CN113881713B - 强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系构建方法 - Google Patents

强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系构建方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：选择能够在自然光的波长范围内激发电子的半导体材料作为光催化剂，以溶液法合成为纳米颗粒的形式，得到半导体悬浮液；步骤二：将透明疏水透气的材料加工为多孔平面形状作为原始基底；步骤三：将平面基底浸没于半导体悬浮液中，使光催化剂与平面基底接触足够时间后，原透气疏水层表面覆盖光催化层，以构建光催化‑透气疏水层；步骤四：以光催化‑透气疏水层为基底，将预培养得到的高菌群密度的产乙酸菌悬液在基底表面循环流动一段时间，形成一层生物膜，从而构建出强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系；可广泛应用在合成气发酵、清洁能源生产等领域。

Description

强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系构建方法
技术领域
本发明涉及气体发酵领域，具体涉及一种强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系构建方法。
背景技术
虽然光合作用每年可以吸收大量的CO2，但CO2排放量超出光合作用的吸收能力。温室气体排放与自然吸收间的不平衡导致了温室气体的持续增加，亟待开发高效的碳减排技术。生物法固定CO2是通过植物或微生物的循环途径将CO2转化成化学物质或其自身生长的营养物质。生物法捕获CO2由于反应条件温和，不会造成二次污染，微生物只需在适合的环境条件下，便可吸收CO2生长代谢合成液体燃料。而微生物的CO2利用提供了通过闭环循环资源和减少二氧化碳排放以解决生态和社会问题的机会，因此，微生物转化CO2制备液体燃料对实现碳中和和能源短缺问题具有重大意义。
微生物对二氧化碳的利用有两种途径，在电子和能量充足的情况下， 1mol的CO2消耗6mol的电子和1mol的ATP生成甲基，在乙酰辅酶A合成酶作用下形成乙酰辅酶A，乙酰辅酶A首先转化为乙酸并释放出能量，在生成乙酸的同时，所释放的能量被细菌利用生长，合成更多的细菌细胞；同时在电子及相关酶的作用下乙酰辅酶A和乙酸被转化为乙醇；而当电子和能量相对不足或缺乏的情况下，在2mol电子的作用下CO2通过CO脱氢酶/ 乙酰辅酶A合成酶催化还原为CO，在进一步生成乙酰辅酶A。从能量及电子供给来看，1mol的CO2至少需要6mol的电子和1mol的ATP才能生成乙醇。整个转化过程电子和ATP大部分由氢气在氢化酶作用下产生，而氢气在水中的溶解度小，能够溶解于液体中被细胞利用的氢气十分有限，导致在实际运行过程中不能及时有效地供给能量和电子，极大地限制了整个转化过程。
鉴于以上方法存在的问题，提供额外电子来源的方法受到重视。半导体催化剂，能在光作用下激发光电子，光电子通过半导体导带传至微生物的外膜蛋白，电子传递过程所产生的跨膜质子梯度促使ATP合成酶作用产生ATP，促进微生物代谢生长，从而实现非光合微生物的光敏化。然而，半导体材料添加还存在着容易引起微生物活性降低、光能利用率低的问题。这是因为直接光敏化的细菌，光催化剂长在细菌表面，会影响细胞活性，且细胞生长于液体基质中始终维持一个低细胞密度的状态，致使对光能的利用率低，因此，提高光能利用率和细胞活性，对气体发酵中乙醇产量的提高具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系构建方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系构建方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：选择能够在自然光的波长范围内激发电子的半导体材料作为光催化剂，以溶液法合成为纳米颗粒的形式，得到不透明的半导体悬浮液；
步骤二：将透明疏水透气的材料加工为多孔平面形状作为原始基底，以降低光衰减及气液传质阻力；
步骤三：将平面基底浸没于半导体悬浮液中，通过自沉降法使光催化剂与平面基底接触足够时间后，原透气疏水层表面覆盖光催化层，构建光催化-透气疏水层；
步骤四：以光催化-透气疏水层为基底，构建生物膜反应器，将预培养得到的高菌群密度的产乙酸菌悬液在基底表面循环流动一段时间，使得足够多的细菌附着在光催化复合基底表面，形成一层生物膜，从而构建出光催化-气体发酵微生物膜的耦合产乙醇体系，之后在光照条件下开始代谢乙醇，并向其中添加牺牲剂以防止电子-空穴对的复合。
本发明选择微生物的生物相容性好、能够在自然光照射条件下激发电子的半导体材料作为光催化剂，为细胞代谢提供额外的电子来源；以透明疏水透气的材料作为原始基底，以降低光衰减及气液传质阻力；通过自沉降法使原始透气疏水基底表面覆盖光催化层；将菌种以悬浮态预先培养，得到高菌群密度菌悬液；再将覆盖有光催化层的疏水透气基底作为生物膜载体，将高密度菌悬液在其表面进行循环流动，以形成生物膜层，从而构成光催化-微生物膜耦合CO2还原制备乙醇体系，该体系中利用半导体产生的光电子为生物膜代谢提供了额外的电子来源，多细胞黏合形成的生物膜系统对环境的耐受性大大提高，从而降低了半导体材料对于细胞的毒害作用和作用，提高整体液体燃料产率
根据本发明所述的一种强化CO/CO2混合气体发酵产乙醇的光催化-微生物耦合体系构建方法的优选方案，所述半导体材料选择时，应保证其具有良好的生物相容性，不会对微生物产生毒害作用；其能够激发电子的光谱范围应选择为可见光范围内，材料包括但不限于CdS、SnO2。
根据本发明所述的强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系构建方法的优选方案，所述原始基底选择时，应保证其是具有一定疏水性的透光透气材料，能够满足液体培养基不发生渗透的同时，光线和CO/CO2气体能够穿透基底，包括但不限于透明TPU防水透气膜、透明PE防水透气膜。
根据本发明所述的强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系构建方法的优选方案，菌种预培养与流动成膜时，应排除液体培养基中溶解的氧气以保证严格厌氧条件，厌氧环境的控制可以采用但不仅限于热力除氧、化学除氧、真空除氧。
根据本发明所述的强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系构建方法的优选方案，所述牺牲剂的添加，应可以中和电子空穴的正电荷，防止光电子-空穴对复合现象，包括但不限于EDTA、甲醇、乙醇、乳酸。
本发明所述强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系构建方法的有益效果是：本发明通过构建光催化-生物膜耦合的方式，使半导体在光照条件下激发光电子-空穴对，同时通过添加牺牲剂防止其重新复合，电子通过半导体导带传至微生物的外膜蛋白，传递过程产生的跨膜质子梯度促使 ATP合成酶作用产生ATP，从而使得发酵过程有了额外的电子与能量来源，同时，将半导体材料制备为光催化层，细菌以生物膜的群体形式附着在光催化层表面，多细胞黏合形成的生物膜系统对环境的耐受性大大提高，降低了半导体材料对于细胞的毒害作用。以上强化CO/CO2混合气体发酵产乙醇的光催化-微生物耦合体系构建方法，可广泛应用在气体发酵、清洁能源生产等领域。
附图说明
图1是本发明所述的强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系构建方法流程示意图。
图2是本发明强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系的技术原理示意图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
参见图1和图2，一种强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系构建方法，包括如下步骤：
步骤一：选择能够在自然光的波长范围内390nm-780nm激发电子的半导体材料作为光催化剂，以溶液法合成为纳米颗粒的形式，得到不透明的半导体悬浮液；
步骤二：将透明疏水透气的材料加工为多孔平面形状作为原始基底，以降低光衰减及气液传质阻力；
步骤三：将平面基底浸没于半导体悬浮液中，通过自沉降法使光催化剂与平面基底接触足够时间后，原透气疏水层表面覆盖光催化层，构建光催化-透气疏水层；
步骤四：以光催化-透气疏水层为基底，构建生物膜反应器，将预培养得到的高菌群密度的产乙酸菌悬液在基底表面循环流动一段时间，使得足够多的细菌附着在光催化复合基底表面，形成一层生物膜，从而构建出光催化-气体发酵微生物膜的耦合产乙醇体系，之后在光照条件下开始代谢乙醇，并向其中添加牺牲剂以防止电子-空穴对的复合。
在具体实施例中半导体材料选择时，应保证其具有良好的生物相容性，不会对微生物产生毒害作用；其能够激发电子的光谱范围应选择为可见光范围内，具体可以选择CdS、SnO2。
原始基底的选择，应保证其具有一定透光性和疏水性，能够满足液体培养基不发生渗透的同时，光线和CO2气体能够穿透基底，具体可以为透明 TPU防水透气膜、透明PE防水透气膜。
牺牲剂的选择，应可以中和电子空穴的正电荷，防止光电子-空穴对复合现象，具体可以为乙二胺四乙酸EDTA、甲醇、乙醇或者乳酸。
实施例1
一种强化CO/CO2混合气体发酵产乙醇的光催化-微生物耦合体系构建方法，包括如下步骤：
步骤一：选取CdS为光催化剂，以质量分数为0.1％的半胱氨酸盐酸作为硫源，后添加100mol/L的硝酸镉作为镉源，刚加入硝酸镉后，溶液有少量白色物质形成，在经过5rpm速度的倒立旋转24h后，由于CdS颗粒的量子限制效应，溶液呈不透明的白色，得到CdS悬浮液；
步骤二：选取透明热塑性聚氨酯弹性体橡胶防水透气膜为透光疏水透气材料，加工为多孔平面形状作为平面基底。
步骤三：将平面基底浸没于CdS悬浮液中，自沉降24h后，透明热塑性聚氨酯弹性体橡胶表面覆盖有CdS光催化层，得到含光催化层的生物膜基底硫化镉-热塑性聚氨酯弹性体橡胶防水透气膜。
步骤四：以光催化-透气疏水层为基底，构建生物膜反应器，利用经化学除氧的培养基预培养得到的高菌群密度的产乙酸菌悬液(OD600＝1.06), 保证反应器的密封性以维持严格厌氧环境，利用蠕动泵将菌悬液在硫化镉- 热塑性聚氨酯弹性体橡胶防水透气膜基底表面循环流动，8天后基底表面形成一层生物膜(菌悬液OD600减小至0.31)，光催化-气体发酵微生物膜的耦合产乙醇体系构建完成，以0.5mol/L的乙醇作为牺牲剂，在蓝光照射下发酵至第14天，乙醇浓度为5.14g/L。
对比例1
步骤一：选取CdS为光催化剂，以质量分数为0.1％的半胱氨酸盐酸作为硫源，后添加100mol/L的硝酸镉作为镉源，刚加入硝酸镉后，溶液有少量白色物质形成，在经过5rpm速度的倒立旋转24h后，由于CdS颗粒的量子限制效应，溶液呈不透明的白色，以1mol/L的乙醇作为牺牲剂，得到CdS 悬浮液；
步骤二：选取透明热塑性聚氨酯弹性体橡胶防水透气膜为透光疏水透气材料，加工为平面基底。
步骤三：将透明热塑性聚氨酯弹性体橡胶防水透气膜基底浸没于CdS 悬浮液中，自沉降24h后，热塑性聚氨酯弹性体橡胶防水透气膜表面覆盖有CdS光催化层，得到含光催化层的生物膜基底硫化镉-热塑性聚氨酯弹性体橡胶防水透气膜。
步骤四：以光催化-透气疏水层为基底，构建生物膜反应器，利用经化学除氧的培养基预培养得到的高菌群密度的产乙酸菌悬液(OD600＝1.06), 保证反应器的密封性以维持严格厌氧环境，利用蠕动泵将菌悬液在 CdS-PVDF基底表面循环流动，8天后基底表面形成一层生物膜(菌悬液OD600减小至0.31)，光催化-气体发酵微生物膜的耦合产乙醇体系构建完成，以 0.5mol/L的乙醇作为牺牲剂，在无光照条件下发酵至第14天，乙醇浓度为2.0g/L。
在蓝光照射条件下，光催化-气体发酵微生物膜的耦合产乙醇体系的乙醇浓度相较于无光照条件提升了61.09％。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系构建方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：选择在自然光的波长范围内激发电子的半导体材料作为光催化剂，合成为纳米颗粒的形式，得半导体悬浮液；具体为：
选取CdS为光催化剂，以半胱氨酸盐酸作为硫源，后添加硝酸镉作为镉源，刚加入硝酸镉后，溶液有白色物质形成，在经过倒立旋转后，由于CdS颗粒的量子限制效应，溶液呈不透明的白色，得到CdS悬浮液；
步骤二：将透明疏水透气的材料加工为多孔平面形状作为原始基底，以降低光衰减及气液传质阻力；该原始基底由具有疏水性的透光透气材料构成，满足液体培养基不发生渗透的同时，光线和CO/CO2气体穿透基底；
步骤三：将原始基底浸没于半导体悬浮液中，光催化剂与原始基底接触后，使透气疏水层表面覆盖光催化层，以构建光催化-透气疏水层；
步骤四：以光催化-透气疏水层为基底，构建生物膜反应器，将预培养得到的产乙酸菌悬液在基底表面循环流动，使得细菌附着在光催化复合基底表面，形成一层生物膜，从而构建出强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系，之后在蓝光照射下开始代谢乙醇，并向体系中添加牺牲剂以中和电子空穴的正电荷,防止电子-空穴对的复合。
2.根据权利要求1所述的强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系构建方法，其特征在于：步骤二：所述透光透气材料包括采用透明TPU防水透气膜或者透明PE防水透气膜。
3.根据权利要求1所述的强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系构建方法，其特征在于：步骤四：菌种预培养与流动成膜时，排除液体培养基中溶解的氧气以保证严格厌氧条件，厌氧环境的控制采用热力除氧或者化学除氧或者真空除氧。
4.根据权利要求1所述的强化气体发酵产乙醇的光催化微生物耦合体系构建方法，其特征在于：步骤四：所述牺牲剂包括EDTA、甲醇或者乳酸。
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