究。结果表明，pH 值为 5.5 时，牛粪、鸡粪的产氢潜力分别为：41.39 mL/g 和 50.88 mL/g[14]。
樊耀亭等人以牛粪堆肥或活性污泥作为天然混合 产氢菌来源，分别对啤酒糟、玉米秸秆、芝麻饼、玉 米芯等进行厌氧发酵，均得到了较好的产氢效 果 ； [11~13]
收稿日期：2009- 07- 30 基金项目：镇江市国际合作项目 （GJ2007010，GJ2008010）；镇江市工业攻关项目 （GY2007002）。 作者简介：马海乐 （1963- ），男，陕西人，博士，教授，博士生导师，研究方向：生物资源高效利用技术。
用密封的玻璃注射器从气体收集瓶中吸取气体样 品，然后用 SP2000 型气相色谱仪测定氢气含量。气 相 测 定 条 件 为 ： Porapak Q 6 不 锈 钢 填 充 柱 （80/100 Mesh），柱温恒温 35 ℃；以氮气为载气，流 速 20 mL/min；热导检测器，检测器电流为 60 mA， 温度为 100 ℃；进样器不分流，进样温度为 50 ℃。
农产品加工·学刊
第 10 期(总第 187 期) 2009 年 10 月
农产品加工·学刊 Academic Periodical of Farm Products Processing
文章编号：1671- 9646 ( 2009 ) 10- 0026- 04
2009 年第 10 期
No.10 Oct .