CN113186244B - 一种酸性环境中的光合生物制氢方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种酸性环境中的光合生物制氢方法，包括以下步骤：（1）将产氢培养基各原料组分、柠檬酸‑柠檬酸钠缓冲液、玉米秸秆和纤维素酶加入光合反应器中使溶液的pH为4.5~5.0；（2）将HAU‑M1光合产氢菌群、铁粉和生物炭粉加入步骤（1）中，菌液体积为总反应液体积的25~35%，生物炭按照0.2g~0.4g/g秸秆添加，铁粉在反应液中的浓度为150 mg/L~250mg/L；（3）调节反应器内温度，收集气体。本发明强化了以农业废弃物为底物的光合生物制氢系统抵抗酸性环境能力，增加了氢气生产。

Description

一种酸性环境中的光合生物制氢方法
技术领域
本发明属于光合生物制氢技术领域，具体涉及一种酸性环境中的光合生物制氢方法。
技术背景
传统的电解水制氢方法需要消耗大量的化石燃料，且生产过程中造成环境污染。生物制氢是利用微生物发酵降解生物质，同时代谢产生氢气的过程。目前的生物制氢主要包括：暗发酵产氢和光发酵产氢。与暗发酵相比，光发酵因有较高的理论产氢量越来越受到大家关注。
我国作为农业大国，秸秆类废弃物资源非常丰富，将其利用可以有效实现废弃物处理与清洁能源生产。利用农业废弃物进行光合生物制氢时，秸秆复杂的纤维素结构不能被微生物利用，需要利用纤维素酶将秸秆中的纤维素和半纤维素水解为可供细菌利用的还原糖。进行此过程的时候除了添加纤维素酶，还需要添加呈酸性的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液。而光合细菌的最佳代谢环境为中性，需要将发酵液调节为中性之后才能进行氢气生产。这样不仅增加了整个过程成本，调pH用的强碱还会造成环境污染，不利于以秸秆类废弃物为底物的生物制氢系统工业化应用。
发明内容
本发明提供了一种酸性环境中的光合生物制氢方法。针对光合细菌不能在酸性环境下进行代谢产氢这一问题，本发明创造了一种铁炭粉（铁粉+炭粉）添加剂，在进行以秸秆类废弃物为底物的光合生物制氢试验时，制氢反应器中加入底物、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液、纤维素酶、产氢培养基后，不需要将进行酶水解所添加的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液造成的酸性环境调节为中性，直接添加光合细菌和铁炭粉就可以获得氢气。该添加剂提高了以农业废弃物为底物的光合生物制氢系统抵抗酸性环境能力，增加了产氢量。
一种酸性环境中的光合生物制氢方法，包括以下步骤：
（1）将产氢培养基各原料组分、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液、玉米秸秆和纤维素酶加入光合反应器中使溶液的pH为4.5~5.0；
（2）将HAU-M1光合产氢菌群、铁粉和生物炭粉加入步骤（1）中，菌液体积为总反应液体积的25~35%，生物炭按照0.2g~0.4g/g秸秆添加，铁粉在反应液中的浓度为150 mg/L ~250mg/L；
（3）调节反应器内温度，收集气体。
进一步地，纤维素酶活性为51 FPU/mL，柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液、玉米秸秆和纤维素酶的用量比例为100mL：5.27g：2mL。
进一步地，生物炭的制备过程如下：将玉米秸秆按照8.5℃/min升温至400℃进行裂解，维持此温度直至没有气体溢出，过60目筛子，即得。
进一步地，按照150 mL总体积的反应液计，产氢培养基各原料组分浓度为：NH4Cl：0.4 g/L，MgCl2：0.2 g/L，K2HPO4：0.5 g/L，NaCl：2 g/L，谷氨酸钠：3.5 g/L，酵母膏0.1 g/L。
进一步地，光合反应器以具有连续全光谱的白炽灯为光源，反应器中平均光照度为3000 Lux。
进一步地，铁粉粒径为50nm，温度调节至30 ℃。
本发明具有下述优点：
（1）具有良好的环境效益：以废弃物玉米秸秆为原料，在处置废弃物的同时获得更多清洁能源氢气；
（2）具有良好的经济效益：一方面，添加产氢促进剂可以取代强碱的使用，降低反应成本同时保护环境；另一方面，可以利用玉米秸秆发酵产氢，将清洁能源生产与资源循环利用结合。
附图说明
图1 对照组及添加生物炭、铁粉、铁粉+生物炭的累计产氢量和氢气浓度；
图2 对照组及添加生物炭、铁粉、铁粉+生物炭在产氢过程中的pH和氧化还原电位变化；
图3 对照组（40）及添加生物炭（41）、铁粉（42）、铁粉+生物炭（43）在产氢过程中的可溶性代谢产物变化。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
一种酸性环境中的光合生物制氢方法，过程如下：
在反应器为150 mL的锥形瓶中，加入5g TS的玉米秸秆（TS 代表的是总固体含量，实验使用的秸秆TS含量为94.92%，所以实验加入的底物为5.27g.玉米秸秆经60目筛子过滤），100 mL pH为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，此时锥形瓶中的pH 值为4.5，2 mL纤维素酶（51 FPU/mL），产氢培养基，加入45mL的HAU-M1光合细菌，之后锥形瓶中分别添加生物炭，铁粉，铁炭粉，没有添加剂添加的设置为对照组，反应器用橡胶塞塞好，放置到温度为30℃的恒温培养箱中培养，光照为3000lux，每隔12 h收气，发酵持续96 h结束。
其中缓冲溶液的配制：取230 mL 0.1 mol/L柠檬酸溶液和270 mL 0.1 mol/L柠檬酸钠溶液, 用蒸馏水定容至1000 mL，充分混匀，4℃冰箱中冷藏保存。
产氢培养基：0.4 g/L NH4Cl，0.2 g/L MgCl2， 0.5 g/L K2HPO4，2 g/L NaCl ，3.5g/L 谷氨酸钠，0.1 g/L 酵母膏，试剂质量按照150 mL总体积添加。
以数量比计，HAU-M1光合产氢菌群由深红红螺菌、荚膜红细菌、沼泽红假单胞菌，荚膜红假单胞菌和类球红细菌组成；接种细菌处于生长对数期末期，此时细菌的质量浓度为1.2 g/L。
文中所用的生物炭是玉米秸秆经400℃裂解（裂解是每分钟升温8.5℃，达到400℃后，维持此温度直至出气口没有气体溢出，关闭加热程序，整个炭化大约10 h）后经60目筛子过滤，按照0.3 g/g秸秆添加。铁粉是从上海麦克林公司购买的50 nm的纳米铁粉（99.9%），按照200 mg/L的浓度（总液体体积为150mL）添加。
实验结果如图1至3所示。
从图1可以看出，对照组和生物炭添加组在整个发酵过程并没有获得氢气。铁粉添加组在发酵后期开始产氢，最终产氢量为81.30±9.53 mL。铁粉+生物炭添加组从24 h开始有氢气产出，之后快速增长，并在72 h时获得286.83±2.77 mL的累计产氢量。结果表明铁粉+生物炭的添加显著提高了光合细菌HAU-M1在酸性环境下的产氢能力。铁粉组和铁炭粉（铁粉+生物炭）组的平均氢气浓度分别是28.89±3.38 和 41.87±2.41%。
从图2 可以看出，对照组和生物炭添加组的pH整个发酵过程中的pH都低于5。而在铁粉添加组中pH值从48 h有所上升。在铁粉+生物炭添加组中，pH值从24 h显著上升，表明在此条件下光合细菌利用了发酵液中的小分子酸。对照组中的氧化还原电位一直处于较高水平，生物炭添加组的较对照组有下降，主要维持在-70 mv。铁粉添加组的氧化还原电位从12 h的-117 mv下降到48 h的-313 mv，之后逐渐上升由于还原力的缺少。铁粉+生物炭添加组获得了最优的代谢环境，氧化还原在36 h就达到-424 mv。
从图3可以看出四组光发酵产氢过程中的主要代谢产物为乙酸和正丁酸，还伴有少量的乙醇、丙酸和异丁酸。生物炭添加组比起对照组有较高的酸累积。添加铁粉组的乙酸和正丁酸在整个发酵过程中一直处于较低浓度。在铁粉+生物炭添加组中乙酸和正丁酸的总浓度在24 h 达到最高，为2.60 g/L，之后在24-60 h下降，此阶段也是氢气生产的快速增长阶段，表明乙酸和正丁酸可以被光合细菌利用进行氢气生产。而乙醇、丙酸和异丁酸浓度为先上升后维持稳定，不能被光合细菌利用。
以上所述是本发明的优选实施方案，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种酸性环境中的光合生物制氢方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将产氢培养基各原料组分、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液、玉米秸秆和纤维素酶加入光合反应器中使溶液的pH为4.5；
（2）将HAU-M1光合产氢菌群、铁粉和生物炭粉加入步骤（1）中，菌液体积为总反应液体积的25~35%，生物炭按照0.2g~0.4g/g秸秆添加，铁粉在反应液中的浓度为150 mg/L ~250mg/L；
（3）调节反应器内温度，收集气体。
2.根据权利要求1所述酸性环境中的光合生物制氢方法，其特征在于，纤维素酶活性为51 FPU/mL，柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液、玉米秸秆和纤维素酶的用量比例为100mL：5.27g：2mL。
3.根据权利要求1所述酸性环境中的光合生物制氢方法，其特征在于，生物炭的制备过程如下：将玉米秸秆按照8.5℃/min升温至400℃进行裂解，维持此温度直至没有气体溢出，过60目筛子，即得。
4.根据权利要求1所述酸性环境中的光合生物制氢方法，其特征在于，按照150 mL总体积添加的反应液计，产氢培养基各原料组分浓度为：NH4Cl：0.4 g/L，MgCl2：0.2 g/L，K2HPO4：0.5 g/L，NaCl：2 g/L，谷氨酸钠：3.5g/L，酵母膏0.1 g/L。
5.根据权利要求1所述酸性环境中的光合生物制氢方法，其特征在于，光合反应器以具有连续全光谱的白炽灯为光源，反应器中平均光照度为3000 Lux。
6.根据权利要求1所述酸性环境中的光合生物制氢方法，其特征在于，铁粉粒径为50nm，温度调节至30 ℃。
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