CN104651875B - 将乙醇转化为乙酸的同时产甲烷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种将乙醇转化为乙酸的同时产甲烷的方法，将活化的Geobacter metallireducens和活化的Methanobacterium palustre混合功能微生物加入到脱氧含乙醇的培养基中，Geobacter metallireducens代谢乙醇产生乙酸的同时产生H⁺和电子，产生的H⁺和电子转移到Methanobacterium palustre胞内，Methanobacterium palustre在胞内利用产生的H⁺及电子将二氧化碳还原为甲烷。本发明无需使用昂贵的催化剂，成本低，能耗低，且将乙醇转化为乙酸的同时产甲烷，为乙酸生产和二氧化碳资源化利用提供了新途径。

Description

将乙醇转化为乙酸的同时产甲烷的方法

技术领域

本发明涉及一种乙酸的制备方法，具体涉及一种利用共生微生物将乙醇转化为乙酸的同时产甲烷的方法。

背景技术

乙酸是一种重要的有机化工原料和化学反应中的溶剂，可广泛应用于农药、医药、合成材料及化纤等工业，在国民经济中占有相当重要的作用。乙酸的生产方法包括乙醛氧化法、甲醇羰基合成法（CN103370297A）、乙醇氧化法、乙烯氧化法（CN1122131A）及微生物发酵法（CN102703532A，CN103540619A）。

乙醛氧化法是一种二步氧化法，即乙烯氧化形成乙醛和乙醛氧化形成乙酸。由于这种方法中在氧化乙烯时起作用的Pd离子不能氧化产生出的乙醛，所以两个氧化步骤使用的催化剂不相同。因此，由此方法直接合成乙酸是困难的。甲醇羰基合成法其缺陷是用于此方法的催化剂铑的成本极为昂贵，且反应器腐蚀严重。

利用乙酸杆菌属细菌有氧发酵制备乙酸。在氧气充足的情况下，这些细菌能够从含有酒精的食物中生产出乙酸。做法是将乙酸菌属的细菌接种于稀释后的酒精溶液并保持一定温度，放置于一个通风的位置，在几个月内就能够变为醋。工业生产醋的方法通过提供氧气使得此过程加快。但是该方法没有充分利用乙醇中储存的能量。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种共生微生物将乙醇转化为乙酸的同时产甲烷的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种将乙醇转化为乙酸的同时产甲烷的方法，其特征在于：本发明利用Geobacter metallireducens和Methanobacterium palustre混合功能微生物将乙醇转化为乙酸的同时产甲烷，将活化的Geobacter metallireducens和活化的Methanobacterium palustre共生微生物加入到脱氧含乙醇的培养基中，Geobacter metallireducens代谢乙醇产生乙酸的同时产生H⁺和电子，产生的H⁺和电子转移到Methanobacterium palustre胞内，Methanobacterium palustre在胞内利用产生的H⁺及电子将二氧化碳还原为甲烷。

优选地，其中电活性产乙酸菌为Geobacter metallireducens。

优选地，其中电活性产甲烷菌为Methanobacterium palustre、其他H₂/CO₂单一营养型电活性产甲烷菌或混合电活性产甲烷菌。

优选地，其中所述电活性产乙酸菌培养基1成分为（每升溶液含）：柠檬酸铁13.7g；NaHCO₃ 2.5 g；NH₄Cl 0.25 g；NaH₂PO₄·H₂O 0.6 g；KCl₂ 0.1 g；CH₃COONa 6.8 g；Wolfe微量维生素溶液10 mL；Wolfe 微量矿物元素溶液10 mL；pH=7.0。

优选地，其中所述电活性产乙酸菌培养基2成分为（每升溶液含）：柠檬酸铁13.7g；NaHCO₃ 2.5 g；NH₄Cl 0.25 g；NaH₂PO₄·H₂O 0.6 g；KCl₂ 0.1 g；CH₃CH₂OH 0.92；Wolfe 微量维生素溶液10 mL；Wolfe 微量矿物元素溶液10 mL；pH=7.0。

Wolfe 微量维生素溶液组成：生物素2.0 mg；叶酸 2.0 mg；维生素B6盐酸盐 10.0mg；盐酸硫胺素 5.0 mg；核黄素 5.0 mg；烟酸 5.0 mg；D-泛酸钙 5.0 mg；维生素B₁₂ 0.1mg；对氨基苯甲酸 5.0 mg；硫辛酸 5.0 mg；去离子水1.0 L。

Wolfe 微量矿物元素溶液组成：氨三乙酸 1.5 g；MgSO₄·7H₂O 3.0 g；MnSO₄·H₂O0.5 g；NaCl 1.0 g；FeSO₄·7H₂O 0.1 g；CoCl₂·6H₂O 0.1 g；CaCl₂ 0.1 g；ZnSO₄·7H₂O0.1 g；CuSO₄·5H₂O 0.01 g；AlK(SO₄)₂·12H₂O 0.01 g；H₃BO₃ 0.01 g；Na₂MoO₄·2H₂O 0.01g；去离子水1.0 L。

电活性产甲烷菌基础培养基成分为（每升溶液含）：Pfennig无机盐溶液5.0 mL；Pfennig微量元素溶液0.1 mL；刃天青0.0001 g；B-vitamin 溶液 0.5 mL；澄清的瘤胃液5.0 mL；碳酸氢钠溶液7.0 mL；1.25% cysteine·HCl -1.25%Na₂S·9H₂O 2.0 mL。

Pfennig无机盐溶液组成（g/L）：KH₂PO₄ 10.0；MgCl₂·6H₂O 6.6；NaCl 8.0；NH₄Cl8.0；CaCl₂·2H₂O 1.0。

Pfennig微量元素溶液组成（g/L）：ZnSO₄·7H₂O 0.1；MnC1₂·4H₂O 0.03；H₃BO₃0.3；CoC1₂·6H₂O 0.2；CaCl₂·2H₂O 0.01；NiCl₂·6H₂O 0.02；Na₂MoO₄·2H₂O 0.03;FeC1₂·4H₂O 1.5。

B-vitamin 溶液组成（mg/100 mL）：烟酸 2.0；维生素B12 2.0；硫胺素 1.0；对氨基苯甲酸 1.0；维生素B6 5.0；泛酸 0.5。

碳酸氢钠溶液（g/L）：50.0。

1.25% cysteine·HCl -1.25%Na₂S·9H₂O溶液组成（g/L）：cysteine·HCl 12.5；Na₂S·9H₂O 12.5；脱氧去离子水配制。

澄清的瘤胃液制备：从牛瘤胃物适量，用400目的尼龙筛网过滤获取滤液，滤液1×10⁴ rpm离心10 min，取上清液。

优选地，其中在250 mL三角瓶中放入50 mL电活性产乙酸菌培养基1，N₂/CO₂（80:20，V/V）混合气脱氧后接种电活性产乙酸菌，然后置换入体积比为20:80的H₂/CO₂的混合气体，在35℃培养一定时间后以9000 rpm 离心10 min收集菌体，用含有5 mmol/L MgCl₂且pH=7.0的20 mmol/L磷酸盐缓冲液洗涤菌体两次，然后将菌体分散到无氧气、灭菌的、未使用过的所述电活性产乙酸菌培养基1中。

优选地，其中在250 mL三角瓶中放入50 mL电活性产甲烷菌基础培养基，N₂/CO₂（80:20，V/V）混合气脱氧后接种电活性产甲烷菌，然后置换入体积比为20:80的H₂/CO₂的混合气体，在35℃培养一定时间后以9000 rpm 离心10 min收集菌体，用含有5 mmol/L MgCl₂且pH=7.0的20 mmol/L磷酸盐缓冲液洗涤菌体两次，然后将菌体分散到无氧气、灭菌的、未使用过的所述电活性产甲烷菌基础培养基中。

本发明具有如下有益效果：本发明的方法无需使用昂贵的铂催化剂，成本低，能耗低，为含乙醇有机废水和二氧化碳资源化利用提供了新途径，对节能减排和环境治理都具有重要的意义。采用本发明的方法可使溶液中乙醇的转化率达到96%。

附图说明

图1是本发明分别用于活化Geobacter metallireducens和Methanobacterium palustre的微生物电解池。

具体实施方式

实施例1

本实施例利用共生微生物将乙醇转化为乙酸的同时产甲烷的方法，具体按以下顺序和步骤进行操作：

（1）微生物电解池构建

参见图1，利用微生物电解池将乙醇转化为乙酸的同时产甲烷的方法，其装置包括：阳极室进水管1，阳极室2，阳极室出水管3，阳极4，质子交换膜5，阴极室6，阴极7，阴极室出水管8，钛丝导线9，稳压电源10，钛丝导线11，进气管12及排气管13。阳极室2和阴极室6内分别设置有阳极4和阴极7，阳极4和阴极7分别通过钛丝导线9和钛丝导线11与直流稳压电源10的高电位端和低电位端相连。所述的阳极室进水管1、阳极室出水管3、阳极室2、阴极室6、阴极室出水管8、进气管12及排气管13都采用有机玻璃材质制成。阳极4和阴极7为碳纤维刷。

（2）微生物电解池系统的启动

本发明提出的利用微生物电解池将乙醇转化为乙酸的同时产甲烷系统的启动过程如下：

① 电活性产乙酸菌Geobacter metallireducen活化

以电活性产乙酸菌Geobacter metallireducen为接种物，微生物电解池阳极室中加入电活性产乙酸菌培养基1，培养基1经纯氮气除氧气后加入Geobacter metallireducen。微生物电解池为批次操作，每次实验结束后加入除氧电活性产乙酸菌培养基1。直流稳压电源10的电压固定为-0.9 V，定期对微生物电解池的电流数据进行采样，待微生物电解池的电流最大且稳定后，认为在阳极电极表面充分附着了Geobacter metallireducen。然后将电活性产乙酸菌培养基1更换为电活性产乙酸菌培养基2，直到微生物电解池的电流最大且稳定，此时Geobacter metallireducen可以代谢乙醇产生乙酸的同时产生H⁺和电子。

②电活性产甲烷菌Methanobacterium palustre活化

在250 mL三角瓶中放入50 mL电活性产甲烷菌基础培养基，N₂/CO₂（80:20，V/V）混合气脱氧后接种电活性产甲烷菌Methanobacterium palustre，然后置换入体积比为20:80的H₂/CO₂的混合气体，在35℃培养一定时间后以9000 rpm 离心10 min收集菌体，用含有5mmol/L MgCl₂且pH=7.0的20 mmol/L磷酸盐缓冲液洗涤菌体两次，然后将菌体分散到无氧气、灭菌的、未使用过的所述电活性产甲烷菌基础培养基中，最后将所得的细胞悬液接种到微生物电解池的阴极室6，并立即鼓充CO₂，直流稳压电源10的电压固定为-0.9 V。在电辅助下，微生物电解池阴极7表面附着的电活性产甲烷菌Methanobacterium palustre直接从阴极电极表面接受电子，将CO₂还原为甲烷。定期对微生物电解池的电流数据进行采样，待微生物电解池的电流最大且稳定后，认为电活性产甲烷菌Methanobacterium palustre在阴极表面充分附着，此时电活性产甲烷菌Methanobacterium palustre活化完成。

（3）Geobacter metallireducen和Methanobacterium palustre共生微生物获取

待电活性产乙酸菌Geobacter metallireducen活化和电活性产甲烷菌Methanobacterium palustre活化完成后，将Geobacter metallireducen和Methanobacterium palustre分别从生物阳极表面和阴极电极表面剥落，分散后接种到含脱氧电活性产甲烷菌基础培养基的密闭三角瓶中，并加入脱氧乙醇，使其最终浓度为20mmol/L。通过玻璃管不断向三角瓶中的溶液鼓充CO₂，直到三角瓶溶液中和三角瓶出气中分别能检测到乙酸和甲烷，此时Geobacter metallireducen和Methanobacterium palustre已形成共生微生物。

（4）将乙醇转化为乙酸的同时产甲烷

将Geobacter metallireducen和Methanobacterium palustre共生微生物接种到含脱氧电活性产甲烷菌基础培养基的密闭三角瓶中，并加入脱氧乙醇，使其最终浓度为0.1mol/L，通过玻璃管不断向三角瓶中的溶液鼓充CO₂，溶液中乙醇的转化率可达96%。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在在本发明的原理和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种将乙醇转化为乙酸的同时产甲烷的方法，其特征在于，利用电活性产乙酸菌和电活性产甲烷菌混合功能微生物将乙醇转化为乙酸的同时产甲烷，将活化的电活性产乙酸菌和活化的电活性产甲烷菌共生微生物加入到含脱氧乙醇的培养基中，电活性产乙酸菌代谢乙醇产生乙酸的同时产生H⁺和电子，产生的H⁺和电子转移到电活性产甲烷菌胞内，电活性产甲烷菌在胞内利用产生的H⁺及电子将二氧化碳还原为甲烷，所述电活性产乙酸菌为Geobacter metallireducens，所述电活性产甲烷菌为H₂/CO₂单一营养型电活性产甲烷菌或混合电活性产甲烷菌；所述方法用于将乙醇溶液或含乙醇的废水中的乙醇转化为乙酸的同时产甲烷。

2.如权利要求1所述的一种将乙醇转化为乙酸的同时产甲烷的方法，其特征在于，所述电活性产甲烷菌为Methanobacterium palustre。