一种添加金属微量元素提高醋糟厌氧发酵制氢的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种提高醋糟厌氧发酵制氢的方法，属于生物工程技术领域。
【背景技术】
[0002]醋糟是酿醋在制醅过程产生的副产物，主要成分为麦杆、稻谷壳等。我国醋糟产量丰富，年产量高达20万吨。因其木质纤维素含量较高，酸度大、不易腐烂，造成资源浪费和环境污染。为了减少环境污染，实现资源的综合利用，选择一种合理的醋糟处理方法很有必要。
[0003]有机废弃物厌氧发酵是国内外近年来研宄的新领域，可以用来处理作物秸杆、餐厨垃圾等生物质材料。醋糟含有的醋酸可以直接被厌氧发酵利用，酸度大反而成为醋糟的一个优势。对醋糟的厌氧发酵不仅可以有效解决醋糟的处理问题，还可以产生氢气、甲烷等清洁可再生的能源气体。由于铁元素可以参与厌氧微生物体内细胞色素、细胞氧化酶的合成；作为胞内氧化还原反应的电子载体；而且还促进挥发性脂肪酸的产生。因此，铁元素对于厌氧发酵产氢有很重要的作用。
[0004]目前在铁元素对发酵产氢的影响研宄领域，集中在单质铁和二价铁上，而对于三价铁的研宄较少。由于单质铁成本较高，自然界中铁元素以三价铁存在形式较多，如铁锈等经济易得。因此研宄三价铁对醋糟发酵产氢的影响很有必要。在少量报道Fe3+对发酵产氢的文献中，只考察了 Fe3+对产气量的影响，并没有涉及到对气体成分的影响。怎样添加Fe3+，可以在得到最大产气量的基础上，保证最佳的氢气纯度需要进行更深入的研宄。
【发明内容】
[0005]针对添加金属微量元素来促进醋糟的厌氧发酵产氢这一方面，本发明的目的是提供一个合适的金属元素浓度，使发酵在得到最大产气量的基础上，保证最佳的氢气纯度。
[0006]本发明的目的是通过添加合适的Fe3+浓度提高醋糟厌氧发酵制氢的方法实现的，一种添加金属微量元素提高醋糟厌氧发酵制氢的方法，按照下述步骤进行:
(1)醋糟的预处理:称取干燥的醋糟样品，按照料液比1:(7~12) g/mL加入0.5-1.2%体积浓度的盐酸溶液，在99°C水浴锅中加热20~60 min，冷却至室温后用6 mo I/L的NaOH调节混合液初始pH至6.0，以醋糟与Fe3+质量比为3/20 g-TS/mg加入FeCl 3溶液搅拌，作为发酵底物；
(2)活性污泥预处理及厌氧发酵:用NaOH溶液调节活性污泥的pH至12.0，室温静置24h后，用6 mol/L的HCl调节初始pH至6.0，与发酵底物以体积比1: (0.8 ~ 1.2)混合于发酵瓶；用自来水补足一定体积，向发酵瓶内充入高纯氩气，吹扫发酵瓶内剩余的氧气后，连接产气装置，置于37°C水浴培养36 h ；
(I)用排水法对产气进行收集。
[0007]本发明通过对醋糟发酵体系添加适量浓度的Fe3+，有效促进厌氧微生物的活性，合适浓度的Fe3+添加在促进醋糟内有机质的最大利用，提高氢气累积产量的同时，又没有造成产甲烷菌活性的恢复，避免了生成的氢气和挥发性脂肪酸被利用。与不添加Fe3+的对照组相比，最终氢气产量提高了 28%，氢气纯度达到64%。
[0008]Fe3+作为一种金属元素添加可以有效提高厌氧制氢产量，因原料广泛经济，方法简单有效的有点，可以在工业产业化的生产中进行广泛的应用。
【具体实施方式】
[0009]本发明采用气相色谱分析分析发酵气体成分为H2、CH4, C02。采用气相色谱仪(SP-6890,鲁南瑞虹，中国)，配置T⑶检测器，TDX-Ol不锈钢柱(2 mX3 mm，配碳分子筛)。进样口温度、柱温、检测器温度分别为140°C、160°C和160°C。载气为氩气，检测器电流60 11^，压力0.08 MPa，流速25 mL/min。液相产物的挥发性脂肪酸(VFAs)由气相色谱仪(GC-5890，HP)检测，配有氢离子检测器(FID)和毛细管柱(安捷伦1909/N-133HP-1NN0WAX 30mX 0.250mm)。FID 的进样口和检测器温度分别为 240°C和 260°C。柱温程序升温:初温100°C保持lmin，以15°C /min的速率升温至220°C保持5 min。氮气作为载气，氮气、氢气和空气的流速分别为290 mL/min, 170 mL/min和290 mL/min。气体和液体都用外标法定量:以相同体积的标准物作为外标物注入色谱柱，得到标准色谱图。然后在相同条件下，对待测样品进行检测，得到色谱图。通过保留时间对待测样品进行定性，根据峰面积定量得到样品各成分浓度。
[0010]本发明中的醋糟全部取自镇江恒顺酱醋厂，自然风干后密封备用。经测定该醋糟中总固形物含量TS、挥发性固形物含量VS分别为:30.87%,89.91% ;污泥取自江苏大学湖底，于40 L发酵罐驯化三个月，作为混合产氢菌种的来源。
[0011]实施例1:
(I)醋糟的预处理:称取30g-TS烘干的醋糟样品于500 mL烧杯中，加入300 mL的0.7%的盐酸溶液，置于99°C水浴锅中加热20 min。用6 mol/L的NaOH调节初始pH至6.0，加入580 mg的FeCl3搅拌，作为发酵底物。
[0012](2)活性污泥预处理及厌氧发酵:取活性污泥300 mL,用NaOH溶液调节pH至12.0，室温静置24 h后，再用6 mol/L的HCl调节初始pH至6.0，与发酵底物以体积比1:1混合。用自来水定容至800 mL，迅速加塞密封，向发酵瓶内充入高纯氩气，连接产气装置，吹扫发酵瓶内剩余的氧气后，置于37°C恒温水浴培养36 ho用排水法对产气进行收集，发酵结束后，采集发酵液过0.45 μ m滤膜，与3%甲酸1:1混合。气体和发酵液进行气相产物成分分析。
[0013](3)气体组成分析:累积产气量为1950 mL。发酵气体成分为H2、CH4、C02。采用气相色谱仪(SP-6890，鲁南瑞虹，中国)，配置T⑶检测器，TDX-Ol不锈钢柱(2 mX3 mm,配碳分子筛)。进样口温度、柱温、检测器温度分别为140 0C ,160 1和160 °C。载气为氩气，检测器电流60 mA，压力0.08 MPa，流速25 mL/min。用外标法定量:以相同体积的标准物作为外标物注入色谱柱，得到标准色谱图。然后在相同条件下，对待测样品进行检测，得到色谱图。通过保留时间对待测样品进行定性，根据峰面积定量得到样品各成分浓度。测得氢气得率为64%，没有甲烷产生。
[0014](4)液体组成分析:液相产物的挥发性脂肪酸(VFAs)主要有乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸和己酸。采用气相色谱仪(GC-5890，HP)检测，配有氢离子检测器(FID)和毛细管柱(安捷伦1909/N-133HP-1NN0WAX 30mX0.250mm)。FID的进样口和检测器温度分别为240 °0和260 °C。柱温程序升温:初温100°C保持lmin，以15 °C/min的速率升温至220 °C保持5 min。氮气作为载气，氮气、氢气和空气的流速分别为290 mL/min, 170mL/min和290 mL/min。气体和液体都用外标法定量:以相同体积的标准物作为外标物注入色谱柱，得到标准色谱图。然后在相同条件下，对待测样品进行检测，得到色谱图。通过保留时间对待测样品进行定性，根据峰面积定量得到样品各成分浓度。测得乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸、正戊酸、己酸含量分别为6379 mg/L、309 mg/L、298 mg/L、2757 mg/L、257 mg/L、355 mg/L、1068 mg/L。
[0015]实施例2:
(I)醋糟的预处理:称取30g-TS烘干的醋糟样品于500 mL烧杯中，加入210 mL的0.5%的盐酸溶液，置于99°C水浴锅中加热60 min。用6 mol/L的NaOH调节初始pH至6.0，不加
AFeCl3O
[0016](2)活性污泥预处理及厌氧发酵:取活性污泥168 mL,用NaOH溶液调节pH至12.0，室温静置24 h后，再用6 mol/L的HCl调节初始pH至6.0，与发酵底物以体积比1:0.8混合。用自来水定容至800 mL，迅速加塞密封，向发酵瓶内充入高纯氩气，连接产气装置，吹扫发酵瓶内剩余的氧气后，置于37°C恒温水浴培养36 ho用排水法对产气进行收集，发酵结束后，采集发酵液过0.45 μ m滤膜，与3%甲酸1:1混合。气体和发酵液进行气相产