[發明專利]鈷鎳沸石咪唑酯骨架衍生多孔碳促進生物甲烷制備的方法

有效

• 申請號: 201911256961.8
• 申請日: 2019-12-10
• 公開（公告）號: CN111041022B
• 公開（公告）日: 2021-12-28
• 發明（設計）人: 程軍;劉建忠;周俊虎;岑可法;楊衛娟;王智化;張彥威;周志軍;何勇
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C12N11/089
• 分類號: C12N11/089;C12N11/14;C12P5/02;C12R1/01
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 周世駿

本發明涉及生物質能利用技術，旨在提供一種鈷鎳沸石咪唑酯骨架衍生多孔碳促進生物甲烷制備的方法。包括：以氯化鈷、聚乙烯吡咯烷酮和二甲基咪唑的甲醇溶液混合后劇烈攪拌，老化得到鈷沸石咪唑酯骨架；洗滌、真空干燥后研磨，得到鈷沸石咪唑酯骨架粉末；分散于乙醇中再加入六水合二氯化鎳，攪拌形成蛋殼結構的鈷鎳沸石咪唑酯骨架；真空干燥后置于管式爐，氮氣條件下炭化處理；得到含鈷鎳納米顆粒的多孔碳微球；氫氟酸清洗、真空干燥并研磨成粉末，得到鈷鎳沸石咪唑酯骨架衍生多孔碳。本發明能有效提升發酵系統的生物甲烷生產性能，優化系統的電子傳遞性能，提高系統中電活性胞外聚合物的含量，強化電子穿梭體介導的種間電子傳遞。

技術領域

本發明涉及生物質能利用技術，特別涉及鈷鎳沸石咪唑酯骨架衍生多孔碳促進生物甲烷制備的方法。

背景技術

為了緩解能源危機和環境污染，甲烷作為一種可再生能源正發揮著越來越重要的作用，它具有熱值高、環境友好、應用廣泛等優點。甲烷可以通過多種方式制備，其中厭氧發酵是一種比較理想方式，具有固體殘渣少、營養需求低、運行負荷率高等優點，但同時存在反應緩慢等缺點，導致產甲烷反應的水力停留時間較長，而微生物電子傳遞速率在很大程度上決定了產甲烷反應速率。為了節約成本和減少反應時間，研究強化厭氧發酵產甲烷系統中的種間電子傳遞具有重要意義。

生物甲烷化主要通過產酸細菌與產甲烷古菌的互養代謝完成，第一階段產酸細菌首先將大分子有機酸或醇類分解成乙酸等小分子酸，同時生成氫氣、二氧化碳等代謝副產物；第二階段產甲烷古菌將第一階段生成的乙酸分解成甲烷，同時接受第一階段產生的電子將二氧化碳還原生成甲烷。傳統工藝二氧化碳甲烷化的反應速率較慢是主要的限速步驟，故提高甲烷發酵過程中產酸細菌和產甲烷古菌的協同互營作用、促進共生菌的種間電子傳遞是提高甲烷產率的技術關鍵。

由細菌發酵脂肪酸或醇產生的氫氣被氫養型產甲烷古菌所利用的過程被稱為種間氫傳遞，甲酸也在這個過程中起到類似作用。而從脂肪酸或醇中產生氫氣只有在低氫濃度(H₂10^-4atm)條件下才能夠實現，而低氫濃度又限制了甲烷菌利用氫氣產甲烷的效率，故以氫氣為媒介的種間電子傳遞速率被認為是甲烷生產的重要影響因素。近年來發現了一種不需要電子傳遞載體氫氣的傳遞機制——種間直接電子傳遞，它比種間氫/甲酸傳遞的吉布斯自由能更低，更有利于進行熱力學反應。

目前研究主要將種間直接電子傳遞機理歸納為三類：(1)通過納米導線實現種間直接電子傳遞作用。納米導線是從細胞表面延伸出的層狀絲狀蛋白質，主要作用是：通過連結作用在細胞之間傳遞遺傳物質(DNA)；幫助細胞粘結在其他表面；幫助細菌實現運動。部分特殊的菌毛表現出獨特的傳遞電子特性，這部分菌毛就起到納米導線作用。電子通過細胞間相互連接的納米導線實現交換，從而實現整個氧化還原反應。(2)通過膜結合電子轉運蛋白實現的種間直接電子傳遞作用。文獻報道在部分菌毛表達基因缺失的突變菌株中也能實現種間電子傳遞。透射電鏡分析表明兩種菌緊密連接在一起，并沒有明顯的納米導線，而多血紅色素細胞色素OmcZ作為電子轉運蛋白是種間直接電子傳遞的一種可能途徑。(3)通過導電材料實現的種間直接電子傳遞作用。向某些厭氧發酵體系中加入活性炭、炭纖維、磁鐵礦等導電材料，會對甲烷產量和效率起到加強作用。在某些特定的共培養體系中，細菌無法將有機物轉化為氫或甲酸，但是卻能產生甲烷，微觀表征發現細菌緊密吸附在導電材料顆粒上，相互之間沒有明顯的物理接觸。這說明電子是通過導電材料進行傳遞，而不是通過納米導線或細胞膜外的電子轉運蛋白來實現。