基于BBD模型的玉米秸秆光合生物制氢优化实验研究

以产氢量为主要实验指标,基于响应面法BBD模型研究不同影响因素对生物质秸秆酶解光合产氢的影响,考察光合产氢过程中不同影响因素间交互作用的显著性,并对玉米秸秆酶解光合生物制氢工艺进行优化。研究结果表明:p H值、温度和纤维素酶量三因素中,p H值对玉米秸秆酶解光合产氢的影响最大;多因素交互作用中,p H值和温度的交互作用最为显著;采用BBD模型获得的最佳产氢条件为:p H值5.43,温度30.8℃,纤维素酶量70 mg/g,最大产氢量149.39 m L,最大产氢率29.88 m L/g。通过实验对模型进行验证,实际最大产氢量达155.52 m L,产氢率31.11 m L/g,和预测值的误差为4.1%,说明该模型具有较好的拟合性。     

活性污泥驯化对棉花秸秆厌氧发酵产氢的影响

采用棉秆厌氧发酵制氢,既可实现农业废弃物的资源化利用,又可获得可再生能源——氢气。以棉花秸秆为发酵底物,以污水处理厂活性污泥为产氢菌源,主要研究活性污泥驯化时间(煮沸时间、培养时间、超声波处理时间)及污泥质量等因素对棉花秸秆产氢性能的影响。结果表明,25g活性污泥未经驯化时,棉花秸秆厌氧发酵产氢性能较低,累计产氢量仅为34.60m L/g。当活性污泥经驯化后,棉花秸秆的产氢性能大幅提高,活性污泥质量为25g、煮沸15min、超声波处理120min、培养12h时,棉秆厌氧发酵制氢效果最佳,最大累计产氢量为51.46m L/g,相比未驯化时提高近50%,平均产氢速率为9.36m L/(g·h),混合气体中氢气物质的量分数为42.12%。污泥驯化后极大地提高了棉花秸秆发酵制氢效率,为低成本、规模制氢技术奠定了基础。     

玉米秸秆同步糖化发酵产乙醇优化实验研究

以耐高温酿酒酵母为对象,研究高温酿酒酵母利用玉米秸秆为原料同步糖化产氢乙醇的影响因素,采用Plackett-Burman(PB)法对影响乙醇产率的5个因素进行筛选,采用CCD模型及响应面分析对影响因素进行优化设计,确定高温酿酒酵母利用玉米秸秆为原料同步糖化产氢乙醇的最佳工艺条件。研究结果表明:高温酿酒酵母利用玉米秸秆酶解液同步糖化产乙醇过程中接种量、温度、酶浓度和发酵时间4个因素对乙醇产量的影响最为明显,温度和发酵时间的交互作用最为显著。利用优化设计得到的最佳产乙醇工艺为:接种量7.4%、温度34.2℃、初始p H值5.0、酶浓度49.36 U/g。在此条件下,发酵105.12 h后乙醇产率可达59.88%,实验结果与响应面拟合方程的预测值(60.85%)吻合良好。     

基于火用效率的玉米秸秆厌氧发酵单产和联产氢烷性能分析

玉米秸秆厌氧发酵产氢、产甲烷,联产氢烷是秸秆能源化利用的3种重要的生化转化模式。为了筛选出玉米秸秆高效的生化转化模式,在玉米秸秆基质浓度分别为20,30,40,50,60 g/L的条件下进行了光发酵产氢、厌氧发酵产甲烷和光发酵产氢-厌氧发酵产甲烷两阶段联产氢烷的试验,从热力学火用效率和生态火用效率的角度对玉米秸秆单产或联产氢气和甲烷的性能进行了分析和评价。研究结果表明,光发酵产氢时,底物浓度为40 g/L的累积产氢量和累积收益火用最大,分别为323.67 mL和3.41 kJ,最大热力学火用效率为1.58%。厌氧发酵产甲烷时,底物浓度为60 g/L的累积产甲烷量和累积收益火用最大,分别为1 546.46 mL和57.38 kJ,最大热力学火用效率为31.01%。氢烷联产时,底物浓度为60 g/L的氢气和甲烷联产的累积产甲烷量和累积收益火用最大,分别为1 554..83 mL和60.83 kJ,最大热力学火用效率为22.20%。3种模式相比,玉米秸秆厌氧发酵单产甲烷转化具有最高的火用效率,且热力学火用效率和生态火用效率的评价结果是一致的。     

玉米秸秆产乙醇两种工艺路径的对比研究

通过以玉米秸秆为原料生产乙醇的两条工艺路径的对比,分析了不同转化路径的特点和结果。路径一,将粉粹的玉米秸秆经超低酸处理后进行酶解,利用酶解液发酵产乙醇;路径二,通过气化技术将玉米秸秆产生CO,H_2等混合气体,由微生物转化成乙醇。通过路径一处理及发酵后,发酵溶液中的乙醇浓度为21.5 g/L。通过路径2处理后,发酵溶液中的乙醇浓度为2.6 g/L。对比分析显示,虽然路径一的乙醇产量高于路径二,但其成本、能耗也高;路径二能耗较低,但对厌氧发酵条件要求严格,乙醇产量较低。     

基于玉米秸秆与牛粪混合物原料的高氢沼气制备工艺研究

对以玉米秸秆和牛粪混合物为发酵原料制备高氢沼气的工艺技术进行研究。提出温度、初始p H值等因素与产气量及其氢含量之间的关系。结果表明:发酵周期内的H2浓度在初始4 d内呈先升后降的趋势。当实验系统发酵温度为35℃时,累积产气量为10.6 L,其中H2浓度最高可达4.1%;当实验系统初始p H值为7.5时,累积产气量为14.1 L,其中H2浓度最高可达4.4%。     

连续流生物制氢反应器中有机负荷对产氢的影响

采用连续流搅拌槽式反应系统(CSTR)作为反应装置,以红糖水为发酵底物,污水处理厂剩余污泥为反应的启动污泥,在进水p H值为7.0±0.1、氧化还原电位(ORP)为-420 m V、温度(35±1)℃、水力停留时间(HRT)为6 h等影响因子调控下,达到稳定产氢(主要为乙醇型发酵)。在其他参数不变的条件下,通过改变有机负荷,着重研究其对产氢能力的影响,同时调节p H值使微生物保持较高活性。结果表明,当有机负荷从12 kg/(m3·d)上升为32 kg/(m3·d)时,产气和产氢速率均有持续增大的趋势。当有机负荷为32 kg/(m3·d)时,达最大产气速率(18.6 L/d),产氢速率为6.4 L/d,较初始有机负荷12 kg/(m3·d)时分别提高89%和87%。在系统运行过程中,进水p H值降低至5.85时,厌氧发酵微生物活性受到抑制,产氢速率有所下降,ORP上升至-328 m V。此时,向反应器内投加一定量的Na OH调节p H值,使反应器保持较高产氢速率的乙醇型发酵类型。     

微波-盐酸水解啤酒糟对其发酵产氢的影响

以啤酒糟为底物的厌氧发酵产氢技术可以同时实现废物资源再利用和清洁能源生产。为提高啤酒糟的产氢能力,探讨微波-盐酸预处理底物对厌氧发酵产氢的影响,将啤酒糟置于质量体积分数为的1%HCl中,在微波下辐射加热10 min,以未处理和微波-盐酸热处理啤酒糟为底物进行批式厌氧发酵产氢试验研究。结果表明:微波-盐酸预处理能显著提升啤酒糟的糖化与产氢能力;预处理后,啤酒糟的初始还原糖浓度是未处理啤酒糟的30倍,最大氢气浓度由23.18%提高到34.18%,产氢率由25.76 m L/g提高到52.81 m L/g;修正的Gompertz方程可以很好地拟合累积产氢量随时间的变化;啤酒糟发酵过程中的挥发性脂肪酸以乙酸和丁酸为主。     

玉米秸秆厌氧发酵生物制氢放大试验研究

在前期试验的基础上,以牛粪堆肥作为菌种来源,以玉米秸秆作为发酵底物,分别在5 L和30 L反应器中进行厌氧发酵制氢试验.试验结果表明:30L反应器处理底物的能力为15 g/L,5 L反应器为10g/L,其相应的底物最高产氢潜力分别为198.25,109.58 ml/g.5 L反应器和30 L反应器的最佳搅拌速率分别为120,100r/min,累积产氢量分别为5.51,58.50L.发酵过程中微生物的生长符合典型的微生物生长规律.5 L反应器和30 L反应器的气相产物中最高含氢量分别为55%和61%.由液相发酵产物确定两反应器中的发酵均为丁酸型发酵.修正后的Gompezrt产氢动力学模型能够很好地描述两反应器的发酵产氢过程,反应器经过放大后,其产氢性能得到了明显的提高.     

预处理温度对活性污泥发酵产氢特性的影响

为寻求适宜的种泥热处理方法,利用摇瓶发酵实验,考察了城市污水处理厂好氧活性污泥分别经65、80、95、110℃热处理30min后,其利用葡萄糖发酵产氢的特性。结果表明:在初始pH=7.0、葡萄糖浓度10g/L、接种量2gMLVSS/L条件下,35℃培养72h,经65℃和95℃处理的种泥表现出较好的发酵产氢性能,其葡萄糖的氢气转化率分别达到1.08和1.11mol/mol,污泥的比产氢率分别为8.36和9.05mmol/gMLVSS;经65℃预处理的种泥发酵体系,表现为丁酸型发酵,其葡萄糖降解率和最大产氢速率分别高达82%和11.29mL/h,而经95℃预处理的种泥发酵体系则呈现混合酸发酵特征,其葡萄糖转化率和最大产氢速率分别仅为76%和4.45mL/h。     

木糖厌氧发酵产氢特性研究

以木糖作为厌氧发酵产氢底物,热预处理(100℃,处理20 min)的厌氧颗粒污泥作为接种物,研究了中温条件(37℃)下厌氧发酵产氢特性.结果表明,当反应进行至50 h时,累积产氢量最大,为81.11 mL;乙酸、丁酸和乙醇是液相末端产物中的主要物质,其中乙酸和丁酸的浓度分别为1290 mg/L和1225 mg/L,发酵类型是典型的丁酸型发酵;反应体系的pH值开始降低,最后稳定在4.40左右,形成一个稳定的缓冲体系.     

尿素预处理对玉米秸秆厌氧发酵产沼气特性影响及动力学分析

针对玉米秸秆厌氧发酵产沼气过程中难降解问题,选用尿素对玉米秸秆进行预处理,并进行批次厌氧发酵产沼气试验研究。结果表明:经过45 d厌氧发酵,累积产气量最高为757.83 mL/g VS,最低为588.64 mL/g VS,厌氧发酵进行到25 d时达到45 d累积产气量的85%。分析联合预处理对累积沼气产气量影响得出,尿素质量浓度、预处理时间和玉米秸秆粒径3个因素对累积沼气产气量的影响程度是:玉米秸秆粒径>尿素质量浓度>预处理时间。通过2种动力学模型分析产气规律,对比模型的检验参数,得出Cone模型拟合预处理玉米秸秆厌氧发酵产气规律的适合度较高。     

玉米秸秆破碎度与酶解光合制氢的关系研究

以玉米秸秆为原料,利用微化破碎和酶水解结合的预处理方法,采用自制的光合制氢实验装置,进行不同破碎度对酶解光合制氢过程的影响实验研究,结果表明:当玉米秸秆破碎度为53~61μm时,最大比产氢速率约为26.4mL/(L·h),光能转化率达到25%,底物能量转化率约为5.3%,既具有较高的累计产氢量,又保证了较好的光能转化率和底物能量转化率,产氢综合效果最好。     

一株纤维素降解新菌种发酵玉米秸秆的生物产氢特性研究

从连续流发酵产氢反应器(ZL9211474.1)中分离筛选出一株高效纤维素降解产氢细菌Clostridium.sp.X9,X9利用微晶纤维素(MC)作为发酵产氢底物,得到最大单位体积产氢量(YH2)、比产氢率(YH2/s)和纤维素降解率分别为780mL H2/L-culture、5.1mmol H2/g-cellulose和69.6%.采用酸、碱、氨水和酸化汽曝4种方式预处理玉米秸秆,结果表明,酸化汽曝方式可以获得最佳的预处理效果.X9利用酸化汽曝预处理的玉米秸秆发酵产氢的YH2、YH2/s和纤维素降解率分别达到730mL H2/L-cuhllre、4.3mmol H2/g-ceulllose和64.0%.这说明新菌种X9在利用玉米秸秆类生物质纤维素发酵产氢方面具有很好的应用潜力.     

一株纤维素降解新菌种发酵玉米秸杆的生物产氢特性研究

试验从连续流发酵产氢反应器(ZL92114474.1)中分离筛选出一株高效纤维素降解产氢细菌Clostridium sp.X9.X9利用微晶纤维素(MC)作为发酵产氢底物,得到最大单位体积产氢量(YH2)、比产氢率(YH2/s)和纤维素降解率分别为780 mL H2/L-culture、5.1 mmol H2/g-cellulose和69.6%.采用酸、碱、氨水和酸化汽爆方式预处理玉米秸秆,结果表明,酸化汽爆方式可以获得最佳的预处理效果.X9利用酸化汽爆玉米秸秆(cSES)发酵产氢的YH2、YH2/8和纤维素降解率分别达到730 ml H2/L-culture、4.3 mmol H2/g-cellulose和64%.这说明新菌种X9在利用玉米秸秆类生物质纤维素发酵产氢方面具有很好的应用潜力.     

玉米秸秆预处理对厌氧发酵制氢影响的研究

为提高玉米秸秆的产氢能力,实验研究了蒸汽爆破预处理、硫酸预处理、氢氧化钠预处理、盐酸预处理和酸化(碱化)气爆预处理5种预处理方法对玉米秸秆发酵产氢能力的影响。结果表明,预处理可以将秸秆中相当一部分纤维素和半纤维素水解生成还原糖,其中质量分数为0.8%的H2SO4酸化汽爆预处理对秸秆的水解效果最好。在固-液比1∶10、H2SO4质量分数0.8%、保持微沸状态30min的处理条件下,秸秆的糖含量达到最大值24.57%,最大氢气产量为141mL/g。     

稀酸处理对秸秆厌氧发酵产氢的影响

以稻草秸秆为纤维素原料,先利用稀硫酸对其进行预处理,再利用活性污泥进行厌氧发酵产氢。试验研究了压力、温度、硫酸浓度、加压时间、固液比以及原料粒度对预处理结果的影响,并根据产氢量优化了预处理条件。试验结果表明:在硫酸浓度为0.7%、处理压力为0.1MPa、加压时间为60min、固液比为1∶12,秸秆原料过60目筛的情况下预处理效果最好,此时每克秸秆产氢量为113ml,秸秆中半纤维素、纤维素的利用率为87.47%,秸秆的有效利用率为52.38%。     

玉米秸秆与土豆混合厌氧发酵试验研究

为了解土豆作为玉米秸秆混合厌氧发酵底物对秸秆厌氧发酵转化效率的影响,在35℃条件下,采用批量发酵方式对玉米秸秆、土豆以及二者混合原料的厌氧发酵效果进行了对比试验.试验结果表明:在TS浓度为6%,玉米秸秆和土豆TS比为4:1条件下,混合原料的累积产气量为439mL/gTS,而玉米秸秆的累积产气量为309mL/gTS,混合厌氧发酵使玉米秸秆的产气量比其单一原料厌氧发酵提高了31.4%.因此,将易生物降解的原料作为秸秆混合厌氧发酵的底物可以提高秸秆厌氧发酵转化效率.     

餐厨垃圾与市政污泥协同厌氧制氢影响因素研究

以餐厨垃圾和市政污泥为研究对象,采用协同厌氧制氢工艺研究不同温度、物料配比对厌氧产氢潜力和中间代谢产物变化规律的影响。结果表明,55℃高温发酵时,餐厨垃圾单独厌氧发酵产氢效果最佳,产氢潜力、最大产氢速率分别为342.49 mL、41.48 mL/h,是35℃中温发酵的1.2倍。35℃中温发酵,餐厨垃圾与市政污泥配比为5∶1时氢气含量最高为56.4%。相关性分析表明,pH值与氨氮浓度呈正相关,与还原糖含量、累积产氢量呈显著负相关;还原糖含量与累积产氢量呈正相关,氨氮浓度与累积产氢量呈显著负相关。温度、物料配比和pH值的优化调控对协同厌氧制氢工艺的高效稳定运行具有重要意义。     

柠檬酸对牛粪厌氧发酵产沼气的影响研究

文章研究了柠檬酸添加量对牛粪中温(35±1℃)厌氧发酵产沼气的日产气量、累积产气量、p H值以及COD降解率等的影响。结果表明:添加适量的柠檬酸对牛粪厌氧发酵产沼气具有显著的促进作用,0.6%的柠檬酸添加量取得了最高日产气量38.46 m L/g(VS);0.7%的柠檬酸添加量取得了最高累积产气量545.48 m L/g(VS);0.3%的柠檬酸添加量可以大幅提高COD去除率,达到了34.5%;随着柠檬酸添加量的增加,第二次产气高峰依次推迟,p H值从6.76逐渐降低到5.41,当柠檬酸添加量为0.9%时,p H值达到5.57。该研究结果为牛粪厌氧发酵规模化沼气工程的高效运行提供了技术参考。