CN107623139B - 微生物连续发酵玉米秸秆水解液产电方法及电池 - Google Patents

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Abstract

一种微生物连续发酵玉米秸秆水解液产电方法及电池，所述方法包括将玉米秸秆水解得到玉米秸秆水解液；用热醋穆尔氏菌菌液在厌氧环境发酵玉米秸秆水解液得到培养液；将所述培养液和硫还原地杆菌菌液注入用质子交换膜隔离的双室容器，厌氧环境下反应，从双室容器的电极输出电能。所述电池包括：用质子交换膜隔离的双室容器，设置在双室容器两个室的阳极和阴极，以及所述双室容器中的N2‑CO2混合气体、硫还原地杆菌菌液以及用热醋穆尔氏菌发酵玉米秸秆水解液得到的培养液。本发明将农业废弃物玉米秸秆通过生物工程的方式转化为电能，实现了绿色产电的同时实现农业废弃物的高效资源化利用。

Description

微生物连续发酵玉米秸秆水解液产电方法及电池
技术领域
本发明涉及生物新能源技术领域，特别涉及微生物连续发酵玉米秸秆水解液产电方法，以及微生物发酵玉米秸秆水解液生物燃料电池。
背景技术
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂（一般为氧气）在阴极得到电子被还原与质子结合成水。
但是目前的微生物燃料电池技术中的微生物都是利用纯的化合物来产电，如葡萄糖，乙醇等。利用农业废弃物，如玉米秸秆，还未见相关文献公开。
发明内容
本发明的目的是提供一种微生物连续发酵玉米秸秆水解液产电方法，以将农业废弃物玉米秸秆通过生物工程的方式转化为电能，实现绿色产电的同时实现农业废弃物的高效资源化利用。
为达上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种微生物连续发酵玉米秸秆水解液产电方法，所述微生物连续发酵玉米秸秆水解液产电方法包括：
将玉米秸秆水解得到玉米秸秆水解液；
用热醋穆尔氏菌菌液在厌氧环境发酵玉米秸秆水解液得到培养液；
将所述培养液和硫还原地杆菌菌液注入用质子交换膜隔离的双室容器，厌氧环境下反应，从双室容器的电极输出电能。
优选地，所述玉米秸秆水解包括用 1% H2SO4 与玉米秸秆混合反应，1% H2SO4和玉米秸秆的质量比为1：5～15，反应温度110℃～130℃，反应时间20分钟～40分钟。
优选地，所述热醋穆尔氏菌菌液和所述硫还原地杆菌菌液分别由热醋穆尔氏菌和硫还原地杆菌在培养基振荡培养得到，所述培养基由10 g/L 木糖，1.0g (NH4)2SO4, 0.25gMgSO4·7H2O, 0.04 g Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O, 0.24 mg NiCl2·6H2O, 0.29 mg ZnSO4·7H2O, 0.017 mg Na2SeO3, 0.25 g cysteine·HCl·H2O, 5g 酵母提取液, 7.5 g KH2PO4,4.4 g K2HPO4, 0.415 g NaOH, 5g NaHCO3 构成。优选地，所述振荡培养在恒温摇床进行，反应温度为50℃～70℃，摇床转速80rpm～120 rpm，培养时间为20小时～30小时。
优选地，所述的用热醋穆尔氏菌菌液在厌氧环境发酵玉米秸秆水解液包括：
调节玉米秸秆水解液的pH值至6.7～6.9；
按体积比1：8～12，将热醋穆尔氏菌菌液接种至玉米秸秆水解液；
注入N2-CO2混合气体；
50℃～70℃恒温振荡培养4～6天；
离心去除微生物，获得培养液。
优选地，所述培养液和硫还原地杆菌菌液的体积比为27：1～3。
本发明还提供了一种微生物发酵玉米秸秆水解液生物燃料电池，所述生物燃料电池包括：用质子交换膜隔离的双室容器，设置在双室容器两个室的阳极和阴极，以及所述双室容器中的N2-CO2混合气体、硫还原地杆菌菌液以及用热醋穆尔氏菌发酵玉米秸秆水解液得到的培养液。
在上述的微生物发酵玉米秸秆水解液生物燃料电池中，优选地，所述培养液和硫还原地杆菌菌液的体积比为27：1～3。
在上述的微生物发酵玉米秸秆水解液生物燃料电池中，优选地，所述阳极由浸渍1M HCl 的40%防水碳布制成，所述阴极由浸渍1 M HCl 的含0.5 mg/cm2 铂金的40%防水碳布制成。
在上述的微生物发酵玉米秸秆水解液生物燃料电池中，优选地，所述玉米秸秆水解液的pH值为6.7～6.9。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明通过硫还原地杆菌氧化还原米秸秆水解液产电，将农业废弃物玉米秸秆通过生物工程的方式转化为电能，绿色产电的同时实现了农业废弃物的高效资源化利用。
经实验，本发明微生物燃料电池工作24小时，即可产电319 mV；连续工作5天，输出电压基本稳定在390 mV。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：
（1）玉米秸秆的水解
利用 1% H2SO4 与玉米秸秆以质量比为 10% (w/w) 的比例混合，并在 121℃ 下反应30分钟，得到玉米秸秆水解液。
（2）菌种的培养
将热醋穆尔氏菌和硫还原地杆菌分别在10 g/L 木糖，1.0 g (NH4)2SO4, 0.25 gMgSO4·7H2O, 0.04 g Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O, 0.24 mg NiCl2·6H2O, 0.29 mg ZnSO4·7H2O, 0.017 mg Na2SeO3, 0.25 g cysteine·HCl·H2O, 5 g 酵母提取液, 7.5 gKH2PO4, 4.4 g K2HPO4, 0.415 g NaOH, 5 g NaHCO3 的培养基中，转速100 rpm的摇床，温度60 ℃培养24小时，制得热醋穆尔氏菌菌液和硫还原地杆菌菌液。
（3）热醋穆尔氏菌发酵玉米秸秆水解液
将（1）中获得的玉米秸秆水解液的pH值调至6.8。取20 mL （2）中制备的热醋穆尔氏菌菌液，接种至 200 mL 玉米秸秆水解液中。接种后，摇瓶中用N2-CO2 (80%: 20%, v/v)的混合气体充气10分钟，使瓶内处于厌氧环境。在60 ℃下，在摇床上以转速100 rpm密封培养5天。而后，将其以5000 g的转速离心，去除微生物，只留取培养液。
（4）构建微生物燃料电池
构建一个双室微生物电池，每一室容积为350ml，其间导入270ml由（3）获得的培养液，并接种20ml由（2）培养获得的硫还原地杆菌菌液，且用N2-CO2 (80%: 20%, v/v)的混合气体充气10分钟，使瓶内处于厌氧环境。两室间用4.90 cm2 的质子交换膜(Dupont,Nafion 117, DE) 隔离。将40%防水碳布(Fuel Cell Earth, CCP20, Wakefield, MA)作为阳极，将混有0.5 mg/cm2 铂金的40%防水碳布(Fuel Cell Earth, CCP20, Wakefield,MA)作为阴极，将电极裁成3.5 cm × 6.0 cm 的尺寸，浸入1 M HCl ，24后用蒸馏水润洗，而后电极分别插入两室。
上述构建的连续发酵微生物燃料电池工作24小时，即可产电319 mV；连续工作5天，输出电压基本稳定在390 mV。
实施例2：
一种微生物发酵玉米秸秆水解液生物燃料电池，包括用质子交换膜隔离的双室容器，设置在双室容器两个室的阳极和阴极，以及所述双室容器中的N2-CO2混合气体、硫还原地杆菌菌液以及用热醋穆尔氏菌发酵玉米秸秆水解液得到的培养液。其中，所述培养液和硫还原地杆菌菌液的体积比为27：2。所述阳极由浸渍1 M HCl 的40%防水碳布制成，所述阴极由浸渍1 M HCl 的含0.5 mg/cm2 铂金的40%防水碳布制成。所述玉米秸秆水解液的pH值为6.8。
上述通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，这些详细的说明仅仅限于帮助本领域技术人员理解本发明的内容，并不能理解为对本发明保护范围的限制。本领域技术人员在本发明构思下对上述方案进行的各种润饰、等效变换等均应包含在本发明的保护范围内。
一种微生物连续发酵玉米秸秆水解液产电方法及电池，所述方法包括将玉米秸秆水解得到玉米秸秆水解液；用热醋穆尔氏菌菌液在厌氧环境发酵玉米秸秆水解液得到培养液；将所述培养液和硫还原地杆菌菌液注入用质子交换膜隔离的双室容器，厌氧环境下反应，从双室容器的电极输出电能。所述电池包括：用质子交换膜隔离的双室容器，设置在双室容器两个室的阳极和阴极，以及所述双室容器中的N2-CO2混合气体、硫还原地杆菌菌液以及用热醋穆尔氏菌发酵玉米秸秆水解液得到的培养液。本发明将农业废弃物玉米秸秆通过生物工程的方式转化为电能，实现了绿色产电的同时实现农业废弃物的高效资源化利用。

Claims (9)

1.一种微生物连续发酵玉米秸秆水解液产电方法，其特征在于：所述微生物连续发酵玉米秸秆水解液产电方法包括将玉米秸秆水解得到玉米秸秆水解液，并将玉米秸秆水解液的pH值调节至6.7～6.9；
按体积比1：8～12，将热醋穆尔氏菌菌液接种至玉米秸秆水解液，注入N2 -CO2 混合气体，50℃～70℃恒温振荡培养4～6天，离心去除微生物，获得培养液；
将所述培养液和硫还原地杆菌菌液注入用质子交换膜隔离的双室容器，厌氧环境下反应，从双室容器的电极输出电能。
2.根据权利要求1所述的微生物连续发酵玉米秸秆水解液产电方法，其特征在于：所述玉米秸秆水解包括用1％H2 SO4 与玉米秸秆混合反应，1％H2 SO4 和玉米秸秆的质量比为1：5～15，反应温度110℃～130℃，反应时间20分钟～40分钟。
3.根据权利要求1所述的微生物连续发酵玉米秸秆水解液产电方法，其特征在于：所述热醋穆尔氏菌菌液和所述硫还原地杆菌菌液分别由热醋穆尔氏菌和硫还原地杆菌在培养基振荡培养得到，所述培养基由10g/L木糖，
1.0g(NH4 )2 SO4 ,0.25gMgSO4 ·7H2 O,0.04gFe(NH4 )2 (SO4 )2 ·6H2 O,0.24mgNiCl2·6H2O,0.29mgZnSO4·7H2O,0.017mgNa2SeO3,0.25gc ysteine·HCl·H2O,5g酵母提取液，
7.5gKH2 PO4 ,4.4gK2 HPO4 ,0.415gNaOH,5gNaHCO3 构成。
4.根据权利要求3所述的微生物连续发酵玉米秸秆水解液产电方法，其特征在于：所述振荡培养在恒温摇床进行，反应温度为50℃～70℃，摇床转速80rpm～120rpm，培养时间为20小时～30小时。
5.根据权利要求1所述的微生物连续发酵玉米秸秆水解液产电方法，其特征在于：所述培养液和硫还原地杆菌菌液的体积比为27：1～3。
6.一种微生物发酵玉米秸秆水解液生物燃料电池，其特征在于，所述生物燃料电池包括：用质子交换膜隔离的双室容器，设置在双室容器两个室的阳极和阴极，以及所述双室容器中的N2 -CO2 混合气体、硫还原地杆菌菌液以及用热醋穆尔氏菌发酵玉米秸秆水解液得到的培养液。
7.根据权利要求6所述的微生物发酵玉米秸秆水解液生物燃料电池，其特征在于：所述培养液和硫还原地杆菌菌液的体积比为27：1～3。
8.根据权利要求6所述的微生物发酵玉米秸秆水解液生物燃料电池，其特征在于：所述阳极由浸渍1MHCl的40％防水碳布制成，所述阴极由浸渍1MHCl的含0.5mg/cm2 铂金的40％防水碳布制成。
9.根据权利要求8所述的微生物发酵玉米秸秆水解液生物燃料电池，其特征在于：所述玉米秸秆水解液的pH值为6.7～6.9。
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