玉米芯的預(yù)處理及其產(chǎn)氫工藝研究.pdf

1、目前，玉米在我國(guó)被廣泛種植，年產(chǎn)量高達(dá)數(shù)十億公斤，而玉米芯作為玉米的副產(chǎn)物，除少部分用做牲畜飼料，制糖，大部分都未得以充分利用即被廢棄掉，不僅占地如果焚燒還會(huì)造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。玉米芯雖然不能被食用，但有機(jī)質(zhì)含量較高。因此具有較大的利用的潛力。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于玉米芯的利用主要集中在制糖，生產(chǎn)糠醛等方面。雖然制氫技術(shù)被廣泛關(guān)注研究，但關(guān)于玉米芯制氫的研究并不多，更沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，大部分制氫技術(shù)都利用簡(jiǎn)單的碳水化合物，如葡萄糖，淀粉等

2、等，采用玉米芯作為底物能大大降低產(chǎn)氫成本。纖維素具有致密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和難水解的木質(zhì)素包覆的外圍，導(dǎo)致纖維素難以被降解利用，這也對(duì)菌種提出更高的要求，而本課題組新篩選出的菌株Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum M18，具有良好地降解纖維素的能力。因此，本課題研究利用此菌M18降解玉米芯產(chǎn)氫，考察其產(chǎn)氣情況和玉米芯的降解情況，從而為利用玉米芯產(chǎn)氫技術(shù)的大規(guī)模的工業(yè)化提供一些參考。本實(shí)驗(yàn)主要分

3、為靜態(tài)試驗(yàn)和運(yùn)行半連續(xù)流反應(yīng)器。
　　靜態(tài)試驗(yàn)在100mL厭氧瓶中進(jìn)行，研究首先對(duì)培養(yǎng)液初始pH，玉米芯粒徑，反應(yīng)時(shí)間，M18接種量等對(duì)反應(yīng)總氣體產(chǎn)量，氫氣產(chǎn)量，菌體蛋白，發(fā)酵液pH和揮發(fā)酸濃度的影響進(jìn)行考察，確定M18最適產(chǎn)氫反應(yīng)條件。
　　靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，M18適合的環(huán)境pH為7-8。減小玉米芯粒徑能夠促進(jìn)其產(chǎn)氫反應(yīng)的進(jìn)行，當(dāng)粒徑從4mm減小至0.25mm，總氣體產(chǎn)量，氫氣含量，均隨粒徑減小而增加，而0.25mm（60

4、目）之后繼續(xù)減小粒徑，促進(jìn)效果并未明顯提升；72h之后反應(yīng)基本完成，M18最佳接種量為7.5％。
　　為進(jìn)一步提升玉米芯產(chǎn)氫效果，研究采用NaOH對(duì)玉米芯進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)對(duì)比分析預(yù)處理對(duì)玉米芯成分和形態(tài)以及對(duì)其產(chǎn)氫效果的影響確定最優(yōu)預(yù)處理?xiàng)l件。未經(jīng)預(yù)處理的總產(chǎn)氣量為30-50mmol/L，氫氣含量為15%-20%。而經(jīng)過(guò)預(yù)處理的玉米芯產(chǎn)氣能達(dá)到60mmol/L，氫氣含量能達(dá)到25%。2%NaOH溶液，90 ℃水解120min為Na

5、OH預(yù)處理最佳條件。最佳預(yù)處理?xiàng)l件下水解后的玉米芯木質(zhì)素由15.2%減少至9.8%，去除率為35.53%。半纖維素也有部分水解溶于NaOH中，由32.6%減少值27.2%，水解掉16.56%，而纖維素大部分被保留。
　　半連續(xù)流實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器為2L，36h為一個(gè)周期換水，連續(xù)運(yùn)行20個(gè)周期（30d），考察實(shí)際反應(yīng)器的產(chǎn)氫情況和反應(yīng)過(guò)程中纖維素，半纖維素，木質(zhì)素的降解情況。通過(guò)30天的半連續(xù)流反應(yīng)器運(yùn)行，前四個(gè)周期比較穩(wěn)定，總氣體產(chǎn)量為

6、1000mL/7.5g-玉米芯-1300mL/7.5g-玉米芯，氫氣含量為20%-25%。產(chǎn)氣情況比靜態(tài)小瓶試驗(yàn)略低。而從第五個(gè)周期開(kāi)始，產(chǎn)氣量和氫氣含量會(huì)有所下降，由于代謝產(chǎn)物的積累和產(chǎn)生一些雜菌導(dǎo)致M18菌體活性下降。需要繼續(xù)接種M18維持反應(yīng)進(jìn)行。同時(shí)，為分析玉米芯成分降解情況設(shè)定72h運(yùn)行，研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)行前48h半纖維素含量下降的比較快，纖維素含量下降的相對(duì)較慢，M18會(huì)先利用半纖維素作為其產(chǎn)氫的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，運(yùn)行72h后，纖維素降解