CN105713927A - 利用包埋菌种发酵制取氢气的方法 - Google Patents

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苏会波
程军
周俊虎
岑可法
林海龙
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Abstract

本发明提供了一种利用包埋菌种对淀粉质原料进行发酵制取氢气的方法,所述方法包含如下步骤:(1)包埋菌种的制备;(2)淀粉质原料的加热糊化;(3)暗发酵产氢;(4)光发酵产氢;(5)纯化。本发明的方法产氢率、产氢速率、底物利用率和能量转化效率均十分优异。

Description

利用包埋菌种发酵制取氢气的方法
技术领域
本发明属于生物质能源生产技术领域,具体涉及利用包埋菌种对淀粉质原料进行发酵制取氢气的方法。
背景技术
目前全球能源主要依靠煤炭、石油和天然气等矿物燃料,这些化石燃料的燃烧已对全球环境造成严重污染,甚至威胁人类自身的健康与生存。氢能是理想的清洁能源之一,已经引起人们的广泛重视。就目前状况而言,氢气的工业化生产大都采用物理化学法,需要消耗大量的电能和矿物原料,使得氢气生产成本过高,从而限制了氢能的发展。另一方面,以生物质有机物为底物,利用微生物发酵制取氢气的方法正在吸引越来越多的关注。这是因为生物质发酵不但可以提供清洁的氢能源,同时还可以消除生物质有机废弃物对环境造成的污染。其反应条件温和、能量需求小,具有无可替代的优势。
在生物质发酵产氢领域,昂贵的原料成本和低下的产氢率是制约生物制氢发展和应用的主要因素。而淀粉质原料是一种廉价易得的生物质,在全球范围内均广泛存在。富含淀粉的生物质主要有大米、玉米、小麦等粮食作物,以及马铃薯、山药、薯类等根茎类作物。例如在全世界热带地区广泛种植的木薯(ManihotesculentaCrant),能在贫瘠和干旱的土地生长,不与粮食作物竞争种植地且产量很高,因而被认为是理想的能源作物。据联合国粮食农业组织(FAO)统计,目前全球木薯年产量约为2.5亿吨,产值约为1000亿美元。目前,木薯主要被应用于化工和纺织领域,少部分被用来制取燃料乙醇。将木薯用于生物发酵制取氢气(H2),将为解决能源问题做出重大贡献。
就产氢率而言,传统的利用生物质的暗发酵产氢由于能源转化效率低,产氢率很低;并且,发酵残余液中含有大量有机酸和醇类等副产物,既浪费了能量又污染了环境。例如,CN101988075A公开了一种利用专性厌氧的巴氏梭菌发酵制氢的方法,在无菌厌氧条件下,利用厌氧菌巴氏梭菌JCM1408T,以蛋白胨、牛肉膏、酵母提取物等营养物和蒸馏水组成的混合物为培养基,以葡萄糖为发酵底物,采用分批发酵和发酵的方式进行制取氢气。CN102373238A公开了一种嗜热芽孢杆菌及其在发酵产氢中的应用,利用筛选出的嗜热芽孢杆菌菌株对污泥进行水解预处理,再利用水解后的污泥/或有机废弃物发酵产氢。上述发明使用的均是非固定化悬浮菌种制取氢气,上述方法均存在菌液易被洗出、菌种易流失以及细胞浓度无法提升的缺点,制氢系统中的微生物酶的稳定性较差,产氢率低,不利于生物制氢的规模化和工业化发展。
为解决上述问题,现有技术通过将产氢菌固定化至载体或介质,克服了游离细菌对环境敏感、性质不稳定、易失活或死亡的缺点,实现菌种的连续重复使用,提高了产氢反应的产率。一般说来,制备固定化细胞的方法包括包埋法、吸附法、交联法和共价结合法,其中包埋法的适用最为广泛。例如,CN1789414A公开了一种使用固定化微生物产氢的方法,该方法以聚乙烯醇(PVA)胶液作为介质,对活性污泥进行固定。这样制备的固定化的微生物可利用葡萄糖、蔗糖、木糖和乳糖等底物产氢。CN103882001A以添加了厌氧菌琼脂和γ-氧化铝的普通琼脂作为介质,对产氢微生物进行改性,提高了产氢量、缩短产氢延迟时间。上述发明均使用固定化菌种进行单纯的厌氧发酵产氢,而单纯暗发酵产氢的理论产率最高只有4mol/mol,所以仅仅使用暗发酵一种发酵方式,产氢效率不可能获得突破性提高。
此外,非专利文献1以加入适量海藻酸钠、卡拉胶、活性炭的聚乙烯醇作为包埋材料,硼酸和氯化钙混合溶液作为交联剂的固定化方法对光发酵产氢菌种和暗发酵产氢菌种进行固定,然而包埋材料中的聚乙烯醇是合成高分子材料,传质性能较差,对细胞活性也有一定负面影响。卡拉胶和活性炭也会影响底物的吸收效率和氢气的释放速度,从而影响底物利用率和产氢速率。此外,该方法制备的包埋颗粒直径约为4mm,较大的直径同样会影响包埋颗粒的传质性能和透光性,从而影响产氢效率。
可见,如何将生物制氢的理念实用化,开发稳健(rubustness)、产氢率、产氢速率、底物利用率和能量转化效率高的方法,仍是亟待解决的技术问题。
[非专利文献1]固定化包埋细胞颗粒暗发酵及光合产氢与降解特性,刘维,2009年重庆大学硕士论文。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种利用包埋菌种对淀粉质原料进行发酵制取氢气的方法,所述方法包含如下步骤:
(1)包埋菌种的制备;利用包埋法,分别用介质将培养好的暗发酵产氢菌、光发酵产氢菌包埋,并注入交联剂,制备成固定化的暗发酵产氢菌和固定化的光发酵产氢菌;
(2)淀粉质原料的加热糊化:将作为发酵底物的淀粉质原料溶液加热糊化;
(3)暗发酵产氢:在暗发酵反应器中加入步骤(2)加热糊化后的溶液,接入步骤(1)制备的固定化的暗发酵产氢菌和暗发酵培养基进行暗发酵,将气相产物(主要为H2、CO2)导出;
(4)光发酵产氢:将步骤(3)得到的暗发酵尾液沉淀、离心后,作为光发酵产氢的底物,接入步骤(1)制备的固定化的光发酵产氢菌和光发酵培养基进行光发酵,将气相产物(主要为H2、CO2)导出;
(5)纯化:将步骤(3)和步骤(4)的气相产物合并,并对H2进行纯化。
具体而言,本发明是通过如下技术方案实现的:
1.一种利用包埋菌种对淀粉质原料进行发酵制取氢气的方法,所述方法包含如下步骤:
(1)包埋菌种的制备:利用包埋法,分别用介质将暗发酵产氢菌和光发酵产氢菌包埋,并注入交联剂,制备成固定化的暗发酵产氢菌和固定化的光发酵产氢菌;
(2)淀粉质原料的加热糊化:将作为发酵底物的淀粉质原料溶液加热糊化;
(3)暗发酵产氢:在暗发酵反应器中加入步骤(2)加热糊化后的溶液,接入步骤(1)制备的固定化的暗发酵产氢菌种和暗发酵培养基进行暗发酵,将气相产物导出;
(4)光发酵产氢:将步骤(3)得到的暗发酵尾液沉淀、离心后,作为光发酵产氢的底物,接入步骤(1)制备的固定化的光发酵产氢菌种和光发酵培养基进行光发酵,将气相产物导出;
(5)纯化:将步骤(3)和步骤(4)的气相产物合并,并对H2进行纯化。
2.如段落1所述的方法,其中,所述步骤(1)中的所述介质为海藻酸钠、聚丙烯酰胺或二者的混合物;和/或所述交联剂为CaCl2
3.如段落1或2所述的方法,其中,所述步骤(1)中,所述的暗发酵产氢菌种为选自于由丁酸梭菌、产气肠杆菌、阴沟肠杆菌、巴氏梭菌、嗜热芽孢杆菌、热纤维梭菌所组成的组中的一种或几种。
4.如段落1-3中任一项所述的方法,其中,所述步骤(1)中,所述光发酵产氢菌种为选自于红螺菌属、红假单胞菌属或红杆菌属细菌的一种或几种。
5.如段落4所述的方法,其中,所述步骤(1)中,所述光发酵产氢菌种为选自于深红红螺菌、沼泽红假单胞菌、荚膜红假单胞菌、球形红杆菌中的一种或几种。
6.如段落1-5中任一项所述的方法,其中,所述步骤(1)的所述包埋法为:将所述介质与去离子水混合后加热溶解,冷却至不会对菌的活性产生影响的温度后,分别将溶解后的介质与所述暗发酵产氢菌和所述光发酵产氢菌均匀混合,借助注射器注射到所述交联剂中,制备成固定化的暗发酵产氢菌和固定化的光发酵产氢菌。
7.如段落6所述的方法,其中,所述介质与所述去离子水的质量体积比为1:100~5:100。
8.如段落6或7所述的方法,其中,在所述加热溶解后,将所述介质溶液冷却至30℃~40℃。
9.如段落6-8中任一项所述的方法,其中,对于所述暗发酵产氢菌和所述光发酵产氢菌,二者各自的种子溶液与所述溶解后的介质的体积比均为1:1~1:3,且在二者各自的种子溶液中,所述暗发酵产氢菌和所述光发酵产氢菌的浓度均不低于2.0g/L。
10.如段落6-9中任一项所述的方法,其中,所述CaCl2溶液的浓度按w/v计为1%~3%。
11.如段落1-10中任一项所述的方法,其中,对于所述步骤(1)制得的所述固定化的暗发酵产氢菌和所述固定化的光发酵产氢菌,二者的粒径均小于3mm。
12.如段落1-11中任一项所述的方法,其中,所述步骤(2)的所述淀粉质原料选自于粮食作物淀粉、根茎类作物淀粉或上述物质的混合物;优选地,所述粮食作物为玉米、小麦或大米,所述根茎类作物为马铃薯、山药、木薯或甘薯。
13.如段落1-12中任一项所述的方法,其中,所述步骤(2)中,所述淀粉质原料溶液的浓度为5~15g/L。
14.如段落1-13中任一项所述的方法,其中,所述步骤(2)的加热糊化在80℃~120℃的高压蒸汽锅或者高温烘箱中进行。
15.如段落1-14中任一项所述的方法,其中,所述步骤(2)的加热糊化的时间为5~30分钟。
16.如段落1-15中任一项所述的方法,其中,所述步骤(3)中所述的暗发酵培养基的组成为:4g/L蛋白胨、0.5g/LL-半胱氨酸、4g/LNaCl、0.1g/LMgCl2、0.1g/LFeCl2、1.5g/LK2HPO4、10mL维生素液、以及10mL微量元素液;其中,所述维生素液的成分为:0.025g/L抗坏血酸、0.02g/L柠檬酸、0.01g/L叶酸、以及0.01g/L对氨基苯甲酸;所述微量元素液的成分为:0.01g/LMnCl2、0.05g/LZnCl2、0.01g/LH3BO3、0.01g/LCaCl2以及0.01g/LAlK(SO4)2
17.如段落1-16中任一项所述的方法,其中,所述步骤(3)中,所述固定化的暗发酵产氢菌的接种量为:每L所述加热糊化后的溶液加入50g步骤(1)获得的所述固定化的暗发酵产氢菌。
18.如段落1-17中任一项所述的方法,其中,所述步骤(3)中,所述暗发酵的发酵溶液温度为30℃~37℃。
19.如段落1-18中任一项所述的方法,其中,所述步骤(3)中,所述暗发酵溶液的pH值为6.0~7.0。
20.如段落1-19中任一项所述的方法,其中,在将步骤(3)得到的暗发酵尾液沉淀、离心后,用去离子水稀释2-6倍。
21.如段落1-20中任一项所述的方法,其中,所述步骤(4)中,所述光发酵培养基为:0.5g/LKH2PO4、0.6g/LK2HPO4、0.2g/LNaCl、0.2g/LMgSO4、0.05g/LCaCl2·2H2O、2.0g/LNaHCO3、1.87g/L谷氨酸钠、1.0mL维生素液、以及1.0mL微量元素液;其中,所述微量元素液的成分为:2.0g/LEDTA-2Na、2.0g/LFeSO4·7H2O、0.1g/LZnCl2、0.05g/LCu(NO3)2·5H2O、0.1g/LMnCl2·4H2O、以及0.02g/LNiCl2·6H2O;所述维生素液的成分为:0.1g/L生物素、0.35g/L烟酸、0.2g/L对氨基甲苯、0.1g/L泛酸钙、以及0.05g/L维生素B12。
22.如段落1-21中任一项所述的方法,其中,所述步骤(4)中,按照与任选稀释后的暗发酵尾液相等的体积加入光发酵培养基。
23.如段落1-22中任一项所述的方法,其中,所述步骤(4)中,所述固定化的光发酵产氢菌的接种量为:每L所述暗发酵尾液加入50g步骤(1)获得的所述固定化的光发酵产氢菌。
24.如段落1-23中任一项所述的方法,其中,所述步骤(4)中,所述光发酵的发酵溶液温度为28℃~35℃。
25.如段落1-24中任一项所述的方法,其中,所述步骤(4)中,所述光发酵的pH值为6.0~7.0。
26.如段落1-25中任一项所述的方法,其中,所述步骤(4)中,所述光发酵的光照度为2000lux~10000lux。
有益效果
本发明方法的有益效果如下:
首先,通过利用有机介质对菌种进行包埋而代替非固定化的悬浮菌种进行制氢,可以提高发酵溶液中的产氢菌种浓度,以及底物吸附、降解和转化速率。固定化介质内部的产氢菌受到外层介质和菌种的保护,可以提高酶催化的稳定性,有利于实现产氢的稳定性和连续性。菌种进行固定化以后,菌体不易流失,可以缩短生物制氢反应器的水力停留时间,缩小反应器体积,同时提高产氢速率。此外,固定化颗粒和发酵溶液容易分离,反应器操作简单、维护方便,也有利于后续废液处理。在本发明中,使用于海藻酸钠和聚丙烯酰胺作为包埋材料,具备良好的传质性能和透光性,同时仅利用CaCl2作为固化剂,避免了使用琼脂和聚乙烯醇等传质效果差的包埋材料以及硼酸等试剂,同时本发明制备的包埋颗粒直径较小,仅有2.5-3.0mm,可以达到良好的传质、透光效果,并且具备良好的机械强度,有效的提高产氢速率和底物转化率。通过本发明的包埋方法得到的产氢菌种,利用淀粉暗发酵产氢速率可达12mmol/L/h,底物转化率可达99%以上。此外,本发明暗发酵利用淀粉质原料作为产氢底物、光发酵利用暗发酵尾液作为产氢底物,底物利用多样化,菌种选择多元化,并且采用连续耦合发酵方式产氢,非常适合规模化和工业化应用。
另一方面,通过对淀粉质原料进行加热糊化,淀粉的颗粒状结构被打开,具有长链的大分子淀粉被部分转化为短链的小分子糊精、低聚糖和少量的还原糖。短链的小分子糊精、低聚糖和单糖更加容易被产氢菌利用,显著提高了产氢菌对底物的吸收和利用效率,提高了产氢率和产氢速率
此外,本发明通过利用暗发酵与光发酵耦合的两步产氢,显著提高了发酵过程的整体产氢率、产氢速率、底物利用率和能量转化效率。光发酵的进行使得暗发酵尾液中的小分子有机酸等副产物几乎被全部利用,极大地降低了生物制氢过程中的污染物排放。具体而言,暗发酵结束后,光发酵产氢步骤所使用的光发酵细菌在光照条件下可以利用暗发酵尾液中残留的乙酸、丁酸等小分子有机酸副产物进行再次发酵,生成H2和CO2(反应式1)。暗发酵与光发酵耦合的两步产氢法可以将己糖的理论产氢率从单纯暗发酵的4molH2/mol六碳糖提高到12molH2/mol六碳糖(反应式2),突破性地提高了整体发酵过程的理论和实际产氢率。
附图说明
图1是根据本发明方法的工艺流程图。
具体实施方式
下文将详细阐述本发明的利用包埋菌种发酵制取氢气的方法。
对于本发明的包埋菌种的制备步骤(1),本领域技术人员可根据本说明书的记载适当地选择介质和交联剂的种类和浓度,以及光发酵产氢菌种和暗发酵产氢菌种。在一个实施方式中,所述介质为有机介质。优选地,所述有机介质为海藻酸钠、聚丙烯酰胺或二者的混合;所述交联剂为CaCl2。在本发明的一个实施方式中,暗发酵产氢菌种为选自于由丁酸梭菌(Clostridiumbutyricum)、产气肠杆菌(Enterobacteraerogenes)、阴沟肠杆菌(Enterobactercloacae)、热纤维梭菌(Clostridiumthermocellum)、巴氏梭菌(Clostridiumbarati)、嗜热芽孢杆菌(Bacillusthermophilus)所组成的组中的一种或几种。在本发明的一个实施方式中,光发酵产氢菌种选自于红螺菌属(Rhodospirillum)、红假单胞菌属(Rhodopseudanonas)和红杆菌属(Rhodobacter),例如但不限于深红红螺菌(Rhodospirillumrubrum)、沼泽红假单胞菌(Rhodopseudanonaspalustris)、荚膜红假单胞菌(Rhodopseudomonascapsulata)、球形红杆菌(Rhodobactersphaeroides)中的一种或几种。在一个具体的实施方式中,所述包埋法为:将介质与去离子水混合后加热溶解,冷却至不会对细菌的活性产生影响的温度后,分别将介质与暗发酵产氢菌种或光发酵产氢菌种均匀混合,借助注射器注射到作为交联剂的CaCl2溶液中,制备成固定化的暗发酵产氢菌种或固定化的光发酵产氢菌种。在一个实施方式中,所加入的介质与去离子水的质量体积比为1:100~5:100。在一个实施方式中,所述加热溶解后将介质溶液冷却至30℃~40℃。在一个实施方式中,其中,所述产氢菌种的种子溶液与介质的体积比为1:1~1:3,且产氢菌种的种子溶液中所述菌种种子的浓度不低于2.0g/L。在一个实施方式中,所述CaCl2溶液的浓度为1%~3%(w/v)。
对于本发明的加热糊化步骤(2),本领域技术人员可根据本说明书的记载适当地选择淀粉质原料的种类、原料溶液的浓度以及加热糊化的条件。在本发明的一个实施方式中,淀粉质原料为:粮食作物淀粉,例如玉米、小麦、大米等的淀粉;以及根茎类作物淀粉,例如马铃薯、山药、木薯、甘薯等的淀粉;或上述物质的混合物。在本发明的一个实施方式中,淀粉质原料溶液的浓度为5~15g/L。在本发明的一个实施方式中,加热糊化在80℃~120℃的高压蒸汽锅或者加热烘箱中进行。在本发明的一个实施方式中,加热糊化的时间为5~30分钟。
对于本发明的暗发酵产氢步骤(3),本领域技术人员可根据本说明书的记载适当地选择暗发酵培养基的组成、暗发酵培养基加入量、固定化的暗发酵产氢菌种的接种量以及相应的暗发酵条件等。在本发明的一个实施方式中,暗发酵培养基的组成为:4g/L的蛋白胨、0.5g/L的L-半胱氨酸、4g/L的NaCl、0.1g/L的MgCl2、0.1g/L的FeCl2、1.5g/L的K2HPO4、10ml的维生素液、以及10ml的微量元素液;其中,所述维生素液的成分为:0.025g/L抗坏血酸、0.02g/L柠檬酸、0.01g/L叶酸、以及0.01g/L对氨基苯甲酸;所述微量元素液的成分为:0.01g/LMnCl2、0.05g/LZnCl2、0.01g/LH3BO3、0.01g/LCaCl2以及0.01g/LAlK(SO4)2。在本发明的一个实施方式中,按照与加热糊化步骤(2)后得到的溶液相等的体积加入暗发酵培养基。在本发明的一个实施方式中,固定化的暗发酵产氢菌种的接种量为:每L发酵液加入50g步骤(1)获得的固定化的暗发酵产氢菌。在本发明的一个实施方式中,暗发酵的发酵溶液温度为30℃~37℃。在本发明的一个实施方式中,暗发酵的发酵溶液pH值为6.0~7.0。
对于本发明的光发酵产氢步骤(4),本领域技术人员可根据本说明书的记载适当地选择暗发酵尾液的稀释程度、光发酵培养基的组成、光发酵培养基的加入量、固定化的光发酵产氢菌种的接种量以及相应的光发酵条件等。在本发明的一个实施方式中,在将步骤(3)得到的暗发酵尾液沉淀、离心后,用去离子水稀释2-6倍。在本发明的一个实施方式中,所述光发酵培养基为:0.5g/L的KH2PO4、0.6g/L的K2HPO4、0.2g/L的NaCl、0.2g/L的MgSO4、0.05g/L的CaCl2·2H2O、2.0g/L的NaHCO3、1.87g/L的谷氨酸钠、1.0ml的维生素液、以及1.0ml的微量元素液;其中,所述微量元素液的成分为:2.0g/LEDTA-2Na、2.0g/LFeSO4·7H2O、0.1g/LZnCl2、0.05g/LCu(NO3)2·5H2O、0.1g/LMnCl2·4H2O、以及0.02g/LNiCl2·6H2O;所述维生素液的成分为:0.1g/L生物素、0.35g/L烟酸、0.2g/L对氨基甲苯、0.1g/L泛酸钙、以及0.05g/L维生素B12。在本发明的一个实施方式中,按照与稀释后的暗发酵尾液相等的体积加入光发酵培养基。在本发明的一个实施方式中,光发酵产氢菌种的接种量为:每L发酵液加入50g步骤(1)获得的固定化的光发酵产氢菌。在本发明的一个实施方式中,光发酵的发酵溶液温度为28℃~35℃。在本发明的一个实施方式中,光发酵pH值为6.0~7.0。在本发明的一个实施方式中,光发酵的光照度为2000lux~10000lux。
本发明中的暗发酵反应器为现有技术的常规反应器,如塞流式反应器(PFR)、完全混合式反应器(CSTR)、厌氧接触反应器(ACR)、升流式厌氧污泥床(UASB)、升流式固体反应器(USR)、膨胀颗粒污泥床(EGSB)、内循环厌氧反应器(IC)、外循环厌氧反应器(EC)、厌氧序批间歇式反应器(ASBR)、折流式反应器(ABR)、厌氧滤器(AF)、纤维填料床(FPB)、复合厌氧反应器(UBF)、厌氧流化床(FBR)、厌氧膨胀床(ESB)、干发酵反应器(DA)。
本发明中的光发酵反应器为封闭式光生物反应器,可以是柱状式光生物反应器或管状式光生物反应器、板式光生物反应器、光源内置发酵罐式光生物反应器或光导纤维光生物反应器,优选光源内置发酵罐式光生物反应器。
本发明中的气体分离设备包括膜分离器、套管式加热器、水洗塔和除雾器。
实施例
借助于下述实施例可更好地理解本发明,这些实施例仅用于举例说明本发明,不应被解释为对本发明的限制。
本发明实施例中使用的高压蒸汽锅为上海博迅实验有限公司YXQ-LS-75SII型号,加热烘箱为上海博迅实验有限公司GZX-9070MBE型号,光照采用上海博迅实验有限公司SPX-300I-G型号微电脑光照培养箱。所使用的木薯淀粉购自琼中奔鹿淀粉有限公司,玉米淀粉、小麦淀粉和马铃薯淀粉均购自徐州市绿然食品有限公司,海藻酸钠和聚丙烯酰胺均购自国药集团化学试剂有限公司。
本发明实施例使用的暗发酵反应器为内循环厌氧反应器;光发酵反应器为封闭式光生物反应器。
本发明实施例所采用的菌株来源为:
丁酸梭菌:浙江省微生物研究所,编号为20036;
产气肠杆菌:浙江省微生物研究所,编号为20051;
阴沟肠杆菌:浙江省微生物研究所,编号为10450;
热纤维梭菌:浙江省微生物研究所提供,编号为17261;
沼泽红假单胞菌:浙江省微生物研究所,编号为15007;
球形红杆菌:浙江省微生物研究所,编号为18626;
荚膜红假单胞菌:浙江省微生物研究所,编号为13366;
深红红螺菌:浙江省微生物研究所,编号为15005。
在以下的实施例和对比例中,如果没有其它特别说明,所使用的暗发酵培养基和光发酵培养基的组成如下:
暗发酵培养基:4g/L的蛋白胨;0.5g/L的L-半胱氨酸;4g/L的NaCl;0.1g/L的MgCl2;0.1g/L的FeCl2;1.5g/L的K2HPO4;10ml的维生素液;10ml的微量元素液。其中维生素液的成分为(g/L):抗坏血酸,0.025;柠檬酸,0.02;叶酸,0.01;对氨基苯甲酸,0.01。微量元素液(g/L)的成分为:MnCl2,0.01;ZnCl2,0.05;H3BO3,0.01;CaCl2,0.01;AlK(SO4)2,0.01。
光发酵培养基:0.5g/L的KH2PO4;0.6g/L的K2HPO4;0.2g/L的NaCl;0.2g/L的MgSO4;0.05g/L的CaCl2·2H2O;2.0g/L的NaHCO3;1.87g/L的谷氨酸钠;1.0ml的维生素液;1.0ml的微量元素液。其中,微量元素液的成分为(g/L):EDTA-2Na,2.0;FeSO4·7H2O,2.0;ZnCl2,0.1;Cu(NO3)2·5H2O,0.05;MnCl2·4H2O,0.1;NiCl2·6H2O,0.02。维生素液的成分为(g/L):生物素,0.1;烟酸,0.35;对氨基甲苯,0.2;泛酸钙,0.1;维生素B12,0.05。
在各实施例中,根据公式1计算各步骤的产氢率:
产氢率(ml/g淀粉)=(步骤(3)产生气体体积(mL)×气相产物中氢气的体积浓度(%)+步骤(4)产生气体体积(mL)×气相产物中氢气的体积浓度(%))/初始加入的淀粉类生物质的重量(g)(公式1)
在本发明各实施例中,根据如下方法测定发酵尾液中的有机酸:
使用带有氢火焰离子检测器(FID)的气相色谱仪(GC,型号:ThermoFiniganTrace2000,美国)来测定液相成分及其含量。气相色谱仪中的色谱柱型号为DB-Waxtre(φ5mm×2m),实验中程序升温方法:初始温度50℃,保持2min,升温速率为10℃/min,终止温度为210℃,停留2min。运行时载气为He,流量为50ml/min;H2和空气流量分别为35ml/min和350ml/min,检测器温度为280℃,柱温为240℃。测试样pH调至2.0左右,进样量为1.0μl。实验中标准溶液中含有浓度为0.05%(V/V)的乙醇、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和己酸,测试样品得到相应色谱图后,通过出峰时间和峰面积对比得到发酵液的各成分及其含量。
实施例1:利用包埋菌种发酵制取氢气的方法
(1)包埋菌种制备:将按2:100的质量体积比(g/ml,下同)将海藻酸钠和去离子水混合并加热溶解,溶液冷却到30-40℃时,按照海藻酸钠溶液与菌液为1:2(v/v)的比例(菌种浓度均为2.0g/L),分别将介质与暗发酵产氢菌种溶液、光发酵产氢菌种溶液均匀混合,然后借助注射器注射到浓度为1.5%的CaCl2溶液中,制备成固定化的暗发酵产氢菌种和固定化的光发酵产氢菌种。所述暗发酵产氢菌种为丁酸梭菌,所述光发酵产氢菌种为沼泽红假单胞菌。
(2)淀粉质原料的加热糊化:将浓度为10g/L的木薯淀粉溶液置于115℃的高压蒸汽锅中,加热糊化15分钟。
(3)暗发酵产氢:在暗发酵反应器中加入步骤(2)加热糊化后的溶液,按照暗发酵培养基与加热糊化后溶液为1:1的体积比加入暗发酵培养基,随后接入步骤(1)制备的固定化的暗发酵产氢菌种,所述固定化的暗发酵产氢菌种溶液的接种量为:每L发酵液加入50g固定化的暗发酵产氢菌种。控制暗发酵发酵溶液温度为35℃,暗发酵pH值为7.0,保持黑暗厌氧环境,进行暗发酵产氢。不再产生氢气视为发酵结束。发酵结束后收集气相产物H2、CO2,液相产物为暗发酵尾液,所述暗发酵尾液中含有乙酸、丁酸等小分子有机酸。
(4)光发酵产氢:以转速为8000rpm对步骤(4)的暗发酵尾液沉淀离心10分钟,并用去离子水稀释3倍,随后按照光发酵培养基与稀释后的暗发酵尾液为1:1的体积比加入光发酵培养基,并接入步骤(1)制备的固定化的光发酵产氢菌种。所述固定化的光发酵产氢菌种溶液的接种量为:每L发酵液加入50g固定化的光发酵产氢菌种。控制光发酵发酵溶液温度为30℃,光发酵pH值为7.0,光照度为6000lux,保持厌氧环境,进行光发酵产氢。不再产生氢气视为发酵结束。发酵结束后收集气相产物H2和CO2
(5)纯化:将步骤(3)和步骤(4)的气相产物合并,并对H2进行纯化,获得H2产品。
对尾液中的有机酸进行测定并对整个发酵过程中的产氢率、最大产氢速率进行测定。暗发酵尾液中的乙酸、丁酸等小分子有机酸几乎被全部利用。本实施例所获得的总产氢率为840ml/g淀粉。
实施例2:利用包埋菌种发酵制取氢气的方法
(1)包埋菌种制备:将按5:100的质量体积比将聚丙烯酰胺和去离子水混合并加热溶解,溶液冷却到30-40℃时,按照聚丙烯酰胺与菌液为1:3(v/v)的比例(菌种浓度均为2.0g/L),分别将介质与暗发酵产氢菌种溶液、光发酵产氢菌种溶液均匀混合,然后借助注射器注射到浓度为3.0%的CaCl2溶液中,制备成固定化的暗发酵产氢菌种和固定化的光发酵产氢菌种。所述暗发酵产氢菌种为产气肠杆菌,所述光发酵产氢菌种为球形红杆菌。
(2)淀粉质原料的加热糊化:将浓度为5g/L的玉米淀粉溶液置于120℃的高温烘箱中,加热糊化10分钟。
(3)暗发酵产氢:在暗发酵反应器中加入步骤(2)加热糊化后的溶液,按照暗发酵培养基与加热糊化后溶液为1:1的体积比加入暗发酵培养基,随后接入步骤(1)制备的固定化的暗发酵产氢菌种,所述固定化的暗发酵产氢菌种溶液的接种量为:每L发酵液加入50g固定化的暗发酵产氢菌种。控制暗发酵发酵溶液温度为33℃,暗发酵pH值为6.8,保持黑暗厌氧环境,进行暗发酵产氢。不再产生氢气视为发酵结束。发酵结束后收集气相产物H2、CO2,液相产物为暗发酵尾液,所述暗发酵尾液中含有乙酸、丁酸等小分子有机酸。
(4)光发酵产氢:以转速为8000rpm对步骤(4)的暗发酵尾液沉淀离心10分钟,并用去离子水稀释3倍,随后按照光发酵培养基与稀释后的暗发酵尾液为1:1的体积比加入光发酵培养基,并接入步骤(1)制备的固定化的光发酵产氢菌种。所述固定化的光发酵产氢菌种溶液的接种量为:每L发酵液加入50g固定化的光发酵产氢菌种。控制光发酵发酵溶液温度为28℃,光发酵pH值为6.2,光照度为4000lux,保持厌氧环境,进行光发酵产氢。不再产生氢气视为发酵结束。发酵结束后收集气相产物H2和CO2
(5)纯化:将步骤(3)和步骤(4)的气相产物合并,并对H2进行纯化,获得H2产品。
对尾液中的有机酸进行测定并对整个发酵过程中的产氢率、最大产氢速率进行测定。暗发酵尾液中的乙酸、丁酸等小分子有机酸几乎被全部利用。本实施例所获得的总产氢率为802ml/g淀粉。
实施例3:利用包埋菌种发酵制取氢气的方法
(1)包埋菌种制备:将按1:1:100的质量体积比将海藻酸钠、聚丙烯酰胺和去离子水混合并加热溶解,溶液冷却到30-40℃时,按照海藻酸钠-聚丙烯酰胺溶液与菌液为1:1(v/v)的比例(菌种浓度均为2.0g/L),分别将介质与暗发酵产氢菌种溶液、光发酵产氢菌种溶液均匀混合,然后借助注射器注射到浓度为1.0%的CaCl2溶液中,制备成固定化的暗发酵产氢菌种和固定化的光发酵产氢菌种。所述暗发酵产氢菌种为阴沟肠杆菌,所述光发酵产氢菌种为荚膜红假单胞菌。
(2)淀粉质原料的加热糊化:将浓度为15g/L的马铃薯溶液置于105℃的高温烘箱中,加热糊化25分钟。
(3)暗发酵产氢:在暗发酵反应器中加入步骤(2)加热糊化后的溶液,按照暗发酵培养基与加热糊化后溶液为1:1的体积比加入暗发酵培养基,随后接入步骤(1)制备的固定化的暗发酵产氢菌种,所述固定化的暗发酵产氢菌种溶液的接种量为:每L发酵液加入50g固定化的暗发酵产氢菌种。控制暗发酵发酵溶液温度为36℃,暗发酵pH值为7.0,保持黑暗厌氧环境,进行暗发酵产氢。不再产生氢气视为发酵结束。发酵结束后收集气相产物H2、CO2,液相产物为暗发酵尾液,所述暗发酵尾液中含有乙酸、丁酸等小分子有机酸。
(4)光发酵产氢:以转速为8000rpm对步骤(4)的暗发酵尾液沉淀离心10分钟,并用去离子水稀释3倍,随后按照光发酵培养基与稀释后的暗发酵尾液为1:1的体积比加入光发酵培养基,并接入步骤(1)制备的固定化的光发酵产氢菌种。所述固定化的光发酵产氢菌种溶液的接种量为:每L发酵液加入50g固定化的光发酵产氢菌种。控制光发酵发酵溶液温度为32℃,光发酵pH值为6.0,光照度为10000lux,保持厌氧环境,进行光发酵产氢。不再产生氢气视为发酵结束。发酵结束后收集气相产物H2和CO2
(5)纯化:将步骤(3)和步骤(4)的气相产物合并,并对H2进行纯化,获得H2产品。
对尾液中的有机酸进行测定并对整个发酵过程中的产氢率、最大产氢速率进行测定。暗发酵尾液中的乙酸、丁酸等小分子有机酸几乎被全部利用。本实施例所获得的总产氢率为825ml/g淀粉。
对比例1:不经过对菌种进行包埋获得的结果
与实施例1类似,不经过步骤(1)的包埋,而采用游离的暗发酵产氢菌种和光发酵产氢菌种。随后的加热糊化、暗发酵产氢、光发酵产氢和纯化均与实施例1相同。对整个发酵过程中的产氢率进行测定。得到的产氢率为628ml/g淀粉。
对比例2:采用其它包埋方法
采用如下介质和交联剂对菌种进行包埋:对暗发酵产氢菌种进行包埋的介质为聚乙烯醇:海藻酸钠:活性炭粉末=8:2:2,交联剂CaCl2的浓度为0.8wt%。对光发酵产氢菌种进行包埋的介质为聚乙烯醇:海藻酸钠:卡拉胶粉末=7:3.5:0.5,交联剂为0.8wt%的CaCl2溶液,并加入硼酸至饱和。用蠕动泵和磁力搅拌器来制备包埋菌种。与实施例1采用相同的的暗发酵产氢菌种和光发酵产氢菌种。随后的加热糊化、暗发酵产氢、光发酵产氢和纯化均与实施例1相同。对整个发酵过程中的产氢率进行测定。得到的产氢率为476ml/g淀粉。

Claims (9)

1.一种利用包埋菌种对淀粉质原料进行发酵制取氢气的方法,所述方法包含如下步骤:
(1)包埋菌种的制备:利用包埋法,分别用介质将暗发酵产氢菌和光发酵产氢菌包埋,并注入交联剂,制备成固定化的暗发酵产氢菌和固定化的光发酵产氢菌;
(2)淀粉质原料的加热糊化:将作为发酵底物的淀粉质原料溶液加热糊化;
(3)暗发酵产氢:在暗发酵反应器中加入步骤(2)加热糊化后的溶液,接入步骤(1)制备的固定化的暗发酵产氢菌种和暗发酵培养基进行暗发酵,将气相产物导出;
(4)光发酵产氢:将步骤(3)得到的暗发酵尾液沉淀、离心后,作为光发酵产氢的底物,接入步骤(1)制备的固定化的光发酵产氢菌种和光发酵培养基进行光发酵,将气相产物导出;
(5)纯化:将步骤(3)和步骤(4)的气相产物合并,并对H2进行纯化。
2.如权利要求1所述的方法,其中,所述步骤(1)具有如下条件中的一个或多个:
所述介质为海藻酸钠、聚丙烯酰胺或二者的混合物;和/或所述交联剂为CaCl2
所述的暗发酵产氢菌种为选自于由丁酸梭菌、产气肠杆菌、阴沟肠杆菌、巴氏梭菌、嗜热芽孢杆菌、热纤维梭菌所组成的组中的一种或几种;和/或
所述光发酵产氢菌种为选自于红螺菌属、红假单胞菌属或红杆菌属细菌的一种或几种、优选深红红螺菌、沼泽红假单胞菌、荚膜红假单胞菌、球形红杆菌中的一种或几种。
3.如权利要求1或2所述的方法,其中,所述包埋法为:将所述介质与去离子水混合后加热溶解,冷却至不会对菌的活性产生影响的温度后,分别将溶解后的介质与所述暗发酵产氢菌和所述光发酵产氢菌均匀混合,借助注射器注射到所述交联剂中,制备成固定化的暗发酵产氢菌和固定化的光发酵产氢菌。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法,其中,所述包埋法具有如下条件的一个或多个:
所述介质与所述去离子水的质量体积比为1:100~5:100;
在所述加热溶解后,将所述介质溶液冷却至30℃~40℃;
对于所述暗发酵产氢菌和所述光发酵产氢菌,二者各自的种子溶液与所述溶解后的介质的体积比均为1:1~1:3,且在二者各自的种子溶液中,所述暗发酵产氢菌和所述光发酵产氢菌的浓度均不低于2.0g/L;和/或
所述CaCl2溶液的浓度按w/v计为1%~3%。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法,其中,对于所述步骤(1)制得的所述固定化的暗发酵产氢菌和所述固定化的光发酵产氢菌,二者的粒径均小于3mm。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法,其中,所述步骤(2)具有如下条件中的一个或多个:
所述淀粉质原料选自于粮食作物淀粉、根茎类作物淀粉或上述物质的混合物;优选地,所述粮食作物为玉米、小麦或大米,所述根茎类作物为马铃薯、山药、木薯或甘薯;
所述淀粉质原料溶液的浓度为5~15g/L;
所述加热糊化在80℃~120℃的高压蒸汽锅或者高温烘箱中进行;和/或
所述加热糊化的时间为5~30分钟。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法,其中,所述步骤(3)具有如下条件中的一个或多个:
所述的暗发酵培养基的组成为:4g/L蛋白胨、0.5g/LL-半胱氨酸、4g/LNaCl、0.1g/LMgCl2、0.1g/LFeCl2、1.5g/LK2HPO4、10mL维生素液、以及10mL微量元素液;其中,所述维生素液的成分为:0.025g/L抗坏血酸、0.02g/L柠檬酸、0.01g/L叶酸、以及0.01g/L对氨基苯甲酸;所述微量元素液的成分为:0.01g/LMnCl2、0.05g/LZnCl2、0.01g/LH3BO3、0.01g/LCaCl2以及0.01g/LAlK(SO4)2
所述固定化的暗发酵产氢菌的接种量为:每L所述加热糊化后的溶液加入50g步骤(1)获得的所述固定化的暗发酵产氢菌;
所述暗发酵的发酵溶液温度为30℃~37℃;和/或
所述暗发酵溶液的pH值为6.0~7.0。
8.如权利要求1-7中任一项所述的方法,其中,在将步骤(3)得到的暗发酵尾液沉淀、离心后,用去离子水稀释2-6倍。
9.如权利要求1-8中任一项所述的方法,其中,所述步骤(4)具有如下条件中的一个或多个:
所述光发酵培养基为:0.5g/LKH2PO4、0.6g/LK2HPO4、0.2g/LNaCl、0.2g/LMgSO4、0.05g/LCaCl2·2H2O、2.0g/LNaHCO3、1.87g/L谷氨酸钠、1.0mL维生素液、以及1.0mL微量元素液;其中,所述微量元素液的成分为:2.0g/LEDTA-2Na、2.0g/LFeSO4·7H2O、0.1g/LZnCl2、0.05g/LCu(NO3)2·5H2O、0.1g/LMnCl2·4H2O、以及0.02g/LNiCl2·6H2O;所述维生素液的成分为:0.1g/L生物素、0.35g/L烟酸、0.2g/L对氨基甲苯、0.1g/L泛酸钙、以及0.05g/L维生素B12;
按照与任选稀释后的暗发酵尾液相等的体积加入光发酵培养基;
所述固定化的光发酵产氢菌的接种量为:每L所述暗发酵尾液加入50g步骤(1)获得的所述固定化的光发酵产氢菌;
所述光发酵的发酵溶液温度为28℃~35℃;
所述光发酵的pH值为6.0~7.0;和/或
所述光发酵的光照度为2000lux~10000lux。
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