[發明專利]一種煤層本源菌群功能重塑的煤炭原位生物制氫方法

有效

• 申請號: 202210612062.2
• 申請日: 2022-05-31
• 公開（公告）號: CN114856526B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 肖棟;彭蘇萍;王恩元;黃炳香;諾貝托·丹尼爾·迪亞茲
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: E21B43/295
• 分類號: E21B43/295;C12P3/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 張聯群

1.一種煤層本源菌群功能重塑的煤炭原位生物制氫方法，其特征是：在地下煤儲層中，以煤層產甲烷菌群為基礎，利用調控因子誘導，靶向切斷氫產甲烷和氫產有機酸的生物代謝點位，實現本源產甲烷菌群代謝功能由煤制甲烷轉為煤制氫；

具體步驟如下：

步驟1、本源產甲烷菌群獲取與功能菌株分離富集：

待技術實施煤層中首先激活、培育出本源產甲烷菌群，分離富集關鍵煤水解菌、產氫菌、噬氫產酸菌和產甲烷菌菌株，每種富集菌株的相對豐度97.00%；所述的分離富集無需菌種純化；

步驟2、煤炭降解中的關鍵氫代謝通路與主要產氫功能菌類別：

分析獲取菌群的煤產甲烷代謝通路，厘清煤產甲烷代謝通路中的產氫與噬氫代謝分布，確立典型厭氧產氫途徑在氫代謝通路中的點位分布與分配權重，甄別出煤層原生產氫功能菌的主要類別；

步驟3、確立噬氫的關鍵生物學點位與功能菌種類別：

結合氫代謝通路與關鍵產氫菌類型，確立氫產CH₄和氫產乙酸或丁酸的關鍵生物學點位，明確產甲烷菌群代謝中主要噬氫點位構成菌種類別；

步驟4、主要菌種的生物學特征分析與群落協作關系：

明晰關鍵煤水解菌、產氫菌、噬氫產酸菌和產甲烷菌的生物學特征，揭示圍繞目標生物學點位的產氫 -噬氫菌間共生-協作拓撲關系；

步驟5、煤層地質特征與產氫菌的適應能力分析：

分析待技術實施煤層的煤巖地質特征，剖析關鍵煤水解菌、產氫菌、噬氫產酸菌和產甲烷菌對環境因子變化的響應規律；

步驟6、噬氫靶向點位阻斷的調控培養基配置與誘導方法：

基于待技術實施煤層地質特征，結合目標菌種生物學特征，利用敏感源分析方法探尋煤水解菌和產氫菌耐受性優良、但能顯著抑制產甲烷菌和噬氫產酸菌的敏感因子，確立調控培養基配置方法；結合主要菌株的生長速率差異，建立定向抑制產甲烷菌、靶向阻斷氫產CH₄和氫產有機酸代謝節點的誘導方法；

步驟7、構建產氫菌生物多樣性與穩定產氫調控方法：

明晰菌群功能由產甲烷至產氫調控過程中，優勢菌構成和菌間協作關系對代謝點位調控的隨動響應規律，構建穩定煤水解、強化產氫、抑制氫產CH₄和氫產有機酸的產氫培養基配制方法與精準調控方法，厘清新構菌群中優勢菌形成內因、菌群平衡條件和自穩能力，優化并明確疏通煤產氫代謝通路，阻斷噬氫代謝點位的復合因子調控重構菌群功能中核心代謝通路轉換模式和群落結構演化規律；

步驟8、煤制氫底物降解選擇性與最優底物氫轉化率分析：

針對新構的煤產氫菌群，通過理論推導、計算模擬、煤表面基團賦存分析手段，對比氫產CH₄靶向阻斷前后菌群對煤表面基團利用選擇性異同，明晰產氫菌群營養獲取傾向性，結合產氫菌代謝模式推導出最優底物氫轉化率；

步驟9、代謝產物分壓對氫轉化率影響分析：

探索產氫發酵指紋代謝產物分壓對煤炭生物產氫的影響規律，確立穩定產氫速率與提升底物有效轉化率的關鍵代謝產物影響因素與控制條件；所述的產氫發酵指紋代謝產物分壓包括：氫分壓、CO₂分壓、乙酸分壓、丁酸分壓；

步驟10、本源產甲烷菌群代謝功能重塑煤制氫技術方案優化與確立：

構建待實施煤種理想產氫菌群結構模型和多樣性驅動因素模型，優化實現底物產氫最大化的調控方法，多循環相似模擬分析優化調控下產氫菌群的結構穩定性與功能可靠性，確立本源產甲烷菌群代謝功能重塑與煤制氫技術方案；

步驟11、本源產甲烷菌群代謝功能重塑煤制氫技術實施：

根據本源產甲烷菌群代謝功能重塑煤制氫技術方案：

步驟11-1，配置產甲烷菌激活培育培養基，完成待處理煤層本源產甲烷菌群的激活；

步驟11-2，配置阻斷氫產CH₄和氫產有機酸代謝節點的調控培養基，注入煤層實施本源產甲烷菌群代謝功能由產甲烷轉為產氫的重塑；

步驟11-3，配置穩定煤水解、強化產氫、抑制氫產CH₄和氫產有機酸的產氫培養基，注入煤層后實施生物法煤制氫；

步驟11-4，實時抽排氣體代謝產物，使煤層中的氣體壓力保持在0.9-0.95標準大氣壓；

步驟11-5，實時監控煤層水中的水溶性代謝產物分壓，利用稀釋法或乙酸、丁酸分離法控制煤層水中的水溶性代謝產物濃度，實現高效穩定煤制氫技術的實施。