научная статья по теме ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ СУБСТРАТА НА ОБРАЗОВАНИЕ ВОДОРОДА В ПРОЦЕССЕ ФЕРМЕНТАЦИИ Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ СУБСТРАТА НА ОБРАЗОВАНИЕ ВОДОРОДА В ПРОЦЕССЕ ФЕРМЕНТАЦИИ»

Статья поступила в редакцию 01.07.14. Ред. рег. № 2047

The article has entered in publishing office 01.07.14. Ed. reg. No. 2047

УДК 66.098:546.11

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ СУБСТРАТА НА ОБРАЗОВАНИЕ ВОДОРОДА В ПРОЦЕССЕ ФЕРМЕНТАЦИИ

Н.Б. Голуб

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» Украина, Киев, пр. Перемоги, д. 37 Тел./факс: (044) 406-81-84, e-mail: golubnb@ukr.net

Заключение совета рецензентов: 06.07.14 Заключение совета экспертов: 10.07.14 Принято к публикации: 15.07.14

Представлены результаты влияния концентрации целлюлозосодержащего сырья на продуцирование водорода ассоциацией микроорганизмов в ферментативном процессе. Увеличение концентрации отходов кукурузы выше 60 г/дм3 приводит к уменьшению значения рН < 6 и снижению выхода водорода. При рН = 5,5 выход водорода уменьшается в 3 раза по сравнению с его образованием при рН = 7. Концентрация водорода в газовой фазе достигает 53% при концентрации кукурузы 30 г/дм3. Разделение ферментативного процесса на две стадии (деструкция сырья и продуцирование водорода) позволяет увеличить выход водорода в 3-4 раза и сократить время ферментации.

Ключевые слова: водород, ферментация, сельскохозяйственные отходы, ассоциация микроорганизмов.

INFLUENCE OF SUBSTRATE CONCENTRATION ON THE FORMATION OF HYDROGEN DURING FERMENTATION

N.B. Golub

National Technical University of Ukraine "Kiev Polytechnic Institute" 37 Peremogi ave., Kiev, Ukraine Tel./fax: (044) 406-81-84, e-mail: golubnb@ukr.net

Referred: 06.07.14 Expertise: 10.07.14 Accepted: 15.07.14

In this article we show the effect of cellulosic raw material concentration on the production of hydrogen by association of microorganisms in the fermentation process. Increasing the concentration of waste corn above 60 g/dm3, results in a decrease of рН lower than 6 and reduces the yield of hydrogen. At pH 5.5 the yield of hydrogen decreases 3 times compared to its synthesis at pH 7. The hydrogen concentration in the gas phase reaches 53% at a concentration of corn 30 g/dm3. Separation of the fermentative process for two steps (destruction of raw material and the production of hydrogen) can increase the yield of hydrogen by 3-4 times.

Keywords: hydrogen fermentation, agricultural waste, the association of microorganisms.

Наталия Борисовна Голуб

Сведения об авторе: доцент кафедры экобиотехнологии и биоэнергетики, канд. хим. наук, доцент, старший научный сотрудник.

Образование: Киевский гос. университет им. Т. Шевченко.

Публикации: монография, учебник и 3 учебных пособия с грифом Министерства образования и науки Украины, 45 статей, 5 патентов.

Введение

Водород является экологически чистым энергоносителем только при условии его получения в процессах, которые не наносят вреда окружающей среде. При этом энергия, что используется в процессе его производства, также должна быть получена с использованием экологически чистых источников энергии - таких как солнечная, ветровая, гидроэнергетика и т. д. В настоящее время основные технологии получения водорода: паровая конверсия метана

(50% мирового производства), газификация угля (20%) и процессы нефтепереработки (26%) - сопровождаются значительными выбросами СО2 в атмосферу. Количество энергии, которое необходимо для электролиза водных растворов (4%), превышает энергию, которую получают при сжигании водорода (3 кВт-ч/м3 Н2) [1]. Поэтому исследования энергосберегающих и экологически чистых методов получения водорода является актуальной проблемой.

Один из таких методов - анаэробный ферментативный процесс [2]. При этом сырьем для его произ-

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 15 (155) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014

водства являются возобновляемые органические отходы разного происхождения. То есть получение водорода биохимическим путем одновременно позволяет решать как энергетическую, так и экологическую проблему.

Образование водорода в процессах метаболизма микроорганизмов зависит от многих факторов: парциального давления водорода, качественного состава питательных веществ, соотношения элементов С:№Р, температуры, рН и т.д. [3-5]. Эффективность продуцирования водорода микроорганизмами зависит от соотношения их видов в реакторе, так как смесь культур может образовать необходимые комбинации метаболических путей для переработки разных веществ, которые содержатся в отходах, и, соответственно, создать условия для более эффективного разложения биомассы, чем чистые виды бактерий [4].

В процессе ферментации отходов образуются низкомолекулярные органические кислоты. Изменение рН приводит к замедлению продуцирования водорода, и при рН < 4 водород не образуется.

Удельная скорость образования водорода ассоциацией микроорганизмов при использовании сахарозы и крахмала (214 см3/г ХПК и 125 см3/г ХПК соответственно) наибольшая в диапазоне рН = 5,55,7 [6]. Авторы работы [7] при использовании ассоциации микроорганизмов, полученной из силоса сои, наибольшую эффективность преобразования сахарозы и выход водорода получили при рН = 9. При повышении значения рН увеличивается разнообразие видов микроорганизмов, которые принимают участие в преобразовании глюкозы [8, 9]. То есть выбор рН процесса образования водорода зависит от видов микроорганизмов, которые продуцируют водород, и, соответственно, состава сырья [10, 11]. Гидрогеназа - основной фермент, при действии которого происходит образование водорода у микроорганизмов, -стабильна в диапазоне рН = 6-9 [12]. Поэтому задачей исследования является подбор условий, при которых выход водорода будет максимальным.

Образование водорода из отходов в процессе брожения ограничено гидролитической активностью микроорганизмов, которые принимают участие в их деструкции [13]. Процесс ферментации отходов можно проводить в одном реакторе, где одновременно происходит разложение высокомолекулярных веществ и продуцирование водорода, или разделять процессы гидролиза и биосинтеза энергоносителя. В работах [14-16] показано, что разделение ферментативных процессов позволяет повысить выход водорода. Повышение выхода водорода в двухстадийном процессе связано также с увеличением микроорганизмов-продуцентов водорода, которые не способны утилизировать твердые отходы, но синтезируют водород из гидролизатов [17].

В работе исследовано влияние концентрации отходов, которые содержат целлюлозу, на образование водорода микроорганизмами в анаэробном процессе.

Материалы и методы

Процесс получения водорода проводили в реакторе объемом 1 дм3, в анаэробных условиях при температуре 35±3 °С. Режим перемешивания - 10100 об./мин. Газ, который образовывался в ферментативном процессе, собирали в газгольдер мокрого типа. Для обезвреживания метаногенных бактерий запуск реактора проводили в атмосфере воздуха. Степень анаэробности среды отслеживали по изменению окрашивания раствора резазурина марки «ч» (производитель - ЗАО «Вектон», РФ), раствор (0,15 г/дм3) которого добавляли в количестве 1 см3/дм3.

Для образования ассоциации водородпродуци-рующих микроорганизмов использовали суспензию компоста в соотношении 50 г компоста и 0,25 дм3 водопроводной воды. Для инактивации метаногенных бактерий суспензию нагревали в течение 60 минут на водяной бане (90 °С). Полученную суспензию использовали как инокулят для запуска процесса получения водорода. Соотношение инокулята и воды 1:5.

В качестве субстрата использовали отходы кукурузы, которые измельчали до размеров 1-3 мм. Перед введением в реактор сырье обрабатывали паром в течение 2 часов. Измельчение и обработка паром отходов используется для увеличения площади контакта микроорганизмов с субстратом, так как ферменты, которые участвуют в процессе разложения целлюлозы, находятся на поверхности клетки.

Состав получаемой газовой фракции определяли с помощью газового хроматографа ЛХМ-8-МД (Московский опытный завод «Хроматограф», РФ) по стандартной методике [18]. Состав раствора в ферментерах после проведения процесса продуцирования водорода проводили с помощью хромато-масс-спектрометра «Хроматэк - Кристалл 5000» с масс-спектрометрическим детектором ШО (ТЪегтоР1зЬег-8аепШ1С, Германия) по стандартной методике [19].

Результаты и обсуждение

Отходы кукурузы (стебли и листья) содержат 1618% лигнина, 22-27% целлюлозы, 30% гемицеллюло-зы. В процессе деструкции целлюлозы образуется глюкоза, дальнейшее превращение которой в процессе метаболизма зависит от условий внешней среды. Схема метаболизма представлена на рис. 1. Общим в биохимических процессах анаэробного разложения органических веществ разными видами бактерий является образование жирных кислот, которые далее разлагаются на водород и другие продукты жизнедеятельности. Разные виды брожения приводят к образованию разного количества водорода:

СвН1206 + 2Н2О ^ 2СН3СООН + 2СО2 + 4Н2, АН0 = -206 кДж/моль;

С6Н^06 + 2Н2О ^СэН7С00Н + 2СО2 + 2Н2, АН0 = -257 кДж/моль.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 15 (155) 2014

© Scientific Technical Centre «TATA», 2014

Рис. 1. Схема метаболизма глюкозы и основные конечные продукты, которые образуются при брожении: 1 - эндо-1,4-р-глюкокиназы и экзо-1,4-р-глюкокиназы; 2 - экзо-1,4-р-глюкозидазы и целобиазы; 3 - глюкокиназы; 4 - фосфоглюкомутазы; 5 - пируватсинтазы, 6 - фосфат-ацетилтрансферазы, 7 - ацетаткиназы, 8 - малатдегидрогеназы, 9 - сукцинатгидрогеназы, 10 - NADH: ферредоксин-оксидоредуктазы + гидрогеназы Fig. 1. Scheme of glucose metabolism and basic final products which are formed during the fermentation: 1 - endo-1,4-p-glucokinase and exo-1,4-p-glucokinase; 2 - exo-1,4-p-glucosidasecellobiose; 3 - glucokinase; 4 - phosphoglucomutase; 5 - pyruvate synthase; 6 - phosphate acyltransferase; 7 - acetatekinase; 8 - malate dehydrogenase; 9 - succinate dehydrogenase; 10 - NADH:ferredoxinoxidoreductase + hydrogenase

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 15 (155) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014

Как видно из рис. 1, водород продуцируется в процессе образования уксусной и масляной кислот. Образование кислот и

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком