混合厌氧微生物产氢研究-赵玉山

第32卷第4期2005年北京化工大学学报JOURNALOFBEIJINGUNIVERSITYOFCHEMICALTECHNOLOGYVol.32,No.42005混合厌氧微生物产氢研究赵玉山腾晓峰张鹏*谭天伟(北京化工大学生命科学与技术学院,北京100029)摘要:文中以河底污泥为混合厌氧微生物的主要来源,以葡萄糖为基质对生物产氢进行了研究。结果发现,最大产氢率为211(n(H2)/n(葡萄糖)),最适产氢pH值为515,最合适葡萄糖质量浓度为5~30g/L,最适合底物为葡萄糖、木糖和可溶性淀粉。产出气体经质量分数为5%的氢氧化钠溶液吸收后,测得氢气的体积分数达到了97%,在产出气中并未检测到甲烷的存在。并且确定发酵类型以/丁酸型0为主。关键词:河底污泥;葡萄糖;丁酸型发酵;产氢能力中图分类号:Q935收稿日期:2004-09-27基金项目:中石化光合细菌和发酵型细菌混合培养产氢研究资助项目(202059)第一作者:男,1979年生,硕士生*通讯联系人E-mail:zhangpeng@mail.buct.edu.cn在生物制氢研究领域,人们以碳水化合物为供氢体,利用纯的光合细菌或厌氧细菌制备生物氢气,并先后用一些微生物载体或包埋剂,对固定化细菌的一系列反应器系统进行了研究,并有不少文献报道[1-4]。直到20世纪90年代后期,人们直接以厌氧活性污泥作为天然产氢微生物,以碳水化合物为供氢体,通过厌氧发酵成功制备出生物氢气[5-8],因而使生物制氢成本大大降低,并使生物制氢技术在向实际应用转化方面有了实质性的进展。例如:卢怡等[5]采用恒温厌氧发酵工艺,用乳酸调控发酵pH值,进行了牛粪和鸡粪发酵产氢的实验研究。实验结果表明,pH值为417~515时,牛粪的产氢潜力为32133mL/g和41139mL/g;鸡粪的产氢潜力为33158mL/g和50188mL/g;任南琪[6]等以厌氧活性污泥为菌种来源,以废糖蜜为原料,采用两相厌氧反应器制备出氢气,开创了利用非固定化菌种进行生物制氢的新途径。最近,樊耀亭等人以牛粪堆肥作为天然混合产氢菌来源,以蔗糖和淀粉为底物,通过厌氧发酵制备了生物氢气[7]。迄今为止,生物制氢技术的整体研究水平仍处于基础和奠基阶段:天然厌氧微生物的菌种来源大多局限于活性污泥;生物制氢的供氢体仍局限于简单的碳水化合物。本文以河底污泥作为天然混合产氢微生物来源,在批式培养实验中以葡萄糖为底物,通过厌氧发酵制备生物氢气,取得了有意义的结果。1实验部分111实验原料及仪器产氢培养基组成:葡萄糖(木糖,可溶性淀粉,麦芽糖,蔗糖,乳糖),胰蛋白胨,NaOH,NaCl,L-半胱氨酸,K2HPO4,MgCl2,FeSO4。天然产氢菌来源:河底污泥,石油污泥,粪堆肥,果园土。主要仪器:GC-14C型气相色谱仪;GC4000A型气相色谱仪;pHS-3C精密pH计;4000r/min的离心机;水浴锅;722型分光光度计。112实验方法将经过预处理的河底污泥接入到盛有100mL产氢培养基的批式反应瓶中,用稀的NaOH或HCl溶液调节其初始pH值至510~610,使其反应的pH值保持在最大产氢能力的范围内[7](pH=415~515)。在36~37e的条件下厌氧发酵一定时间,产出的气体经质量分数为5%的氢氧化钠溶液吸收后,除去CO2,定时检测生物气体中氢气体积分数和溶液中挥发性脂肪酸、醇的体积分数。113分析方法挥发酸和醇类的测定使用GC-14C气相色谱仪,取1mL培养液,4000r/min离心,取上清液进样,毛细管柱,氢火焰离子检测器,氮气作载气,流速50mL/min,氢气流速为50mL/min,空气流速为490mL/min,汽化室温度210e,柱温和检测室温度190e。氢气的测定使用GC4000A型气相色谱仪,取气相样品进样,柱长2m,担体为分子筛,热导池检测器,氮气作载气,流速为70mL/min,柱温50e,检测室温度110e,通过标准曲线法计算氢气体积分数。还原糖质量浓度的测定采用DNS法测还原糖,通过标准曲线法计算还原糖的质量浓度。产氢率计算公式G=5(H2)n(H2)yn(底物)式中,5(H2)为氢气的体积分数;y为糖利用率;n(H2)为氢气物质的量;n(底物)为底物物质的量。2结果与讨论211混合厌氧微生物的选择其它实验条件不变,分别以河底污泥、石油污泥、粪堆肥、果园土等作为天然产氢微生物的菌种来源,不同来源的菌种产氢能力的结果示于图1,并与产气肠杆菌的产氢能力进行了比较。从图1结果可知,不同来源的菌种对同一底物产氢能力不同。例如:以河底污泥为产氢菌原料时,对葡萄糖的产氢能力达228mL/g;当以石油污泥为产氢菌原料处理葡萄糖时,产氢能力达155mL/g;以粪堆肥、果园土、产气肠杆菌为产氢菌原料时,产氢能力都比较小。图1反映出不