探索生物质厌氧发酵制氢工艺条件及影响规律研究

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1、授予单位代码10459学号或申请号200612023081702018密级士郑学州位大论学硕文生物质厌氧发酵制氢工艺条件及影响规律研究院系名称:化工与能源学院学科门类:工学专业名称:化学工艺作者姓名:李涛导师姓名、职称:任保增教授江振西副教授2009年5月20日ThesisfortheDegreeofMasterofZhengzhouUniversityStudyonProeessConditionsandInfluenceLawofBio一HydrogenProductionfromBioma

2、ssbyFermentationMajor:ChemiealTeehnologyCanditate:LiTaoSuPervisor:ProfessorRenBaozengProfessorJiangZhenxiSehoolofChemiealEngineeringZhengzhouUniversityMay2009/郑州大学硕士学位论文摘要随着环保要求的日益严格和和世界化石能然资源的日趋枯竭，氢能作为清洁高效的可再生能源正日益受到受到人们的重视。同时，利用生物质固体废弃物厌氧发酵制氢，是一项利用

3、微生物的生理代谢作用分解有机物从而产生氢气的生物工程技术，可以将废弃的生物质资源转变为清洁能源一氢能，在生产清洁能源的同时，也进一步减少了由于废弃生物质的堆放和焚烧所造成的环境污染问题，变废为宝，是一种符合可持续发展战略的清洁生产机制。本文在前期研究成果的基础上，针对农业固体废弃物玉米秸秆进行了发酵产氢实验研究。首先针对菌源的预处理进行了优化，以天然的牛粪堆肥为菌源，在比较了直接强制曝气、直接加热煮沸与加热煮沸和强制曝气相结合这几种方式后，根据发酵产氢潜势，确定菌源的预处理方式为加热煮沸与强制曝

4、气相结合。考察了加热煮沸时间和菌源的用量对产氢潜势的影响，通过实验得出最适宜的加热煮沸时间为18而n，菌源用量为50叭。在此条件下，蔗糖模拟废水和玉米秸秆的产氢潜势达到最大，分别为241.35mL/g和138.57mL/g。生物质厌氧发酵制氢关键因素之一是提高产氢系统的稳定性，而这很大程度上取决于发酵液中微生物的稳定性。实验对发酵液中微生物生态学做了初步研究，考察了SL和30L反应器中微生物的生长量，发现生长曲线均符合典型的微生物生长规律。在发酵稳定期，两反应器中产氢细菌浓度达到最高，分别为3.

5、329几和3.90留L。同时，对生长稳定期的菌种进行了分离纯化和厌氧培养，得到一株纯菌株，通过革兰氏染色和扫描电镜的鉴定，初步判定该菌株为梭菌属细菌。底物的预处理效果也是发酵产氢的关键点之一。在前期实验的基础上，采用机械粉碎、蒸汽爆破和稀酸水解相结合的方式对玉米秸秆进行预处理，考察了秸秆的粒度和酸解时的液固比对酸解效果和产氢效果的影响，得出最适宜的秸秆粒度为小于0.850~，最适宜的液固比为10。在此条件下，酸解后秸秆的糖含量达到最大值为19.76%。采用最适宜的预处理方式进行产氢批试实验，秸秆

6、的最大产氢潜势为128.79呱/g。实验对玉米秸秆发酵产氢过程的影响因素进行了研究，并在SL和3OL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:温度37℃;pH郑州大学硕士学位论文5.0士0.2;最适宜的底物浓度:SL反应器109/L，30L反应器159/L;底物停留时间12h;搅拌转速:SL反应器120r/min，30L反应器IO0r/min。重点对金属离子对发酵产氢效果的影响进行了研究，考察了FeZ+和Mg2+等对秸秆产氢潜势和产氢速率的影响，得出发酵时最适宜的离子浓度为:Fe

7、2+20omg/L，Mg2+1om留L。此时，SL反应器中最大产氢潜势为112.37mL/g，最大产氢速率为1巧.68mL/(Lh);30L反应器中得到的最大产氢潜势为193.85mL/g，最大产氢速率为373.92mL/(L·h)。在前期实验得到的最适宜条件下，进行了SL和30L反应器对比产氢实验，取得了较好的实验效果。得到两个不同规模反应器的产氢潜势、最大产氢速率、产氢延迟时间和生物气中氢气的最高浓度，30L反应器的玉米秸秆产氢潜势是5L反应器的1.7倍，30L反应器的最大产氢速率为SL反应

8、器的3.22倍，30L反应器产氢延迟时间较SL反应器短，而且最高氢气浓度更高。并对两反应器中微生物代谢途径进行了比较，SL反应器中氢气含量最大值为55%，3OL反应器中为61%，反应过程中没有检测到甲烷气体，在整个反应过程中，30L反应器中氢气含量和液相末端主产物含量均要高于SL反应器，发酵类型均为丁酸型发酵。结果表明，30L反应器发酵性能要优于SL反应器。关键词:生物质;生物制氢;预处理;工艺条件;影响规律郑州大学硕」学位论文Abstr8CtWiththeinereasinglystringe