外加電壓改善微生物電解池內(nèi)稻秸同步酶解發(fā)酵產(chǎn)氫性能

王永忠，董 亮，左 勇，胥騰飛，茹志鵬

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外加電壓改善微生物電解池內(nèi)稻秸同步酶解發(fā)酵產(chǎn)氫性能

王永忠1，董 亮2※，左 勇2，胥騰飛3，茹志鵬3

（1. 重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶 400030； 2. 四川理工學(xué)院生物工程學(xué)院，自貢 643000； 3. 重慶美的通用制冷設(shè)備有限公司，重慶 401336）

該文以稻草秸稈等為原料研究了微生物電解池（microbial electrolysis cell，MEC）內(nèi)外加電壓（0、0.4、0.6、0.8、1.0 V）對木質(zhì)纖維素同步酶解發(fā)酵產(chǎn)氫特性的影響，得到MEC利用木質(zhì)纖維素產(chǎn)氫的最優(yōu)電壓，實現(xiàn)可再生資源綜合利用與清潔能源開發(fā)的雙重目的。試驗結(jié)果表明，MEC的產(chǎn)氫速率、產(chǎn)氫得率、基質(zhì)消減量及總能量得率皆呈逐漸增加的趨勢，但相對電能消耗的能量得率則呈逐漸下降的趨勢。當(dāng)外加電壓為0.4 V 時，得到試驗條件下最大的相對電能消耗的能量得率（377.59%），當(dāng)外加電壓為1 V時獲得最大的氫氣產(chǎn)量為44.8 mL和總能量得率2.84%；在發(fā)酵產(chǎn)氫過程中，陽極室pH值呈先逐漸下降后略上升的趨勢，有機(jī)酸分析測試表明，在MEC內(nèi)的發(fā)酵產(chǎn)氫為丁酸發(fā)酵型。本研究對探索MEC內(nèi)木質(zhì)纖維素原料的同步酶解發(fā)酵產(chǎn)氫，提高纖維素基質(zhì)酶解糖化和發(fā)酵產(chǎn)氫效率具有一定的指導(dǎo)意義。

秸稈；電壓；發(fā)酵；微生物電解池；同步酶解發(fā)酵；生物制氫

0 引 言

生物制氫技術(shù)因具有反應(yīng)條件溫和、能耗低、無污染等優(yōu)點而成為新能源開發(fā)領(lǐng)域中最具前途的技術(shù)之一，但常規(guī)的發(fā)酵生物制氫仍具有氫氣產(chǎn)率低，氫氣分離困難等不足[1-2]。因此，人們提出了一種新的產(chǎn)氫方法—微生物電解池（microbial electrolysis cell，MEC）制氫。MEC產(chǎn)氫與其他生物制氫方式相比，具有產(chǎn)氫率高、可用底物廣泛及可承受的溫度范圍廣，兼具電化學(xué)和微生物學(xué)的優(yōu)點，理論上可解決發(fā)酵法產(chǎn)氫的熱力學(xué)問題[3-4]。目前人們主要研究了一些有機(jī)物質(zhì)如甜菜汁和廢水等作為底物時MEC的產(chǎn)氫特性[5-7]。此外，Arunasri等考慮了電極材料特性和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對MEC性能的影響[8-9]，路璐[10]分析了MEC陽極生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)對環(huán)境條件變化的響應(yīng)及種群互作機(jī)制，Zeng等[11]研究了MEC內(nèi)呋喃等物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氫的特性，評估了陽極微生物的群落結(jié)構(gòu)、產(chǎn)氫及轉(zhuǎn)化效率。

木質(zhì)纖維素作為自然界中最豐富、可再生的生物質(zhì)原料，具有分布廣泛、易于獲得、價格低廉等優(yōu)點。利用木質(zhì)纖維廢棄物等廉價的基質(zhì)制取氫氣，既能降低氫氣的生產(chǎn)成本，又能實現(xiàn)廢棄物的資源化利用[12]。但木質(zhì)纖維素原料具有化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以酶解等特性，以MEC利用各種富含有機(jī)物的廢棄物為反應(yīng)底物制氫涉及原料預(yù)處理、酶解、微生物菌群、外加電壓等多方面的因素，Catal等[13]研究發(fā)現(xiàn)單室MEC內(nèi)加入抗生素抑制產(chǎn)甲烷微生物活性后產(chǎn)氫性能能得到改善，Li等[14]研究MEC內(nèi)以玉米秸稈為原料通過兩階段發(fā)酵產(chǎn)氫的轉(zhuǎn)化特性。但關(guān)于MEC內(nèi)木質(zhì)纖維素同步酶解與厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的相關(guān)報道較少。

本文利用構(gòu)建的雙室微生物電解池產(chǎn)氫系統(tǒng)，以稻草基質(zhì)為原料，開展了不同外加電壓對MEC內(nèi)木質(zhì)纖維素同步酶解發(fā)酵產(chǎn)氫特性的影響研究，分析了MEC產(chǎn)氫性能和基質(zhì)轉(zhuǎn)化效率。本研究對探索MEC內(nèi)木質(zhì)纖維素原料的同步酶解發(fā)酵產(chǎn)氫，提高纖維素基質(zhì)酶解糖化和發(fā)酵產(chǎn)氫效率，促進(jìn)資源綜合利用和清潔能源開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗材料和方法

1.1 基質(zhì)預(yù)處理

將取自重慶市郊區(qū)的稻草秸稈剪切成1～2 cm小段，洗凈并于80 ℃烘干至恒重；用粉碎機(jī)將稻草秸稈粉碎，過60目的自動振動篩，得到稻草秸稈粉末；將其與1%的氫氧化鈉溶液，按照固液比為1∶10的比例混合，預(yù)處理24 h，然后用清水漂洗稻草粉末至中性，烘干至恒重，備用。

1.2 MEC的結(jié)構(gòu)

MEC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。反應(yīng)器的陰極和陽極采用2個同心圓柱，內(nèi)圓腔室為MEC陽極（60 mm× 70 mm），外腔室為陰極（100 mm×70 mm），材料為聚甲基丙烯酸甲酯有機(jī)玻璃。反應(yīng)器的總體積為460 mL，其中陽極室工作體積為 98 mL，陰極室工作體積為260 mL。陽極電極采用碳布布置在內(nèi)圓柱的四周，并用導(dǎo)線連接外電路。陰極電極為噴Pt的碳布（0.5 mg/cm2）。陽離子交換膜（Nafion TM 117，Dupont Co.，美國）布置在陽極外圈。在反應(yīng)器的頂端布置一個14 mm的孔，插入Ag/AgCl參比電極（Type 218；INESA Scientific Instrument Co.，Ltd）。反應(yīng)器兩部分用螺栓連接，并采用聚四氟乙烯膠密封反應(yīng)器。

1.3 MEC系統(tǒng)的啟動與運行

啟動前，使用30%的甲醛溶液對MEC反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)行滅菌，并用高溫滅菌后冷卻的去離子水進(jìn)行清洗3次。MEC的啟動采用微生物燃料電池（microbial fuel cell，MFC）啟動方式，陰極室以0.1 mol/L的鐵氰化鉀溶液為陰極電子受體，陽極為MFC含大量菌種的排除液，初始微生物菌種為城市污水溝上表層淤泥經(jīng)馴化后得到的混合菌種，經(jīng)觀察主要為桿菌和梭菌。培養(yǎng)基滅菌冷卻后以流速為40 mL/h通入陽極室。培養(yǎng)基的具體配方(g/L)：K2HPO4·3H2O，1.006；KH2PO4，0.554；MgSO4·7H2O，0.200；FeSO4·7H2O，0.0417；(NH4)6Mo7O24·4H2O，0.001；ZnSO4·7H2O，0.001；NaCl，0.200；CaCl2，0.010；CO(NH2)2，1.667；谷氨酸鈉，0.500；酵母膏，1.000；葡萄糖，10.000；生長因子，1.000 mL/L。陰陽極間外接50 Ω電阻，利用數(shù)據(jù)采集器監(jiān)測負(fù)載兩端電壓和電流。同時將2.0 g稻草粉末與80 mL蒸餾水混勻，并按接種量為30%（體積比）的比例接種早期制備的細(xì)菌種子培養(yǎng)液，漚肥預(yù)處理3 d。待MEC啟動成功后，將漚肥預(yù)處理好的基質(zhì)與53.36 mg 纖維素酶（Worthington，115 U/mg），0.2 mL-葡萄糖苷酶（Novozyme 188, Sigma, ≥25 U/g）加入MEC陽極并混勻。將10 mmol/L磷酸鹽緩沖液（K2HPO42.28 g/L；KH2PO4·3H2O 1.53 g/L）緩慢通入MEC陰極。發(fā)酵溫度控制為35 ℃左右。為保證微生物活性及防止水的電解，電源（Array 3645A，臺灣）提供的電壓設(shè)定為0、0.4、0.6、0.8、1.0 V。陽極電流通過數(shù)據(jù)采集儀（Agilent 34970 A，美國）每隔1 min采集的數(shù)據(jù)計算得到。陰陽極反應(yīng)液pH值由pH計（Thermo-3 star，美國）測得。

1.4 分析方法

以排水法收集產(chǎn)生的氣體。氣體成分用氣相色譜儀（SC-3000，重慶）檢測，操作條件：TCD檢測器，色譜柱為2 mm不銹鋼填充柱，氬氣作為載氣（流速25 mL/min），柱箱溫度和檢測器溫度分別為55和100 ℃，檢測器電流為80 mA。殘余還原糖采用3,5-二硝基水楊酸法（DNS）檢測。以測得的氣體中氫氣含量乘以收集的氣體總體積便得到所產(chǎn)生的氫氣體積量。基質(zhì)消減量通過電子分析天平稱質(zhì)量（Sartorius BP114，德國）。中間產(chǎn)物采用離子色譜儀測量(戴安 ICS-5000，美國)。纖維素基質(zhì)燃燒焓測量采用同步熱分析儀（STA 409 PC Luxx?，德國）。

產(chǎn)氫速率(HPR)定義為單位時間內(nèi)實際的氫氣產(chǎn)量與反應(yīng)器體積之比[15]。

相對輸入電能的能量得率（）指實際產(chǎn)生的氫氣熱值與系統(tǒng)電能輸入的比值。

（2）

總能量得率指實際產(chǎn)生的氫氣熱值與消耗的電能及有機(jī)底物能量的總和的比值。

2 結(jié)果與討論

2.1 MEC的啟動

試驗中，MEC采用微生物燃料電池（MFC）啟動方式進(jìn)行啟動，圖2為MEC啟動過程中負(fù)載電壓及陽極電位隨時間的變化曲線。

由圖2可知，MEC啟動初期0～30 h，負(fù)載兩端電壓約為0，并隨啟動時間延長電壓緩慢增加。啟動30 h后，電壓迅速增加。這是因為啟動初期，微生物在MEC陽極室內(nèi)有一個適應(yīng)期，之后微生物進(jìn)入指數(shù)增長期。因此，接種初期，負(fù)載電壓較低且處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，之后，隨陽極室內(nèi)微生物大量繁殖和生理活性逐漸增強，導(dǎo)致負(fù)載電壓逐漸升高。接種約60 h后，負(fù)載電壓逐漸趨于穩(wěn)定，約為0.55 V，表明MEC采用MFC啟動方式已達(dá)到穩(wěn)定期，微生物活性達(dá)到最佳，電池啟動成功。而陽極電勢隨啟動進(jìn)行呈逐漸下降趨勢，在啟動初始階段微生物處于適應(yīng)期，電位下降緩慢，啟動約32 h后微生物進(jìn)入生長期，分解有機(jī)物的能力增強，電極電勢逐漸向有機(jī)物分解的電位偏移，表現(xiàn)為電位顯著下降，當(dāng)啟動約64 h后，隨微生物進(jìn)入穩(wěn)定生長期，陽極電勢處于平穩(wěn)狀態(tài)，試驗結(jié)果與文獻(xiàn)相關(guān)報道一致[16-17]。

2.2 外加電壓對微生物電解池產(chǎn)氫量的影響

電池啟動成功后，將測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)氫的MEC系統(tǒng)。試驗中對MEC系統(tǒng)所施加的電壓分別為0、0.4、0.6、0.8、1.0 V，結(jié)果如圖3所示。由圖3a可知，MEC累計產(chǎn)氫量隨發(fā)酵時間進(jìn)行呈逐漸增加趨勢，并且在相同發(fā)酵時間內(nèi)隨外加電壓升高而升高，但在發(fā)酵72 h后曲線上升趨勢明顯減緩，表明在發(fā)酵后期微生物產(chǎn)氫性能下降；試驗結(jié)束，在外加電壓為0、0.4、0.6、0.8和1.0 V條件下，得到的累計產(chǎn)氫量分別為1.5、27.6、38.2、43.2、46.6 mL。其中當(dāng)外加電壓為0.8、1.0 V時累計產(chǎn)氫量分別是對照（0 V）時的28.8、31.1倍，因此，在外加電壓作用下，MEC產(chǎn)氫量明顯增加，產(chǎn)氫性能得到改善。由圖3b可知，產(chǎn)氫速率隨外加電壓的升高先呈顯著升高的趨勢，當(dāng)外加電壓高于0.6 V時，產(chǎn)氫速率增加的趨勢減緩，試驗中當(dāng)外加電壓為1.0 V時，產(chǎn)氫速率最大為44.8 mL/(L·d)。

2.3 微生物電解池中pH值的變化

圖4為MEC系統(tǒng)中陰陽極室反應(yīng)液pH值變化情況。由圖4a可知，陽極室中反應(yīng)液初始pH值為7，隨著發(fā)酵過程的進(jìn)行，所有試驗條件下的pH值皆呈明顯下降趨勢，在發(fā)酵末期pH值皆略有增加；同時，在相同的運行時間內(nèi)隨外加電壓升高，陽極發(fā)酵液pH值呈逐漸下降的趨勢，當(dāng)外加電壓為1.0 V時，發(fā)酵末期發(fā)酵液pH值僅為5.0。由圖4b可知，陰極室溶液pH值總體變化較小，當(dāng)外加電壓為0.4 V以下時，陰極室反應(yīng)液pH值呈緩慢下降趨勢；而當(dāng)外加電壓高于0.4 V時，陰極室反應(yīng)液pH值表現(xiàn)為先略增加后略下降的趨勢；在發(fā)酵末期，陰極室pH值隨外加電壓升高而逐漸升高，當(dāng)外加電壓達(dá)0.8 V以上時，pH值基本維持在7.1左右。

2.4 微生物電解池中間代謝產(chǎn)物隨時間的變化

試驗結(jié)束，檢測了MEC厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程中陽極室內(nèi)的部分脂肪酸含量及殘余還原糖的含量（表1）。由表1可知，在相同的外加電壓下，MEC系統(tǒng)中在0～36 h乳酸、甲酸、乙酸和丙酸等有機(jī)酸的濃度隨發(fā)酵進(jìn)行呈逐漸下降的趨勢，而丁酸的含量呈逐漸增加的趨勢。如當(dāng)外加電壓為0.8 V時，乳酸、甲酸、乙酸、丙酸的最大質(zhì)量濃度分別為：854.52（12 h）、227.92（12 h）、405.93（12 h）、318.29（84 h）mg/L；所有試驗條件下，丁酸的含量在發(fā)酵至第84小時達(dá)到最大，分別為1 316.12、1 420.92、1 509.04、1 577.16、1 603.86 mg/L。在外加電壓為0.8 V時，還原糖的最大殘余量在36 h達(dá)到最大為5376.31 mg/L，而反應(yīng)結(jié)束時還原糖的殘余量為2317.28 mg/L；而當(dāng)輸入電壓分別為0、0.4、0.6、1.0 V時，還原糖的最大殘余量分別為4 670.36、4 035.04、4 129.16、5 917.48 mg/L，試驗結(jié)束時還原糖的殘余量分別為2 246.72、2 246.72、2 529.09、2 482.03 mg/L。

試驗結(jié)果表明，還原糖是MEC內(nèi)木質(zhì)纖維素酶解稻草基質(zhì)的主要水解產(chǎn)物并作為微生物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的底物，在整個同步酶解發(fā)酵產(chǎn)氫過程中乳酸和丁酸為主要的中間代謝產(chǎn)物，乙酸、丙酸、甲酸的含量相對較低，這表明試驗條件下MEC產(chǎn)氫過程主要為丁酸發(fā)酵型。

3 討 論

MEC產(chǎn)氫是一個吸熱反應(yīng)，需要外加能量才能促使氫氣生成[2]，因此，隨外加電壓升高，產(chǎn)氫速率增大；同時微生物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程中產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，并釋放質(zhì)子、電子，在外加電源提供的能量下，質(zhì)子、電子分別通過質(zhì)子交換膜、外電路進(jìn)行遷移，質(zhì)子與電子在陰極結(jié)合產(chǎn)生氫氣。所以，適當(dāng)增加外加電壓有利于MEC陰極氫氣的生成。當(dāng)外加電壓低于0.4 V（含0.4 V）時，一方面產(chǎn)電微生物的活性未能得到有效強化，另一方面外加電壓供給的能量不足以促進(jìn)H+轉(zhuǎn)化為氫氣，因此，表現(xiàn)為產(chǎn)氫速率較低和因陰極室溶液H+積累而引起的pH值緩慢下降。當(dāng)外加電壓較高時，發(fā)酵初期，隨著陽極室厭氧發(fā)酵進(jìn)行，大量的質(zhì)子在外加電壓作用下遷移至陰極室并產(chǎn)生氫氣，所以陰極室pH值呈逐漸升高的趨勢，并且產(chǎn)氫速率顯著提高；在發(fā)酵后期，陰極室pH值逐漸下降，推測其原因是隨發(fā)酵進(jìn)行，還原糖含量下降，微生物活性下降，外電路傳遞的電子數(shù)量減少，陰極室質(zhì)子積累較多，造成陰極室pH值下降，同時表現(xiàn)出產(chǎn)氫能力下降的現(xiàn)象。

表1 電壓對微生物電解池MEC系統(tǒng)中中間產(chǎn)物的影響

此外，由于陽極室內(nèi)的稻草秸稈基質(zhì)在厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)生了大量酸性中間產(chǎn)物，由此導(dǎo)致了陽極室pH值顯著下降；在發(fā)酵后期特別是第84 小時以后陽極發(fā)酵室內(nèi)pH值呈上升的趨勢，主要歸咎于部分酸性中間代謝產(chǎn)物逐漸被產(chǎn)氫微生物利用和消耗，并且 H+跨過質(zhì)子交換膜進(jìn)入陰極室產(chǎn)生氫氣導(dǎo)致了陽極室內(nèi)H+濃度下降。同時，適當(dāng)提高外加電壓，陽極室內(nèi)產(chǎn)電微生物活性得到增強，稻草基質(zhì)分解速率加快并釋放較多有機(jī)酸，因此相同發(fā)酵時間內(nèi)陽極室內(nèi)發(fā)酵液pH值隨著外加電壓的升高呈逐漸下降的趨勢。總之，MEC內(nèi)厭氧發(fā)酵與電子、質(zhì)子釋放及遷移的具體機(jī)制較復(fù)雜，尚需進(jìn)一步探索。

目前，微生物電解池產(chǎn)氫性能評估有多種方法[18]，在這里通過產(chǎn)氫速率、產(chǎn)氫得率及能量得率等方面的性能。表2所示為電壓對MEC利用稻草基質(zhì)同步酶解發(fā)酵產(chǎn)氫的性能評價。由圖2b及表2可知，試驗條件下，盡管隨著外加電壓的增加， MEC的產(chǎn)氫速率及產(chǎn)氫得率、基質(zhì)消減量和總能量得率皆呈逐漸增加的趨勢，表明外加電壓能有效提高陽極室內(nèi)微生物活性，分解有機(jī)質(zhì)，產(chǎn)生氫氣，并提高了相對于底物消耗的產(chǎn)氫得率；但相對電能消耗的能量得率則呈逐漸下降的趨勢，當(dāng)外加電壓為0.4 V時，得到試驗條件下較低的產(chǎn)氫量27.6 mL、產(chǎn)氫速率26.7 mL/(L·d)及相對電能消耗的最大能量得率（377.59%）；而當(dāng)外加電壓為1.0 V時，產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率分別增加至46.6 mL和44.8 mL/(L·d)，獲得最大的產(chǎn)氫得率38.9 g/g，但相對電能消耗的能量得率下降至88.62%。這說明盡管較高的外加電壓能有利于MEC厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫，但大部分能量被MEC內(nèi)阻消耗；同時，比較2種能量得率，可以發(fā)現(xiàn)，二者呈完全相反的變化趨勢，隨外加電壓的升高，總能量得率呈遞增的趨勢，相對電能消耗的能量得率則呈下降趨勢。這表明盡管隨外加電壓升高，MEC內(nèi)阻消耗的能量增加，但MEC陽極室內(nèi)微生物分解稻草基質(zhì)的活性提高，產(chǎn)氫性能和總的能量得率改善。所以在實際操作運用過程中，不能僅僅通過產(chǎn)氫速率來衡量MEC的性能，尚需綜合比較MEC各方面的性能以確定最適外加電壓。

表2 微生物電解池MEC利用木質(zhì)纖維素同步酶解發(fā)酵產(chǎn)氫的性能

盡管本研究中MEC產(chǎn)生的生物氣中氫氣含量顯著提高，達(dá)到59.3%，高于相關(guān)文獻(xiàn)報道[14]。但所設(shè)計的MEC在產(chǎn)氫性能方面同國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)報道比較尚存在一定不足，如產(chǎn)氫速率、產(chǎn)氫得率較相關(guān)文獻(xiàn)報道結(jié)果[19-20]較低，最大相差約2倍左右，同時，總能量得率明顯較低，這主要歸咎于所設(shè)計的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、操作條件及陽極室的發(fā)酵培養(yǎng)基需要優(yōu)化，特別是需改良產(chǎn)氫微生物菌種及群落結(jié)構(gòu)、優(yōu)化電極性能。只有通過進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計，MEC產(chǎn)氫性能才能有效提高。

4 結(jié) 論

本試驗主要以稻草秸稈作為微生物電解池MEC中厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的原料，開展了外加電壓（0、0.4、0.6、0.8、1.0 V）對MEC利用木質(zhì)纖維素同步酶解發(fā)酵產(chǎn)氫特性的影響研究。試驗結(jié)果表明，MEC的產(chǎn)氫速率及產(chǎn)氫得率、基質(zhì)消減量及消耗的木質(zhì)纖維素量皆呈逐漸增加的趨勢，但能量得率則呈逐漸下降的趨勢，當(dāng)外加電壓為0.4 V時，得到試驗條件下最大的能量得率（377.59%），當(dāng)外加電壓為1.0 V時得到最大的氫氣產(chǎn)量和最大的產(chǎn)氫得率，分別為44.8 mL和38.9 g/g，獲得最佳的產(chǎn)氫效益；在發(fā)酵產(chǎn)氫過程中，陽極室pH值呈先逐漸下降后略上升的趨勢，有機(jī)酸檢測分析表明，在MEC內(nèi)的發(fā)酵產(chǎn)氫為丁酸發(fā)酵型。

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Improving hydrogen production from straw though simultaneous fermentation by applied voltage in microbial electrolysis cell

Wang Yongzhong1, Dong Liang2※, Zuo Yong2, Xu Tengfei3, Ru Zhipeng3

(1.,,400030,; 2.,,643000,; 3..,401336,)

In this work, the effects of applied voltages on the characteristics of hydrogen production were investigated by the simultaneous saccharification and fermentation of rice straw in a fabricated microbial electrical cell (MEC) with 2 chambers, and the hydrogen production performance and conversion efficiency of cellulosic material were analyzed. The chambers of anode and cathode in this MEC were 2 concentric cylinders, and the inner one was anode chamber and the external one was cathode chamber. The gross volume of this reactor was 460 mL with 98 mL working volume in anode chamber and 260 mL working volume in cathode chamber. The carbon cloth fixed around the external wall of anode chamber was used as anodic electrode which was linked with cathode electrode by an external circuit with a 50 Ω resistance, and the carbon clothing sprinkled with platinum (Pt) was used as cathode electrode. The 2 chambers were separated by cation exchange membrane (Nafion TM 117, Dupont Co., US). Before testing, the rice straw powder with 60 meshes was mixed with 1% NaOH solution at the solid-liquid ratio of 1:10 for 24 h pretreatment, and then was rinsed with water to neutral and dried at 105 ℃ to constant weight. The 2.0 g pretreated cellulosic material was mixed with 80 mL distilled water and inoculated with the bacterial seed solution at a proportion of 30% (V/V) for compost and fermentation at room temperature for 3 d. The bacterial seed solution was obtained by 7 d domestication of municipal sewage sludge of Chongqing City. The MEC was started using the starting mode of microbial fuel cell (MFC), which was inoculated seed solution in anode chamber and 0.1 mol/L potassium ferricyanide was used as electron acceptor of cathode during the startup. After finishing the startup of MEC, the cellulosic material pretreated by compost and fermentation was mixed with 53.36 mg cellulase (Worthington, 115 U/mg) and 0.2 mL-glucosidase (Novozyme 188, Sigma, ≥25 U/g) again and transported into the anode chamber of the MEC, the culture medium for bacteria growth was pumped into the anode chamber at a flow rate of 40 mL/h, and 10 mmol/L phosphate buffer (K2HPO42.28 g/L, KH2PO4·3H2O 1.53 g/L) was pumped into the cathode of the MEC. Then, the system was sealed tightly for hydrogen production through simultaneous saccharification and fermentation at 35 ℃ constant temperature. It was observed that the voltage of the MEC rose up obviously 30 h after startup, which indicated that the startup of the MEC succeeded using MFC mode. Then, the effects of applied voltages (0, 0.4, 0.6, 0.8, and 1.0 V) on hydrogen production, pH value change of fermented solution and production of intermediates in the MEC were investigated. It was found that hydrogen production rate, hydrogen yield, amount of substrate consumption and total energy yield in the MEC increased with the increase of the applied voltage. Conversely, the energy yield to consumed electric energy decreased. The maximal energy yield to consumed electric energy was 377.59% at 0.4 V applied voltage, while the maximal amount of hydrogen production was 44.8 mL and the maximal total energy yield was 2.84% at the applied voltage of 1.0 V. The pH value of anode chamber first increased, and then slightly decreased during the fermentation for hydrogen production. The testing results of organic acids during the simultaneous saccharification and fermentation reveal that the process of hydrogen production in the MEC is butyric acid type fermentation.

straw; voltage; fermentation; microbial electrolysis cell; simultaneous saccharification fermentation; biohydrogen production

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.031

TK6

A

1002-6819(2016)-24-0234-06

2016-03-16

2016-10-25

國家自然科學(xué)基金項目（51376200）

王永忠，男，四川資陽人，重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為微生物代謝與調(diào)控技術(shù)。重慶 重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，400030。Email：wangyzh@cqu.edu.cn

董亮，男，四川自貢人，副教授，博士生，主要研究方向為農(nóng)業(yè)廢棄物處理與環(huán)保工程、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后處理與加工工程。自貢 四川理工學(xué)院生物工程學(xué)院，643000。Email：410898720@qq.com