CN108517337A - 一种促进二氧化碳生物转化为甲烷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种促进二氧化碳生物转化为甲烷的方法，在通用无机盐培养基中接种产甲烷菌液，加入含铁矿石并通入二氧化碳气体进行培养，收获甲烷。与现有技术相比，本发明在常压下进行，具有成本低、操作简单等优势。
Description
技术领域
本发明涉及二氧化碳资源化利用领域，尤其涉及一种促进二氧化碳生物转化为甲烷的方法。
背景技术
人类的工业活动燃烧大量化石燃料，导致大气中二氧化碳浓度不断上升，温室效应日益严重。如何控制并减少大气中的二氧化碳含量成为各国研究热点。二氧化碳捕获与利用(CCU)就是捕集大气中的二氧化碳并将其转化为高附加值化学品的方法。此方法即可降低大气中二氧化碳的含量，又可生产高附加值的化学品或燃料。二氧化碳的化学转化往往需要高温、高压和特定催化剂，其能耗大，成本高，易造成污染。利用生物法转化二氧化碳在常温常压下即可进行，降低能耗，经济环保，节约成本，其潜在经济价值高。
公开号为CN103670347A的中国专利公布了一种活化油藏中产甲烷菌转化二氧化碳生产甲烷的方法，该方法包括如下步骤：(1)分析确定目标油藏流体中至少存在互营单胞菌或热袍菌中的一种菌，同时存在下列菌中的至少一种：甲烷杆菌、嗜热甲烷杆菌、甲烷绳菌、甲烷螺菌、甲烷囊菌；(2)向油藏中注入乙酸或乙酸盐，使油藏水中乙酸或乙酸盐浓度为5.0～10.0mM；(3)收获甲烷。该专利技术通过注入短链有机酸盐，刺激互营单胞菌(Syntrophomonadaceae)或/和热袍菌(Thermotogaceae)生长代谢，进而激活下游二氧化碳还原型产甲烷菌，由此提高还原CO2产甲烷的速率。
中国专利申请CN106544369A公开了一种促进油藏微生物转化二氧化碳产甲烷的方法，包括以下步骤：(1)分析确定目标油藏地层水中至少存在一种能够利用氢气还原二氧化碳的产甲烷菌；(2)筛选目标油藏地层水pH为6.0～8.0；(3)向目标油藏地层水中注入电子供体，电子供体与目标油藏地层水的质量体积比(w/v)为2～40g/L；(4)收获甲烷气体。电子供体转化产生的氢气是产甲烷的重要前体，同时，产生的离子也可作为微生物生长代谢等活动的重要元素之一，该发明充分利用油藏内源微生物，采用零价铁、铝、锌作为电子供体，提高了二氧化碳生物转化为甲烷的速率。该方法采用零价铁、铝、锌作为电子供体，材料需要制备获得，成本高，且保存条件比较苛刻，在使用过程中需要采取严格的保护措施使其不发生化学反应，施工要求高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作简单、成本低廉、环境友好、条件温和、效率高的促进二氧化碳生物转化为甲烷的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种促进二氧化碳生物转化为甲烷的方法，其特征在于，在通用无机盐培养基中接种产甲烷菌液，加入含铁矿石并通入二氧化碳气体进行培养，收获甲烷。
产甲烷菌在目的水平上包括但不限于：甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)、甲烷杆菌目(Methanobacteriales)、甲烷球菌目(Methanococcales)、甲烷微菌目(Methanomicrobiales)和甲烷胞菌目(Methanocellales)。
所加入的含铁矿石包括但不限于赤铁矿(主成分为Fe2O3)、褐铁矿(主成分为Fe2O3·3H2O)、镜铁矿(主成分为Fe2O3)、磁铁矿(主成分为Fe3O4)以及以上矿石主要成分物质。
所加入的含铁矿石为30～60目，与通用无机盐培养基的质量体积比10～300g/L。
培养温度为15～65℃，pH为6.0～8.0。
所述的通用无机盐培养基(g/L)：NaCl，1；MgCl2×6H2O，0.4；NH4Cl，0.25；KCl，0.5；CaCl2×2H2O，0.1；KH2PO4，0.2；NaHCO3，4；半胱氨酸盐酸钠：0.5。
培养装置中加入上述培养基、含铁矿石和二氧化碳气体，接种含有产甲烷菌的菌系，接种量为2～20％，在常压、避光条件下培养。
氢营养型产甲烷菌是一类严格厌氧的可利用氢气或电子还原二氧化碳产生甲烷的微生物。对某些产甲烷菌系(如油藏中产甲烷菌系等)而言，含铁矿石可作为菌种之间进行直接或间接电子传递的媒介等，由此促进了甲烷的生成。
与现有技术相比，本发明的有益效果：直接利用天然的含铁矿石加速生化反应，大大降低了现有技术中因采用零价铁或其他零价金属加速生化反应所需的制备另加金属的冶炼等成本，同时还能避免了制备零价金属过程中的能耗和二氧化碳的排放。本发明采用含铁矿石加速生化反应，原料来源广泛，成本低廉，易于操作。在本发明中使用三种常见的铁氧化物，具有明显的效果。这说明在实际应用中，使用锈蚀的铁可刺激二氧化碳生物转化为甲烷，既实现了废物利用。
总之，与现有技术比较，本发明在无外加能量，常压环境中利用微生物将二氧化碳转化为甲烷，反应条件温和，操作简单，原料来源广泛，可适用范围广泛，成本低廉，能耗低，无环境污染。本发明显著降低了成本，提高了天然条件下CO2生化转化甲烷的速率，显著提升了技术效果。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
(1)无机盐培养基配置
无机盐培养基(g/L)：NaCl，1；MgCl×6H2O，0.4；NH4Cl，0.25；KCl，0.5；CaCl2×2H2O，0.1；KH2PO4，0.2；NaHCO3，4；半胱氨酸盐酸钠：0.5。无机盐培养基pH调至6.0。
(2)培养
培养装置中加入7.1g经过45目筛子筛选过的磁铁矿，47mL培养基，顶空吹扫二氧化碳气体，密封。灭菌后接种3mL Methanosarcina barkeri菌液(Methanosarcinales目中的巴氏甲烷八叠球菌，来自中国农业部沼气科学研究所微生物中心，保藏号ACCC 00570)。在室温常压避光条件下培养。经过92天的培养，甲烷总产量为2.200μmol，产甲烷的平均速率为3.347nmol/(d·g磁铁矿)。
实施例2：
(1)无机盐培养基配置
无机盐培养基(g/L)：NaCl，1；MgCl×6H2O，0.4；NH4Cl，0.25；KCl，0.5；CaCl2×2H2O，0.1；KH2PO4，0.2；NaHCO3，4；半胱氨酸盐酸钠：0.5。无机盐培养基pH调至7.3。
(2)培养
培养装置中加入0.5g经过40目筛子筛选过的赤铁矿，40mL培养基，顶空吹扫二氧化碳气体，密封。灭菌后接种10mL Methanobacterium bryantii菌液(Methanobacteriales目中的布氏甲烷杆菌属，来自中国农业部沼气科学研究所微生物中心，保藏号ACCC00139)，在37℃常压避光条件下培养。经过137天的培养，甲烷总产量为0.135μmol，产甲烷的平均速率为1.978nmol/(d·g赤铁矿)。
实施例3：
(1)无机盐培养基配置
无机盐培养基(g/L)：NaCl，1；MgCl×6H2O，0.4；NH4Cl，0.25；KCl，0.5；CaCl2×2H2O，0.1；KH2PO4，0.2；NaHCO3，4；半胱氨酸盐酸钠：0.5。无机盐培养基pH调至6.8。
(2)培养
培养装置中加入2.0g经过60目筛子筛选过的镜铁矿，45mL培养基，顶空吹扫二氧化碳气体，密封。灭菌后接种5mL含有Methanosarcina mazei的菌系(Methanosarcinales目中的甲烷八叠球菌属，该菌系是我实验室独自分离得到。)，在40℃常压避光条件下培养。经过151天的培养，该体系中甲烷总产量为0.136μmol，产甲烷的平均速率为0.451nmol/(d·g镜铁矿)。
实施例4：
(1)无机盐培养基配置
无机盐培养基(g/L)：NaCl，1；MgCl×6H2O，0.4；NH4Cl，0.25；KCl，0.5；CaCl2×2H2O，0.1；KH2PO4，0.2；NaHCO3，4；半胱氨酸盐酸钠：0.5。无机盐培养基pH调至7.0。
(2)培养
培养装置中加入16.9g经过30目筛子筛选过褐铁矿，47mL培养基，顶空吹扫二氧化碳气体，密封。灭菌后接种3mL胜利油田产出液(主要产甲烷菌为甲烷杆菌目(Methanobacteriales)、甲烷微菌目(Methanomicrobiales)和甲烷胞菌目(Methanocellales)，该菌系由本实验室培养保存，见马蕾等在《Energy》发表的文献，DOI：10.1016/j.energy.2018.01.087)，在65℃常压避光条件下培养。经过89天的培养，甲烷总产量为0.458μmol，产甲烷的平均速率为0.304nmol/(d·g褐铁矿)。
实施例5：
(1)无机盐培养基配置
无机盐培养基(g/L)：NaCl，1；MgCl×6H2O，0.4；NH4Cl，0.25；KCl，0.5；CaCl2×2H2O，0.1；KH2PO4，0.2；NaHCO3，4；半胱氨酸盐酸钠：0.5。无机盐培养基pH调至7.0。
(2)培养
培养装置中加入5.6g Fe2O3，45mL培养基，顶空吹扫二氧化碳气体，密封。灭菌后接种5mL含有产甲烷菌的菌系，该菌系含有Methanosarcina mazei的菌液(Methanosarcinales目中的甲烷八叠球菌属，该菌系是我实验室独自分离得到。)，在25℃常压避光条件下培养。经过98天的培养，该体系中甲烷总产量为0.251μmol，产甲烷的平均速率为0.457nmol/(d·g Fe2O3)。
实施例6：
(1)无机盐培养基配置
无机盐培养基(g/L)：NaCl，1；MgCl×6H2O，0.4；NH4Cl，0.25；KCl，0.5；CaCl2×2H2O，0.1；KH2PO4，0.2；NaHCO3，4；半胱氨酸盐酸钠：0.5。无机盐培养基pH调至8.0。
(2)培养
培养装置中加入15.0g Fe2O3·3H2O，47mL培养基，顶空吹扫二氧化碳气体，密封。灭菌后接种3mL克拉玛依油田产出液(主要产甲烷菌为甲烷杆菌目(Methanobacteriales)、甲烷微菌目(Methanomicrobiales)和甲烷胞菌目(Methanocellales)，该菌系由本实验室培养保存，见管婧等在《International Biodeterioration&Biodegradation》发表的论文，DOI：10.1016/j.ibiod.2012.06.021)，在15℃常压避光条件下培养。经过73天的培养，甲烷总产量为2.275μmol，产甲烷的平均速率为2.078nmol/(d·g Fe2O3·3H2O)。
实施例7：
(1)无机盐培养基配置
无机盐培养基(g/L)：NaCl，1；MgCl×6H2O，0.4；NH4Cl，0.25；KCl，0.5；CaCl2×2H2O，0.1；KH2PO4，0.2；NaHCO3，4；半胱氨酸盐酸钠：0.5。无机盐培养基pH调至7.2。
(2)培养
培养装置中加入1.163g Fe3O4，47mL培养基，顶空吹扫二氧化碳气体，密封。灭菌后接种3mL华北油田产出液(主要产甲烷菌为甲烷杆菌目(Methanobacteriales)、甲烷微菌目(Methanomicrobiales)和甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)，该菌系由本实验室培养保存，见杨广超等在《Journal of Bioscience and Bioengineering》发表的文献，DOI：10.1016/j.jbiosc.2016.06.011)，在50℃常压避光条件下培养。经过124天的培养，甲烷总产量为0.044μmol。在该体系中，产甲烷的平均速率为0.304nmol/(d·g Fe3O4)。
实施例8：
(1)无机盐培养基配置
无机盐培养基(g/L)：NaCl，1；MgCl×6H2O，0.4；NH4Cl，0.25；KCl，0.5；CaCl2×2H2O，0.1；KH2PO4，0.2；NaHCO3，4；半胱氨酸盐酸钠：0.5。无机盐培养基pH调至7.2。
(2)培养
培养装置中加入3.593g Fe2O3，48mL培养基，顶空吹扫二氧化碳气体，密封。灭菌后接种2mL来自上海炼油厂的油泥(主要氢营养型产甲烷菌为甲烷杆菌目(Methanobacteriales)、甲烷微菌目(Methanomicrobiales)该菌系由本实验室培养保存，见王立影等在《Methanogenic Microbial Community Composition of Oily Sludge andIts Enrichment Amended with Alkanes Incubated for Over 500Days》发表的文献，DOI：10.1080/01490451.2011.619634)，在室温常压避光条件下培养。经过73天的培养，甲烷总产量为0.117μmol。在该体系中，产甲烷的平均速率为0.446nmol/(d·g Fe2O3)。
Claims (5)
1.一种促进二氧化碳生物转化为甲烷的方法，其特征在于，在通用无机盐培养基中接种产甲烷菌液，加入含铁矿石并通入二氧化碳气体进行培养，收获甲烷。
2.根据权利要求1所述的促进二氧化碳生物转化为甲烷的方法，其特征在于，产甲烷菌在目的水平上包括但不限于：甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)、甲烷杆菌目(Methanobacteriales)、甲烷球菌目(Methanococcales)、甲烷微菌目(Methanomicrobiales)和甲烷胞菌目(Methanocellales)。
3.根据权利要求1所述的促进二氧化碳生物转化为甲烷的方法，其特征在于，所加入的含铁矿石包括但不限于赤铁矿(主成分为Fe2O3)、褐铁矿(主成分为Fe2O3·3H2O)、镜铁矿(主成分为Fe2O3)、磁铁矿(主成分为Fe3O4)以及以上矿石主要成分物质。
4.根据权利要求1所述的促进二氧化碳生物转化为甲烷的方法，其特征在于，所加入的含铁矿石为30～60目，与通用无机盐培养基的质量体积比10～300g/L。
5.根据权利要求1所述的促进二氧化碳生物转化为甲烷的方法，其特征在于，培养温度为15～65℃，pH为6.0～8.0。
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