CN105543297A - 产氢菌与真养产碱杆菌联合转化生物质和co2制备聚羟基脂肪酸酯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对生物质产氢过程产生的CO₂和有机酸回收利用困难，其经济和环境效益有待进一步提高的现状，以及CO₂减排和固定的迫切需求，提供一种产氢菌与真养产碱杆菌联合转化生物质和CO₂制备聚羟基脂肪酸酯的方法。真养产碱杆菌是一种兼性化能自养菌，能利用有机酸、糖等有机物化能异养，也能利用CO₂和H₂为碳源和能源在有O₂条件下进行化能自养，在细胞内大量积累生物可降解塑料聚羟基脂肪酸酯(PHA)。本方法通过工艺设计，利用真养产碱杆菌将生物质产氢过程生成的物质氢气、二氧化碳和有机酸全部利用，同时大量固定CO₂生成可降解塑料聚羟基脂肪酸酯。本发明不仅实现了生物质利用的零排放，同时提供一种快速固定CO₂生产聚羟基脂肪酸酯的方法。

Description

产氢菌与真养产碱杆菌联合转化生物质和CO2制备聚羟基脂肪酸酯的方法

技术领域

本发明属于生物技术、生物质利用和CO₂固定领域，具体涉及一种产氢菌与真养产碱杆菌联合转化生物质和CO₂制备聚羟基脂肪酸酯的方法。

背景技术：

微生物暗发酵制氢是异养型厌氧细菌利用碳水化合物等有机物，通过暗发酵作用产生氢气的过程。利用秸秆、造纸工业废水、发酵工业废水、食品工业废液等为原料进行生物制氢，是获得洁净能源氢气的有效方法。但在产氢过程同时产生CO₂和有机酸，产生的H₂、CO₂和有机酸的摩尔比大约为(1～2)/1/1，CO₂一般直接排放或制备干冰，而有机酸在发酵液中浓度往往很低，难以回收利用。目前产氢过程碳利用率基本为零，须进一步提高其经济和环保效益。真养产碱杆菌(Ralstoniaeutropha或Alcaligeneseutrophus)是一种兼性化能自养菌，能利用有机酸、糖等有机物化能异养，也能利用CO₂和H₂为碳源和能源在有O₂条件下进行化能自养，在细胞内大量积累生物可降解塑料聚羟基脂肪酸酯(PHA)。目前，聚羟基脂肪酸酯主要由葡萄糖等原料生产，价格昂贵，寻找廉价原料发酵是PHA大规模生产的关键。针对以上问题，本项目提供一种产氢菌与真养产碱杆菌联合转化生物质和CO₂制备聚羟基脂肪酸酯的方法，首先利用产氢菌以生物质(如秸秆、生活垃圾、工业废水等)为原料厌氧发酵产生氢气、二氧化碳和有机酸，发酵过程收集氢气和二氧化碳混合气体。同时利用含有机酸的发酵液，按1-5％比例接种真养产碱杆菌，有氧发酵(化能异养)4-24h，利用有机酸为碳源发酵生长菌体，再将收集的氢气和二氧化碳补加一定量的二氧化碳、氢气和氧气组成的混合气，导入真养产碱杆菌发酵液中，进行以二氧化碳、氢气和氧气为碳源和能源的化能自养发酵，生产聚羟基脂肪酸酯。本项目克服生物质产氢过程碳利用率低、有机酸可能造成二次污染以及经济效益差的问题，同时在化能自养发酵阶段大量转化二氧化碳制备PHA，将实现二氧化碳减排和降低可降解塑料PHA的生产成本。因此，本发明具有潜在的工业应用价值和社会价值。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种产氢菌与真养产碱杆菌联合转化生物质和CO2制备聚羟基脂肪酸酯的方法，目的有两个方面，一是针对生物质产氢过程产生的CO₂和有机酸回收利用困难，其经济和环境效益有待进一步提高的现状，发明利用真养产碱杆菌以产氢过程产生的有机酸和CO₂为碳源生产PHA,从而提高生物质利用的经济和社会效益；二是CO₂减排和固定是缓解温室效应的有效途径，真养产碱杆菌利用完产氢过程产生的有机酸和CO₂之后，还需要吸收大量的CO₂合成PHA，达到CO2固定的目的，同时产生的PHA是可降解塑料，其使用可为环保和减排做贡献。

技术方案：

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

1)产氢菌以生物质为原料厌氧发酵3-30天产生氢气、二氧化碳和有机酸，发酵过程收集氢气和二氧化碳气体，其中生物质包括但不限于木质纤维素类、淀粉类和有机垃圾，产氢微生物包括但不限于Clostridium，Caldicellulosiruptor，Thermoanaerobacterium，Desulfotomaculum。

2)收集步骤1)中含有机酸的发酵液，按1-5％比例接种真养产碱杆菌，在25-35℃条件下有氧发酵4-24h，将有机酸利用完之后，将在步骤1)收集的氢气和二氧化碳补加一定量的二氧化碳、氢气和氧气组成的混合气，混合气中二氧化碳、氢气和氧的比例为1比4-8比0.5-2，将混合气压缩到100-1000kpa或用蠕动泵导入真养产碱杆菌发酵液中，控制气体流量为每分钟经过发酵液的体积为发酵液体积的0.5-5倍，在25-35℃下进行以二氧化碳、氢气和氧气为碳源和能源的化能自养发酵1-6天，离心收集菌体，烘干后用有机溶剂萃取得打聚羟基脂肪酸酯。

具体实施方式

实施例1：Caldicellulosiruptorowensensis与真养产碱杆菌联合转化玉米秸秆和CO₂制备聚羟基脂肪酸酯

产氢菌Caldicellulosiruptorowensensis以玉米秸秆为原料厌氧发酵，秸秆在发酵液中的初始含量为2％(w/v)，在75℃摇床发酵15天产生氢气、二氧化碳和有机酸，发酵过程收集氢气和二氧化碳气体。发酵结束后，离心收集含有机酸的发酵液，按2.5％比例接种培养24h的真养产碱杆菌，在200转/分钟摇床28℃发酵14h，发酵液中检测不到有机酸，在产氢过程收集的氢气和二氧化碳气体中补加一定量的二氧化碳、氢气和氧气组成的混合气，使混合气中二氧化碳、氢气和氧的比例为1比6比1，用蠕动泵导入真养产碱杆菌发酵液中，控制气体流量为每分钟经过发酵液的体积为发酵液体积的0.5倍，在30℃下进行以二氧化碳、氢气和氧气为碳源和能源的化能自养发酵5天，离心收集菌体，烘干后用有机溶剂萃取得打聚羟基脂肪酸酯，聚羟基脂肪酸酯产率为21g/L。

实施例2：Clostridiumbutyricum与真养产碱杆菌联合转化小麦秸秆和CO₂制备聚羟基脂肪酸酯

产氢菌Clostridiumbutyricum以小麦秸秆为原料厌氧发酵，秸秆在发酵液中的初始含量为2.2％(w/v)，在5L发酵罐37℃发酵10天产生氢气、二氧化碳和有机酸，发酵过程收集氢气和二氧化碳气体。发酵结束后，离心收集含有机酸的发酵液，按3％比例接种培养22h的真养产碱杆菌，在220转/分钟摇床28℃发酵18h，发酵液中检测不到有机酸，在产氢过程收集的氢气和二氧化碳补加一定量的二氧化碳、氢气和氧气组成的混合气，使混合气中二氧化碳、氢气和氧的比例为1比7比1.2，用蠕动泵导入真养产碱杆菌发酵液中，控制气体流量为每分钟经过发酵液的体积为发酵液体积的1倍，在30℃下进行以二氧化碳、氢气和氧气为碳源和能源的化能自养发酵3天，离心收集菌体，烘干后用有机溶剂萃取得打聚羟基脂肪酸酯，聚羟基脂肪酸酯产率为25g/L。

实施例3：厌氧产氢混合菌群与真养产碱杆菌联合转化工业废水和CO₂制备聚羟基脂肪酸酯

用驯化的厌氧产氢菌群活性污泥颗粒，在UASB反应器中利用COD为20-40g/L的工业废水发酵产氢，控制有机物水力停留时间为48h，发酵温度为37℃，发酵过程收集氢气和二氧化碳气体，同时收集含有机酸的发酵废液。在发酵废液离心去除固体颗粒后，按3％比例接种培养24h的真养产碱杆菌，在5L发酵罐中30℃有氧发酵20h，发酵液中检测不到有机酸，将产氢过程收集的氢气和二氧化碳补加一定量的二氧化碳、氢气和氧气组成的混合气，使混合气中二氧化碳、氢气和氧的比例为1比8比1，将混合气压缩到500kpa，替代无菌空气导入真养产碱杆菌发酵罐中，控制气体流量为每分钟经过发酵液的体积为发酵液体积的1倍，在30℃下进行以二氧化碳、氢气和氧气为碳源和能源的化能自养发酵5天，离心收集菌体，烘干后用有机溶剂萃取得打聚羟基脂肪酸酯，聚羟基脂肪酸酯产率为31g/L。

Claims (6)

1.产氢菌与真养产碱杆菌联合转化生物质和CO₂制备聚羟基脂肪酸酯的方法，包括以下步骤：

1)产氢菌以生物质为原料厌氧发酵产生氢气、二氧化碳和有机酸，发酵过程收集气体。

2)收集步骤1)中含有机酸的发酵液，按1-5％比例接种真养产碱杆菌，有氧发酵4-24h，将有机酸利用完之后，将在步骤1)收集的氢气和二氧化碳补加一定量的二氧化碳、氢气和氧气组成的混合气，导入真养产碱杆菌发酵液中，进行以二氧化碳、氢气和氧气为碳源和能源的化能自养发酵，生产聚羟基脂肪酸酯。

2.如权利要求1步骤1)所述的方法，生物质原料包括木质纤维素类、淀粉类和有机垃圾。

3.如权利要求1步骤1)所述的方法，厌氧发酵温度为30-85℃，发酵周期为3-30天。

4.如权利要求1步骤2)所述的方法，混合气中二氧化碳、氢气和氧的比例为1比4-8比0.5-2。

5.如权利要求1步骤2)所述的方法，化能自养发酵过程气体流量为每分钟经过发酵液的体积为发酵液体积的0.5-5倍。

6.如权利要求1步骤2)所述的方法，化能自养发酵时间为1-6天，发酵温度为25-35℃。