基本信息
- 项目名称：
- 生物质厌氧发酵制氢的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本文针对农业固体废弃物玉米秸秆进行了发酵产氢实验研究。实验考查了菌源的预处理方式、加热煮沸时间、菌源的用量、底物的预处理对玉米秸秆发酵产氢过程的影响，并在5 L和30 L反应器中对这些影响因素进行了优化。
- 详细介绍：
- 本文针对农业固体废弃物玉米秸秆进行了发酵产氢实验研究。实验考查了菌源的预处理方式、加热煮沸时间、菌源的用量、底物的预处理对玉米秸秆发酵产氢过程的影响，并在5 L和30 L反应器中对这些影响因素进行了优化。得出适宜的控制条件为：采用加热煮沸与强制曝气相结合的菌源预处理方式；加热煮沸时间为18 min；菌源用量为50 g/L；秸秆粒度为小于0.850 mm；液固比为10:1；温度37 ℃；pH 5.0±0.2；最适宜的底物浓度：5 L反应器为10 g/L，30 L反应器为15 g/L；底物停留时间为12 h；搅拌转速：5 L反应器为120 r/min，30 L反应器为100 r/min；适宜的离子浓度：Fe2+为200 mg/L，Mg2+ 为10 mg/L。在此条件下，5 L反应器中最大产氢潜势为112.37 mL/g，最大产氢速率为115.68 mL/(L•h)；30 L反应器中得到的最大产氢潜势为193.85 mL/g，最大产氢速率为373.92 mL/(L•h)。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本文以厌氧发酵制氢工艺能够尽快的实现产业化的要求出发，进行生物质厌氧发酵制氢的工艺的放大实验研究。在前期实验的基础上，对发酵过程中的主要的影响因素作进一步的研究，重点对底物浓度、搅拌转速、底物停留时间和发酵液中金属离子浓度对发酵过程的影响进行研究，找到最适宜的工艺条件。同时，对发酵产氢微生物代谢途径和不同规模反应器发酵产氢效果进行比较，早日实现生物发酵制氢的产业化奠定基础。
科学性、先进性及独特之处
- 本文着眼于氢这一全新能源的开发问题，采用具有原料广泛成本低廉、生物酶的作用下反应条件温和、产氢所转化的能量完全脱离了常规的化石燃料、产物经过处理后可实现零排放的绿色无污染等优越性的生物制氢技术。
应用价值和现实意义
- 煤、石油和天然气等化石燃料作为现在使用最广泛的能源，目前已面临资源枯竭以及引起温室效应、环境污染等问题，因此新能源的而在众多新能源中，氢作为清洁高效的可再生能源其优势日渐突出。本文的制氢技术具有成本低，反应条件温和和产率高等特点，具有广阔的发展前景。
学术论文摘要
- 本文以农业固体废弃物玉米秸秆为底物进行了发酵产氢实验研究。实验考查了菌源的预处理方式、加热煮沸时间、菌源的用量、底物的预处理对玉米秸秆发酵产氢过程的影响，并在5L和30L反应器中对这些影响因素进行了优化。得出最适宜的控制条件为：采用加热煮沸与强制曝气相结合的菌源预处理方式；加热煮沸时间为18min；菌源用量为50g/L；秸秆粒度为小于0.850mm；液固比为10；温度37℃；pH 5.0±0.2；最适宜的底物浓度：5L反应器10g/L，30L反应器15g/L；底物停留时间12h；搅拌转速：5L反应器120r/min，30L反应器 100r/min。最适宜的离子浓度为：Fe2+ 200mg/L，Mg2+ 10mg/L。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] 史继祥.连续流生物制氢反应系统的启动及产氢微生物的强化[D].厦门大学:2007,1-3. [2] 丁兆军.生物质制氢技术综合评价研究[D]. 北京:中国矿业大学,2009,1-2. [3] 徐琰,张茂林,杏艳,李倬,任保增,樊耀亭,侯红卫.纤维素类生物质厌氧发酵产氢的研究[J].化学研究,2005,16(2):6-8. [4] Suzuki S,Karnbe I,Matsunaga T.Biotehnol Bioeng Symp,1978(8):501. [5] 任南琪,李建政,林明,王勇.产酸发酵细菌产氢机理探讨[J].太阳能学报,2003,23(1):124～128. [6] 樊耀亭,李晨林.天然厌氧微生物氢发酵生产生物氢气的研究[J].中国环境科学,2002, 22(4):370-374. [7] 王娜,杨涛,韩静,等.厌氧发酵生物制氢的研究进展及应用前景[J].农业资源与环境科学,2008,24(7):4564-456. [8] Leyla Ozkan, Tuba H. Erguder, Goksel N. DemirerEffects of pretreatment methods on solubilization of beet-pulp and bio-hydrogen production yield[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2010, in press: 1-8. [9] Hidayet Argun, Fikret Kargi, Ilgi K. Kapdan. Effects of the substrate and cell concentration on bio-hydrogen production from ground wheat by combined dark and photo-fermentation[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34: 6181-6188.
同类课题研究水平概述
- 目前，化石能源日渐短缺，石油价格日益攀升，亟待寻求可再生、高效、清洁能源来替代化石能源。氢能作为清洁能源的首选，是未来理想的燃料之一。在不同的制氢方法中，生物制氢技术作为一种低成本、低能耗的绿色能源生产技术，可以结合生物质的资源化利用和清洁能源生产而备受关注。 对于生物质厌氧发酵制氢技术的研究，研究者们对发酵底物生物质的研究较多。生物质发酵制氢所用底物主要包括：来自于农业和林业的生物质废弃物、食品废水、城市污泥和生活垃圾等。生物制氢方法中，光发酵制氢需光照，易受到氧的抑制。暗发酵生物制氢潜力较大，其产氢微生物主要有：梭酸菌属、肠细菌属、放线菌以及一些嗜热真菌属，以梭酸菌属氢气产率较高。其中，最具有代表性的是Suzuki、任南琪和樊耀亭。Suzuki琼脂固定化C.butyrium菌株对糖蜜酒精废液进行的产氢实验表明，随搅拌速率的提高，产氢速率也由7 mL/min增加到10 mL/min。任南琪对碳水化合物废水厌氧发酵产氢的机理、细菌的选育、细菌的生理生态学、生物制氢反应设备的研制等多方面进行了大量研究，研究表明，在良好运行条件下，生物制氢反应器最高持续产氢能力达到5.7 m3 H2/m3•d。樊耀亭等以牛粪堆肥为菌源，对生物质玉米秸秆预处理后，进行产氢发酵实验，得到了较好的实验效果。 但是，到目前为止，生物质厌氧发酵制氢仍处于实验研究阶段，要达到大规模的工业化生产，除需要进一步研究发酵产氢过程的影响因素、厌氧生物产氢菌种的富集[9]和发酵底物的产氢潜能外，还需要对产氢效率、产氢过程的稳定性、发酵产氢的反应器、产氢过程的控制系统、产氢系统的能效及经济性进行深入研究。因此，对生物质厌氧发酵制氢反应器的放大进行研究，深入探讨反应器的放大规律，提高系统的产氢效率，最大限度的降低产氢成本，将其推向产业化，成为目前生物发酵制氢技术向前发展首要解决的问题。 任何生物产品的研究开发大都需要经历三个阶段，即：实验室阶段、中试阶段和工业化规模阶段。要实现生物质厌氧发酵制氢的大规模产业化，工艺过程的放大成为关键问题，而发酵制氢所用的反应器放大的研究则成为研究的核心之一。
