一种木质纤维素类生物质循环再生生物炭制备方法及其应用

本发明涉及生物制氢领域，具体提供一种木质纤维素类生物质循环再生生物炭制备方法及其应用。

背景技术：

1、绿色氢能是最有发展前景的替代能源之一，利用废弃生物质资源进行生物制氢成为氢能发展的必然趋势，实现氢能生产和废弃物资源化利用的双重目标是制氢技术研究的热点问题。然而利用废弃物进行生物制氢的发酵过程中，多存在底物转化效率低、产物抑制强和产氢效率低的缺陷。这些缺陷不仅造成了资源浪费，而且还带来了环境污染，成为制约生物制氢产业化生产的瓶颈。

2、生物炭作为生物发酵制氢的添加剂，能够提高氢气的产率。具体地，生物炭的添加能提高厌氧发酵过程的稳定性，并使微生物得到富集，提高厌氧发酵过程中有机废弃物的水解速率，缩短延滞期，促进微生物生长。但是选择怎样的生物炭作为添加剂并不明确，不同生物炭在促进生物质厌氧发酵产气产氢的能力上具备较大差异。

技术实现思路

1、本发明提供一种木质纤维素类生物质循环再生生物炭制备方法及其应用，具体提供利用甘蔗废弃物循环再生生物炭制备强化甘蔗渣发酵产氢的方法，用以解决现有技术中甘蔗渣发酵产氢后废弃物较多的缺陷，在显著提高产氢量的情况下，实现绿色无污染产氢。

2、为了实现本发明的目的，第一方面，本发明提供一种生物炭，所述生物炭由生物质厌氧发酵产氢的固体剩余物碳化得到。

3、本发明所提供的生物炭的制备方法包括，由生物质厌氧发酵产氢的固体剩余物a进行碳化得到rbc-1；或所述生物炭的制备方法包括：所述rbc-1参与生物质厌氧发酵产氢过程，得到固体剩余物b，固体剩余物b进行循环再生碳化得到rbc-2。

4、本发明所提供的生物炭的制备方法包括：将所述rbc-2用于生物质厌氧发酵产氢过程，得到固体剩余物c，固体剩余物c进行循环再生碳化得到rbc-3；

5、优选地，循环再生碳化的次数为2-5次。

6、无论是生物炭rbc-1、rbc-2或rbc-3，在作为添加剂，参与生物质厌氧发酵产氢时，均能提高产氢的效果。

7、本发明所提供的生物炭的碳化条件为：固体剩余物干燥、无氧条件下升温至350-700℃，保温2-4h，降温、生物炭破碎，过筛备用。

8、优选地，将固体剩余物干燥、无氧条件下升温至480-520℃，保温2-4h，降温、粗品生物炭破碎，按照不同应用粒径过筛备用。

9、在制备本发明所述生物炭时，所用生物质为甘蔗渣；本发明所述的循环再生生物碳强化生物质发酵性能应用是指强化甘蔗渣厌氧发酵产氢性能。

10、本发明还提供了，上述的生物炭在提高生物质厌氧发酵产氢效率中的应用。

11、第二方面，本发明提供一种强化生物质发酵产氢的方法，以木质纤维素生物质为原料，利用上述的生物炭作为添加剂，在55～60℃下进行厌氧发酵制氢气；发酵体系中，生物炭与固体生物质的质量比为(1-9)：(10-100)。

12、在本发明提供的强化生物质发酵产氢的方法中，以甘蔗渣为原料，利用所述rbc-3作为添加剂，发酵体系中，生物炭浓度为1-9g/l，甘蔗渣底物浓度为5-50g/l；在55～60℃下进行厌氧发酵制氢气，厌氧发酵所用种子源为能降解纤维素的产氢发酵细菌；

13、优选地，厌氧发酵所用种子源为热缩杆菌，热解糖梭菌中的一种或多种。

14、在本发明提供的强化生物质发酵产氢的方法中，所述厌氧发酵时间为96～240h，所述种子源的添加量为发酵体系的2-20％。

15、在本发明提供的强化生物质发酵产氢的方法中，所述种子源以微晶纤维素为碳源的选择性培养基中经过定向传代培养后获得的能够降解纤维素原料的产氢发酵细菌。

16、更具体地，在本发明提供的强化生物质发酵产氢的方法中，种子液置于55～60℃的恒温水浴摇床中厌氧培养活化0.5h～2h后在进行接种。

17、作为本发明的一种优选的实施方案，发酵体系所用培养基各营养成分组成如下：1l培养基中包含：1g nh4cl、1g nacl、1g k2hpo4、1g kh2po4、0.5g半胱氨酸、0.5g mgcl2·6h2o、0.2g kcl、2g酵母粉、2g蛋白胨、发酵促进剂1ml；

18、进一步每升发酵促进剂中含有：1.5g fecl2、70mg zncl2、6mg h3bo4、100mgmncl2·2h2o、2mg cucl2·2h2o、19mg cocl2·6h2o、24mg nicl2·6h2o、36mg na2mo4·h2o、15mg na2wo4·2h2o、15mg na2seo4·5h2o、50mg硫辛酸、20mg biotin、35mg nicotinicacid、5mg thiamine hydrochloride、50mg paba、20mg folic acid、50mg泛酸钙、1mg维生素b12和100mg盐酸吡哆醇；利用1mol/l naoh或1mol/lhcl将培养基的ph调节至7.0～7.3。

19、作为本发明的一种优选的实施方案，所述培养基在使用前进行曝氮气处理；优选曝氮气5～15min。

20、本发明的有益效果在于：

21、(1)本发明制备的甘蔗循环再生生物炭，主要原料来源于废弃的生物质原料和发酵末端剩余固形物，原料来源丰富，价格低廉，制备成本较低。

22、(2)本发明制备的循环再生甘蔗生物炭，采用废弃的甘蔗废弃物和发酵后的剩余固形物制备生物碳，不仅减少了厌氧发酵末端剩余固形物对环境、生态和社会造成的负担，也为废弃物综合利用提供了新的视角。

23、(3)本发明制备的循环再生甘蔗生物炭，在促进甘蔗渣生物制氢过程中，可以有效调节反应过程、提升底物的氢转化效率及延长有效反应时间。

24、(4)本发明的方法简单，易操作，系统稳定性良好，具有极好的工业化应用前景，为农林机废弃物进行综合利用提供了方向。

技术特征：

1.一种生物炭，其特征在于，所述生物炭由生物质厌氧发酵产氢的固体剩余物碳化得到。

2.根据权利要求1所述的生物炭，其特征在于，所述生物炭的制备方法包括，由生物质厌氧发酵产氢的固体剩余物a进行碳化得到rbc-1；rbc-1参与生物质厌氧发酵产氢过程，得到固体剩余物b，固体剩余物b进行循环再生碳化得到rbc-2。

3.根据权利要求2所述的生物炭，其特征在于，将所述rbc-2用于生物质厌氧发酵产氢过程，得到固体剩余物c，固体剩余物c进行循环再生碳化得到rbc-3。

4.根据权利要求1-3任一项所述的生物炭，其特征在于，所述碳化条件为：固体剩余物干燥、无氧条件下升温至350-700℃，保温2-4h，降温、生物炭破碎，过筛备用。

5.根据权利要求1-4任一项所述的生物炭，其特征在于，所用生物质为甘蔗渣。

6.权利要求1-4任一项所述的生物炭在提高生物质厌氧发酵产氢效率中的应用。

7.一种强化生物质发酵产氢的方法，其特征在于，以木质纤维素生物质为原料，利用权利要求1-4任一项所述的生物炭作为添加剂，在55～60℃下进行厌氧发酵制氢气；发酵体系中，生物炭与固体生物质的质量比为(1-9)：(10-100)。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，以甘蔗渣为原料，利用所述rbc-3作为添加剂，发酵体系中，生物炭浓度为1-9g/l，甘蔗渣底物浓度为5-50g/l；在55～60℃下进行厌氧发酵制氢气，厌氧发酵所用种子源为能降解纤维素的产氢发酵细菌；

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述厌氧发酵时间为96～240h，所述种子源的添加量为发酵体系体积的2-20％。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述种子源为以微晶纤维素为碳源的选择性培养基中经过定向传代培养后获得的能够降解纤维素原料的产氢发酵细菌。

技术总结
本发明涉及生物制氢领域，具体提供一种木质纤维素类生物质循环再生生物炭制备方法及其应用。更具体地，本发明通过循环烧制发酵末端含有生物炭的固体剩余物作为添加剂，提高厌氧发酵产氢的效果。本发明制得的生物炭是一种在环境友好的基础上，显著提升生物质厌氧发酵性能的生物炭基材料，本发明所提供的方法，资源化效果显著，操作简易，能实现发酵产氢领域的元素循环，并且为农业废弃生物质的资源化和能源化提供了新的视角。

技术研发人员：董丽丽,王婉晴,王宇昊,杨飞,周宣鹏,杨宏
受保护的技术使用者：海南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16