[发明专利]一种用甜高粱秸秆厌氧发酵制氢的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种用甜高粱秸秆厌氧发酵制氢的方法，属可再生能源利用技术领域。

背景技术：

能源紧缺与环境污染正严重制约着人类的可持续发展，新能源的开发势在必行。氢能(H₂)是高热值的清洁能源：每克氢燃烧将释放出122kJ的热量，并且燃烧后只生成水，可实现污染的“零排放”。2005年，全球用于贸易的氢能源已达到5000万吨，估计将以近10％的年增长率上升；氢气将成为化石燃料的重要替代能源之一。与热裂解法，水电解法制氢等常规方法相比，微生物发酵制氢具有清洁、节能等优点。

目前，微生物发酵制氢主要停留在实验室阶段，主要原因是以廉价原料(如农业废弃物秸秆)为底物的发酵制氢的产氢率还比较低。纤维素类生物质是自然界中非常丰富的可再生资源。中国农作物秸秆的年产量超过6.2亿吨，但这些生物质资源却绝大多数作为废弃物长期滞留在环境中；对其进行有效利用成为缓解能源危机与环境污染的有效途径。农作物秸秆种类很多，本技术专利选取甜高粱秸秆作为发酵制氢原料。尽管甜高粱秸秆中含糖量较多，但自然发酵状态下产氢率不高，粗纤维的利用率较低。虽然Claassen等人将甜高粱秸秆渣酶水解后，以嗜热菌为接种物进行发酵制氢，产氢率达到200ml/g·TVS以上；但是，添加纤维素酶与高温发酵体系的成本高，迄今仅限于实验室研究，还无法在生产中广泛应用。因而，探寻更经济便捷的预处理工艺，成为实现秸秆类原料发酵制氢工业化生产的重要步骤。本发明专利主要涉及在中温下使用稀碱溶液处理甜高粱秸秆，使发酵产氢率有了较大幅度的提高。

经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。

发明内容：

本发明的目的在于对现有技术的改进，提供一种原料利用率与产氢率较高、方法简便的以甜高粱秸秆为原料的厌氧发酵制氢的方法。

本发明以收割后自然风干的甜高粱秸秆为原料，用稀碱溶液对甜高粱秸秆进行预处理，再用厌氧活性污泥为菌源，在36±1℃的中温条件下发酵制氢，产氢率为124.23ml/g·TVS，秸秆中主要成分纤维素、半纤维素、糖分的利用率分别达到45.86％，64.75％，99.17％。

本发明方法包括原料选择、用稀碱溶液对原料进行预处理、发酵等工序；具体步骤为：

a.原料为收割、自然风干后的甜高粱秸秆，发酵前对其进行粉碎；

b.将粉碎后的甜高粱秸秆放入浓度为0.5％ NaOH溶液中水解8小时，其间控制恒温槽水解温度为60℃；

c.将经稀碱溶液预处理的甜高粱秸秆(水解液与残渣)放入发酵容器中，同时加入在室温下曝气并搅拌2小时后的厌氧活性污泥(菌种)，在控温为36±1℃条件下自然发酵制氢。

d.用量比例为原料20g，菌种250ml，并补水到1L；为保证产氢的快速启动，可向发酵料液中添加少量乳酸，使料液的初始pH值在5.5±0.2。

本发明与现有技术相比，具有原料利用率和产氢率较高、方法简便等优点。

附图说明：

图1为本发明的工艺流程示意图。图中：1-发酵瓶(罐)、2-恒温槽、3-取样口、4-集气瓶、5-计量瓶、6-刻度线。

图2为发酵过程中各发酵组pH值变化曲线图。

图3为发酵过程中各发酵组累积产气量变化曲线图。

图4为发酵组1中液相产物含量变化曲线图。

图5为发酵组2中液相产物含量变化曲线图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作具体描述。

本实施例的具体步骤如发明内容中所述，使用容积为1L的锥形瓶或三颈瓶作为发酵瓶，用容积为1L的广口瓶作为集气瓶、计量瓶，进行批量发酵制氢(发酵瓶、集气瓶、计量瓶与原料用量均可按相应比例扩大，如5L装置、100克原料)；采用常规的排水法收集产生的气体。

1、原料及预处理

设发酵组1为生料组，将收割并自然风干后的甜高粱秸秆粉碎，直接加入发酵瓶中，进样浓度控制为20g/L。设发酵组2为稀碱溶液预处理组，将20g粉碎后的生料在500ml浓度为0.5％ NaOH溶液中水解8小时，其间控制恒温槽水解温度为60℃，水解液与残渣均作为底物。各实验组未添加任何无机盐溶液为营养液。总固体含量(TS)与总挥发性物质含量(TVS，即有机质)按如下公式计算：