能源草酶解光合生物制氢实验研究

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1、2014年12月农业机械学报第45卷第12期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．12．033*能源草酶解光合生物制氢实验研究张全国张丙学蒋丹萍李亚猛荆艳艳路朝阳(河南农业大学农业部可再生能源新材料与装备重点实验室，郑州450002)摘要:利用王草、象草、柳枝稷、紫花苜蓿这4种常见能源草的纤维素酶酶解液作为产氢底物，对其光合生物制氢性能进行了实验研究，以累积产氢量和产氢速率为考察指标，对比了不同类型能源草的产氢能力，并利用修正的Gompertz方程对产氢过程进行回归分析，

2、验证了能源草作为光合制氢原料的技术可行性。结果表明，当产氢工艺条件为光合细菌接种量30%、温度30℃、光照度2000lx、发酵时间120h时，紫花苜蓿产氢性能最好，王草次之，而象草和柳枝稷的产氢性能较差。王草、象草、柳枝稷和紫花苜蓿的累积产氢量分别为75.3、27.2、26.1和81.6mL，最大产氢速率分别为7.83、3.5、4.33、14.75mL/(h·L)。关键词:能源草纤维素酶生物制氢酶解中图分类号:S216.2;TK91文献标识码:A文章编号:1000-1298(2014)12-0224-

3、05复杂的大分子有机物利用效率较差，对于乙酸、丁引言酸、丙酮酸、葡萄糖、果糖等挥发性小分子酸及单糖［17］以能源草作为生物能源的原材料成本低、效率类利用较好，所以能源草原料必须经过预处理，高，不占用耕地，可利用山坡地，兼具水土保持的功将原料中的纤维素和半纤维素经水解糖化之后才能效，燃烧后产生的污染物也很少，可有效减轻温室效为光合细菌所利用。本文利用纤维素酶对柳枝稷、［1－2］应、降低环境污染。相比木本植物，更便于管王草、象草、紫花苜蓿等4种能源草进行酶解预处理，而且在大面积种植情况下，更易于实现机械化

4、作理，以累积产氢量以及最大产氢速率为指标通过实［3－4］业。我国有大量的干旱半干旱以及低洼易涝和验考察这4种能源草的产氢性能，分析评价利用能盐碱地等土地，在这些不适宜耕作的边际土地上种源草作为光合生物制氢原料的潜在可行性，旨在优植能源草，不仅能够起到防沙固沙保护环境的作用，化能源草光合生物制氢工艺技术，为实现生物质高还能用于生产生物质能源，具有显著的经济效益。效低成本能源转化提供科学参考。目前国内外对能源草的转化利用方面多集中于直接1材料与方法［5－6］［7－9］燃烧发电或经发酵生产燃料乙醇和甲烷［1

5、0－11］等，而对于利用能源草发酵进行产氢的研究较1.1实验材料少。实验所用能源草分别为王草和象草(产地均为氢气因其清洁无污染、能量密度高、可再生和应江西新余，收割时间为10月中旬)、柳枝稷(产自北用形式多等特点，被认为是一种最具吸引力的替代京市农林科学院试验田，收获时间为11月初)、紫［12－13］能源。传统的化学制氢方法基本上都伴随着花苜蓿(产自河南农业大学试验田，收获时间为10化石能源的消耗和环境污染。光合生物制氢因其节月底)，能源草原料均在粉碎机中粉碎2min后过80能环保、转化效率高、可利用

6、多种工农业废弃物等优目筛(孔径约0.178mm)，然后放入60℃干燥箱中［14－16］点，是一种非常有发展前景的制氢技术。并且干燥12h后保存备用。光合细菌能利用的原料来源非常广泛，可以利用包1.2实验菌种括有机废水、畜禽粪便和农作物秸秆等各种工农业实验所用HAU-M1光合产氢混合细菌由农业废弃物。部可再生能源新材料与装备重点实验室提供，各菌由于光合细菌对纤维素、半纤维素、淀粉等结构种质量分数分别为深红红螺菌收稿日期:2014-07-30修回日期:2014-08-09*国家自然科学基金资助项目(513

7、76056)、国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2012AA051502)和教育部博士点基金优先领域资助项目(20134105130001)作者简介:张全国，教授，博士生导师，主要从事可再生能源工程研究，E-mail:zquanguo@163．com第12期张全国等:能源草酶解光合生物制氢实验研究225(Ｒhodospirillumrubrum)27%、荚膜红假单胞菌(Ｒ．150℃，进样量500μL，保留时间2min。capsulata)25%、沼泽红假单胞菌(Ｒ．pulastris)28

8、%、1.3.5纤维素酶水解类球红细菌(Ｒhodobactersphae-roides)9%、荚膜红细分别取4种能源草原料2.5g放入250mL锥形［18］菌(Ｒhodobactercapsulatus)11%等。瓶中，再加入pH值4.8柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液生长培养基:NH4Cl0.1g/L;NaHCO30.2g/L;100mL，然后加入250mg纤维素酶，酶负荷为K2HPO40.02g/L;CH3COONa0.3g/L;MgSO4·7H2O100mg/