一種利用碳酸鈣強化甘蔗渣發(fā)酵產(chǎn)氫的方法及應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于微生物發(fā)酵技術領域，特別涉及一種利用碳酸鈣強化甘蔗渣發(fā)酵產(chǎn)氫的方法及應用。
【背景技術】
[0002]隨著化石燃料的短缺及其引發(fā)的環(huán)境污染問題愈發(fā)嚴重，尋求可再生清潔能源已迫在眉睫。目前生物質能源的研宄已經(jīng)受到世界各國的廣泛關注。氫氣作為生物質能的代表，具有清潔、高效、可再生的特點，是未來理想的“綠色能源”之一。目前生物質能的生產(chǎn)原料仍以糧食作物為主，因此受到很大爭議。利用木質纖維素原料生產(chǎn)生物質能符合“不與人爭糧、不與糧爭地”的原則。我國是農(nóng)業(yè)大國，甘蔗渣是南方具有代表性的木質纖維素原料，研宄甘蔗渣的綜合利用具有重要意義。
[0003]目前，傳統(tǒng)制氫技術主要包括電解水制氫和采用化石燃料制氫兩種途徑。而在傳統(tǒng)制氫技術中需要消耗大量電能和天然的碳氫化合物(煤、石油和天然氣等不可再生資源)，難以擺脫對化石燃料的依賴。同時傳統(tǒng)制氫技術對生產(chǎn)設備和工藝條件要求苛刻，成本高昂。利用微生物自身所具有的代謝產(chǎn)氫特性來制取氫氣的方法具有反應條件溫和、過程清潔和不消耗礦物資源等優(yōu)勢。但是，木質纖維素由于其特殊結構，能直接有效分解其的微生物不多。因此，亟需一種能夠利用微生物發(fā)酵工業(yè)廢棄物一一甘蔗渣制取氫氣的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的首要目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種利用碳酸鈣強化甘鹿澄發(fā)酵產(chǎn)氫的方法。該方法以甘鹿澄為原料，通過在嗜熱厭氧梭菌(Clostridiumthermocellum)厭氧發(fā)酵過程中添加少量碳酸鈣顯著提高發(fā)酵產(chǎn)氫量。該發(fā)酵過程原料成本低、氫氣產(chǎn)量高，并且將氫能源生產(chǎn)和工業(yè)廢棄物利用相結合，在一定程度上解決了甘蔗制糖工業(yè)的環(huán)境污染問題。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供所述利用碳酸鈣強化甘蔗渣發(fā)酵產(chǎn)氫的方法的應用。
[0006]本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現(xiàn):一種利用碳酸鈣強化甘蔗渣發(fā)酵產(chǎn)氫的方法，包括如下步驟:在基礎發(fā)酵培養(yǎng)基中加入碳酸鈣，得到最終發(fā)酵培養(yǎng)基；再接種嗜熱厭氧梭菌(Clostridium thermocellum)進行厭氧發(fā)酵，得到氫氣。
[0007]所述的基礎發(fā)酵培養(yǎng)基的組成為:A液、B液、C液、D液和E液按體積比39:2:2:1:1混合得到；
[0008]A液中含有20g/L的甘蔗渣，甘蔗渣作為碳源；B液中含有檸檬酸鉀50g/L、一水檸檬酸31.25g/L、硫酸鈉25g/L、磷酸二氫鉀25g/L和碳酸氫鈉62.5g/L ；C液中含有氯化銨75g/L、尿素250g/L和酵母抽提物50g/L ；D液中含有六水氯化鎂50g/L、氯化亞鐵四水合物5g/L、二水氯化鈣10g/L和L-半胱氨酸鹽酸鹽一水物50g/L ；E液中含有二鹽酸吡哆胺Ig/L、對氨基苯甲酸0.2g/L、D-生物素0.lg/L、維生素B120.lg/L和維生素B10.2g/L。A液、B液、C液、D液和E液中的溶劑為去離子水。
[0009]所述的碳酸鈣的用量優(yōu)選為其在最終發(fā)酵培養(yǎng)基中的濃度為10?10mM計算。
[0010]所述的嗜熱厭氧梭菌為能夠直接降解纖維素的嗜熱厭氧梭菌，優(yōu)選為嗜熱厭氧梭菌 ATCC 27405。
[0011]所述的嗜熱厭氧梭菌為處于對數(shù)生長期的嗜熱厭氧梭菌，接種體積量優(yōu)選為相當于最終發(fā)酵培養(yǎng)基體積的10%。
[0012]所述處于對數(shù)生長期的嗜熱厭氧梭菌通過如下步驟制備得到:將嗜熱厭氧梭菌(Clostridium thermocellum)在種子液培養(yǎng)基中經(jīng)活化和擴大培養(yǎng)，得到處于對數(shù)生長期的嗜熱厭氧梭菌。
[0013]所述的種子液培養(yǎng)基采用本領域常用的MTC培養(yǎng)基，以纖維素作為碳源。
[0014]所述的MTC培養(yǎng)基的組成如下:A’液、B液、C液、D液和E液按體積比39:2:2:1:1混合得到；
[0015]A’液中含有3g/L的纖維素，纖維素作為碳源液中含有檸檬酸鉀50g/L、一水檸檬酸31.25g/L、硫酸鈉25g/L、磷酸二氫鉀25g/L和碳酸氫鈉62.5g/L ；C液中含有氯化銨75g/L、尿素250g/L和酵母抽提物50g/L ；D液中含有六水氯化鎂50g/L、氯化亞鐵四水合物5g/L、二水氯化鈣10g/L和L-半胱氨酸鹽酸鹽一水物50g/L ；E液中含有二鹽酸吡哆胺Ig/L、對氨基苯甲酸0.2g/L、D-生物素0.lg/L、維生素B120.lg/L和維生素B10.2g/L。A’液、B液、C液、D液和E液中的溶劑為去離子水。
[0016]所述的活化的條件優(yōu)選為:在1mL西林瓶中加入種子液培養(yǎng)基，再接種嗜熱厭氧梭菌，于55?60 °C搖床培養(yǎng)48?72h。
[0017]所述的擴大培養(yǎng)的條件優(yōu)選為:在10mL血清瓶中加入種子液培養(yǎng)基，再接種經(jīng)活化后的嗜熱厭氧梭菌，于55?60°C搖床培養(yǎng)48?72h或OD6tltl= 1.1?1.5。
[0018]所述的厭氧發(fā)酵的條件優(yōu)選為:55?60°C搖床上厭氧發(fā)酵6?8天。
[0019]所述的搖床的轉速為150?180rpm ;優(yōu)選為150rpm。
[0020]所述的厭氧發(fā)酵優(yōu)選通過如下操作步驟實現(xiàn):在能密封的發(fā)酵容器中加入最終發(fā)酵培養(yǎng)基，密封，抽真空，充惰性氣體，滅菌，再接種嗜熱厭氧梭菌進行厭氧發(fā)酵。
[0021]所述的能密封的發(fā)酵容器優(yōu)選為血清瓶。
[0022]所述的最終發(fā)酵培養(yǎng)基往所述能密封的發(fā)酵容器中的加入體積量優(yōu)選為相當于所述能密封的發(fā)酵容器體積的3/8。
[0023]所述的惰性氣體優(yōu)選為氮氣。
[0024]所述的充惰性氣體的具體操作優(yōu)選為:充0.04MPa氮氣3次。
[0025]所述的滅菌的條件優(yōu)選為:115°C滅菌20min。
[0026]所述利用碳酸鈣強化甘蔗渣發(fā)酵產(chǎn)氫的方法在制備氫氣中進行應用。
[0027]本發(fā)明的機理為:
[0028]本發(fā)明中的甘蔗渣是甘蔗制糖工業(yè)中的廢棄物，經(jīng)3% NaOH按液固比25:1，80°C預處理3h后，綜纖維素(纖維素及半纖維素)含量高達74.82wt%，具有較大的比表面積，有利于嗜熱厭氧微生物直接降解和利用，進行氫氣發(fā)酵，但底物利用率和產(chǎn)氫量較低，添加少量碳酸鈣可大幅提高產(chǎn)氫量。該工藝以低品位生物質甘蔗渣為原料結合廉價易得的碳酸鈣進行生物制氫，不僅很大程度上節(jié)省了原材料的費用，而且極大程度上提高了產(chǎn)氫量，具有經(jīng)濟可行性的特點，而且該工藝將氫能源生產(chǎn)與廢棄物利用相結合，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ沫h(huán)境友好型制氫方法。
[0029]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術具有如下優(yōu)點及有益效果:
[0030](I)本發(fā)明發(fā)酵所用的原料是甘蔗制糖工業(yè)中的廢棄物一一甘蔗渣，經(jīng)預處理后，綜纖維素(纖維素及半纖維素)含量高達74.82wt%，具有較大的比表面積，有利于嗜熱厭氧微生物直接降解產(chǎn)氫。
[0031](2)通過嗜熱厭氧菌介導的集成生物工藝(CBP工藝)進行氫氣生產(chǎn)，與傳統(tǒng)的SHF、SSF等途徑相比具有成本低、操作簡單、投入產(chǎn)出比高等顯著優(yōu)點，具有廉價高效的優(yōu)勢。
[0032](3)廉價易得的低濃度碳酸鈣的加入可顯著提高甘蔗渣發(fā)酵產(chǎn)氫量。
【具體實施方式】
[0033]下面結合實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0034]實施例1:利用碳酸鈣強化甘蔗渣發(fā)酵產(chǎn)氫的方法
[0035](I)嗜熱厭氧梭菌(ATCC 27405)種子液的制備:將-80°C保存的嗜熱厭氧梭菌(Clostridium thermocellum)經(jīng) 1mL 西林瓶 55°C搖床(150rpm)活化 72h，接著 10mL 血清瓶55°C搖床(150rpm)條件下放大培養(yǎng)72h，制得OD6c?約為1.3的種子液。其中活化和放大的培養(yǎng)基采用MTC培養(yǎng)基，培養(yǎng)基主要成份為A’、B、C、D、E液，5種成份按39:2:2:1:1 (v/v)用無菌注射器混合，溶劑為去離子水。A’液為3g/L的纖維素；B液:檸檬酸鉀50g/L、一水檸檬酸31.25g/L、硫酸鈉25g/L、磷酸二氫鉀25g/L、碳酸氫鈉62.5g/L ;(:液:氯化銨75g/L、尿素250g/L、酵母抽提物50g/L ；D液:六水氯化鎂50g/L、氯化亞鐵四水合物5g/L、二水氯化媽10g/L、L-半胱氨酸鹽酸一水物50g/L出液:二鹽酸R比唆胺lg/L、對氨基苯甲酸0.2g/L、D-生物素 0.lg/L、維生素 B120.lg/L、維生素 B10.2g/L。
[0036](2)發(fā)酵培養(yǎng)基的制備:發(fā)酵培養(yǎng)基與MTC培養(yǎng)基的區(qū)別在于:發(fā)酵培養(yǎng)基的A液使用20g/L的甘蔗渣為碳源替代MTC培養(yǎng)基A’液中的3g/L纖維素，同時在A液中添加1mM碳酸鈣，其他成份及用量配比同MTC培養(yǎng)基；將裝有發(fā)酵培養(yǎng)基的血清瓶(120mL血清瓶裝有45mL發(fā)酵培養(yǎng)基，下同)用丁基橡膠塞和鋁蓋密封并重復抽真空和充0.04MPa的氮氣3次，最后在115°C下滅菌20min。
[0037](3)甘蔗渣發(fā)酵產(chǎn)氫:將制備好的種子液以10% (v/v)的接種量注射到上述含1mM碳酸鈣的發(fā)酵培養(yǎng)基中，嗜熱厭氧發(fā)酵，發(fā)酵溫度為55°C，搖床轉速為150rpm，發(fā)酵168h后終止。通過氣相色譜儀檢測到氫氣產(chǎn)量為75.84mmol/Lo
[0038]實施例2:利用碳酸鈣