專利名稱：基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微生物電解池產(chǎn)氫方法，具體涉及利用纖維素類物質(zhì)同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，隨著世界各國能源危機(jī)的加劇，以含纖維素為主要成份的生物質(zhì)原料作為可再生能源，在各國得到了廣泛的研究和利用。有資料表明，全世界每年生產(chǎn)纖維素及半纖維素的總量在850億噸左右，纖維素作為多糖化合物，廣泛存在于稻草、秸桿、樹桿等植物中。我國作為農(nóng)業(yè)大國，每年有大量的農(nóng)業(yè)廢棄物，其都可以作為廉價(jià)的可再生資源加以利用。從2005年起，我國每年的植物秸桿總產(chǎn)量達(dá)8. 42億噸，其中稻草達(dá)I. 8億噸，如果將其全部利用，將會(huì)緩解我國的能源危機(jī)。
在纖維素水解糖化過程中，水解產(chǎn)物有葡聚糖、木聚糖、乙酸等物質(zhì)。如果只利用纖維素糖化過后的葡萄糖，這就造成資源的浪費(fèi)，并且還會(huì)引起環(huán)境污染?；谔岣哂袡C(jī)廢棄物的資源化利用率和產(chǎn)物產(chǎn)率的目的，需對纖維素水解糖化液進(jìn)行綜合利用，并減少對環(huán)境的污染。目前，采用生物質(zhì)為原料制氫主要采用酶解與發(fā)酵分別進(jìn)行的方法，對于這種方法主要存在的問題有①產(chǎn)生的氫氣與CO2等氣體混合，因此氣體中氫氣的純度不高；②由于生物質(zhì)酶解過程與發(fā)酵過程是分開進(jìn)行，所以需要采用兩套裝置，這就造成了初期投入成本的增加；③生物質(zhì)酶解發(fā)酵分步進(jìn)行，制氫周期延長酶解與發(fā)酵產(chǎn)氫分別進(jìn)行導(dǎo)致纖維素水解產(chǎn)生的還原糖積累并對糖化過程產(chǎn)生較強(qiáng)的抑制作用。采用同步酶解發(fā)酵制氫的技術(shù)克服了上述分步水解制氫的不足，同步酶解發(fā)酵制氫的技術(shù)具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)①同步酶解發(fā)酵制氫實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵過程與制氫過程的同步進(jìn)行，可以縮短制氫周期同步酶解發(fā)酵制氫在同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行，制氫操作簡單，降低了生產(chǎn)成本；③同步酶解發(fā)酵制氫可消除酶解過程與制氫過程中的產(chǎn)物抑制作用；④將同步酶解發(fā)酵制氫技術(shù)應(yīng)用于微生物電解池中，纖維素水解產(chǎn)生的各類物質(zhì)包括一些抑制性產(chǎn)物能被微生物利用產(chǎn)生氫氣，可明顯提高產(chǎn)氫得率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦
口 ο為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是，基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法，其特征在于A.將未預(yù)處理或預(yù)處理后的纖維素基質(zhì)與組合酶液按照100 : (O. 5 I)混合均勻，并將纖維素基質(zhì)與組合酶液的混合液加入滅菌處理后的電解池內(nèi)，加入量為電解池體積的10% 20% ;B.將厭氧發(fā)酵細(xì)菌、光合細(xì)菌或二者的混合菌加入電解池，接種量為5% 35%(v/v)。接種細(xì)菌目的是利用這些微生物分解混合酶液水解產(chǎn)生的還原糖等有機(jī)物，產(chǎn)生氫氣;C.在電解池中加入組合培養(yǎng)基液體，加入量為所加入基質(zhì)的10% 35% ；D.電解池外接電阻，啟動(dòng)電解池，電解池啟動(dòng)成功后，接入外部電源，調(diào)節(jié)輸入電壓為O. 2 I. 2伏，電解池處于產(chǎn)氫模式；在H2氣體收集出口通過氣體收集裝置收集H2氣體，在CO2氣體收集出口通過氣體收集裝置收集CO2氣體，待基質(zhì)消耗完之后，廢液通過排液口 4排出。
本發(fā)明的原理是纖維素和半纖維素在纖維素酶、β -葡萄糖苷酶、木聚糖酶的混合酶液作用下分解成葡聚糖和木聚糖，纖維素基質(zhì)在酶解糖化過程中還產(chǎn)生副產(chǎn)物，如乙酸、糠醛、羧甲基糠醛等。同時(shí)葡萄糖、乙酸等酶解糖化過程的產(chǎn)物在接種細(xì)菌的作用下，生成C02、H+和電子，H+向陰極運(yùn)動(dòng)，電子在電勢差的作用下沿外電路傳導(dǎo)至陰極，H+與來至外電路的電子在陰極結(jié)合發(fā)生還原反應(yīng)生成H2，然后在陰極側(cè)頂部收集H2，在陽極側(cè)頂部收集CO2，從而，在微生物電解池內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了纖維素酶解作用與微生物發(fā)酵產(chǎn)氫。利用微生物電解池同步酶解發(fā)酵制氫的方法，使得在一定外加電壓的作用下，厭氧發(fā)酵細(xì)菌或光合細(xì)菌能及時(shí)利用酶解作用產(chǎn)生的還原糖一類的物質(zhì)做底物進(jìn)行產(chǎn)氫代謝，而且還可利用水解液中的抑制性物質(zhì)產(chǎn)氫，顯著地提高了產(chǎn)氫效率，從而減少了對環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)了資源的高效利用。系統(tǒng)反應(yīng)方程式纖維素水解轉(zhuǎn)化成葡萄糖的反應(yīng)式(C6H10O5) η+ηΗ20 — nC6H1206葡萄糖在微生物電解池中的反應(yīng)式陽極C6H1206+6H20— 6C02+24H++24e_陰極24H++24e— 12H2乙酸在微生物電解池中的反應(yīng)式陽極C2H402+2H202— 2C02+8H++8e_陰極8H++8e-— 4H2根據(jù)本發(fā)明所述的基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法的優(yōu)選方案，當(dāng)微生物電解池采用單室微生物電解池時(shí)，步驟A、B、C所加物質(zhì)為直接加入電解池中。根據(jù)本發(fā)明所述的基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法的優(yōu)選方案，當(dāng)微生物電解池采用雙室微生物電解池時(shí)，步驟A、B、C所加物質(zhì)為加入電解池的陽極室中，并且在步驟D前還進(jìn)行如下步驟將濃度為20 60mM · L—1的鐵氰化鉀溶液或者濃度為20 60mM · L—1的亞硫酸鉀溶液加入電解池的陰極室中，且在陰極室所加入溶液的體積與陽極室所加的溶液的體積相
坐寸ο根據(jù)本發(fā)明所述的基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法的優(yōu)選方案，當(dāng)微生物電解池采用雙室微生物電解池時(shí)，在電解池陰極室還同時(shí)加入?yún)捬醢l(fā)酵細(xì)菌與光合細(xì)菌的混合菌或單一光合細(xì)菌或厭氧發(fā)酵細(xì)菌，接種量為5% 35% (v/v)，且在陰極室所加入溶液的體積與陽極室所加的溶液的體積相等。
根據(jù)本發(fā)明所述的基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法的優(yōu)選方案，當(dāng)微生物電解池采用雙室微生物電解池時(shí)，在陰極室中還加入pH為4. 8、濃度為40 SOmM · I/1磷酸鹽緩釋劑，所加入的磷酸鹽緩釋劑與鐵氰化鉀溶液或亞硫酸鉀溶液的比例為4 I ;且在陰極室所加入溶液的體積與陽極室所加的溶液的體積相等。根據(jù)本發(fā)明所述的基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法的優(yōu)選方案，所述酶液為纖維素酶、β -葡萄糖苷酶、木聚糖酶，按22 40mg O. 02 O. OSmL 10 28mg比例進(jìn)行混合。其中，纖維素酶能水解纖維素β _1，4糖苷鍵，使纖維素分解成纖維二糖和葡萄糖，β -葡萄糖苷酶能將纖維二糖及其他低分子纖維糊精分解為葡萄糖，木聚糖酶能將生物質(zhì)類物質(zhì)中所含木聚糖分解成小分子物質(zhì)木糖，纖維素酶、β -葡萄糖苷酶、木聚糖酶的混合酶液能將生物質(zhì)中的纖維素、纖維二糖、木聚糖等物質(zhì)分解成小分子物質(zhì)，最終水解成葡萄糖。因此添加混合酶液較添加單一酶制劑的性能得到提升，能更有效地水解纖維素基質(zhì)中的各種有效成分，顯著提高生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成葡萄糖的轉(zhuǎn)化效率，實(shí)現(xiàn)對生物質(zhì)中各種成份的綜合利用，從而得到更多的還原糖。
根據(jù)本發(fā)明所述的基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法的優(yōu)選方案，所述組合培養(yǎng)基為:5· 8 6. 2g · I/1 Na2HPO4, 2. 8 3. 2g · Γ1 KH2PO4,0. 08 O. 12g *L_1 CO (NH2)2,0. 5 O. 7g .171 NaCl，O. 2 O. 24g · L-1 MgSO4 · 7H20，14 16mg · Γ1CaCl2 · 2H20和6 12mg · L1微量元素溶液，其中微量元素為Mo、Fe、Zn、Co或Cu。本發(fā)明所述的基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法的有益效果是本發(fā)明將纖維素基質(zhì)同步酶解發(fā)酵與微生物電解池有機(jī)結(jié)合進(jìn)行生物制氫，具有以下優(yōu)點(diǎn)①基質(zhì)酶解糖化效率提高，代謝中間產(chǎn)物能得到充分利用，能耗低；②可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫與產(chǎn)CO2在空間上的分離，極大地提高了氫氣純度，降低了后期分離提純的費(fèi)用；③酶解糖化過程、厭氧發(fā)酵與生物制氫作用的同步進(jìn)行，有效縮短了生產(chǎn)周期；④在電解池反應(yīng)器中同步進(jìn)行酶解發(fā)酵與生物制氫，設(shè)備簡單，操作方便，降低了初期成本的投入。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在處理農(nóng)、林廢棄物的同時(shí)高效產(chǎn)生氫氣的目的，具有綠色、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。


圖I是本發(fā)明所述的基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法所采用單室微生物電解池結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明所述的基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法所采用雙室微生物電解池結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I :基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法，包括如下步驟第一步、制作單室微生物電解池包括陽極、陰極。在陰極側(cè)上方設(shè)置有H2氣體收集出口，在陽極極側(cè)上方設(shè)置有CO2氣體收集出口，在陽極側(cè)設(shè)置有進(jìn)料口 3，在陰極側(cè)設(shè)置有排液口 4 ；第二步、電解池滅菌處理首先用30%的福爾馬林溶液對電解池進(jìn)行滅菌，并用經(jīng)過高溫滅菌后冷卻的去離子水進(jìn)行清洗，保證厭氧發(fā)酵細(xì)菌或光合細(xì)菌或厭氧發(fā)酵細(xì)菌與光合產(chǎn)氫菌的混合菌不被其它細(xì)菌污染，并處于良好的生存環(huán)境，然后充氬氣保證電解池保持密閉厭氧狀態(tài)；第三步、纖維素基質(zhì)預(yù)處理把稻草秸桿剪切成I 2cm小段，洗凈并烘干至恒重，取洗凈烘干的稻草秸桿利用粉碎機(jī)粉碎，利用自動(dòng)振動(dòng)篩過40 120目數(shù)，稱取20 80g無菌稻草秸桿粉末放入IOOOmL的燒杯中，然后加入O. 5 2. 0% NaOH溶液500mL于室溫(300C )下放置24h。處理完成后，用蒸餾水對稻草秸桿進(jìn)行沖洗，直至沖洗后蒸餾水pH值為中性，將沖洗至中性的稻草秸桿基質(zhì)在105°C下烘箱中烘干至恒重，取稻草秸桿粉末在高壓滅菌鍋中于121°C下滅菌lOmin，然后取出待用。富含纖維素類物質(zhì)的基質(zhì)還可以采用玉米秸桿、麥草秸桿、樹桿等生物質(zhì)；此外，纖維素的預(yù)處理方法還包括酸預(yù)處理、超聲波預(yù)處理、高溫蒸煮預(yù)處理等。第四步、將預(yù)處理后的纖維素基質(zhì)與酶液按照100 :0. 5混合均勻，并進(jìn)行滅菌處理，將滅菌后的纖維素基質(zhì)與酶液的混合液通過進(jìn)料口 3加入電解池，所加入的纖維素基 質(zhì)與酶液的混合液的體積占電解池體積的20%，所述酶液為纖維素酶、β -葡萄糖苷酶、木聚糖酶，按22mg : O. 02mL :10mg比例進(jìn)行混合；第五步、將厭氧發(fā)酵細(xì)菌與光合細(xì)菌的混合菌通過進(jìn)料口 3加入電解池，接種量% 20% (v/v)；第六步、通過進(jìn)料口 3加入組合培養(yǎng)基液體，加入量為所加入基質(zhì)的10%，其中組合培養(yǎng)基的配方為6. 2g · L—1 Na2HPO4, 2. 8g · L—1 KH2PO4,0. Ig · L—1 CO (NH2) 2，0· 5g · L—1NaCl，0· 2g · L-1 MgSO2 · 7H20,15mg · L-1 CaCl2 · 2H20 和 IOmg · L-1 FeSO4 · 7H20 溶液；第七步、電解池外接100Ω負(fù)載電阻，啟動(dòng)電解池。電解池啟動(dòng)初期為O 4d，負(fù)載兩端電壓約為OmV，并隨時(shí)間的推移，細(xì)菌在陽極表面形成生物膜，電壓緩慢增加。啟動(dòng)5 8d后，電壓增加速度加快，呈指數(shù)式增長，直至生物膜生長穩(wěn)定，接種約7 IOd后，負(fù)載電壓逐漸趨于穩(wěn)定，這表明電池啟動(dòng)成功；第八步、電解池啟動(dòng)成功后，接入電源，調(diào)節(jié)輸入電壓為O. 2 I. 2伏，電解池處于產(chǎn)氫模式。更多的H2在陰極釋放，產(chǎn)生的H2通過陰極側(cè)排氣口收集裝置收集，在陽極側(cè)更多CO2氣體被產(chǎn)生，通過陽極側(cè)氣體收集裝置收集CO2氣體，待基質(zhì)消耗完之后，廢液通過排液口 4排出；結(jié)論通過纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合，使得所收集的H2純度高，可達(dá)到70%以上，減少了后期氣體分離、純化的過程，降低了生產(chǎn)成本。實(shí)施例2 基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法，包括如下步驟第一步、制作雙室微生物電解池包括陽極室、陰極室，中間用離子交換膜隔開；在陰極室頂部設(shè)置有H2氣體收集出口，在陽極室頂部設(shè)置有CO2氣體收集出口，在陰極室和陽極室的底部均設(shè)置有排液口 6和排液口 4，在陰極室和陽極室的上部均設(shè)置有進(jìn)液口 5和進(jìn)料口 3 ；第二步、電解池滅菌處理首先用35%的福爾馬林溶液對電解池進(jìn)行滅菌，并用經(jīng)過高溫滅菌后冷卻的去離子水進(jìn)行清洗，保證陰極室陽極室所加入的單一光合產(chǎn)氫菌或厭氧發(fā)酵細(xì)菌或厭氧發(fā)酵細(xì)菌與光合細(xì)菌的混合菌不被其它細(xì)菌污染，并處于良好的生存環(huán)境，然后充氬氣保證電解池保持密閉厭氧狀態(tài)；第三步、纖維素基質(zhì)預(yù)處理把稻草秸桿剪切成I 2cm小段，洗凈并烘干至恒重，取洗凈烘干的稻草秸桿利用粉碎機(jī)粉碎，利用自動(dòng)振動(dòng)篩過40 120目數(shù)，稱取20 80g無菌稻草秸桿粉末放入IOOOmL的燒杯中，然后加入O. 5 2. 0% NaOH溶液500mL于室溫(300C )下放置24h。處理完成后，用蒸餾水對稻草秸桿進(jìn)行沖洗，直至沖洗后蒸餾水pH值為中性，將沖洗至中性的稻草秸桿基質(zhì)在105°C下烘箱中烘干至恒重，取稻草秸桿粉末在高壓滅菌鍋中于120°C下滅菌lOmin，然后取出待用。纖維素基質(zhì)還可以采用玉米秸桿、麥草秸桿、樹桿等生物質(zhì)。此外，纖維素基質(zhì)的預(yù)處理方法還包括酸預(yù)處理、超聲波預(yù)處理、高溫蒸煮預(yù)處理等;第四步、將預(yù)處理后的纖維素基質(zhì)與酶液按照100 :1混合均勻，并進(jìn)行滅菌處理，將滅菌后的纖維素基質(zhì)與酶液的混合液通過陽極室的進(jìn)料口 3加入電解池的陽極室， 所加入的纖維素基質(zhì)與酶液的混合液占電解池陽極室體積的10%，所述酶液為纖維素酶、β -葡萄糖苷酶、木聚糖酶，按40mg O. 08mL 28mg比例進(jìn)行混合；第五步、將光合細(xì)菌通過陽極室的進(jìn)料口 3加入電解池的陽極室，接種量為20%v/v ；第六步、通過陽極室的進(jìn)料口 3加入組合培養(yǎng)基液體，加入量為所加入基質(zhì)的30%，其中組合培養(yǎng)基的配方為6. Og · L—1 Na2HPO4, 3. Og · L^1KH2PO4jO. 08g · L—1 CO(NH2)2,O. 6g .171 NaCl，O. 22g .171 MgSO4 ·7Η20，14mg .171 CaCl2 ·2Η20 和 IOmg .171 (NH4)6Mo7O24 ·4Η20的溶液；第七步、將濃度為50mM · L—1的鐵氰化鉀溶液通過陰極室的進(jìn)液口 5加入陰極室，并同時(shí)加入pH為4. 8濃度為60mM · Γ1的磷酸鹽緩釋劑，所加入的磷酸鹽緩釋劑與鐵氰化鉀溶液的比例為4 1 ;在陰極室所加入的溶液的體積與陽極室所加的溶液的體積相等；第八步、電解池外接負(fù)載電阻，啟動(dòng)電解池。電解池啟動(dòng)初期為2d，負(fù)載兩端電壓約為OmV，并隨時(shí)間的推移，細(xì)菌在陽極表面形成生物膜，電壓緩慢增加。啟動(dòng)5d后，電壓增加速度加快，呈指數(shù)式增長，直至生物膜生長穩(wěn)定。接種約8d后，負(fù)載電壓逐漸趨于穩(wěn)定，這表明電池啟動(dòng)成功；第九步、電解池啟動(dòng)成功后，接入電源，調(diào)節(jié)輸入電壓為O. 2 I. 2伏，此時(shí)電解池處于產(chǎn)氫模式。在陰極側(cè)的H2出口通過氣體收集裝置收集H2氣體，在陽極側(cè)的CO2氣體出口通過氣體收集裝置收集CO2氣體，待基質(zhì)消耗完后，陽極室和陰極室的廢液分別通過排液口 4和排液口 6排出。結(jié)論所收集的H2純度高，可達(dá)到90%以上，減少了后期氣體分離、純化的過程，降低了生產(chǎn)成本。實(shí)施例3與實(shí)施例2不同的是第四步、將預(yù)處理后的纖維素基質(zhì)與酶液按照100 :0. 8混合均勻，再加入水，纖維素基質(zhì)與加水量的比為I :5 I :8，基質(zhì)呈液態(tài)，并進(jìn)行滅菌處理，將滅菌后的纖維素基質(zhì)與酶液和水的混合液通過陽極室的進(jìn)料口 3加入電解池的陽極室；所加入的纖維素基質(zhì)與酶液和水的混合液占電解池陽極室體積的15% ;所述酶液為纖維素酶、葡萄糖苷酶、木聚糖酶按28mg : O. 06mL 20mg比例進(jìn)行混合所得；
第五步、將厭氧發(fā)酵細(xì)菌通過陽極室的進(jìn)料口 3加入電解池的陽極室，接種量為25% (v/v)；第六步、通過陽極室的進(jìn)料口 3加入組合培養(yǎng)基液體，加入量為所加入基質(zhì)的10%，其中組合培養(yǎng)基的配方為5. 8g · L-1 Na2HPO4, 3. 2g · L1KH2PO4,0. Ig · L1 CO(NH2)2,O. 7g · L-1 NaCl，O. 24g · L-1 MgSO4 · 7H20,16mg · L-1 CaCl2 · 2H20 和 8mg · L-1 ZnSO4 · 7H20 的溶液；第七步、將濃度為45mM -Γ1的亞硫酸鉀溶液，通過陰極室的進(jìn)料口 5加入陰極室，并同時(shí)加入pH為4. 8濃度為60mM Γ1的磷酸鹽緩釋劑，所加入的磷酸鹽緩釋劑與亞硫酸鉀溶液的比例為4 1 ;在陰極室所加入的溶液的體積與陽極室所加的溶液的體積相等即可。實(shí)現(xiàn)纖維素液態(tài)同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合。實(shí)施例4與實(shí)施例2不同的是第四步、將預(yù)處理后的纖維素基質(zhì)與酶液按照100 :0. 8混合均勻，再加入水，纖 維素基質(zhì)與加水量的比為I :1 I :4，混合液呈固態(tài)，將纖維素基質(zhì)與酶液和水的混合液通過陽極室的進(jìn)料口 3加入電解池的陽極室，所加入的纖維素基質(zhì)與酶液和水的混合液的體積為電解池陽極室體積的15%，所述酶液為纖維素酶、葡萄糖苷酶、木聚糖酶按30mg : O. 04mL :22mg比例進(jìn)行混合所得。第七步、將濃度為45mM -Γ1的亞硫酸鉀溶液，通過陰極室的進(jìn)料口 5加入陰極室，將厭氧發(fā)酵細(xì)菌通過陰極室的進(jìn)料口 5加入電解池的陰極室，接種量為15% (v/v)，在陰極室所加入的溶液的體積與陽極室所加的溶液的體積相等；實(shí)現(xiàn)了纖維素固態(tài)同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合。實(shí)施例5與實(shí)施例2的不同之處在于第六步、厭氧發(fā)酵細(xì)菌和光合細(xì)菌的混合菌，按照15% v/v的接種量接種，組合培養(yǎng)基液體一起以速度為100 200mL/min從入料口加入電解池陽極室中。同時(shí)使培養(yǎng)液以相同速度從排液口流出，使電解池內(nèi)的基質(zhì)量維持恒定的發(fā)酵過程。其中組合培養(yǎng)基的配方為6. 2g · I/1 Na2HPO4, 2. 8g · L1 KH2PO4,0. 12g · Γ1 CO(NH2)2，O. 7g · Γ1 NaCl,
0.2g · L-1MgSO4 · 7H20,15mg · L-1 CaCl2 · 2H20 和 12mg · L-1 CoCl2 · 6H20 的溶液；第七步、將濃度為45mM · L—1的亞硫酸鉀溶液和pH為4. 8濃度為50mM · L—1的磷酸鹽緩釋劑，在陰極室進(jìn)料口以速度為100 200mL/min從入料口加入電解池陰極室中；同時(shí)使培養(yǎng)液以相同速度從排液口流出，使電解池內(nèi)的基質(zhì)量維持恒定的發(fā)酵過程；第八步、電解池外接負(fù)載電阻，啟動(dòng)電解池。電解池啟動(dòng)初期為O 4d，負(fù)載兩端電壓約為OmV，并隨時(shí)間的推移，細(xì)菌在陽極表面形成生物膜，電壓緩慢增加。啟動(dòng)5 8d后，電壓增加速度加快，呈指數(shù)式增長，直至生物膜生長穩(wěn)定。接種7 IOd后，負(fù)載電壓逐漸趨于穩(wěn)定，這表明電池啟動(dòng)成功；第九步、電解池啟動(dòng)成功后，接入電源，調(diào)節(jié)輸入電壓為O. 2 I. 2伏，此時(shí)電解池處于產(chǎn)氫模式。在H2氣體收集出口通過氣體收集裝置收集H2氣體，在CO2氣體收集出口通過氣體收集裝置收集CO2氣體。實(shí)現(xiàn)纖維素連續(xù)式同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦
八
口 ο實(shí)施例6與實(shí)施例2的不同之處在于第四步、將預(yù)處理后的纖維素基質(zhì)與酶液按照100 :0. 9混合均勻，并進(jìn)行滅菌處理，所述酶液為纖維素酶、β -葡萄糖苷酶、木聚糖酶按36mg 0. 05mL 24mg比例進(jìn)行混合所得;第五步、將纖維素基質(zhì)與酶液的混合液與厭氧發(fā)酵細(xì)菌按照15% (v/v)的接種量接種；第六步、將接種后的纖維素基質(zhì)與酶液的混合液同組合培養(yǎng)基液體從入料口 3加入電解池陽極室中，組合培養(yǎng)基液體的加入量為所加入基質(zhì)的30 %，其中組合培養(yǎng)基的配方為5. 8g · L-1 Na2HPO4, 3. Ig · L-1 KH2PO4,0. Ig · L-1 CO (NH2)2,0. 6g · L-1 NaCl，O. 24g · L-1MgSO4 · 7H20,16mg · L-1CaCl2 · 2H20 和 IOmg · L-1 CuCl2 · 2H20 的溶液；第七步、將濃度為50mM · Γ1的鐵氰化鉀溶液通過陰極室的進(jìn)料口 5加入陰極室，并同時(shí)加入pH為4. 8濃度為60mM · Γ1的磷酸鹽緩釋劑，所加入的磷酸鹽緩釋劑與鐵氰化鉀溶液的比例為4:1。將光合細(xì)菌通過陰極室的進(jìn)料口 5加入電解池的陰極室，接種量為15% (v/v)，并且，在陰極室所加入的溶液的體積與陽極室所加的溶液的體積相等即可； 第八步、電解池外接負(fù)載電阻，啟動(dòng)電解池。電解池啟動(dòng)初期為2d，負(fù)載兩端電壓約為OmV，并隨時(shí)間的推移，細(xì)菌在陽極表面形成生物膜，電壓緩慢增加。啟動(dòng)5d后，電壓增加速度加快，呈指數(shù)式增長，直至生物膜生長穩(wěn)定。接種約7d后，負(fù)載電壓逐漸趨于穩(wěn)定，這表明電池啟動(dòng)成功；第九步、電解池啟動(dòng)成功后，接入電源，調(diào)節(jié)輸入電壓為O. 2 I. 2伏，此時(shí)電解池處于產(chǎn)氫模式。在陰極側(cè)的H2出口通過氣體收集裝置收集H2氣體，在陽極側(cè)的CO2氣體出口通過氣體收集裝置收集CO2氣體。待基質(zhì)消耗完后，陽極室和陰極室的廢液分別通過排液口 4和排液口 6排出。重新補(bǔ)上新鮮的基質(zhì)和培養(yǎng)基等物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)在微生物電解池體系纖維素序批式同步酶解發(fā)酵產(chǎn)氫。結(jié)論通過纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合，使得所收集的H2純度高，可達(dá)到90%以上，減少了后期氣體分離、純化的過程，降低了生產(chǎn)成本。
權(quán)利要求
1.基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法，其特征在于，包括如下步驟 A.將未預(yù)處理或預(yù)處理后的纖維素基質(zhì)與組合酶液按照100: (O. 5 I)混合均勻，并將之加入滅菌處理后的電解池內(nèi)，加入量為電解池體積的10% 20% ; B.將厭氧發(fā)酵細(xì)菌、光合細(xì)菌或二者的混合菌加入電解池，接種量為5% 35%(v/V); C.在電解池中加入組合培養(yǎng)基液體，加入量為所加入基質(zhì)的10% 35%； D.電解池外接電阻，啟動(dòng)電解池，電解池啟動(dòng)成功后，接入外部電源，調(diào)節(jié)輸入電壓為O.2 I. 2伏，電解池處于產(chǎn)氫模式；在H2氣體收集出口通過氣體收集裝置收集H2氣體，在CO2氣體收集出口通過氣體收集裝置收集CO2氣體，待基質(zhì)消耗完之后，廢液通過排液口 4排出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法，其特征在于當(dāng)微生物電解池采用雙室微生物電解池時(shí)，步驟A、B、C所加物質(zhì)為加入電解池的陽極室中，并且在步驟D前還進(jìn)行如下步驟 將濃度為20 60mM 的鐵氰化鉀溶液或者濃度為20 60mM -T1的亞硫酸鉀溶液加入電解池的陰極室中，且在陰極室所加入溶液的體積與陽極室所加的溶液的體積相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法，其特征在于當(dāng)微生物電解池采用雙室微生物電解池時(shí)，在電解池陰極室還同時(shí)加入?yún)捬醢l(fā)酵細(xì)菌與光合細(xì)菌的混合菌或單一光合細(xì)菌或厭氧發(fā)酵細(xì)菌，接種量為5% 35% (v/V)，且在陰極室所加入溶液的體積與陽極室所加的溶液的體積相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法，其特征在于當(dāng)微生物電解池采用雙室微生物電解池時(shí)，在陰極室中還加入PH為4. 8、濃度為40 SOmM · L-1的磷酸鹽緩釋劑，所加入的磷酸鹽緩釋劑與鐵氰化鉀溶液或亞硫酸鉀溶液的比例為4 1 ;且在陰極室所加入溶液的體積與陽極室所加的溶液的體積相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法，其特征在于所述組合酶液為纖維素酶、β -葡萄糖苷酶、木聚糖酶，按22 40mg O. 02 O. 08mL :10 28mg比例進(jìn)行混合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法，其組合培養(yǎng)基的配方為:5· 8 6. 2g .[1Na2HPO4, 2. 8 3. 2g .171 KH2PO4,0. 08 O. 12g .171CO (NH2) 2，O. 5 O. 7g · L-1NaCl，O. 2 O. 24g · L-1 MgSO4 · 7H20,14 16mg · L-1 CaCl2 · 2H20和6 12mg · L—1微量元素溶液,其中微量元素為Mo、Fe、Zn、Co或Cu。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于纖維素同步酶解發(fā)酵與微生物電解池產(chǎn)氫的耦合方法，其特征在于，包括如下步驟A.將未預(yù)處理或預(yù)處理后的纖維素基質(zhì)與組合酶液按照100(0.5～1)混合均勻，并將之加入到滅菌處理后的電解池內(nèi)，加入量為電解池體積的10％～20％；B.將厭氧發(fā)酵細(xì)菌或光合細(xì)菌或二者的混合菌加入電解池，接種量為5％～35％(v/v)；C.在電解池中加入組合培養(yǎng)基液體，加入量為所加入基質(zhì)的10％～35％；D.電解池外接電阻，啟動(dòng)電解池，電解池啟動(dòng)成功后，接入外部電源，調(diào)節(jié)輸入電壓為0.2～1.2伏，電解池處于產(chǎn)氫模式。
文檔編號C12P19/14GK102876724SQ20121036999
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者王永忠, 胥騰飛, 陳蓉, 朱恂, 廖強(qiáng), 李俊, 葉丁丁 申請人:重慶大學(xué)