利用预处理的啤酒废水和香蕉皮废料改进生物燃料光发酵制氢外文翻译资料

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利用预处理的啤酒废水和香蕉皮废料改进生物燃料光发酵制氢

Hassan H. Al-Mohammedawi, Hussein Znad*, ElaEroglu

科廷大学化学工程系，邮政信箱：澳大利亚6845西部珀斯市1987

文章信息

文章历史：收到于2018年9月25日，修订表收到于2018年11月9日，接收于2018年11月29日，2018年12月26日可从网上查阅。

摘要：在这项研究中，在一批生物反应器中研究了香蕉皮预处理阶段对使用啤酒废水（BWW）的类球红细菌158 DSM光发酵制氢的影响。实验结果表明，香蕉皮预处理能显著提高累积产氢量。从底物中获得最大产氢率（408.33mL H₂L^-1废水），该底物由50%的啤酒废水和用1g·L^-1的香蕉皮预处理2小时后的50%的标准培养基组成。这一最高的产氢量比使用相同比例的原始啤酒废水作为底物源的产氢量高出2.7倍。

关键词：光发酵、氢的生产（制氢）、啤酒废水、香蕉皮、预处理

引言

由于气候变化和能源安全问题，促使研究人员要探索比传统燃料更清洁、更可持续的燃料。氢是一种潜在的能源，它被广泛应用于石油、石化等行业，此外，氢被认为是最清洁的可用燃料，高能量产率为122kJg^-1，比碳氢化合物燃料高2.75倍，它也可以通过利用可持续和不可持续的资源来产生。全球范围内，氢主要是通过热化学工艺从化石燃料中获得的。在生物制氢的过程，特别是光发酵H₂技术，由于其利用广泛的转化率高的底物的能力，受到了广泛的关注。利用废物生产生物氢是供应全球部分氢需求的一种可再生方式，利用有机废物作为生产生物氢的底物来源，由于其废物处理和清洁能源发电的双重作用，受到了人们的关注。

啤酒工业产生大量的废水，在处置前需要进一步处理。例如一年生产10万立方米的啤酒，那每年就需要40万立方米的淡水，从而产生22万立方米的啤酒厂废水，它的化学需氧量值在每升2000至6000毫克之间，氮化合物值在每升25至80毫克之间。处理厂将未经处理的水排放到周围的溪流中，其中含有大量的有机物质，会导致水中氧气的耗竭和水生生物的退化。以前的大多数研究应用纯底物作为碳源来产生光发酵氢。他们研究了各种有机废水，包括橄榄废水、纸浆和造纸厂废水、乳制品废水和炼糖废水，利用光发酵工艺产生生物氢。然而，对于啤酒废水产氢的光发酵的研究很少。Seifert等人利用类球红细菌O.U.001研究了啤酒废水中生物氢的产生，Hay等人将啤酒废水应用于类球红细菌NCIMB8253制氢。

文献中有几项研究报道了不同的预处理工艺，如超声、臭氧氧化、吸附、酸碱处理，用来提高处理后废水的光发酵产氢量。Eroglu等人研究了橄榄研磨废水与粘土吸附预处理阶段对类球红细菌生物制氢的影响。他们发现，预处理阶段后，总酚（81%）和颜色（65%）被去除，产氢潜力从原先的16立方米增加到31.5立方米。Pintucci等人还观察到，用干红藻和颗粒活性炭对橄榄厂废水进行预处理，可以减少处理后的橄榄厂废水中的多酚并减弱水中的黑褐色，这对光发酵产氢具有抑制作用。他们的结论是，预处理的研磨废水非常适合作为一种底物来为红藻6A生产氢。根据Budiman和Wu的说法，棕榈油和纸浆与造纸厂联合出水的超声波预处理阶段通过提高废水中可溶性碳水化合物的浓度，使每毫升氢气产量从4.67mL增加到8.72mL。

农业废料香蕉皮也被有效地用于去除水溶液中的重金属，然而，据作者所知，目前的文献中没有关于使用香蕉皮作为一个有效的预处理阶段来改善啤酒废水中类球红细菌158DSM的生物制氢的可行性的信息，这是本研究的主要重点。

材料和方法

啤酒厂废水

啤酒废水（BWW）是从澳大利亚西部珀斯的当地酿酒厂收集的，废水出水样品立即用0.2mu;m尼龙微滤器过滤，然后在120°C下蒸压15分钟，以确保其处在无菌条件，消毒后的啤酒废水保存在冰箱（4℃）中。表1显示了本研究中使用的啤酒废水的特点。

细菌和生长培养基

德国微生物和细胞培养物（DSMZ）提供了一种菌株，名为球形红细菌DSM158，该菌株是在由卤素灯提供的恒定照明（20Wm^-2）和由冷却培养箱提供的30°C的恒定温度下，在Hungate管中厌氧培养的，应用纯氩气体实现了厌氧条件。以改良的Biebl和Phennig培养基作为培养基生长接种物，分别使用DL_苹果酸（1 g L ^-1）和L_谷氨酸（1.5 g L ^-1）作为碳和氮资源。用NaOH（1 N）将培养基的初始pH值调节至7。

香蕉皮的制备与表征

将收集的香蕉皮切成小块（lt;5毫米），用蒸馏水清洗以去除外部污垢。将湿香蕉皮置于空气中，除去表面的游离水，在90℃的烘箱中干燥24h，然后用研钵和钵杵将干燥的样品细磨。将磨碎的香蕉皮过筛并分级成小于250mu;m的小颗粒，然后在实验前将样品储存在气瓶中。

啤酒废水和香蕉皮的预处理阶段

用1、2、3或4 g L ^-1的香蕉皮颗粒处理啤酒废水样品，在不同时间间隔（1、2、3和4小时）以250转/分的搅拌速度将加工好的香蕉皮与啤酒废水彻底混合，该过程在约7.2的pH值下进行。最后，将混合物静置2小时以沉降。沉降后，将上述液体用Whatmantrade;滤纸（0.45 mu;）进行预过滤，以从固体中分离出处理过的啤酒废水。在每次光发酵实验开始之前，还将通过120°C高压灭菌15分钟来对处理过的啤酒废水进行灭菌。

光发酵氢介质

通过向改良的Biebl和Pfennig培养基中添加2.68 g L ^-1的DL_苹果酸和0.52 g L ^-1的谷氨酸建立生物氢生产的标准培养基。在这项研究中，将标准培养基（SM）与未经处理的混合物混合（原始）啤酒废水（Bu），并以不同的体积比处理了其中的一种（Bt）（表2），用香蕉皮处理未加工的啤酒废水。

用NaOH（1 N）将培养基的初始pH值调节至7.4，所有实验均在透明玻璃生物反应器（120mL）中进行。将10％（v / v）接种物接种到生物反应器内的灭菌培养基中，然后用纯氩气吹扫。实验温度保持恒定在30∓2℃左右，由150W卤素灯提供光照，光照强度为126Wm^-2。如前所述，使用200mL带刻度的量筒，在其中充满水并将其部分浸入装有足够水的1L烧杯中，通过在大气压和30 ℃下通过水置换来确定所产生的气体量。

分析方法

采用气密注射器（SGE、Supelco、Sigma-Aldrich）从产生的气体中取样，用GC（Agilent7890B GC）对该气体的含量进行了分析。该柱为Supelco Carboxen^TM1010PLOT毛细管柱，其长度为30m，内径0.53mm。在流速为15mLmin^-1的情况下，采用氩作为载气。烘箱、检测器和进样器的温度分别为190°C、210°C和160°C，在680nm处，用紫外可见分光光度计（Jasco，V670型）测定了光密度（OD₆₈₀）。通过在干重和光密度（R2frac14;0.98）之间应用以下校准方程式可实现干重（DW）。

X（gL^-1）=0.49times;OD₆₈₀ 0.05

用分光光度法测定铵浓度，用量子传感器（LI-192SA，LI-CoreInc）测量光强度。使用DR / 890 HACH分光光度计分别采用反应器消解法（8000）和过硫酸盐消解法（Hach DR / 890比色计程序手册，2013，方法10072）测量化学需氧量（COD）和总氮（TN）。测量总有机碳（TOC）使用的是一台岛津TOC分析仪（TOCVCP H，岛津，日本），并用傅里叶变换红外光谱（FTIR）测定了香蕉皮颗粒的官能团（PerkinElmer光谱100），用Tescan Mira3 FESEM与牛津仪器X-MaxSD DX射线检测器对香蕉皮样品进行了SEM分析，用pH计（型号WP-81 Cond，TDS，Sal，pH，ORP，温度计）测量培养基的pH。所有测量的数据代表了三个独立分析的平均值，其标准偏差小于5%。

结果和讨论

香蕉皮颗粒的表征

为了了解香蕉皮颗粒中存在的官能团的性质，进行了FTIR光谱分析。分析了香蕉皮大小lt;250mu;m的颗粒（预处理阶段之前和之后）并将结果如图1所示。香蕉皮颗粒的FTIR光谱（图1）显示了许多峰值，这些峰值表明这些颗粒的复杂性质。从这些数字可以看出，由于前处理阶段，下列峰值转变了1735-1559cm^-1、1531.5-1409cm^-1和1413.6-1024cm^-1，峰值1735-1559cm^-1、1531.5-1409cm^-1和1413.6-1024cm^-1分别被分配作为C=O官能团的延申、C=C官能团的延申和C=N官能团的延申，然而，归因于OH官能团的延申，2326-2048.9cm^-1的峰值没有移动。

图1—香蕉皮预处理前后的FTIR光谱。

SEM显示了香蕉皮颗粒在预处理阶段之前和之后的表面形态，如图2所示。图2a显示该样品具有微孔结构和粗糙结构，可以增强香蕉皮颗粒作为生物吸附剂的性能，以前也有类似的观察报道，使用香蕉皮作为处理剂。在预处理阶段之后（图2b），可以观察到香蕉皮颗粒的多孔结构增加并且结合位点被占据，除了可能将碳化合物从香蕉皮颗粒转移到啤酒废水中以外，这还可以归因于铵的吸附。

图2——香蕉皮样品的SEM图像，（a）预处理之前，（b）预处理之后

混合比对光发酵制氢的影响

研究了用标准培养基（表2）处理和未处理啤酒废水的不同混合比例对球形红细菌DSM 158产生生物氢的影响。图3说明了不同混合比下的累积生物氢，结果表明，香蕉皮原料啤酒废水的预处理阶段显着提高了产氢量。混合处理后的啤酒废水与标准介质（50Bt：50SM）的比例相等，产氢量最高。最大制氢潜力（HPP）为358.33 mL H₂ L^-1，比采用相同百分比的未处理（原始）啤酒废水（50Bu：50SM）的数值高出2.7倍。生物产氢量的显着提高可归因于C/N比的增加和铵浓度的降低（表3），处理后的啤酒废水的C/N比增加主要是由于香蕉皮的碳含量。Achak等人报道称香蕉皮的碳含量约为40％（w/w），此外，先前的研究表明，香蕉皮可以用作从废水中去除铵的有效的吸附剂。

图3——不同浓度啤酒废水香蕉皮预处理对生物制氢潜力的影响（T：30℃；搅拌速度：250转/分；接触时间：60分钟；剂量：1g L^-1；粒度：lt;250mu;m）

众所周知，C/N比在生物制氢过程中起着重要作用，发现较低的C/N比值可以抑制固氮酶，从而抑制生物氢的产生，同时提高生物量浓度，生物质浓度的增加减少了光对光生物反应器的渗透，从而减少了生物氢的产生。但

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