CN115960970B - 一种利用人类粪便发酵产氢的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用人类粪便发酵产氢的方法，涉及生物能源技术领域，具体而言，包括：获取不同浓度的人类粪便，调节pH并灭菌处理后，加入产氢种子液进行产氢发酵，或者加入人类粪便生物炭后，再加入产氢种子液进行产氢发酵。本发明通过将人类粪便生物炭与人类粪便以及产氢种子液共同作用促进产氢，实现了人类粪便的多样化资源利用，同时提高了产氢量。本发明利用人类粪便相较于畜禽粪便的物质组成不同，使得其热解产生的生物炭中氮含量高于畜禽粪便生物炭中的氮含量，为产氢发酵提供更好的优势条件，实现了人类粪便资源的多级利用，也拓宽了生物产氢所需底物的利用范围。
Description
技术领域
本发明涉及生物能源技术领域，具体而言，涉及一种利用人类粪便发酵产氢的方法。
背景技术
随着全球的能源需求不断增加和化石燃料的燃烧，能源危机和温室效应等环境问题成为了影响人类社会可持续发展的重要问题，因此开发可替代化石燃料的可替代能源至关重要。氢气作为一种清洁能源受到广泛关注，生物制氢技术作为一种环境友好，运行稳定以及成本低廉的制氢方法被提出。暗发酵制氢作为生物制氢中重要的部分可实现能源回收的同时，对有机废物(如废水，污泥，餐厨垃圾和秸秆等)进行处理。但是暗发酵制氢技术未能进行规模化生产很大程度上受限于其较低的氢气产量。
人口的迅速增长导致人类粪便大量产生。据估计，每人每年约产生127公斤粪便，人类粪便中存在大量的致病菌，可能威胁公共卫生安全。人类粪便中含有大量的有机物和营养物质，是一种优良的发酵底物，然而，当前人类粪便资源化利用的相关研究较少，使其资源化利用不足。
发明内容
本发明解决的问题是人类粪便资源化利用不足和产氢暗发酵过程中氢气产量较低的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种利用人类粪便发酵产氢的方法，包括如下步骤：
获取不同浓度的人类粪便，调节pH并灭菌处理后，加入产氢种子液进行产氢发酵，或者加入人类粪便生物炭后，再加入产氢种子液进行产氢发酵。
进一步地，所述人类粪便包括人类实际产出粪便和人工模拟人类粪便中的至少一种；所述人工模拟人类粪便的组分包括：微晶纤维素、麦麸、酵母提取物、味噌、橄榄油、氯化钠、氯化钾、CaCl2·2H2O和水。
进一步地，所述不同浓度的人类粪便包括：10％、20％、40％和60％的所述人类粪便。
进一步地，所述人类粪便生物炭的制备方法包括：将人类粪便烘干，磨碎成粉末状后，进行高温热解，得到所述人类粪便生物炭；其中，所述热解温度包括300、500和800℃。
进一步地，所述pH值为7.4-7.5；所述pH的调整方法包括：添加1mol/L的NaOH进行调整。
进一步地，所述产氢种子液的制备方法包括：将热解糖热厌氧杆菌接种至含有浓度为5g/L的微晶纤维素的产氢培养基中培养至对数生长期，得到所述产氢种子液。
进一步地，，所述灭菌处理包括：在121℃温度下，灭菌15-20min。
进一步地，所述产氢发酵可在水浴摇床中进行，所述水浴摇床的转速为140-150r/min，所述水浴摇床的温度为55-60℃。
进一步地，所述加入人类粪便生物炭的浓度为3g/L。
进一步地，所述产氢发酵时间为7-8天。
本发明所述的利用人类粪便发酵产氢的方法相对于现有技术的有益效果在于，本发明通过对不同浓度的人类粪便调节pH并灭菌处理，保证了人类粪便的pH的一致性以及安全性，为后续加入产氢种子液进行产氢发酵提供了实验比较基础，且将人类粪便与产氢种子液共同产氢发酵，实现了人类粪便的资源化利用，同时不同浓度的人类粪便有利于获取产氢量最佳的人类粪便浓度。本发明还通过将人类粪便生物炭与人类粪便以及产氢种子液共同作用促进产氢，实现了人类粪便的多样化资源利用，同时提高了产氢量。本发明中的人类粪便相较于畜禽粪便而言，其物质组成相差较大，由于人类粪便主要由淀粉、蛋白质、纤维素和油脂等组成，而畜禽粪便则以纤维素为主。人类粪便中较高的蛋白质含量使得其热解产生的生物炭中氮含量高于畜禽粪便生物炭中的氮含量，为产氢发酵提供更好的优势条件。因此，将人类粪便生物炭应用于人类粪便的生物产氢，不仅实现了人类粪便资源的多级利用，也拓宽了生物产氢所需底物的利用范围。
附图说明
图1为本发明实施例中不同浓度的人类粪便为底物时的氢气产量；
图2为本发明实施例中不同热解温度的人类粪便生物炭促进人类粪便发酵后的氢气产量；
图3为本发明实施例中不同热解温度的人类粪便生物炭促进人类粪便发酵的氢气产生速率。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明实施例提供一种利用人类粪便发酵产氢的方法，包括如下步骤：
获取不同浓度的人类粪便，调节pH并灭菌处理后，加入产氢种子液进行产氢发酵，或者加入人类粪便生物炭后，再加入产氢种子液进行产氢发酵。
本发明实施例通过对不同浓度的人类粪便调节pH并灭菌处理，保证了人类粪便的pH的一致性以及安全性，为后续加入产氢种子液进行产氢发酵提供了实验比较基础，且将人类粪便与产氢种子液共同产氢发酵，实现了人类粪便的资源化利用，同时不同浓度的人类粪便有利于获取产氢量最佳的人类粪便浓度。本发明还通过将人类粪便生物炭与人类粪便以及产氢种子液共同作用促进产氢，实现了人类粪便的多样化资源利用，同时提高了产氢量。本发明实施例中的人类粪便相较于畜禽粪便而言，其物质组成相差较大，由于人类粪便主要由淀粉、蛋白质、纤维素和油脂等组成，而畜禽粪便则以纤维素为主。人类粪便中较高的蛋白质含量使得其热解产生的生物炭中氮含量高于畜禽粪便生物炭中的氮含量，为产氢发酵提供更好的优势条件。因此，将人类粪便生物炭应用于人类粪便的生物产氢，不仅实现了人类粪便资源的多级利用，也拓宽了生物产氢所需底物的利用范围。
在一些实施例中，人类粪便包括人类实际产出粪便和人工模拟人类粪便中的至少一种；人工模拟人类粪便的组分包括：微晶纤维素、麦麸、酵母提取物、味噌、橄榄油、氯化钠、氯化钾、CaCl2·2H2O和水。
本实施例中的人工模拟人类粪便模拟了真实的人类实际产出粪便的物质成分，且具有明显的无致病菌优势，同时性状稳定，可用于产氢发酵或实验室研究等。由此，既能解决人类实际产出粪便的资源化利用，又能实现实验过程或高精度产氢发酵过程的无致病菌干扰以及实验稳定性，为促进产氢发酵提供了助力。
在一些实施例中，不同浓度的人类粪便包括：10％、20％、40％和60％的人类粪便。由此，不同浓度的人类粪便有利于获取产氢量最佳的人类粪便浓度，提高单位产氢量。
在一些实施例中，人类粪便生物炭的制备方法包括：将人类粪便烘干，磨碎成粉末状后，进行高温热解，得到人类粪便生物炭；其中，热解温度包括300、500和800℃。
由此，获取不同热解温度的人类粪便生物炭，有利于探索不同热解温度下产生的生物炭对产氢量的影响，同时也实现了人类粪便的多样化资源利用。
在一些实施例中，pH值为7.4-7.5；pH的调整方法包括：添加1mol/L的NaOH进行调整。由此，实现产氢发酵的pH值调节，促进产氢量的增加。
在一些实施例中，产氢种子液的制备方法包括：将热解糖热厌氧杆菌接种至含有浓度为5g/L的微晶纤维素的产氢培养基中培养至对数生长期，得到产氢种子液。
由此，获取最优产氢种子液，实现与人类粪便组分的匹配，促进人类粪便发酵产氢，实现人类粪便的资源化开发利用。
在一些实施例中，灭菌处理包括：在121℃温度下，灭菌15-20min。由此，实现人类粪便发酵前灭菌处理，减少对发酵过程中微生物的影响，有利于促进产氢发酵过程的顺利进行。
在一些实施例中，产氢发酵可在水浴摇床中进行，水浴摇床的转速为140-150r/min，水浴摇床的温度为55-60℃。
本实施例中的水浴摇中是一种温度可控的恒温水浴槽和振荡器相结合的生化仪器，适用于作生物、生化、细胞、菌种等各种液态、固态化合物的振荡培养。因此，能有效促进产氢发酵的顺利进行。
在一些实施例中，加入人类粪便生物炭的浓度为3g/L。由此，优选的人类粪便生物炭浓度可有效促进人类粪便产氢发酵的资源转化。
在一些实施例中，产氢发酵时间为7-8天。由此，快速实现加入产氢种子液后的产氢发酵，或者加入人类粪便生物炭后，再加入产氢种子液的产氢发酵，产氢效率高，周期短。
在一些实施例中，对数生长期为36-48h。由此，实现产氢种子液的制备。
以下将列举多种具体实施例以阐述本发明的实际内容。
具体实施例一：本实施例为一种利用人类粪便发酵产氢的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、人工模拟人类粪便的配制：微晶纤维素24.1g；麦麸21.1g；酵母提取物36.1g；味噌21.1g；橄榄油12.1mL；氯化钠2.4g；氯化钾2.4g；CaCl2·2H2O1.2g；1000mL水。将分别稀释10倍，获得浓度为10％的人类粪便，调节pH为7.5，121℃灭菌15-20min，获得本方法所用人工模拟人类粪便培养基；
二、产氢种子液的制备：将热解糖热厌氧杆菌接种至含有5g/L微晶纤维素的产氢培养基中培养至对数生长期，得到产氢种子液；
三、将步骤二中获得的产氢种子液接种到步骤一的人工模拟人类粪便培养基中，在水浴摇床中进行产氢发酵。
结果表明：热解糖热厌氧杆菌利用10％人类粪便的氢气产量为18.63±1.44mmolH2/L。
具体实施例二：本实施例为一种利利用人类粪便发酵产氢的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、人工模拟人类粪便的配制：微晶纤维素24.1g；麦麸21.1g；酵母提取物36.1g；味噌21.1g；橄榄油12.1mL；氯化钠2.4g；氯化钾2.4g；CaCl2·2H2O1.2g；1000mL水。将分别稀释5倍，获得浓度为20％的人类粪便，调节pH为7.5，121℃灭菌15-20min，获得本方法所用人工模拟人类粪便培养基；
二、种子液的制备：将热解糖热厌氧杆菌接种至含有5g/L微晶纤维素的产氢培养基中培养至对数生长期，得到产氢种子液；
三、将步骤二中获得的种子液接种到步骤一的人工模拟人类粪便培养基中，在水浴摇床中进行产氢发酵。
结果表明：热解糖热厌氧杆菌利用20％人类粪便的氢气产量为63.66±1.18mmolH2/L。
用以下试验对本发明进行进一步验证：
试验一
本试验为一种利用人类粪便发酵产氢的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、人工模拟人类粪便的配制：微晶纤维素24.1g；麦麸21.1g；酵母提取物36.1g；味噌21.1g；橄榄油12.1mL；氯化钠2.4g；氯化钾2.4g；CaCl2·2H2O1.2g；1000mL水。将分别稀释2.5倍，获得浓度为40％的人类粪便，调节pH为7.5，121℃灭菌15min，获得本方法所用人工模拟人类粪便培养基；
二、产氢种子液的制备：将热解糖热厌氧杆菌接种至含有5g/L微晶纤维素的产氢培养基中培养至对数生长期，得到产氢种子液；
三、将步骤二中获得的产氢种子液接种到步骤一的人工模拟人类粪便培养基中，在水浴摇床中进行产氢发酵。
结果表明：热解糖热厌氧杆菌利用浓度为40％的人类粪便的氢气产量为129.62±2.94mmolH2/L。
试验二：
本试验为一种利用人类粪便发酵产氢的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、人工模拟人类粪便的配制：微晶纤维素24.1g；麦麸21.1g；酵母提取物36.1g；味噌21.1g；橄榄油12.1mL；氯化钠2.4g；氯化钾2.4g；CaCl2·2H2O1.2g；1000mL水。将分别稀释1.7倍，获得浓度为60％的人类粪便，调节pH为7.5，121℃灭菌15min，获得本方法所用人工模拟人类粪便培养基；
二、产氢种子液的制备：将热解糖热厌氧杆菌接种至含有5g/L微晶纤维素的产氢培养基中培养至对数生长期，得到产氢种子液；
三、将步骤二中获得的产氢种子液接种到步骤一的人工模拟人类粪便培养基中，在水浴摇床中进行产氢发酵。
结果表明：热解糖热厌氧杆菌利用60％人类粪便的氢气产量为151.05±16.19mmolH2/L。
试验三
本试验为一种利用人类粪便发酵产氢的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、人工模拟人类粪便的配制：微晶纤维素24.1g；麦麸21.1g；酵母提取物36.1g；味噌21.1g；橄榄油12.1mL；氯化钠2.4g；氯化钾2.4g；CaCl2·2H2O1.2g；1000mL水。将稀释2.5倍，pH为7.5，获得本方法所用人工模拟人类粪便培养基，121℃灭菌15min；
二、产氢种子液的制备：将热解糖热厌氧杆菌接种至含有5g/L微晶纤维素的产氢培养基中培养至对数生长期，得到产氢种子液；
三、将步骤三中获得的产氢种子液接种到步骤二的人工模拟人类粪便培养基中，在水浴摇床中进行产氢发酵。
结果表明，不添加人类粪便生物炭的人类粪便产氢培养基中，体系的氢气产量为102.94±12.75mmolH2/L。
试验四
本试验为一种利用人类粪便发酵产氢的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、将人类粪便烘干，磨碎成粉末状，于管式炉中进行高温热解，热解温度为300℃，获得不同热解温度的人类粪便生物炭；
二、人工模拟人类粪便的配制：微晶纤维素24.1g；麦麸21.1g；酵母提取物36.1g；味噌21.1g；橄榄油12.1mL；氯化钠2.4g；氯化钾2.4g；CaCl2·2H2O1.2g；1000mL水。将稀释2.5倍，pH为7.5，获得本方法所用人工模拟人类粪便培养基。将步骤一中获得的人类粪便生物炭(3g/L)加入到人工模拟人类粪便培养基中，121℃灭菌15min；
三、产氢种子液的制备：将热解糖热厌氧杆菌接种至含有5g/L微晶纤维素的产氢培养基中培养至对数生长期，得到产氢种子液；
四、将步骤三中获得的产氢种子液接种到步骤二的人工模拟人类粪便培养基中，在水浴摇床中进行产氢发酵。
结果表明，300℃下热解获得的人类粪便生物炭添加到人类粪便产氢培养基中，体系的氢气产量为114.32±7.10mmolH2/L。
试验五
本试验为一种利用人类粪便发酵产氢的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、将人类粪便烘干，磨碎成粉末状，于管式炉中进行高温热解，热解温度为500℃，获得不同热解温度的人类粪便生物炭；
二、人工模拟人类粪便的配制：微晶纤维素24.1g；麦麸21.1g；酵母提取物36.1g；味噌21.1g；橄榄油12.1mL；氯化钠2.4g；氯化钾2.4g；CaCl2·2H2O1.2g；1000mL水。将稀释2.5倍，pH为7.5，获得本方法所用人工模拟人类粪便培养基。将步骤一中获得的人类粪便生物炭(3g/L)加入到人工模拟人类粪便培养基中，121℃灭菌15min；
三、产氢种子液的制备：将热解糖热厌氧杆菌接种至含有5g/L微晶纤维素的产氢培养基中培养至对数生长期，得到产氢种子液；
四、将步骤三中获得的产氢种子液接种到步骤二的人工模拟人类粪便培养基中，在水浴摇床中进行产氢发酵。
结果表明，500℃下热解获得的人类粪便生物炭添加到人类粪便产氢培养基中，体系的氢气产量为128.47±8.93mmolH2/L。
用以下试验对本发明进行验证：
试验六
本试验为一种利用人类粪便发酵产氢的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、将人类粪便烘干，磨碎成粉末状，于管式炉中进行高温热解，热解温度为300℃，获得不同热解温度的人类粪便生物炭；
二、人工模拟人类粪便的配制：微晶纤维素24.1g；麦麸21.1g；酵母提取物36.1g；味噌21.1g；橄榄油12.1mL；氯化钠2.4g；氯化钾2.4g；CaCl2·2H2O1.2g；1000mL水。将稀释2.5倍，pH为7.5，获得本方法所用人工模拟人类粪便培养基。将步骤一中获得的人类粪便生物炭(3g/L)加入到人工模拟人类粪便培养基中，121℃灭菌15min；
三、产氢种子液的制备：将热解糖热厌氧杆菌接种至含有5g/L微晶纤维素的产氢培养基中培养至对数生长期，得到产氢种子液；
四、将步骤三中获得的产氢种子液接种到步骤二的人工模拟人类粪便培养基中，在水浴摇床中进行产氢发酵。
结果表明，800℃下热解获得的人类粪便生物炭添加到人类粪便产氢培养基中，体系的氢气产量为135.17±11.30mmolH2/L。
结果分析：
由图1可知，虽然试验二在240h内的产氢量最高，但由于高浓度人类粪便中的营养物质使得热解糖热厌氧杆菌有较长的延滞期，在培养至108h时才开始进行产氢。而在180h内，试验一的产氢过程基本结束，达到128.54±2.72mmolH2/L。因此，后续将选取试验一中的40％人类粪便作为底物进行发酵产氢实验。通过图2表明，生物炭对产氢发酵体系有着明显的促进作用。较试验三中添加0g/L人类粪便生物炭，具体试验四、试验五和试验六，添加3g/L的不同温度人类粪便生物炭对微生物利用人类粪便产氢均有不同程度的促进作用。热解温度为300、500和800℃下获得的人类粪便生物炭对微生物利用人类粪便产氢均有明显的促进作用，其氢气产量分别为114.32±7.10，128.47±8.93和135.17±11.30mmolH2/L，相比于试验三的102.94±12.75mmolH2/L有明显的提高。其中，800℃热解温度下获得的人类粪便生物炭对于人类粪便的产氢量提高效能明显，为31.3％。图3展示了不同温度生物炭添加对人类粪便发酵过程中不同采样时间产氢速率的影响。在36-48h之间，试验三中的平均产氢效率为5.14±2.06mL/h，添加不同热解温度人类粪便生物炭(300、500和800℃)的平均产氢效率分别为9.97±0.90，11.56±0.46和11.33±0.29mL/h，加入生物炭后的产氢效率提高了94％以上。
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种利用人类粪便发酵产氢的方法，其特征在于，包括如下步骤：获取不同浓度的人类粪便，调节pH并灭菌处理后，加入产氢种子液进行产氢发酵，或者加入人类粪便生物炭后，再加入产氢种子液进行产氢发酵；
所述人类粪便包括人类实际产出粪便和人工模拟人类粪便中的至少一种；所述人工模拟人类粪便的组分包括：微晶纤维素、麦麸、酵母提取物、味噌、橄榄油、氯化钠、氯化钾、CaCl2·2H2O 和水；
所述不同浓度的人类粪便包括：10%、20%、40%和60%的所述人类粪便；
所述人类粪便生物炭的制备方法包括：将人类粪便烘干，磨碎成粉末状后，进行高温热解，得到所述人类粪便生物炭；其中，所述热解温度包括 300、500 和 800℃；
所述pH值为 7.4-7.5；所述pH的调整方法包括：添加1mol/L的NaOH进行调整；
所述产氢种子液的制备方法包括：将热解糖热厌氧杆菌接种至含有浓度为5g/L的微晶纤维素的产氢培养基中培养至对数生长期，得到所述产氢种子液；
所述灭菌处理包括：在121℃温度下，灭菌15-20min；
所述产氢发酵可在水浴摇床中进行，所述水浴摇床的转速为140-150r/min，所述水浴摇床的温度55-60℃；
所述加入人类粪便生物炭的浓度为3g/L；
所述产氢发酵时间为7-8天。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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