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一种降解未脱毒生物质制氢的方法及其应用

来源：花匠小妙招时间：2024-11-30 10:59

一种降解未脱毒生物质制氢的方法及其应用

本发明涉及生物质制氢，具体为一种降解未脱毒生物质制氢的方法及其应用。

背景技术：

1、全球能源主要由煤、石油、天然气等化石燃料供应，其快速消耗会产生大量温室气体及有害颗粒，加剧温室效应和环境污染。在近几十年，虽然可再生能源的使用量显著提升，但仍然无法撼动化石燃料的主导地位。氢气被认为是未来化石燃料的潜在替代品之一。作为能源物质的主要优势在于：与其它能源物质相比，氢气具有较高的能量密度和净热值，氢能的开发将有助于解决因化石燃料消耗带来的环境及人类健康问题。

2、目前氢气主要由化石燃料和可再生资源产生。其中，50％来自天然气重整，30％来自石油裂解，18％来自煤的气化，剩余则来自水的电解。从上述数据来看，大部分氢气仍是由化石燃料衍生而来，这需要较高的能源成本且生产方式并不环保。因此，氢气的生物法生产相比上述方法具有显著优势，它可以在相对低的温度和压力下运行，理论上需要较少的能量投入，且不会对环境造成显著影响。

3、与其它生物工艺相比，暗发酵产氢具有一定的优势。它不依赖光且底物来源广泛，木质纤维素、餐厨垃圾、城市固体废弃物、工业废水等都可作为暗发酵产氢的原料。其中，木质纤维素是一种有吸引力的原料，它具有可再生、可持续、可大量获得且价格低廉等特性，而且可用于生物氢发酵的碳水化合物含量较高。然而，木质纤维素具有复杂的细胞壁结构，阻碍了微生物对其进一步利用。预处理过程旨在破坏木质纤维素的天然结构，去除木质素组分，增加底物的生物可及性。有效的化学预处理方法能够实现上述目的，但会导致木质纤维素组分部分降解，降解产物对微生物具有一定的抑制作用。因此，解决现有暗发酵产氢过程中存在的菌体受抑制以及底物降解不彻底等问题是十分必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种降解未脱毒生物质制氢的方法及其应用，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、一种降解未脱毒生物质制氢的方法，包括以下步骤：

3、步骤1：种子扩培液的制备：将嗜热解糖厌氧杆菌、热纤梭菌分别接种至种子培养基ⅰ和种子培养基ⅱ中，活化、扩大培养；分别获得种子扩培液ⅰ、种子扩培液ⅱ；

4、步骤2：发酵培养基的制备：(1)将废弃生物质置于预处理液中预处理，固液分离，得到预处理生物质；(2)将预处理生物质作为碳源，制备得到发酵培养基；

5、步骤3：惰性气体下，灭菌后将种子扩培液ⅰ、种子扩培液ⅱ按一定比例接种至发酵培养基中，于50～60℃、以100～200rpm的转速下进行暗发酵16～32h，得到氢气。

6、较为优化地，所述嗜热解糖厌氧杆菌为具有多种可溶性糖发酵能力的菌株，优选为嗜热解糖厌氧杆菌mj2，保藏号为gdmcc no：61394；已在申请号为“202110315297.0”、名称为“一种嗜热解糖厌氧杆菌及其应用”的中国发明专利中公开。

7、所述热纤梭菌为纤维素降解菌，购自德国微生物菌种保藏中心，优先热纤梭菌dsm1313。

8、较为优化地，所述种子培养基ⅰ和种子培养基ⅱ的ph值都为6.8～7.2，两者的组成成分除碳源外其他成分相同，包括以下组分：碳源3～15g/l、硫酸铵1～1.5g/l、六水合氯化镁2.5～3g/l、磷酸二氢钾1.4～1.5g/l、三水合磷酸氢二钾5～6g/l、二水合氯化钙0.1～0.15g/l、五水合β-甘油磷酸钠5～7g/l、还原型谷胱甘肽0.2～0.3g/l、酵母粉4～5g/l、七水合硫酸亚铁水溶液1～1.2ml/l；所述七水合硫酸亚铁溶液的浓度为0.1w/v％；

9、所述种子培养基ⅰ的碳源为木聚糖；所述种子培养基ⅱ的碳源为微晶纤维素。

10、更优选为：所述种子培养基ⅰ包括以下组分：木聚糖10g/l、硫酸铵1.3g/l、六水合氯化镁2.6g/l、磷酸二氢钾1.43g/l、三水合磷酸氢二钾5.5g/l、二水合氯化钙0.13g/l、五水合β-甘油磷酸钠6g/l、还原型谷胱甘肽0.25g/l、酵母粉4.5g/l、七水合硫酸亚铁水溶液1.1ml/l；

11、更优选为：所述种子培养基ⅱ包括以下组分：微晶纤维素10g/l、硫酸铵1.3g/l、六水合氯化镁2.6g/l、磷酸二氢钾1.43g/l、三水合磷酸氢二钾5.5g/l、二水合氯化钙0.13g/l、五水合β-甘油磷酸钠6g/l、还原型谷胱甘肽0.25g/l、酵母粉4.5g/l、七水合硫酸亚铁水溶液1.1ml/l；

12、更优选为：所述种子培养基ⅰ和种子培养基ⅱ的ph值为7.0。

13、较为优化地，所述种子扩培液ⅰ的制备过程中，嗜热解糖厌氧杆菌的活化条件为：在血清瓶中加入种子培养基ⅰ，抽真空并充入惰性气体，灭菌后接种上述嗜热解糖厌氧杆菌，于50～60℃、120～180rpm的培养条件下震荡16～20h；更优选为：在血清瓶中加入种子培养基ⅰ，抽真空并充入惰性气体，灭菌后接种上述嗜热解糖厌氧杆菌，于55℃、150rpm的培养条件下震荡18h。

14、所述种子扩培液ⅱ的制备过程中，热纤梭菌的活化条件为：在血清瓶中加入种子培养基ⅱ，抽真空并充入惰性气体，灭菌后接种上述热纤梭菌，于50～60℃、120～180rpm的培养条件下震荡20～28h；更优选为：在血清瓶中加入种子培养基ⅰ，抽真空并充入惰性气体，灭菌后接种上述热纤梭菌，于55℃、150rpm的培养条件下震荡24h。

15、所述种子扩培液ⅰ的制备过程中，嗜热解糖厌氧杆菌的扩大培养条件为：在血清瓶中加入种子培养基ⅰ，抽真空并充入惰性气体，灭菌后接种上述嗜热解糖厌氧杆菌活化培养液，于50～60℃、120～180rpm的培养条件下震荡10～14h；更优选为：在血清瓶中加入种子培养基ⅰ，抽真空并充入惰性气体，灭菌后接种上述嗜热解糖厌氧杆菌活化培养液，于55℃、150rpm的培养条件下震荡12h。

16、所述种子扩培液ⅱ的制备过程中，热纤梭菌的扩大培养条件为：在血清瓶中加入种子培养基ⅱ，抽真空并充入惰性气体，灭菌后接种上述热纤梭菌活化培养液，于50～60℃、120～180rpm的培养条件下震荡14～18h；更优选为：在血清瓶中加入种子培养基ⅱ，抽真空并充入惰性气体，灭菌后接种上述热纤梭菌活化培养液，于55℃、150rpm的培养条件下震荡16h。

17、所述嗜热解糖厌氧杆菌的种子扩培液ⅰ接种量为2.5～10％(v/v)；

18、所述热纤梭菌的种子扩培液ⅱ接种量为2.5～10％(v/v)。

19、较为优化地，所述预处理液包括以下成份：按重量/体积百分比计，过氧化氢0.25～4％、氢氧化钠0.25～4％；更优选为：所述预处理液包括过氧化氢2％、氢氧化钠1％。

20、所述废弃生物质与预处理液的比例为1g:20～30ml；更优选为：比例为1g:25ml。

21、所述预处理的条件为：于30～80℃、120～180rpm条件下震荡处理4～8h；更优选为：于55℃、150rpm条件下震荡处理6h。

22、所述固液分离的条件为：于2000～4000rpm离心5～15min；更优选为：于3000rpm离心10min。

23、较为优化地，所述种子扩培液ⅰ、种子扩培液ⅱ的接种比例为1:1；所述总种子扩培液的接种量为5～15v/v％。更优选为10v/v％。

24、较为优化地，所述发酵培养基的培养基的ph值为6.8～7.2，包括以下组分：预处理生物质5～20g/l、硫酸铵1～1.5g/l、六水合氯化镁2.5～3g/l、磷酸二氢钾1.4～1.5g/l、三水合磷酸氢二钾5～6g/l、二水合氯化钙0.1～0.15g/l、五水合β-甘油磷酸钠5～7g/l、还原型谷胱甘肽0.2～0.3g/l、酵母粉4～5g/l、七水合硫酸亚铁水溶液1～1.2ml/l；所述七水合硫酸亚铁溶液的浓度为0.1w/v％。

25、其中，预处理生物质为未脱毒的预处理生物质；

26、更优选为：所述发酵培养基的培养基的ph值优选为7.0；所述发酵培养基的培养基包括以下组分：未脱毒预处理生物质15g/l、硫酸铵1.3g/l、六水合氯化镁2.6g/l、磷酸二氢钾1.43g/l、三水合磷酸氢二钾5.5g/l、二水合氯化钙0.13g/l、五水合β-甘油磷酸钠6g/l、还原型谷胱甘肽0.25g/l、酵母粉4.5g/l、七水合硫酸亚铁水溶液1.1ml/l。

27、其中，步骤3的暗发酵过程中，可密封的发酵容器中加入发酵培养基，抽真空并充入惰性气体，灭菌后接种一定比例的种子扩培液ⅰ和种子扩培液ⅱ，进行暗发酵产氢；更优选为：在可密封的发酵容器中加入发酵培养基，抽真空并充入惰性气体，灭菌后接种体积比为1:1的种子扩培液ⅰ和种子扩培液ⅱ，进行暗发酵产氢。

28、所述的可密封的发酵容器优选为血清瓶。

29、所述的抽真空条件中的真空度优选为-0.085～-0.095mpa；更优选为-0.09mpa。

30、所述的惰性气体优选为氮气。

31、所述的充入惰性气体优选为充入0.03～0.05mpa的惰性气体；更优选为充入0.04mpa的惰性气体。

32、所述的灭菌条件优选为于115～121℃灭菌20～30min；更优选为于115℃灭菌20min。

33、所述的暗发酵条件更优选为于55℃、以150rpm的转速发酵24h。

34、较为优化地，所述步骤2的(2)中，具体过程为将预处理生物质与固菌载体混合作为碳源，制备得到发酵培养基；所述固菌载体在发酵培养基的比例为1～3g/l。

35、较为优化地，所述固菌载体的制备方法为：(1)将质量比为(3～5):1的干燥厌氧污泥与橘皮依次进行混合、破碎、研磨、过筛，得到混合物；(2)将四氧化三铁纳米粒子加入到氯化钴溶液中均匀混合，加入混合物，搅拌10～12h后干燥；然后在氮气氛围下，以500～650℃的温度热处理1～2h，冷却、清洗、干燥，得到固菌载体；

36、所述固菌载体中的原料包括以下组分：按质量份数计，2～3份四氧化三铁纳米粒子、5～6份氯化钴溶液、1～2.5份混合物；氯化钴溶液的浓度为30～50g/ml。

37、上述促进未脱毒的预处理生物质降解产氢的方法在微生物能源化木质纤维素中的应用。

38、过程中涉及的废弃生物质为含有纤维素、半纤维素和木质素的废弃生物质，包括但不限于园林废弃物、甘蔗渣、作物秸秆、农林残余物中一种或多种。

39、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

40、(1)本发明可以利用大量的废弃生物质为原料，经过简单的温和预处理即可破坏其顽抗结构，具有良好的可持续性。

41、(2)本发明直接采用未脱毒的预处理生物质为底物，与传统预处理方法相比不需要经过水洗或脱毒处理，可以简化操作步骤降低生产成本，并且避免了脱毒工艺对环境造成的污染，具有较好的应用前景。

42、(3)本发明采用的嗜热解糖厌氧杆菌具有较好的预处理抑制物耐受性能，显著提高了共培养微生物对不溶性底物的耐受能力；本发明在发酵培养基中加入固菌载体提供更多的微生物附着点，提供稳定的微生物附着环境，使厌氧微生物能够附着和生长，从而有益于提高微生物的生物量和活性，故而增强氢气的产量。固菌载体中负载的四氧化三铁和钴催化剂可以促进暗发酵过程中氢气的生成；四氧化三铁提供磁性，有助于分离和回收催化剂，而钴具有良好的催化活性，可以加速反应；固菌载体的高表面积改善了底物的物理接触，使得底物被更有效地降解，从而增强氢气的产生。

43、(4)本发明采用人工构建的嗜热菌共培养体系，可以显著提高底物的利用率，从而提高生物制氢效率，氢气得率可达22.48mmol/g。