CN110055206A - 一种快速形成mec制氢阳极微生物膜的方法 - Google Patents

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邵琼丽
杨仁灿
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Abstract

本发明提供一种快速形成MEC（Microbial electrolysis cell）制氢阳极微生物膜的方法，该方法克服了MEC阳极生物膜需先经过MFC（Microbial fuel cell）富集，然后再经过MEC驯化的繁琐过程。本发明在培养和驯化过程中，首先在MEC反应器中加入厌氧活性污泥为接种物，缓冲营养液，微量元素液，培养和驯化底物，然后在厌氧和恒温条件下，外加微电压促使接种物中的产电微生物生长繁殖，使之在阳极表面快速形成具有产氢功能的阳极生物膜。培养和驯化过程中在线记录仪记录电极间电流变化，氢气含量通过气相色谱法检测，并通过循环伏安法测试阳极生物膜的电化学活性。本方法有效缩短培养周期，且形成的阳极膜具有较好的产氢能力。

Description

一种快速形成MEC制氢阳极微生物膜的方法
技术领域
本发明属于生物电化学领域中MEC制氢阳极微生物膜的培养方法。
背景技术
MEC（Microbial electrolysis cell）阳极微生物膜是MEC技术的关键所在，阳极膜是MEC制氢相关微生物生长繁殖的重要场所，是研究相关微生物及其特殊功能的一扇窗口。与一般生物膜相比，MEC阳极膜表面的微生物既可在分解有机物的过程中产生电子，又能从环境中接受胞外电子，因此，电子交换能力（电流密度）成为衡量MEC阳极微生物膜是否形成和电化学活性高低的重要指标。
从MEC制氢工艺技术方面看，MEC阳极微生物膜对MEC产氢起着绝对的控制作用，是保证MEC制氢的前提。从MEC制氢机理可知，氢气在阴极析出第一步时附着与阳极表面的电活性微生物对底物的降解。在这一过程中，只有微生物在阳极表面的生长繁衍，形成具有产氢功能的MEC阳极微生物膜，才能有效地降解有机底物，形成质子与电子等。
目前，MEC阳极膜的培养驯化，通常先经过MFC产电驯化，使MFC阳极微生物具有产电功能，然后转移到MEC中才能进行产氢实验；MFC阳极产电微生物培养驯化周期较长，在培养过程中需要定期更换基质营养液。相较下通过直接用MEC培养阳极膜，新启动的MEC功能菌群组成丰度更大，其库伦效率和产氢效率更具优势。但是，对于MEC阳极微生物膜培养并没有专门研究，只是在阳极膜培养过程中电路中有稳定电流产生便进行产氢研究。
发明内容
本发明所提供的MEC阳极微生物膜的形成方法，克服了MEC阳极微生物膜需先经过MFC产电培养，然后再转移到MEC驯化的繁琐过程。本发明将以MEC制氢方式直接培养驯化MEC阳极微生物膜，不仅能够获得电化学活性较高的MEC阳极微生物膜，而且缩短培养周期可避免时常更换基质营养液，使培养过程简单易操作。
本发明的培养方法按照以下步骤操作：（1）接种：在MEC反应器中加入接种物；（2）投料：在MEC反应器中加入配制好的缓冲营养液，微量元素液和底物，加入水使其净容量400mL，然后向反应器内通入氮气排空反应器内空气，使其迅速进入厌氧状态；（3）外加电压：在反应器阴阳极两端施加微电压，在恒温条件下培养。
本发明的接种物为厌氧活性污泥，接种量为净容量22.5%～30%。
本发明的缓冲营养液为：磷酸二氢钾（KH2PO4）6.1g/L，磷酸氢二钾（K2HPO4·3H2O)9.6g/L，氯化钾（KCl）2.22g/L，氯化铵（NH4Cl）0.28g/L，酵母膏（Yeast extract）0.1g/L，七水合硫酸镁（MgSO4·7H2O）0.1g/L，二水合氯化钙（CaCl2·2H2O）10mg/L，其pH为7.0，用量100mL。
本发明的微量元素液为：硫酸亚铁铵（（NH4）Fe（SO4）2）3.96g/L，硼酸（H3BO3）0.05g/L，氯化锌（ZnCl2）0.05g/L，氯化铜（CuCl2）0.04g/L，四水合氯化锰(MnCl2·4H2O)0.05g/L，钼酸铵(（NH4）6Mo7O24·4H2O ) 0.05g/L，氯化铝(AlCl3)0.09g/L，六水合氯化钴(CoCl2·6H2O) 0.05g/L，氯化镍(NiCl2) 0.09g/L和一颗复合维生素。用量10mL。
本发明的底物为乙酸钠，加入量为6g～12g，底物质量分数为1.5%～3.0%；
本发明的外加电压为0.6V～1.4V。
本发明的温度控制恒温35℃。
本发明由在线记录仪记录电极间电流变化，由气相色谱仪检测氢气的含量，采用循环伏安法检测阳极微生物膜的电化学活性。
具体实施方式
实施例1：在外源电解电压0.6V～1.4V条件下，在单池MEC制氢装置的发酵池中，加入接种物120g，乙酸钠8g，加入缓冲营养液100mL，微量元素液10mL，使发酵池中的净容量为400mL。其次，通入氮气20min置换发酵池内的空气，使之迅速处于厌氧状态。最后，在恒温35℃下，分别平行设置电解电压为0.6V，0.8V，1.0V，1.2V、1.4V。实验过程中，用在线记录仪记录电流的变化，用气相色谱仪检测氢气含量的变化。待电流达到稳定值，取出不同电压下培养的石墨阳极，以空白石墨阳极为对照进行循环伏安曲线扫描，通过曲线氧化还原峰值电流大小比较不同电压下所形成MEC阳极微生物膜电化学活性的强弱。测试结果如图1与图2，图3所示。
图1为本发明在电压为0.6V～1.4V培养过程中电流随时间的变化，各实验组在第3～6天开始产生电流，各组实验最大电流值在11mA～31mA之间。产电效果最好为1.0V电压，其次为0.8V、12V、1.4V、0.6V。
图2为本发明在电压为0.6V～1.4V培养过程中，累计氢气含量。产氢效果最好为1.0V电压，达到27.2%，其次为1.2V、1.4V、0.8V、0.6V浓度分别为20.8%、18.6%、15.2%、7.0%。
图3为本发明在电压为0.6V～1.4V下培养形成的石墨阳极与空白对照阳极的循环伏安曲线。与空白阳极比较，培养形成的微生物阳极产生的CV曲线，在不同电压扫描下，能得到更大的峰值电流，实验组所培养形成的阳极膜出现了氧化电流峰，说明阳极上附着的微生物膜具有良好的电化学活性；实验过程中，检测到各实验组均有氢气生成。

Claims (7)

1.一种快速形成MEC制氢阳极微生物膜的方法其特征包括以下步骤：（1）接种：在MEC反应器中加入接种物；（2）投料：在MEC反应器中加入配制好的缓冲营养液，微量元素液和底物，然后加入水使其净容量400mL，向反应器内通入氮气排空反应器内空气使其迅速进入厌氧状态；（3）外加电压：在反应器阴阳极两端施加微电压，在恒温条件下培养。
2.根据权利要求1中所述方法，接种物为厌氧活性污泥，接种量为净容量的22.5%～30%。
3.根据权利要求1中所述方法，缓冲营养液为：磷酸二氢钾（KH2PO4）6.1g/L，磷酸氢二钾（K2HPO4·3H2O) 9.6g/L，氯化钾（KCl）2.22g/L，氯化铵（NH4Cl）0.28g/L，酵母膏（Yeastextract）0.1g/L，七水合硫酸镁（MgSO4·7H2O）0.1g/L，二水合氯化钙（CaCl2·2H2O）10 mg/L，其pH为7.0，用量100mL。
4.微量元素液为：硫酸亚铁铵（（NH4）Fe（SO4）2）3.96g/L，硼酸（H3BO3）0.05g/L，氯化锌（ZnCl2）0.05g/L，氯化铜（CuCl2）0.04g/L，四水合氯化锰(MnCl2·4H2O)0.05g/L，钼酸铵(（NH4）6Mo7O24·4H2O ) 0.05g/L，氯化铝(AlCl3)0.09g/L，六水合氯化钴(CoCl2·6H2O)0.05g/L，氯化镍(NiCl2) 0.09g/L和一颗复合维生素。
5.用量10mL。
6.培养底物为乙酸钠，加入量为6g～12g，底物质量分数为1.5%～3.0%；
根据权利要求1中所述方法，培养过程中外加电压为0.6V～1.4V。
7.根据权利要求1中所述方法，培养过程中温度控制在恒温35℃。
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