[發明專利]基于纖維素同步酶解發酵與微生物電解池產氫的耦合方法

有效

• 申請號: 201210369997.9
• 申請日: 2012-09-28
• 公開（公告）號: CN102876724A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 王永忠;胥騰飛;陳蓉;朱恂;廖強;李俊;葉丁丁
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: C12P3/00
• 分類號: C12P3/00;C12P19/14
• 代理公司: 重慶市前沿專利事務所 50211
• 代理人: 郭云

技術領域

本發明涉及微生物電解池產氫方法，具體涉及利用纖維素類物質同步酶解發酵與微生物電解池產氫的耦合方法。

背景技術

當前，隨著世界各國能源危機的加劇，以含纖維素為主要成份的生物質原料作為可再生能源，在各國得到了廣泛的研究和利用。有資料表明，全世界每年生產纖維素及半纖維素的總量在850億噸左右，纖維素作為多糖化合物，廣泛存在于稻草、秸稈、樹桿等植物中。我國作為農業大國，每年有大量的農業廢棄物，其都可以作為廉價的可再生資源加以利用。從2005年起，我國每年的植物秸稈總產量達8.42億噸，其中稻草達1.8億噸，如果將其全部利用，將會緩解我國的能源危機。

在纖維素水解糖化過程中，水解產物有葡聚糖、木聚糖、乙酸等物質。如果只利用纖維素糖化過后的葡萄糖，這就造成資源的浪費，并且還會引起環境污染。基于提高有機廢棄物的資源化利用率和產物產率的目的，需對纖維素水解糖化液進行綜合利用，并減少對環境的污染。

目前，采用生物質為原料制氫主要采用酶解與發酵分別進行的方法，對于這種方法主要存在的問題有：①產生的氫氣與CO₂等氣體混合，因此氣體中氫氣的純度不高；②由于生物質酶解過程與發酵過程是分開進行，所以需要采用兩套裝置，這就造成了初期投入成本的增加；③生物質酶解發酵分步進行，制氫周期延長；④酶解與發酵產氫分別進行導致纖維素水解產生的還原糖積累并對糖化過程產生較強的抑制作用。

采用同步酶解發酵制氫的技術克服了上述分步水解制氫的不足，同步酶解發酵制氫的技術具有以下幾方面的優點：①同步酶解發酵制氫實現了發酵過程與制氫過程的同步進行，可以縮短制氫周期；②同步酶解發酵制氫在同一個反應器中進行，制氫操作簡單，降低了生產成本；③同步酶解發酵制氫可消除酶解過程與制氫過程中的產物抑制作用；④將同步酶解發酵制氫技術應用于微生物電解池中，纖維素水解產生的各類物質包括一些抑制性產物能被微生物利用產生氫氣，可明顯提高產氫得率。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于纖維素同步酶解發酵與微生物電解池產氫的耦合。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是，基于纖維素同步酶解發酵與微生物電解池產氫的耦合方法，其特征在于：

A.將未預處理或預處理后的纖維素基質與組合酶液按照100：(0.5～1)混合均勻，并將纖維素基質與組合酶液的混合液加入滅菌處理后的電解池內，加入量為電解池體積的10％～20％；

B.將厭氧發酵細菌、光合細菌或二者的混合菌加入電解池，接種量為5％～35％(v/v)。接種細菌目的是利用這些微生物分解混合酶液水解產生的還原糖等有機物，產生氫氣；

C.在電解池中加入組合培養基液體，加入量為所加入基質的10％～35％；

D.電解池外接電阻，啟動電解池，電解池啟動成功后，接入外部電源，調節輸入電壓為0.2～1.2伏，電解池處于產氫模式；在H₂氣體收集出口通過氣體收集裝置收集H₂氣體，在CO₂氣體收集出口通過氣體收集裝置收集CO₂氣體，待基質消耗完之后，廢液通過排液口4排出。

本發明的原理是：纖維素和半纖維素在纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶的混合酶液作用下分解成葡聚糖和木聚糖，纖維素基質在酶解糖化過程中還產生副產物，如乙酸、糠醛、羧甲基糠醛等。同時葡萄糖、乙酸等酶解糖化過程的產物在接種細菌的作用下，生成CO₂、H⁺和電子，H⁺向陰極運動，電子在電勢差的作用下沿外電路傳導至陰極，H⁺與來至外電路的電子在陰極結合發生還原反應生成H₂，然后在陰極側頂部收集H₂，在陽極側頂部收集CO₂，從而，在微生物電解池內同時實現了纖維素酶解作用與微生物發酵產氫。

利用微生物電解池同步酶解發酵制氫的方法，使得在一定外加電壓的作用下，厭氧發酵細菌或光合細菌能及時利用酶解作用產生的還原糖一類的物質做底物進行產氫代謝，而且還可利用水解液中的抑制性物質產氫，顯著地提高了產氫效率，從而減少了對環境的污染，實現了資源的高效利用。

系統反應方程式：

纖維素水解轉化成葡萄糖的反應式：