一種利用纖維素作為原料制取氫氣的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物質(zhì)能源生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種利用纖維素作為原料制取氨 氣的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氨能是理想的清潔能源之一，已經(jīng)引起人們的廣泛重視。生物制氨利用微生物催 化脫氨、在代謝過程中產(chǎn)生氨分子的生理機(jī)制，通過W有機(jī)物作為基質(zhì)的發(fā)酵過程制取氨 氣。由于整個(gè)過程無需W礦物資源為原料，環(huán)境污染低且生態(tài)效應(yīng)高，目前對(duì)生物制氨的研 究已經(jīng)成為熱點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)方法原料成本高且產(chǎn)氨率低，使得生物制氨發(fā)展和應(yīng)用受到制 約。相比之下，纖維素類生物質(zhì)主要包括農(nóng)作物賴桿和野生的草本及木本植物，是地球上分 布最廣且最廉價(jià)的可再生資源之一，非常適合作為制備可再生能源的原料。目前，全國賴桿 的理論資源量約為8. 4億噸，可收集資源量約為7億噸，
[0003] W纖維素類生物質(zhì)作為原料，利用微生物發(fā)酵制取氨氣的方法可概括為：首先對(duì) 纖維素類生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，使得纖維素水解成還原糖；隨后通過微生物發(fā)酵將還原糖轉(zhuǎn) 化成氨氣。
[0004] 由于在纖維素類生物質(zhì)中，半纖維素和木質(zhì)素通過共價(jià)鍵形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將纖維 素包裹其中，在處理中纖維素很難與所加入的纖維素酶接觸。如果在預(yù)處理時(shí)直接用纖維 素酶進(jìn)行水解，還原糖的產(chǎn)率一般低于20%。因此，為提高底物的轉(zhuǎn)化率，在預(yù)處理步驟中， 通常先使用物理法和/或化學(xué)法破壞纖維素類生物質(zhì)的天然結(jié)構(gòu)，再使用纖維素酶將其水 解；或者，采用微生物處理酶解的方法，利用纖維素分解菌直接將纖維素轉(zhuǎn)化為還原糖。預(yù) 處理中使用的物理法例如通過機(jī)械粉碎或蒸汽爆破的方法破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，使得在 后續(xù)水解時(shí)與纖維素酶的接觸面積增大。預(yù)處理中使用的物理一化學(xué)法例如將蒸汽爆破或 機(jī)械粉碎與化學(xué)藥劑處理相結(jié)合。預(yù)處理中使用化學(xué)法主要為稀酸處理法和堿處理法（非 專利文獻(xiàn)1)。例如，CN102101647A公開了一種從纖維素制取氨氣的方法，該過程首先利用 外加的水溶化onsted酸、水溶Lewis酸、固體酸或水自身可逆電離產(chǎn)生的H+對(duì)纖維素進(jìn)行 水解，然后水解產(chǎn)物再進(jìn)行水熱重整制氨。非專利文獻(xiàn)2利用微波爐進(jìn)行微波輔助堿處理， 隨后用臺(tái)式電爐封閉加熱，從而將纖維素水解為還原糖。預(yù)處理中采用的微生物處理酶解 法例如：將白腐真菌接種于木質(zhì)纖維素液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)，經(jīng)水洗、烘干后得預(yù)處理后纖維 素，然后將產(chǎn)氨菌營養(yǎng)鹽溶液與綠色木霉粗酶液混合，加入預(yù)處理后的纖維素，得同步糖化 發(fā)酵產(chǎn)氨培養(yǎng)基（CN 102321671A) 及利用天然綠色木霉代替商業(yè)纖維素酶對(duì)纖維素進(jìn) 行處理（CN 102286538A)。上述纖維素預(yù)處理工藝均存在工藝時(shí)間長、還原糖得率低的缺 點(diǎn)。 陽〇化]而對(duì)于通過微生物發(fā)酵將還原糖轉(zhuǎn)化成氨氣的過程，傳統(tǒng)的暗發(fā)酵產(chǎn)氨的主要瓶 頸問題是產(chǎn)氨率低和能源轉(zhuǎn)化效率低，且發(fā)酵殘余液中含有大量有機(jī)酸和醇類等副產(chǎn)物， 既浪費(fèi)了能量又污染了環(huán)境。例如，CN 102286538A使用的暗發(fā)酵發(fā)酵方式理論產(chǎn)氨率最 高只有4mol/mol。可見，僅僅使用暗發(fā)酵一種發(fā)酵方式，產(chǎn)氨效率不可能獲得突破性提高。 而非專利文獻(xiàn)2雖然提出采用微波輔助，然而，該文獻(xiàn)利用微波爐作為加熱儀器，原料預(yù)處 理容器處于敞口狀態(tài)，不宜結(jié)合酸溶液進(jìn)行預(yù)處理。普通酸溶液在加熱和高溫狀態(tài)下易揮 發(fā)，不但會(huì)造成原料損失，消耗更多酸溶液，增加預(yù)處理的成本，而且會(huì)降低酸溶液濃度，增 加預(yù)處理的難度，降低預(yù)處理效率。此外，如果該預(yù)處理設(shè)備長期運(yùn)行，揮發(fā)的酸性氣體會(huì) 對(duì)儀器造成損壞，降低儀器使用壽命。由于微波爐不能形成密閉環(huán)境產(chǎn)生恒定高溫高壓的 預(yù)處理?xiàng)l件，在該文獻(xiàn)中，還原糖得率最高不超過3% (圖1)。此外，由于微波爐的溫度和 壓力均難W控制，不利于技術(shù)的推廣和應(yīng)用。特別地，該文獻(xiàn)中，在纖維素類生物質(zhì)產(chǎn)氨底 物中添加了 6g葡萄糖后，與6g純葡萄糖作為產(chǎn)氨底物相比產(chǎn)氨量并無明顯增加，運(yùn)表明該 文獻(xiàn)微波預(yù)處理后的纖維素類生物質(zhì)，并不能被光合細(xì)菌產(chǎn)氨有效利用進(jìn)行產(chǎn)氨。雖然現(xiàn) 有技術(shù)中也有采用暗發(fā)酵與光發(fā)酵結(jié)合的兩步產(chǎn)氨，然而，大部分均是針對(duì)結(jié)構(gòu)簡單的小 分子糖類（如葡萄糖、薦糖等）和容易利用的淀粉類生物質(zhì)進(jìn)行研究，缺乏對(duì)纖維素類生物 質(zhì)的高效預(yù)處理方法和產(chǎn)氨工藝的研究。
[0006] 可見，如何將生物制氨的理念實(shí)用化，開發(fā)穩(wěn)健且產(chǎn)氨率、產(chǎn)氨速率、底物利用率 和能量轉(zhuǎn)化效率高的方法，仍是亟待解決的技術(shù)問題。
[0007] [非專利文獻(xiàn)1]木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化氨氣技術(shù)及前景，《太陽能學(xué)報(bào)》，第28卷第 1期，2007年1月。
[0008] [非專利文獻(xiàn)2]微波環(huán)境下的玉米賴桿堿處理技術(shù)，《浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)》，2012年第 6期。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種利用纖維素類生物質(zhì)制取氨氣的方法， 所述方法包含如下步驟：
[0010] (1)微波酸消解：對(duì)纖維素類生物質(zhì)進(jìn)行烘干粉碎，隨后加入稀酸溶液，在微波加 熱消解儀中進(jìn)行微波加熱輔助酸消解；
[0011] (2)酶水解：利用纖維素酶對(duì)經(jīng)步驟（1)消解后的纖維素進(jìn)行水解，獲得含有可發(fā) 酵的還原糖的水解后纖維素；
[0012] (3)暗發(fā)酵產(chǎn)氨：在暗發(fā)酵反應(yīng)器中加入步驟（2)獲得的溶液，接入暗發(fā)酵產(chǎn)氨菌 種和暗發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行暗發(fā)酵，將氣相產(chǎn)物（主要為H2、C02)導(dǎo)出；
[0013] (4)光發(fā)酵產(chǎn)氨：將步驟（3)得到的暗發(fā)酵尾液沉淀、離屯、后，作為光發(fā)酵產(chǎn)氨的 底物，接入光發(fā)酵產(chǎn)氨菌種和光發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行光發(fā)酵，將氣相產(chǎn)物（主要為H2、C02)導(dǎo) 出；
[0014] (5)純化：將步驟（3)和步驟（4)的氣相產(chǎn)物合并，并對(duì)&進(jìn)行純化。
[0015] 具體而言，本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0016] 1. 一種利用纖維素類生物質(zhì)制取氨氣的方法，所述方法包含如下步驟：
[0017] (1)微波酸消解：對(duì)纖維素類生物質(zhì)進(jìn)行烘干粉碎，隨后加入稀酸溶液，在微波加 熱消解儀中進(jìn)行微波加熱輔助酸消解；
[0018] (2)酶水解：利用纖維素酶對(duì)經(jīng)步驟（1)消解后的纖維素進(jìn)行水解，獲得含有可發(fā) 酵的還原糖的水解后纖維素；
[0019] (3)暗發(fā)酵產(chǎn)氨：在暗發(fā)酵反應(yīng)器中加入步驟（2)獲得的溶液，接入暗發(fā)酵產(chǎn)氨菌 種和暗發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行暗發(fā)酵，將氣相產(chǎn)物導(dǎo)出；
[0020] (4)光發(fā)酵產(chǎn)氨：將步驟做得到的暗發(fā)酵尾液沉淀、離屯、后，作為光發(fā)酵產(chǎn)氨的 底物，接入光發(fā)酵產(chǎn)氨菌種和光發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行光發(fā)酵，將氣相產(chǎn)物導(dǎo)出；
[0021] (5)純化：將步驟（3)和步驟（4)的氣相產(chǎn)物合并，并對(duì)&進(jìn)行純化。
[0022] 2.如段落1所述的方法，其中，所述纖維素類生物質(zhì)選自于農(nóng)作物、野生草本植物 的賴桿或富含纖維素的工業(yè)廢棄物。
[0023] 3.如段落2所述的方法，其中，所述農(nóng)作物的賴桿為玉米、小麥、水稻或甘薦的賴 桿，所述富含纖維素的工業(yè)廢棄物為玉米忍、甘薦渣、水葫蘆。
[0024] 4.如段落1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟（1)中，所述烘干粉碎后，纖維素類 生物質(zhì)的粒徑為《1mm。
[00對(duì) 5.如段落1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟（1)中，所述稀酸溶液是：濃度為 0.1 wt% -5. Owt%的鹽酸、硫酸、硝酸、憐酸、砸酸、高氯酸、氣化氨、漠化氯或艦化氨中的一 種或多種。
[00%] 6.如段落1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟（1)中，烘干粉碎后的纖維素類生 物質(zhì)的干重與稀酸溶液的質(zhì)量比為1:100~10:100。
[0027] 7.如段落1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟（1)中，所述微波加熱輔助酸消解 在100~150°C的溫度、0. 2~0. SMPa的壓力下進(jìn)行5~30分鐘。
[00測(cè) 8.如段落1-7中任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟（1)中，將所述烘干粉碎后的纖維 素類生物質(zhì)與稀酸溶液混合后立即進(jìn)行所述微波加壓加熱輔助酸消解。
[0029] 9.如段落1-8中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在進(jìn)行步驟（1)的微波酸消解后，將獲 得的消解液的抑調(diào)整至4. 0~5. 0。
[0030] 10.如段落1-9中任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟似中，所加入的纖維素酶與纖維 素類生物質(zhì)的干重的質(zhì)量比為0. 5:100. 0~5. 0:100. 0。
[0031] 11.如段落1-10中任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟（2)中，酶水解的溫度為35~ 45°C，酶水解的時(shí)間為48~96小時(shí)。
[0032] 12.如段落1-11中任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟（3)中，所述的暗發(fā)酵產(chǎn)氨菌種 為選自于由下酸梭菌、產(chǎn)氣腸桿菌、陰溝腸桿菌、己氏梭菌、嗜熱芽抱桿菌、熱纖維梭菌所組 成的組中的一種或幾種。
[0033] 13.如段落1-12中任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟（3)中所述的暗發(fā)酵培養(yǎng)基的 組成為：4g/L 蛋白腺、0. 5g/L k 半脫氨酸、4g/L 化C1、0.1 g/L MgCl2、〇. Ig/L 化Cl2、l. 5g/ L K2HPO4、10血維生素液、W及10血微量元素液；其中，所述維生素液的成分為：0. 025g/ L抗壞血酸、0. 02g/L巧樣酸、0.0 lg/L葉酸、W及0.0 lg/L對(duì)氨基苯甲酸；所述微量元素 液的成分為：〇. Olg/L MnCl2、〇. 05g/L aiCl2、〇. Olg/L &8〇3、0.0 lg/LCaClzW及 0.0 lg/L A 化(S〇4)2。
[0034] 14.如段落1-13中任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟（3)中，所述暗發(fā)酵產(chǎn)氨菌種的 接種量為：菌種的種子培養(yǎng)液占整個(gè)發(fā)酵體積的10% (v/v)，并且所述種子培養(yǎng)液中所述 菌種種子的濃度不低于2. Og/L。
[0035] 15.如段落1-14中任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟（3)中，所述暗發(fā)酵的發(fā)酵溶液 溫度為30°C~37°C。
[0036] 16.如段落1-1