CN103555778A - 一种产氢细菌与含油微藻梯级耦合产能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种产氢细菌与含油微藻梯级耦合产能的方法,它涉及生物能源领域。本发明要解决目前暗发酵制氢中发酵产物难利用、易造成环境污染,以及底物利用率低、产能效率低的问题。本发明的方法为:一、取产氢细菌进行培养;二、将有机酸发酵液进行离心;三、接种含油微藻;四、提取油脂。本发明方法将暗发酵制氢技术和微藻产油技术二者结合起来,解决了暗发酵制氢中发酵产物难利用、易造成环境污染的问题,并且可以回收可再生能源,底物利用率高,产能效率高。本发明主要用于生物能源领域。
Description
技术领域
本发明涉及生物能源领域。
背景技术
人口的增长和经济的发展带来了巨大的能源需求,然而,传统的化石能源(石油、煤炭、天然气)日益枯竭,难以满足日益增长的需要,且化石能源的使用会带来温室效应等诸多环境问题,对人类的生存和可持续发展构成了严重的威胁。因此,开发高效、绿色环保的可再生能源已迫在眉睫。生物质能等可再生能源的开发和利用已成为世界各国广泛关注的热点。生物柴油和生物制氢是新型“绿色能源”,具有可再生和环境保护的双重功效,
符合国家“十二五”规划节能减排和低碳经济发展的战略需求。
生物制氢技术作为一种低成本、低能耗的绿色能源生产技术,其反应条件温和、能耗低、能妥善解决能源与环境的矛盾。并且可以结合有机废水处理和清洁能源生产,因而备受关注。厌氧发酵(暗发酵)制氢技术具有产氢速率快、底物来源广和工艺流程简单等优点,受到了世界范围内的关注。然而,暗发酵制氢技术在生产中会产生大量无法利用的小分子有机酸,导致暗发酵制氢的底物利用率很低。另一方面,含有大量有机酸的发酵液如处理不当,会产生严重的环境污染。
生物柴油是以动植物油脂或微生物油脂为原料,经酯化反应而得到的一种脂肪酸甲酯,是可替代现有普通柴油的绿色环保的可再生能源。微藻的油脂含量可以达到干重的20%~60%,且环境适应能力强、生长速度快、生长周期短,是生产生物柴油的优质原料。然而,微藻生物柴油商业化生产的制约因素在于其高昂的原料成本,亟待寻求廉价的原料来源。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前暗发酵制氢中发酵产物难利用、易造成环境污染,以及底物利用率低、产能效率低的问题,提供一种产氢细菌与含油微藻梯级耦合产能的方法。
本发明的一种产氢细菌与含油微藻梯级耦合产能的方法,按照以下步骤进行:
一、取产氢细菌进行培养;
二、将步骤一产氢细菌产生的有机酸发酵液进行离心,取上清液调节pH至6~9,然后进行高压蒸汽灭菌;
三、向步骤二灭菌后的上清液中接种含油微藻,进行培养;
四、采收步骤三培养得到的含油微藻,然后提取含油微藻中的油脂。
本发明包含以下有益效果:
1、将暗发酵制氢技术和微藻产油技术二者结合起来,可以同时解决原料短缺与发酵产物利用两个瓶颈问题,不仅解决了暗发酵制氢中发酵产物难利用、易造成环境污染的问题,为提高基质利用率及系统的产能能力提供理论指导和技术支持,而且对于加快生物柴油和生物制氢技术的产业化步伐也具有重要的意义;
2、本发明将暗发酵制氢与微藻产油偶联,该方法可以回收可再生能源,底物利用率高,产能效率高。暗发酵制氢的发酵液中含有大量小分子有机酸废弃物,会对环境造成潜在的威胁,利用微藻处理暗发酵制氢产生的有机酸废弃物,不仅保护了环境,而且将这些废弃物进行了资源化利用,降低了微藻产油的成本,实现了可再生清洁能源生产和环境保护的双重功效;
3、本发明步骤一得到的有机酸发酵液中含有乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和乙醇;
4、本发明方法的产氢量为1500~2500mL H2/L工作体积,产油量为0.5~1.0g/L工作体积。
附图说明
图1为本发明工艺流程示意图;
图2为实施例一中的产氢效能曲线图;
图3为实施例一中的油脂累积曲线图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式,还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一:本实施方式一种产氢细菌与含油微藻梯级耦合产能的方法,按以下步骤进行:
一、取产氢细菌进行培养;
二、将步骤一产氢细菌产生的有机酸发酵液进行离心,取上清液调节pH至6~9,然后进行高压蒸汽灭菌;
三、向步骤二灭菌后的上清液中接种含油微藻,进行培养;
四、采收步骤三培养得到的含油微藻,然后提取含油微藻中的油脂。
本实施方式的有益效果:
1、将暗发酵制氢技术和微藻产油技术二者结合起来,可以同时解决原料短缺与发酵产物利用两个瓶颈问题,不仅解决了暗发酵制氢中发酵产物难利用、易造成环境污染的问题,为提高基质利用率及系统的产能能力提供理论指导和技术支持,而且对于加快生物柴油和生物制氢技术的产业化步伐也具有重要的意义;
2、本实施方式将暗发酵制氢与微藻产油偶联,该方法可以回收可再生能源,底物利用率高,产能效率高。暗发酵制氢的发酵液中含有大量小分子有机酸废弃物,会对环境造成潜在的威胁,利用微藻处理暗发酵制氢产生的有机酸废弃物,不仅保护了环境,而且将这些废弃物进行了资源化利用,降低了微藻产油的成本,实现了可再生清洁能源生产和环境保护的双重功效;
3、本实施方式步骤一得到的有机酸发酵液中含有乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和乙醇;
4、本实施方式的产氢量为1500~2500mL H2/L工作体积,产油量为0.5~1.0g/L工作体积。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中所述的产氢细菌为哈工大产乙醇杆菌(Ethanoligenens harbinense)、巴氏梭菌(Clostridium pasteurianum)、大肠杆菌(Escherichiab coli)、丁酸梭菌(Clostridium butyricum)、丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)、产气肠杆菌(Enterobacter aerogenes)中的一种或几种按任意比混合。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式所述的产氢细菌均通过购买得到。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二不同的是:步骤一中所述的产氢细菌培养条件为温度35℃~37℃,避光,充入氮气隔绝空气培养,培养时间为20~40小时。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是:步骤二中所述的离心条件如下:转速为8000~12000rpm,离心时间5~20分钟,离心温度4℃~25℃。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是:步骤二中所述的高压蒸汽灭菌条件为压力102.9kPa,温度为121℃~126℃,时间15~30分钟。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是:步骤三中所述的含油微藻为小球藻、栅藻、硅藻、隐甲藻、扁藻、杜氏藻、螺旋藻、金藻中的一种或几种按任意比混合。其它与具体实施方式一至五之一相同。
本实施方式所述的含油微藻均通过购买得到。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是:步骤三中所述的接种液为稳定期种子液,接种量按发酵液总体积的5%~10%来接种。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是:步骤三中所述的含油微藻培养条件为温度15℃~40℃,光照培养,光照强度为0~12000lux,培养时间120~192小时。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是:步骤四中所述的含油微藻采收方法为离心法或过滤法。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是:步骤四中所述的含油微藻油脂提取方法为氯仿-甲醇法、索氏抽提法、正己烷-异丙醇法、正己烷-乙醇法或乙醚-石油醚法。其它与具体实施方式一至九之一相同。
实施例一:
本实施例产氢细菌与含油微藻梯级耦合产能的方法,按照以下步骤进行:
一、取哈工大产乙醇杆菌B49(Ethanoligenens harbinense B49)进行培养,培养条件为温度37℃,避光,充入氮气隔绝空气培养,培养时间35小时,产生氢气和有机酸发酵液,
发酵液的主要成分为乙酸和乙醇;
二、对步骤一得到的发酵液进行预处理,离心去除产氢细菌,离心条件为转速12000rpm,离心时间5分钟,温度4℃,取上清液调节pH至7,并进行高压蒸汽灭菌,高压蒸汽灭菌条件为压力102.9kPa(1.05kg/cm2),温度121℃,时间15分钟;
三、在步骤二得到的发酵液中接种栅藻R-16,接种液为稳定期种子液,接种量按发酵液总体积的10%来接种,栅藻R-16培养条件为温度25℃,避光,培养时间144小时,利用发酵液中的有机酸等进行栅藻R-16生长和油脂积累;
四、收集步骤三得到的栅藻R-16,收集方法为离心法,并采用氯仿-甲醇法提取栅藻R-16中的油脂。
本实施例中,产氢细菌为哈工大产乙醇杆菌B49(Ethanoligenens harbinense B49),它的保藏编号为CGMCC No.1153,保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院,保藏单位为中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心。
本实施例中所用的哈工大产乙醇杆菌B49(Ethanoligenens harbinense B49)通过购买得到。
本实施例中,含油微藻为栅藻R-16(Scenedesmus sp.R-16),已在《A new lipid-richmicroalga Scenedesmus sp.strain R-16isolated using Nile red staining:effects of carbon andnitrogen sources and initial pH on the biomass and lipid production》(《用尼罗红荧光染色法分离的一株富油栅藻R-16:碳源、氮源和初始pH对生物量和油脂产量的影响》)(Biotechnologyfor biofuels2013,6:143)中公开,所述的栅藻R-16从文章作者处购买得到。
本实施例中的产氢效能曲线图如图2所示,由图2可知暗发酵制氢的产氢量为2283mLH2/L工作体积。
本实施例中的油脂累积曲线图如图3所示,由图3可知微藻的产油量为0.81g/L工作体积。
实施例二:
本实施例产氢细菌与含油微藻梯级耦合产能的方法,按照以下步骤进行:
一、取丁酸梭菌(Clostridium butyricum)进行培养,培养条件为温度35℃,避光,充入氮气隔绝空气培养,培养时间30小时,产生氢气和有机酸发酵液,发酵液的主要成分为乙酸和丁酸;
二、对步骤一得到的发酵液进行预处理,离心去除产氢细菌,离心条件为转速12000rpm,离心时间5分钟,温度4℃,取上清液调节pH至7,并进行高压蒸汽灭菌,高压蒸汽灭菌条件为压力102.9kPa(1.05kg/cm2),温度121℃,时间15分钟;
三、在步骤二得到的发酵液中接种小球藻,接种液为稳定期种子液,接种量按发酵液总体积的5%来接种,小球藻培养条件为温度30℃,光照培养,光照强度为5000lux,培养时间168小时,利用发酵液中的有机酸等进行小球藻生长和油脂积累;
四、收集步骤三得到的小球藻,收集方法为过滤法,并采用索氏抽提法提取小球藻中的油脂。
本实施例中,产氢细菌为丁酸梭菌(Clostridium butyricum),通过购买得到。
本实施例中,含油微藻为小球藻,通过购买得到。
将暗发酵制氢技术和微藻产油技术二者结合起来,可以同时解决原料短缺与发酵产物利用两个瓶颈问题,不仅解决了暗发酵制氢中发酵产物难利用、易造成环境污染的问题,为提高基质利用率及系统的产能能力提供理论指导和技术支持,而且对于加快生物柴油和生物制氢技术的产业化步伐也具有重要的意义。
本发明将暗发酵制氢与微藻产油偶联,该方法可以回收可再生能源,底物利用率高,产能效率高。暗发酵制氢的发酵液中含有大量小分子有机酸废弃物,会对环境造成潜在的威胁,利用微藻处理暗发酵制氢产生的有机酸废弃物,不仅保护了环境,而且将这些废弃物进行了资源化利用,降低了微藻产油的成本,实现了可再生清洁能源生产和环境保护的双重功效。
本发明步骤一得到的有机酸发酵液中含有乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和乙醇。
本发明方法的产氢量为1500~2500mL H2/L工作体积,产油量为0.5~1.0g/L工作体积。
Claims (10)
1.一种产氢细菌与含油微藻梯级耦合产能的方法,其特征在于它包括以下步骤:
一、取产氢细菌进行培养;
二、将步骤一产氢细菌产生的有机酸发酵液进行离心,取上清液调节pH至6~9,然后进行高压蒸汽灭菌;
三、向步骤二灭菌后的上清液中接种含油微藻,进行培养;
四、采收步骤三培养得到的含油微藻,然后提取含油微藻中的油脂。
2.根据权利要求1所述的一种产氢细菌与含油微藻梯级耦合产能的方法,其特征在于步骤一中所述的产氢细菌为哈工大产乙醇杆菌、巴氏梭菌、大肠杆菌、丁酸梭菌、丙酮丁醇梭菌、产气肠杆菌中的一种或几种按任意比混合。
3.根据权利要求1所述的一种产氢细菌与含油微藻梯级耦合产能的方法,其特征在于步骤一中所述的产氢细菌培养条件为温度35℃~37℃,避光,充入氮气隔绝空气培养,培养时间为20~40小时。
4.根据权利要求1所述的一种产氢细菌与含油微藻梯级耦合产能的方法,其特征在于步骤二中所述的离心条件如下:转速为8000~12000rpm,离心时间5~20分钟,离心温度4℃~25℃。
5.根据权利要求1所述的一种产氢细菌与含油微藻梯级耦合产能的方法,其特征在于步骤二中所述的高压蒸汽灭菌条件为压力102.9kPa,温度为121℃~126℃,时间15~30分钟。
6.根据权利要求1所述的一种产氢细菌与含油微藻梯级耦合产能的方法,其特征在于步骤三中所述的含油微藻为小球藻、栅藻、硅藻、隐甲藻、扁藻、杜氏藻、螺旋藻、金藻中的一种或几种按任意比混合。
7.根据权利要求1所述的一种产氢细菌与含油微藻梯级耦合产能的方法,其特征在于步骤三中所述的接种液为稳定期种子液,接种量按发酵液总体积的5%~10%来接种。
8.根据权利要求1所述的一种产氢细菌与含油微藻梯级耦合产能的方法,其特征在于步骤三中所述的含油微藻培养条件为温度15℃~40℃,光照培养,光照强度为0~12000lux,培养时间120~192小时。
9.根据权利要求1所述的一种产氢细菌与含油微藻梯级耦合产能的方法,其特征在于步骤四中所述的含油微藻采收方法为离心法或过滤法。
10.根据权利要求1所述的一种产氢细菌与含油微藻梯级耦合产能的方法,其特征在于步骤四中所述的含油微藻油脂提取方法为氯仿-甲醇法、索氏抽提法、正己烷-异丙醇法、正己烷-乙醇法或乙醚-石油醚法。
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