CN101173303B - 利用固定化细胞进行汽爆秸秆酶解耦合发酵制氢的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用固定化细胞进行汽爆秸秆酶解耦合发酵制取氢气的方法，该方法将汽爆秸秆和丁酸梭菌微生物分别置于不同的反应器中，使两者能够同时在各自最适的温度下进行；利用丁酸梭菌固定化细胞使菌体停留在发酵相，发酵液不断被泵入进入酶解相，将酶解产生的糖洗脱下来，并不断循环回到发酵罐中，使微生物保持在高活性状态，提高了反应效率，氢气产率高。
Description
技术领域
本发明属于发酵工艺技术领域，主要涉及利用固定化细胞进行汽爆秸秆酶解耦合发酵制氢的方法
背景技术
氢气是一种清洁、高效的能源，是化石燃料良好的替代品。常规的制氢方法，如电解水法和化石原料热裂解法(Adnan M.Int J Hydrogen Energy，2001：26：29-27；Ayhan D.Energy Sources，2002：24：59-68.)，存在着能耗高，产物成分复杂，分离成本高等缺点，不能从根本上解决能源和环境问题。以可再生的生物质资源为原料，依靠微生物发酵的生物制氢日益成为研究的方向和热点。
秸秆是一类来源非常丰富，价格极为低廉的可再生性资源，经汽爆处理后，秸秆中的部分半纤维素发生降解，纤维素的致密结构被破坏，易于降解而成能够被微生物所利用的小分子糖类。在以汽爆秸秆为底物的微生物发酵过程中，添加纤维素酶使底物中的纤维素和半纤维素降解以产生微生物能够利用的小分子可溶性糖，是提高汽爆秸秆原料利用率的关键。
丁酸梭菌(Clostridium butyricum)能够利用包括葡萄糖、木糖、纤维二糖等多种糖类在内的大部分木质纤维素水解物，是以秸秆为原料进行发酵产氢的理想菌种(Hawkes FR.Int J Hydrogen Energy2002，27：339-1347.)。常用的利用汽爆秸秆发酵制氢的方式是同步糖化发酵，即将纤维素酶和菌种同时加入以汽爆秸秆为主要原料配制的培养基中，边酶解边发酵(陈洪章，李佐虎。使用汽爆植物秸秆发酵制备氢气的方法。国家发明专利，CN1500879A)。但是，由于纤维素酶解的最适温度为50℃，而以C.butyricum为产氢菌时，发酵罐的温度须保持在C.butyricum的最适生长温度35℃，两者之间的最适温差有15℃，导致纤维素酶的活性难以正常发挥，发酵效率难以提高。因此，有必要探索新的发酵方式以解决这一矛盾。
发明内容
本发明的目的是针对以汽爆秸秆为原料进行同步糖化发酵制氢的过程中，纤维素酶解的最适温度和微生物发酵的最适温度不一致的问题，提供一种使酶解和发酵分别在不同的反应器中，在各自最适的温度下同时进行的新方法。
本发明利用海藻酸钠为固定化材料制取固定化细胞，汽爆秸秆原料置于酶解罐中，温度保持在50℃；固定化细胞置于发酵罐中，温度保持在35℃。利用循环泵将发酵液在两个罐之间循环，酶解产生的糖不断被洗脱下来，随着循环液体进入发酵罐中，补充被微生物消耗的糖。在同步糖化发酵中，纤维素酶和微生物都保持在较高的活性状态，从而提高氢气产率和底物转化率。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的利用固定化细胞进行汽爆秸秆酶解耦合发酵制取氢气的方法，其步骤如下：
(1)制备丁酸梭菌固定化细胞
将处于对数生长期的丁酸梭菌(C.butylicum AS1.209)种子液与质量百分比浓度为2～5％海藻酸钠溶液混合，得丁酸梭菌种子液海藻酸钠混合液；所述丁酸梭菌种子液与海藻酸钠溶液混合的体积比为1:3～6；
用无菌注射器吸取丁酸梭菌种子液海藻酸钠混合液，推动注射器，将混合液滴入浓度为0.05mol/l的无菌CaCl2溶液中，保持30分钟，制取丁酸梭菌固定化细胞；所述混合液与无菌CaCl2溶液的体积比为1：3～6；
(2)在制取固定化细胞的同时，将汽爆秸秆料置于在酶解罐中，在50℃下静置制备酶解液；
所述酶解液的制备如下：将汽爆秸秆料置于酶解罐中，加入纤维素酶和用硫酸调节pH4.8的水溶液，50℃下酶解得酶解液；每克汽爆秸秆料加25IU纤维素酶；每升所述水溶液含尿素或酵母抽提物2g，KH2PO40.51g和MgSO40.31g；所述汽爆秸秆重量与水溶液体积的固液比是1：8～12(w/v)；
(3)酶解耦合发酵制取氢气
固定化细胞制取好以后，开启安装在酶解罐与发酵罐之间的连接管路上的循环泵把一部分酶解液泵入发酵罐，待固定化细胞被浸没后，关闭循环泵停止循环，迅速向发酵罐通入氮气除氧，于35℃下进行固定化细胞预培养；
待细胞预培养6～12小时后，再次开启循环泵源源不断地将酶解液泵入发酵罐中，同时发酵罐中的发酵液不断被循环泵回酶解罐中，进行酶解耦合发酵制得氢气；发酵罐中发酵产生的氢气从发酵罐顶端排出，用排水集气法收集所制得的氢气。
所述的固定化细胞预培养是利用酶解产生的糖液进行的。
所述固定化细胞预培养6～12小时后，再开启循环泵将酶解液泵入发酵罐中的速度为10～20ml/min。
所述的汽爆秸秆料为汽爆玉米秸秆料、汽爆高梁秸秆料或汽爆小麦秸秆料。
在上述步骤(2)和(3)中还包括反应器和管道的灭菌过程。
在上述步骤(3)中，发酵所用菌种丁酸梭菌购自中国微生物保藏管理委员会普通微生物保藏中心，其保藏号为CGMCC AS1.209。
所述的秸秆为小麦秸秆，玉米秸秆，稻草或高粱秸秆。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明的方法，酶解罐的温度保持在50℃，发酵罐的温度保持在35℃，从而使汽爆秸秆酶解和微生物发酵分别在各自最适的温度条件下进行；
2、本发明的方法，发酵罐中的发酵液不断地被循环进入酶解罐中，使酶解产生的糖能够不断进入水溶液中，同时，水溶液不断循环回流进入发酵罐中；一方面解除了纤维素酶解产生的糖所造成的产物抑制，另一方面，发酵液中不断的补充营养成分，使微生物细胞能够保持在高活性的状态；
3、本发明的方法，微生物以固定化细胞的形式停留在发酵罐中，避免了随糖液循环进入酶解罐中而失去活性；固定化细胞作为生物催化剂，能反复活化使用和连续运转，与游离细胞相比，固定化细胞对杂菌的污染和代谢产物的抑制作用有更高的抵抗性，发酵产物易于与菌体分离。
图1显示以汽爆玉米秸秆为底物利用丁酸梭菌固定化细胞进行汽爆秸秆酶解耦合发酵制氢与在单一发酵罐中进行同步糖化发酵的实验结果对比，由图1可知，采用固定化细胞进行汽爆秸秆酶解耦合发酵制氢，由于固定化细胞有一个预培养过程，发酵延迟期较长，但总产氢量显著提高。
附图说明
图1显示以汽爆玉米秸秆为底物利用丁酸梭菌固定化细胞进行汽爆秸秆酶解耦合发酵制氢与在单一发酵罐中进行同步糖化发酵的实验结果对比示意图。
图2显示以汽爆玉米秸秆为底物利用丁酸梭菌固定化细胞进行汽爆秸秆酶解耦合发酵制氢的装置简图。
具体实施方式
图2为显示以汽爆玉米秸秆为底物利用丁酸梭菌固定化细胞进行汽爆秸秆酶解耦合发酵制氢的装置简图；图中，酶解罐1下部通过第一循环泵3与发酵罐2顶端相连通，发酵罐2下部通过第二循环泵4与酶解罐1顶端相连通，以形成酶解—酶解的循环；发酵罐2的上端设有产气出口。
实施例1.用本发明提供的方法以汽爆玉米秸秆为原料进行酶解耦合发酵制氢，具体步骤如下：
1、将汽爆玉米秸秆原料置于酶解罐中，加入纤维素酶25IU/g-底物和用硫酸调节pH4.8的自来水，水中含有尿素2g/l，KH2PO40.51g/l，MgSO40.31g/l，汽爆秸秆和水溶液的固液比是1：8(w/v)，于50℃下酶解；
2、制备丁酸梭菌(C.butylicum AS1.209)种子培养：
每升种子培养基包括以下组分：葡萄糖20g，酵母抽提物3g，KH2PO40.2g，K2HPO41.6g，MgSO4·7H2O0.2g，NaCl0.1g，CaCl20.01g，Na2S·9H2O0.25g，NaMoO4·2H2O0.01g，NaHCO30.2g and(NH4)2SO43.0g；将丁酸梭菌接种于种子培养基，35℃厌氧培养至对数生长期，即制得丁酸梭菌种子液接种；
3、将处于对数生长期的丁酸梭菌(C.butyricum AS1.209)种子液与重量百分比浓度2％的海藻酸钠溶液混合，得丁酸梭菌种子液海藻酸钠混合溶液；丁酸梭菌种子液与海藻酸钠溶液的体积比为1：3；用无菌的注射器吸取丁酸梭菌种子液海藻酸钠混合溶液并慢慢滴入浓度为0.05mol/l的无菌CaCl2溶液中，丁酸梭菌种子液海藻酸钠混合溶液与CaCl2溶液的体积比为1：4，制得丁酸梭菌固定化细胞，浸泡放置30分钟后，倾去液体，加入无菌去离子水，冲洗3次后，用于发酵反应；
4、制取固定化细胞颗粒的同时，将酶解相静置酶解，固定化细胞制取好以后，置于发酵罐中，用泵把酶解相的酶解液泵入发酵罐，将固定化细胞浸没后停止循环，迅速通入氮气除氧，在35℃下进行细胞预培养6小时后，开启整个系统进行循环，控制循环速度为15ml/min，用排水集气法收集产生的气体。
连续发酵86小时，发酵产物中只有氢气和二氧化碳，其中，氢气含量为43％，比产氢率为72ml/g-底物。
实施例2.用本发明提供的方法以汽爆麦秸秆为原料进行酶解耦合发酵制氢具体步骤如下：
1、将汽爆麦秸秆原料置于酶解罐中，加入纤维素酶25IU/g-底物和用硫酸调节pH4.8的自来水，水中含有酵母抽提物2g/l，KH2PO40.51g/l，MgSO40.31g/l，汽爆秸秆和水溶液的固液比是1：10(w/v)，于50℃下酶解；
步骤2同实施例1；
3、将处于对数生长期的丁酸梭菌(C.butyricum AS1.209)种子液与无菌的3％海藻酸钠溶液混合，种子液与海藻酸钠溶液的体积比为1:4。用无菌的注射器吸取混合液，将混合液慢慢滴入无菌的0.05mol/l CaCl2溶液中，混合液与CaCl2溶液的体积比为1：3，制得固定化细胞，浸泡放置30分钟后，倾去液体，加入无菌去离子水，冲洗3次后，用于发酵反应；
4、制取固定化细胞颗粒的同时，将酶解相静置酶解，固定化细胞制取好以后，用泵把酶解相的酶解液泵入发酵罐，将固定化细胞浸没后停止循环，迅速通入氮气除氧后，置于发酵罐中，在35℃下进行细胞预培养。10小时后，开启整个系统进行循环，控制循环速度为20ml/min，用排水集气法收集产生的气体。
连续发酵86小时，发酵产物中只有氢气和二氧化碳，其中，氢气含量为42.5％，比产氢率为66ml/g-底物。
实施例3.用本发明提供的方法以汽爆稻草秸秆为原料进行酶解耦合发酵制氢具体步骤如下：
1、将汽爆稻草秸秆原料置于酶解罐中，加入纤维素酶25IU/g-底物和用硫酸调节pH4.8的自来水，水中含有尿素2g/l，KH2PO40.51g/l，MgSO40.31g/l，汽爆秸秆和水溶液的固液比是1：12(w/v)，于50℃下酶解。
步骤2同实施例1。
3、将处于对数生长期的丁酸梭菌(C.butyricum AS1.209)种子液与无菌的4％海藻酸钠溶液混合，种子液与海藻酸钠溶液的体积比为1:5。用无菌的注射器吸取混合液，将混合液慢慢滴入无菌的0.05mol/l CaCl2溶液中，混合液与CaCl2溶液的体积比为1：5，制得固定化细胞，浸泡放置30分钟后，倾去液体，加入无菌去离子水，冲洗3次后，用于发酵反应。
4、制取固定化细胞颗粒的同时，将酶解相静置酶解，固定化细胞制取好以后，置于发酵罐中，用泵把酶解相的酶解液泵入发酵罐，将固定化细胞浸没后停止循环，迅速通入氮气除氧后，进行细胞预培养。8小时后，开启整个系统进行循环，控制循环速度为18ml/min，用排水集气法收集产生的气体。
连续发酵86小时，发酵产物中只有氢气和二氧化碳，其中，氢气含量为45％，比产氢率为68ml/g-底物。
实施例4.用本发明提供的方法以汽爆高粱秸秆为原料进行酶解耦合发酵制氢具体步骤如下：
1、将汽爆高粱秸秆原料置于酶解罐中，加入纤维素酶25IU/g-底物和用硫酸调节pH4.8的自来水，水中含有酵母抽提物2g/l，KH2PO40.51g/l，MgSO40.31g/l，汽爆秸秆和水溶液的固液比是1：10(w/v)，于50℃下酶解。
步骤2同实施例1。
3、将处于对数生长期的丁酸梭菌(C.butyricum AS1.209)种子液与无菌的5％海藻酸钠溶液混合，种子液与海藻酸钠溶液的体积比为1:6。用无菌的注射器吸取混合液，将混合液慢慢滴入无菌的0.05mol/l CaCl2溶液中，混合液与CaCl2溶液的体积比为1：4，制得固定化细胞，浸泡放置30分钟后，倾去液体，加入无菌去离子水，冲洗3次后，用于发酵反应。
4、制取固定化细胞颗粒的同时，将酶解相静置酶解，固定化细胞制取好以后，置于发酵罐中，用泵把酶解相的酶解液泵入发酵罐，将固定化细胞浸没后停止循环，迅速通入氮气除氧后，在35℃下进行细胞预培养。12小时后，开启整个系统进行循环，控制循环速度为12ml/min，用排水集气法收集产生的气体。
连续发酵86小时，发酵产物中只有氢气和二氧化碳，其中，氢气含量为44.6％，比产氢率为67ml/g-底物。
Claims (3)
1.一种利用固定化细胞进行汽爆秸秆酶解耦合发酵制取氢气的方法，其步骤如下：
(1)制备丁酸梭菌固定化细胞
将处于对数生长期的丁酸梭菌种子液与质量百分比浓度为2～5％海藻酸钠溶液混合，得丁酸梭菌种子液海藻酸钠混合液；所述丁酸梭菌种子液与海藻酸钠溶液混合的体积比为1∶3～1∶6；
用无菌注射器吸取丁酸梭菌种子液与海藻酸钠的混合液，推动注射器，将混合液滴入浓度为0.05mol/l的无菌CaCl2溶液中，保持30分钟，制取丁酸梭菌固定化细胞；所述丁酸梭菌种子液海藻酸钠混合液与无菌CaCl2溶液的体积比为1∶3～1∶6；
(2)在制取固定化细胞的同时，将汽爆秸秆料置于在酶解罐中50℃下静置制备酶解液；
所述酶解液的制备如下：将汽爆秸秆料置于酶解罐中，加入纤维素酶和用硫酸调节pH4.8的水溶液，50℃下酶解得酶解液；每克汽爆秸秆料加25IU纤维素酶；每升所述水溶液含尿素或酵母抽提物2g，KH2PO40.51g和MgSO40.31g；所述汽爆秸秆重量与水溶液体积的固液比是1∶8～12(w/v)；
(3)酶解耦合发酵制取氢气
固定化细胞制取好以后，开启安装在酶解罐与发酵罐之间的连接管路上的循环泵把一部分酶解液泵入发酵罐，待固定化细胞被浸没后，关闭循环泵停止循环，迅速向发酵罐通入氮气除氧，于35℃下进行固定化细胞预培养；
待细胞预培养6-12小时后，再次开启循环泵源源不断地将酶解液泵入发酵罐中，进行酶解耦合发酵制得氢气；发酵罐中发酵产生的氢气从发酵罐顶端排出，用排水集气法收集所制得的氢气。
2.按权利要求1所述的利用固定化细胞进行汽爆秸秆酶解耦合发酵制取氢气的方法，其特征在于，所述固定化细胞预培养6～12小时后，再开启循环泵将酶解液泵入发酵罐中的速度为10～20ml/min。
3.按权利要求1所述的利用固定化细胞进行汽爆秸秆酶解耦合发酵制取氢气的方法，其特征在于，所述的汽爆秸秆料为汽爆玉米秸秆料、汽爆高梁秸秆料或汽爆小麦秸秆料。
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