一种基于厌氧发酵尾液的凝胶微球及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于厌氧发酵尾液处理技术领域，尤其涉及一种基于厌氧发酵尾液的凝胶微球及其制备方法和应用。

背景技术

随着经济的蓬勃发展，对能源的需求也在不断地增长，由此出现了严重的环境问题和能源问题。如今，在可再生能源中，氢能领域在不断发展，制氢方法也渐渐由化石燃料制氢转向生物制氢。在生物制氢方法中，主要是利用厌氧发酵进行发酵产氢，而发酵产氢会产生大量厌氧发酵尾液。在这些尾液中，含有大量可供植物生长的氮、磷、钾等生长元素以及苯丙氨酸、脯氨酸等氨基酸。如果对这些尾液进行处理并加以利用，不仅可以保护环境，还可以实现废物利用的目的，为植物栽培提供营养来源。

发酵尾液可以通过固定化技术进行废物利用。在现有的固定化技术中，利用海藻酸钠进行包埋固定是一种较好的选择。海藻酸钠是从马尾藻和褐藻中提取碘和甘露醇的副产物，是一种天然多糖类高分子聚合物，具有良好的生物相容性和较低的细胞毒理性，并且价格低廉、容易得到。海藻酸钠的分子中含有—COO

海藻酸钠溶液与含Ca

哈尔滨工业大学在发酵生物制氢方面的研究使中国在国际制氢领域有一席之地，兰州大学高春梅等人研究了海藻酸钠水凝胶的制备及其在药物释放中的应用，河南农业大学农业部可再生能源重点开放实验室张全国等人研究了海藻酸钠包埋法固定光合细菌技术。目前，还没有利用凝胶方法处理发酵尾液的研究。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种基于厌氧发酵尾液的凝胶微球的制备方法，旨在解决背景技术中提出的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种基于厌氧发酵尾液的凝胶微球的制备方法，其包括以下步骤：

将厌氧发酵尾液与海藻酸钠溶液进行混合，得到混合液；

将混合液滴入到CaCl

作为本发明实施例的另一个优选方案，所述海藻酸钠溶液的质量浓度为1％～3％。

作为本发明实施例的另一个优选方案，所述海藻酸钠溶液的质量浓度为1.5％～2.5％。

作为本发明实施例的另一个优选方案，所述厌氧发酵尾液为紫花苜蓿暗发酵尾液、牛粪玉米秸秆混合光发酵尾液、玉米秸秆生物炭混合光发酵尾液、污泥玉米秸秆暗发酵尾液、玉米芯光发酵尾液中的至少一种。

作为本发明实施例的另一个优选方案，所述海藻酸钠溶液与厌氧发酵尾液的体积比为(6～8):(2～4)。

作为本发明实施例的另一个优选方案，所述CaCl

作为本发明实施例的另一个优选方案，所述CaCl

本发明实施例的另一目的在于提供一种上述制备方法制得的凝胶微球。

作为本发明实施例的另一个优选方案，所述凝胶微球的直径为3～5mm。

本发明实施例的另一目的在于提供一种上述的凝胶微球在植物施肥中的应用。

众多研究表明，氨基酸是植物生长不可缺少的一部分。甘氨酸(Gly)可以增强农作物对磷钾元素的吸收，对植物光合作用具有独特的促进作用。络氨酸(Tyr)在植物中调控根尖、根细胞的维持。苯丙氨酸(Phe)可以参与植物的抗病反应，提高植物的抗病能力。脯氨酸(Pro)在植物发育中起到了重要作用，与植物的发育阶段、器官类型有关。丝氨酸(Ser)会影响植物的发芽和细胞组织分化。精氨酸(Arg)具有储藏氮元素的功能，可以参与植物生长发育、抗逆性等生理生化过程。因此，本发明用厌氧发酵尾液制成的凝胶微球可以在缓释过程中释放出大量氨基酸，大大提升了营养液的品质。

本发明实施例提供的一种基于厌氧发酵尾液的凝胶微球的制备方法，通过凝胶方法对厌氧发酵尾液进行固定化，从而可以将厌氧发酵尾液中的氮、磷、钾等营养元素进行固定，然后将之用到植物水培中，通过缓释作用向植物提供生长所需的营养元素。

附图说明

图1为五种发酵尾液经正滴、反滴固定化后得到的凝胶微球的缓释营养液营养元素含量对比图。图1中，(a)为总氮含量对比图；(b)为P含量对比图；(c)为K含量对比图；(d)为Mg含量对比图；(e)为Ca含量对比图。

图2为五种发酵尾液经正滴、反滴固定化后得到的凝胶微球的缓释营养液主要氨基酸对比图。图2中，(a)为Phe含量对比图；(b)为Pro含量对比图；(c)为Arg含量对比图。

图3为利用不同浓度的CaCl

图4为利用不同浓度的CaCl

图5为利用不同浓度的CaCl

图6为不同浓度的CaCl

图7为不同浓度的海藻酸钠溶液的凝球效果对比图。图6中，(a)为1％海藻酸钠溶液；(b)为2％海藻酸钠溶液；(c)为3％海藻酸钠溶液。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，下述实施例及实验例所用的紫花苜蓿暗发酵尾液、牛粪玉米秸秆混合光发酵尾液、玉米秸秆生物炭混合光发酵尾液、污泥玉米秸秆暗发酵尾液、玉米芯光发酵尾液，来自河南农业大学农业部可再生能源重点开放实验室。其中，发酵尾液从产氢反应瓶中取出后，放入100mL离心管，对称放入离心机，在6000r/min的转速下离心5min即可。离心后取上清液放入100mL烧杯中，用保鲜膜封口，待用。

另外，下述实施例及实验例所用的包埋材料海藻酸钠溶液和CaCl

海藻酸钠溶液：用电子天平称取海藻酸钠粉末放入100mL烧杯中，加蒸馏水配置为1％、1.5％、2％、2.5％、3％三个浓度的海藻酸钠溶液，把烧杯放入水浴锅中搅拌热溶，直至海藻酸钠粉末完全溶解，从水浴锅中取出待用。

CaCl

实施例1

该实施例提供了一种基于厌氧发酵尾液的凝胶微球的制备方法，其包括以下步骤：

S1、用移液枪准确量取2mL的紫花苜蓿暗发酵尾液和8mL的质量浓度为1％的海藻酸钠溶液放入烧杯中，摇晃振荡，使其充分混合，得到混合液。

S2、用10mL针管抽取上述混合液，并均匀滴入到足量的质量浓度为1％的CaCl

实施例2

该实施例提供了一种基于厌氧发酵尾液的凝胶微球的制备方法，其包括以下步骤：

S1、用移液枪准确量取4mL的牛粪玉米秸秆混合光发酵尾液和6mL的质量浓度为3％的海藻酸钠溶液放入烧杯中，摇晃振荡，使其充分混合，得到混合液。

S2、用10mL针管抽取上述混合液，并均匀滴入到足量的质量浓度为3％的CaCl

实施例3

该实施例提供了一种基于厌氧发酵尾液的凝胶微球的制备方法，其包括以下步骤：

S1、用移液枪准确量取2.5mL的玉米秸秆生物炭混合光发酵尾液和7.5mL的质量浓度为1.5％的海藻酸钠溶液放入烧杯中，摇晃振荡，使其充分混合，得到混合液。

S2、用10mL针管抽取上述混合液，并均匀滴入到足量的质量浓度为2.5％的CaCl

实施例4

该实施例提供了一种基于厌氧发酵尾液的凝胶微球的制备方法，其包括以下步骤：

S1、用移液枪准确量取3.5mL的污泥玉米秸秆暗发酵尾液和6.5mL的质量浓度为2.5％的海藻酸钠溶液放入烧杯中，摇晃振荡，使其充分混合，得到混合液。

S2、用10mL针管抽取上述混合液，并均匀滴入到足量的质量浓度为1.5％的CaCl

实施例5

该实施例提供了一种基于厌氧发酵尾液的凝胶微球的制备方法，其包括以下步骤：

S1、用移液枪准确量取3mL的玉米芯光发酵尾液和7mL的质量浓度为2％的海藻酸钠溶液放入烧杯中，摇晃振荡，使其充分混合，得到混合液。

S2、用10mL针管抽取上述混合液，并均匀滴入到足量的质量浓度为2％的CaCl

实施例6

该实施例提供了一种基于厌氧发酵尾液的凝胶微球的制备方法，其包括以下步骤：

S1、用移液枪准确量取1mL的紫花苜蓿暗发酵尾液、2mL的牛粪玉米秸秆混合光发酵尾液和7mL的质量浓度为2％的海藻酸钠溶液放入烧杯中，摇晃振荡，使其充分混合，得到混合液。

S2、用10mL针管抽取上述混合液，并均匀滴入到足量的质量浓度为2％的CaCl

实施例7

该实施例提供了一种基于厌氧发酵尾液的凝胶微球的制备方法，其包括以下步骤：

S1、用移液枪准确量取1mL的紫花苜蓿暗发酵尾液、1mL的污泥玉米秸秆暗发酵尾液、1mL的玉米芯光发酵尾液和7mL的质量浓度为2％的海藻酸钠溶液放入烧杯中，摇晃振荡，使其充分混合，得到混合液。

S2、用10mL针管抽取上述混合液，并均匀滴入到足量的质量浓度为2％的CaCl

实验例：

一、实验方法

1、五种发酵尾液的凝胶固定实验：

当利用海藻酸钠和含Ca

正滴法：用移液枪准确量取3mL发酵尾液和7mL的3％海藻酸钠溶液放入烧杯中，摇晃振荡，使其充分混合，然后用10mL针管抽取混合溶液，均匀滴入足量10％CaCl

反滴法：用移液枪准确量取3mL发酵尾液和7mL的3％海藻酸钠溶液放入烧杯中，摇晃振荡，使其充分混合，然后用10mL针管抽取10％CaCl

成型后的凝胶分别放入150mL锥形瓶中，加入适量蒸馏水，用保鲜膜封口，静置7d后测定水中的各元素和氨基酸含量。凝胶均匀放入黑夜白菜水培架中，加入自来水，对黑夜白菜进行水培。

2、包埋载体浓度的优化实验：

在之前的海藻酸钠凝胶研究中，大多数以海藻酸钠溶液浓度3％、CaCl

CaCl

海藻酸钠溶液浓度优化：固定CaCl

二、结果与分析

1、五种发酵尾液正滴、反滴的缓释效果

1.1、缓释营养液营养元素分析

从成型效果上来看，正向滴入的凝胶会形成均匀的微型胶球，便于分离和缓释利用，而反向滴入的的凝胶会聚集成胶块，不利于分离和利用。具体的，如表1和图1所示，图1中的：(a)图中发酵尾液正向滴入的缓释营养液中氮元素含量比反向滴入的高10～20倍，(b)图中磷元素含量基本相差不大，(c)图中钾元素含量比反向滴入高20～30倍，(d)图中镁元素含量比反向滴入高5～15倍，而氮、磷、钾、镁都是植物生长所必须的元素；(e)图中营养液中钙元素含量反向滴入比正向滴入高60倍左右，这些钙元素的释放只有一小部分来自发酵尾液，大部分是由海藻酸钙凝胶分解释放，钙元素释放越快，凝胶成型越不稳定，可以证明正向滴入形成的胶球比反向滴入形成的胶块缓释效果更好。由此可见，正向滴入不仅在成型效果上比反向滴入效果更优，而且缓释形成的营养液营养元素含量更高。从黑夜白菜的水培效果来看，正向滴入的白菜种子发芽率也明显高于反向滴入。

表1五种发酵尾液缓释营养液的营养元素含量

1.2、缓释营养液氨基酸含量分析

五种发酵尾液凝胶缓释后的主要氨基酸含量如表2和图2所示，图2中的：(a)图中Phe的含量正向滴入比反向滴入高10～60倍，紫花苜蓿发酵尾液正滴后可释放的Phe甚至达到了6.661mg/L，(b)图中Pro的含量正向滴入比反向滴入高10倍以上，(c)中Arg的含量正向滴入比反向滴入高2～10倍。可以明显的看出，正滴法制作的凝胶微球比反滴法制作的凝胶块缓释出的营养液氨基酸含量高的多，而这三种氨基酸对植物的生长发育，氮元素利用以及抗病性都起着至关重要的作用，所以正滴法对于发酵尾液的固定和利用更加有利。

表2五种发酵尾液缓释营养液的主要氨基酸含量

2、不同溶液浓度包埋载体对凝胶微球成型的影响

如图3～5，可以看出，随着CaCl

如图6，可以看出，图6的(a)是CaCl

如图7，可以看出，图7的(a)图是1％海藻酸钠溶液与发酵尾液混合后，滴入2％CaCl

三、结论

本发明创造性提出发酵尾液制成海藻酸钙胶球的方法，将发酵尾液中氮、磷、钾等生长元素固定化，从而制造出可供植物生长的缓释营养液。不仅实现了厌氧发酵尾液的无害化处理，保护了环境，而且达到了发酵尾液资源化利用的目的。

通过上述实验可知，海藻酸钠溶液和发酵尾液混合后正向滴入CaCl

在海藻酸钠溶液浓度固定的情况下，CaCl

由于海藻酸钠是直接和发酵尾液混合，海藻酸钠的浓度会对凝球成型产生较大的影响。通过实验得出，1％海藻酸钠溶液成型效果极差，基本不成球，3％海藻酸钠溶液虽然可以成型，但是效果较差，成型不明显，而2％海藻酸钠溶液成型后的凝胶微球比较均匀，整体成型效果较好。

综上所述，2％海藻酸钠溶液与发酵尾液混合后，正向滴入2％CaCl

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。