蘋果渣液態(tài)厭氧發(fā)酵制備生物氫氣的研究

馬曉珂王振斌陳克平王倩倩，王世清

（1.江蘇大學(xué)生命科學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.中國(guó)江蘇大學(xué)—美國(guó)加州大學(xué)生物能源聯(lián)合研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266109）

蘋果渣液態(tài)厭氧發(fā)酵制備生物氫氣的研究

馬曉珂1王振斌2陳克平1王倩倩2，3王世清3

（1.江蘇大學(xué)生命科學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.中國(guó)江蘇大學(xué)—美國(guó)加州大學(xué)生物能源聯(lián)合研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266109）

以蘋果渣為原料，通過液態(tài)厭氧發(fā)酵技術(shù)制備氫氣，經(jīng)過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)研究蘋果渣與活性污泥的比例、發(fā)酵溫度、初始pH、發(fā)酵液濃度對(duì)蘋果渣厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效率的影響。結(jié)果表明，蘋果渣液態(tài)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的最優(yōu)條件：發(fā)酵溫度為（30±2）℃、活性污泥與蘋果渣比率為4∶10、初始pH值8.5、發(fā)酵液濃度0.125g/mL，該條件下，蘋果渣產(chǎn)氫率達(dá)到19.29mL/g·TS。

蘋果渣；液態(tài)發(fā)酵；厭氧發(fā)酵；生物氫氣

氫氣是一種燃燒值高的清潔能源［1，2］。以厭氧發(fā)酵的方式制備氫氣是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好的制備方法，具有廣闊的應(yīng)用前景［3，4］。目前以有機(jī)廢棄物為原料，通過厭氧發(fā)酵的方式制備氫氣已成為研究開發(fā)的熱點(diǎn)。

蘋果渣是蘋果汁加工的下腳料，含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，處理不當(dāng)會(huì)造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染［5，6］。果渣的用途主要用作喂養(yǎng)牲畜的飼料，附加值較低。對(duì)蘋果渣應(yīng)用的研究也有很多，如生產(chǎn)蛋白飼料、果膠、膳食纖維、檸檬酸、蘋果白蘭地、果膠低聚糖、食品添加劑、芳香物質(zhì)、果膠酶、蘋果醋等方面。但目前蘋果渣產(chǎn)業(yè)化處理方法僅限于果膠的提取。從蘋果渣中提取果膠需要處理大量的蘋果渣才能獲得利潤(rùn)，同時(shí)為了提高果膠的分離和提取效率，避免果膠被酶解，需要對(duì)蘋果渣進(jìn)行干燥處理。因此，理想的蘋果渣應(yīng)用方法仍在探索之中。

蘋果渣中含有較多的纖維素和糖類，具有厭氧發(fā)酵制備氫氣的潛力，且發(fā)酵殘?jiān)梢宰鳛橛袡C(jī)肥料［6，7］。本試驗(yàn)以活性污泥為產(chǎn)氫菌源，以廢棄蘋果渣為底物，采用液態(tài)厭氧發(fā)酵方法，考察蘋果渣原料與活性污泥的比例、發(fā)酵溫度、初始pH和發(fā)酵液濃度對(duì)蘋果渣厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響，以期為蘋果渣的綜合利用和氫氣的制備提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

活性污泥：鎮(zhèn)江征潤(rùn)州污水處理廠；

蘋果渣：水分含量 11.6%（干基），總固定物（TS）85.8%，揮發(fā)性固體（VS）97.6%，陜西海升實(shí)業(yè)集團(tuán)乾縣分公司；

鹽酸、氫氧化鈉：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

高純氫氣、甲烷、二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣體：南京特種氣體廠有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器

分光光度計(jì)：WFJ7200型，尤尼柯（上海）儀器有限公司；

氣相色譜儀：HP－5890，安捷倫科技公司；

數(shù)顯恒溫水浴鍋：HH－S型，金壇市醫(yī)療儀器廠；

數(shù)字酸度計(jì)：PHS－25型，上海理達(dá)儀器廠；

高速臺(tái)式冷凍離心機(jī)：TGL－16，湘儀離心機(jī)儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 活性污泥的預(yù)處理 活性污泥采用堿預(yù)處理方法，以氫氧化鈉調(diào)整活性污泥pH為11，煮沸1.5h，然后用鹽酸調(diào)整至pH 6.5，備用。

1.3.2 蘋果渣厭氧發(fā)酵制氫試驗(yàn) 試驗(yàn)裝置見圖1。

（1）蘋果渣與活性污泥的比例對(duì)產(chǎn)氫效率的影響：在500mL藍(lán)蓋瓶中加入50g預(yù)處理過的活性污泥，分別按蘋果渣∶活性污泥為1∶10，2∶10，3∶10，4∶10，5∶10，6∶10，7∶10，8∶10，9∶10，10∶10的比例加入蘋果渣。加自來水至約350mL，以0.1%氫氧化鈉和1%鹽酸調(diào)整pH至6.5，以自來水補(bǔ)充體積至400mL，然后密封，氮?dú)獯祾咂恐械目諝?min，置于（35±2）℃水浴中厭氧發(fā)酵，用排水法收集氣體，發(fā)酵結(jié)束后，進(jìn)行氣相產(chǎn)物成分分析。

圖1 500mL批式厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫試驗(yàn)裝置Figure 1 Apparatus for hydrogen production of 250mL batch test

（2）發(fā)酵溫度對(duì)產(chǎn)氫效率的影響：加入50g預(yù)處理過的活性污泥，加入25g蘋果渣，加自來水至約200mL，以0.1%氫氧化鈉和1%鹽酸調(diào)整pH至6.5，加自來水至約350mL，以0.1%氫氧化鈉和1%鹽酸調(diào)整pH至6.5，以自來水補(bǔ)充體積至400mL，氮?dú)獯祾咂恐械目諝?min，分別置于（35±2），（50±2）℃和室溫（（20±3）℃）水浴中厭氧發(fā)酵，收集氣體。

（3）初始pH對(duì)產(chǎn)氫效率的影響：加入50g預(yù)處理過的活性污泥，加入25g蘋果渣，加自來水至約200mL，以0.1%氫氧化鈉和1%鹽酸調(diào)整pH 至5.0，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0，8.5，9.0，加自來水至約350mL，以0.1%氫氧化鈉和1%鹽酸調(diào)整pH至6.5，以自來水補(bǔ)充體積至400mL，氮?dú)獯祾咂恐械目諝?min，分別置于（35±2）℃水浴中厭氧發(fā)酵，收集氣體。

（4）發(fā)酵液濃度對(duì)產(chǎn)氫效率的影響：固定蘋果渣和活性污泥的比例為5∶10作為底物，發(fā)酵液濃度分別為0.025，0.050，0.075，0.10，0.125，0.150，0.175，0.20，0.225g/mL，以0.1%氫氧化鈉和1%鹽酸調(diào)整pH至6.5，加自來水至約350mL，以0.1%氫氧化鈉和1%鹽酸調(diào)整pH至6.5，以自來水補(bǔ)充體積至400mL，氮?dú)獯祾咂恐械目諝?min，分別置于（35±2）℃水浴中厭氧發(fā)酵，收集氣體。

（5）蘋果渣厭氧發(fā)酵制備氫氣條件的優(yōu)化：在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用（30±2）℃中的溫發(fā)酵方式，選擇活性污泥與蘋果渣比率、初始pH和發(fā)酵液濃度為考察因素，以厭氧發(fā)酵過程中累積產(chǎn)氫量為指標(biāo)，設(shè)計(jì)L9（34）正交試驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化氫氣的制備工藝參數(shù)。

1.4 分析測(cè)定方法

1.4.1TS和VS的測(cè)定TS和VS按式（1）和（2）計(jì)算。

式中：

Wsd——樣品干重，g；

Ws——樣品重，g；

Wa——樣品灰分重，g。

1.4.2 蘋果渣累積產(chǎn)氫量計(jì)算 按式（3）計(jì)算。

式中：

Gt——累積產(chǎn)氣量，mL/g TS；

GH——收集氣體中氫氣的總量，mL；

W——蘋果渣的質(zhì)量，g；

TS——蘋果渣中的總固形物含量，%。

1.4.3 生物氣中H2組分的百分含量測(cè)定 采用氣相色譜法測(cè)定。

（1）測(cè)定條件：采用SP2000氣相色譜儀，熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD）。PorapakQ6英尺不銹鋼填充柱（80/100Mesh），柱溫恒溫35℃；載氣為N2，流速20mL/min；檢測(cè)器電流和溫度分別是60mA、100℃；進(jìn)樣器不分流，進(jìn)樣溫度50℃。

（2）用外標(biāo)法定量：以相同體積的標(biāo)準(zhǔn)純氣體作為外標(biāo)物注入色譜柱，得到標(biāo)準(zhǔn)色譜圖。然后在相同條件下，對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行檢測(cè)，得到其色譜圖。同一種氣體在色譜圖中顯示相同的保留時(shí)間，以同體積標(biāo)準(zhǔn)氣為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)峰面積可計(jì)算得出生物氣中各氣相產(chǎn)物濃度。氣相產(chǎn)物濃度按式（4）計(jì)算：

式中：

CH——生物氣中H2組分的百分含量，%；

CSH——標(biāo)準(zhǔn)純氫氣的百分含量，%；

AA——生物氣中H2的峰面積；

ASH——標(biāo)準(zhǔn)純H2的峰面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 活性污泥與蘋果渣的比例對(duì)產(chǎn)氫效率的影響

由圖2可知，在活性污泥與蘋果渣比例在1∶10到5∶10之間時(shí)，蘋果渣厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的得率較高，隨著活性污泥與蘋果渣比例進(jìn)一步增大，蘋果渣厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的得率逐漸下降。分析其中原因，在厭氧發(fā)酵過程中，隨著有機(jī)物質(zhì)的水解，發(fā)酵體系中的pH逐漸下降，過低的pH將抑制產(chǎn)氫菌的活性。因此，本試驗(yàn)選取活性污泥與蘋果渣的比例4∶10，5∶10，6∶10作為正交試驗(yàn)的考察水平。

圖2 活性污泥與蘋果渣的比例對(duì)產(chǎn)氫效率的影響Figure 2 The effect of sluge to apple pomace ratio on hydrogen production from apple pomace

2.2 發(fā)酵溫度條件對(duì)蘋果渣產(chǎn)氫量的影響

由圖3可知，高溫發(fā)酵（50±2）℃時(shí)，蘋果渣厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效率最高，中溫（35±2）℃次之，室溫（20±3）℃產(chǎn)氫效率較低。分析其原因可能是在試驗(yàn)的（50±2）℃高溫條件下，產(chǎn)氫菌的發(fā)酵活性沒有受到抑制，而高溫有利于蘋果渣水解，利于底物的轉(zhuǎn)化。但是維持較高的發(fā)酵溫度需要更多的熱能，發(fā)酵成本高。因此本試驗(yàn)選取中溫發(fā)酵（35±2）℃為蘋果渣適宜的發(fā)酵溫度條件。

圖3 發(fā)酵溫度條件對(duì)蘋果渣產(chǎn)氫量的影響Figure 3 The effect of temperature on hydrogen production from apple pomace

2.3 初始pH對(duì)蘋果渣厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效率的影響

由圖4可知，在初始pH值等于5.0時(shí)，幾乎沒有氫氣產(chǎn)生。當(dāng)初始pH值為6.0～8.0時(shí)，蘋果渣的累計(jì)產(chǎn)氫量隨初始pH值的上升而增加。初始pH 8.0時(shí)，累計(jì)產(chǎn)氫量最大，達(dá)到18.51mL/g TS。初始pH值大于8.5后，蘋果渣的累計(jì)產(chǎn)氫量開始下降。分析其中原因，可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)選用的活性污泥預(yù)處理方式是堿處理法，得到產(chǎn)氫菌耐堿而不耐酸，偏堿性的環(huán)境有利于其萌發(fā)、生長(zhǎng)、繁殖和發(fā)酵。這與顧順等人的研究結(jié)果［8－10］一致。本試驗(yàn)選適宜的初始pH范圍為6.5到8.5。

圖4 初始pH對(duì)蘋果渣厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效率的影響Figure 4 The effect of initial pH on hydrogen production from apple pomace

2.4 發(fā)酵液濃度對(duì)蘋果渣產(chǎn)氫量的影響

由圖5可知，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，發(fā)酵液產(chǎn)氫量較高，繼續(xù)增大發(fā)酵液濃度，累積產(chǎn)氫量逐漸下降。分析原因，可能是過高的底物濃度影響發(fā)酵中傳質(zhì)，產(chǎn)氫菌和底物接觸受到影響，另一方面，高濃度的底物在發(fā)酵過程中很快降低了反應(yīng)體系的pH，使得發(fā)酵受到抑制。本試驗(yàn)選取適宜的底物濃度為0.075～0.125g/mL。

圖5 發(fā)酵液濃度對(duì)蘋果渣厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效率的影響Figure 5 The effect of fermentation broth content on hydrogen production from apple pomace

2.5 蘋果渣厭氧發(fā)酵制備氫氣條件的優(yōu)化

正交試驗(yàn)因素水平表見表1，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

由表2可知，在試驗(yàn)條件下，影響蘋果渣厭氧發(fā)酵累計(jì)產(chǎn)氫量的3個(gè)因素中，按極差大小其主次順序?yàn)锽＞A＞C；優(yōu)組合為A1B3C3，即活性污泥與蘋果渣比率為0.4、初始pH值8.5、發(fā)酵液濃度0.125g/mL，在此條件下，蘋果渣產(chǎn)氫率達(dá)到19.29mL/gTS。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factor and level of orthogonal design L9（34）

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Result of Orthogonal experiment

3 結(jié)論

以氫氧化鈉調(diào)整活性污泥pH為11，處理時(shí)間為1.5h，然后用鹽酸調(diào)整至pH 6.5的條件下，蘋果渣液態(tài)厭氧發(fā)酵制備氫氣的最佳條件：選用（30±2）℃的中溫發(fā)酵方式，活性污泥與蘋果渣比率為4∶10、初始pH值8.5、發(fā)酵液濃度0.125g/mL，在此條件下，蘋果渣產(chǎn)氫率達(dá)到19.29mL/g·TS。

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10 李智.葡萄糖和蘋果渣厭氧發(fā)酵生物制氫的研究［D］.西安：西北大學(xué)，2008.

Biohydrogen production from apple residue by liquid－state anaerobic fermentation

MA Xiao－ke1WANG Zhen－bin2CHEN Ke－ping1WANG Qian－qian2，3WANG Shi－qing3

（1.Dept.of Life Science，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu212013，China；2.Dept.Food and Biological Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu212013，China；3.Dept.Food Science and Engineering，Qingdao Agricultural University，Qingdao，Shandong266109，China）

Biohydrogen was produced from apple pomace by anaerobic fermentation in liquid state.The effects of ratio of apple pomace to sludge，fermentation temperature，initial pH and solid content of fermention solution on the biohydrogen production were investigated by single factor tests and orthogonal tests.The optimum liquid state anaerobic fermenting parameters for hydrogen producing from apple pomace were as follows：fermentation temperature 30±2℃，ratio of sludge to apple pomace 4：10，initial pH value 8.5，solid content of fermention system 0.125g/mL.In this conditions，the total hydrogen rate reached to 19.29mL/gTS（TS：total solid）.

apple pomace；liquid－state fermentation；anaerobic fermentation；biohydrogen

10.3969 /j.issn.1003－5788.2011.06.063

鎮(zhèn)江市科技攻關(guān)項(xiàng)目（編號(hào)：GY2007002）；鎮(zhèn)江市國(guó)際科技合作項(xiàng)目（編號(hào)：GJ2007010）

馬曉珂（1974－），女，江蘇大學(xué)實(shí)驗(yàn)師，碩士。E－mail：maxk2008＠jus.edu.cn

王振斌

2011－08－01