本发明专利技术公开了一种基于微生物电解池的协同利用嗜热菌群从纤维素中高效回收氢气的方法，它包括以下步骤：(1)在55℃下，以堆肥为接种物，以纤维素为电子供体，在血清瓶中培养嗜热纤维素降解菌群；(2)构建并启动单室MEC体系，以堆肥为接种物，以乙酸钠为电子供体，在55℃的恒温培养箱中驯化MEC阳极上的嗜热产电菌群；(3)在启动完成的单室MEC中，加入富集的嗜热纤维素降解菌群菌液，以纤维素为电子供体，运行基于纤维素降解菌群和产电菌群协同作用的MEC，并收集氢气。本发明专利技术利用嗜热纤维素降解菌实现纤维素的水解发酵制氢和利用嗜热产电菌群对纤维素发酵终产物(乙酸)进行原位利用并产氢，从而实现高效地将纤维素中的化学能转化为氢能。
【技术实现步骤摘要】
一种基于微生物电解池的协同利用嗜热菌群从纤维素中高效回收氢气的方法
本专利技术涉及微生物电解池产氢的方法，具体涉及到利用嗜热纤维素降解菌和嗜热产电菌的协同作用从纤维素中回收氢气的方法。
技术介绍
随着能源危机的日益加剧，开发可再生能源已受到了世界各国的高度重视。目前，氢能被认为是一种理想的可再生能源，因为其具有燃烧热值高、燃烧过程无污染、应用范围广、原材料丰富、可储存运输等优点。目前，制氢技术主要包括电催化分解水制氢、暗发酵制氢、微生物电解池(MEC)制氢以及光催化分解水制氢技术。其中，MEC制氢前景看好，因为MEC可以将生物质中蕴藏的化学能转化为氢能，且化学能转化为氢能的效率较高。纤维素作为产量巨大(1015kg/年)的生物质废弃物，是巨大的能量载体，因此利用MEC将纤维素的化学能转化为电能和能量气体已受到广泛关注。考虑到纤维素高分子有机物，其可生化降解性较差，前人在利用纤维素作为底物时，通过两个阶段来实现：先在厌氧消化反应器中将纤维素进行水解发酵，然后将水解发酵的产物作为MEC的底物回收氢气。然而，在常温下，MEC利用纤维素生产氢气的速率和效率较低，且分步操作增加了这一过程的复杂性以及成本。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于微生物电解池的协同利用嗜热菌群从纤维素中高效回收氢气的方法，通过构建嗜热MEC，利用嗜热纤维素降解菌实现纤维素的水解发酵制氢和利用嗜热产电菌群对纤维素发酵终产物(乙酸)进行原位利用并产氢的双赢过程，从而实现高效地将纤维素中的化学能转化为氢能。本专利技术以如下技术方案解决上述技术问题：本专利技术一种基于微生物电解池的协同利用嗜热菌群从纤维素中高效回收氢气的方法，包括如下操作步骤：1)称取10.0g中温堆肥置于120mL的血清瓶中，加入纤维素滤纸碎片0.25g，然后向血清瓶中加入100mL的基质培养液；所述基质培养液由基本基质、微量元素、维他命元素、硒酸盐和半胱氨酸盐酸盐溶液混合配制成，每配制1L基质培养液中，含基本基质996mL、微量元素溶液1mL、维他命溶液1mL、硒酸盐溶液1mL、半胱氨酸盐酸盐1mL，其中每1L基本基质中含有如下成份：NaCl1.0g、NH4Cl10.0g、MgCl2·6H2O1.0g、CaCl·2H2O5.0g；每1L微量元素溶液中含有如下成份：FeCl2·4H2O2.0g、H3BO30.05g、ZnCl20.05g、CuCl2·2H2O0.038g、MnCl2·4H2O0.05g、CoCl2·6H2O0.05g、NiCl·2H2O0.092g、(NH4)2Mo7O24·4H2O0.05g、AlCl30.05g；每1L硒酸盐溶液中含有如下成份：浓HCl1mL、Na2SeO3·5H2O0.1g、乙二胺四乙酸0.5g；其中半胱氨酸盐酸盐的制法是：将0.5g半胱氨酸与2.6gNaHCO3溶于10mL去离子水中；基质培养液配制完毕后用N2/CO2＝80/20混合气对添加了堆肥、滤纸和基质的血清瓶进行曝气30min，去除溶液中的溶解氧，同时维持基质的初始pH为7；曝气结束后，将血清瓶密封起来，并置于55℃的摇床里进行培养；当纤维素完全溶解且血清瓶中无气体产生时为一轮培养结束，得第一轮接种液；2)从步骤1)的血清瓶中取25mL接种液，转移到干净的血清瓶中，再加75mL新鲜的步骤1涉及的基质培养液，再加入0.25g纤维素，厌氧条件下于55℃摇床中培养，重复转移培养6次，以逐步淘汰产甲烷菌，且直至血清瓶中产生的气体为纯度高的氢气，并得到以嗜热纤维素降解菌群为主的菌液；3)构建单室瓶式MEC反应器，反应器的有效体积为250mL，以石墨纤维制成的碳刷为阳极，以不锈钢网为阴极，以Ag/AgCl电极为参比电极；MEC启动时，以与步骤1来源相同的堆肥为接种物，以乙酸钠作为电子供体，其浓度为1.0g/L，加入的基质250mL，所述基质由以下重量配比的组份混合制成：PBS溶液(浓度为0.5mol/L)25mL、维他命溶液2.5mL、微量元素溶液2.5mL以及220mL的去离子水，所述微量元素溶液与步骤1)涉及的微量元素溶液相同；然后对MEC反应器进行N2曝气30min，使之为厌氧环境，将其置于55℃的恒温培养箱中，并用恒电位仪控制阳极电势为-0.2Vvs.Ag/AgCl，并实时采集输出电流，当MEC的输出电流出现3个周期以上重现性较好的产电曲线时，认为MEC阳极上嗜热产电菌群成功挂膜；4)将步骤3)中驯化完成的MEC中的基质更换掉，加入20-50mL步骤2)培养6次结束的嗜热纤维素降解菌的菌液，并加入纤维素滤纸碎片为电子供体，其浓度为2.5-4.0g/L，然后加入200-250mL与步骤3相同的基质，在于步骤3)相同的条件下运行MEC反应体系，运行过程中通过嗜热纤维素降解菌的发酵制氢和嗜热产电菌利用前者降解纤维素产生的发酵终产物来进行产氢，并通过锡箔气袋收集气体，同时记录MEC正式运行时的电流输出并在周期结束时测定体系产生的氢气量。步骤1)中，所述中温堆肥是指以花园中的各种植物残体(如野草、落叶等)为主要原料混合堆积，经过发酵腐熟、微生物分解而形成的一种有机肥料，其中含有丰富的纤维素降解菌群。步骤1)中，所述纤维素滤纸碎片为1cm*1cm碎片。步骤3)中，所述碳刷的直径为5cm，长度为4cm；不锈钢网阴极的尺寸为：长3cm，宽2cm。步骤3)中，所述单室瓶式MEC反应器中，阳极置于瓶式反应器底部，阴极固定于反应器内阳极上方，且阴阳极的平均距离为4cm，阴极与阳极通过钛丝连接形成回路，且回路上串接恒电位仪和电阻，反应器内设有参比电极，反应器的顶部设有收集氢气的锡箔气袋。本专利技术方法的原理是：纤维素在水解菌群和发酵菌群(统称纤维素降解菌)的作用下，将不溶性的纤维素水解为蛋白质、碳水化合物以及脂肪，然后在发酵菌群的作用下进一步分解为氨基酸、糖类、脂肪酸以及乙酸、氢气(由于前期的培养驯化过程中不断淘汰产甲烷菌群，所以后续的纤维素降解菌种发酵过程中几乎产生氢气)和二氧化碳等；而发酵终产物乙酸则可以进一步被MEC阳极上的产电菌群利用，释放电子和质子，从而在阴极表面产生氢气。MEC中以乙酸为电子供体进行产氢的反应式为：阳极：C2H4O2+2H2O→8H++8e-+2CO2阴极：8H++8e-→4H2本专利技术方法具有如下有益效果：(1)从上述反应式可以看出，在MEC中利用纤维素降解菌和产电菌的协同作用从纤维素中回收氢气可以实现纤维素产氢理论效率的最大化(暗发酵制氢+MEC利用发酵产物制氢)；(2)由于反应器中纤维素的发酵产物(尤其是酸类物质)可以及时地被产电菌分解利用，避免其累积同时也避免体系pH大幅度下降，而发酵产物的及时消耗反过来又有利于促进纤维素的快速水解发酵，缩短利用纤维素进行产氢的周期；(3)由于经过驯化的纤维素降解菌在对纤维素进行分解的过程中，产生的是氢气，而MEC产氢的纯度也较高，因而整个体系获得的氢气纯度较高，降低了后期分离提纯的费用；(4)由于体系在55℃下运行，经驯化的微生物在此温度下具有较常温下更高的代谢活性，因而整个系统对纤维素降解的速率以及产氢的速率都较高；(5)构建高温下运行的MEC可为利用MEC有效处理富含可生化性较差的有机物且废水温度较高污水(如生物乙醇制本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于微生物电解池的协同利用嗜热菌群从纤维素中高效回收氢气的方法，其特征在于，它包括如下操作步骤：1)称取10.0g中温堆肥置于120mL的血清瓶中，加入纤维素滤纸碎片0.25g，然后向血清瓶中加入100mL的基质培养液；所述基质培养液由基本基质、微量元素、维他命元素、硒酸盐和半胱氨酸盐酸盐溶液混合配制成，每配制1L基质培养液中，含基本基质996mL、微量元素溶液1mL、维他命溶液1mL、硒酸盐溶液1mL、半胱氨酸盐酸盐1mL，其中每1L基本基质中含有如下成份：NaCl 1.0g、NH4Cl 10.0g、MgCl2·6H2O 1.0g、CaCl·2H2O 5.0g；每1L微量元素溶液中含有如下成份：FeCl2·4H2O 2.0g、H3BO3 0.05g、ZnCl2 0.05g、CuCl2·2H2O 0.038g、MnCl2·4H2O 0.05g、CoCl2·6H2O 0.05g、NiCl·2H2O 0.092g、(NH4)2Mo7O24·4H2O 0.05g、AlCl3 0.05g；每1L硒酸盐溶液中含有如下成份：浓HCl 1mL、Na2SeO3·5H2O 0.1g、乙二胺四乙酸0.5g；其中半胱氨酸盐酸盐的制法是：将0.5g半胱氨酸与2.6g NaHCO3溶于10mL去离子水中；基质培养液配制完毕后用N2/CO2＝80/20混合气对添加了堆肥、滤纸和基质的血清瓶进行曝气30min，去除溶液中的溶解氧，同时维持基质的初始pH为7；曝气结束后，将血清瓶密封起来，并置于55℃的摇床里进行培养；当纤维素完全溶解且血清瓶中无气体产生时为一轮培养结束，得第一轮接种液；2)从步骤1)的血清瓶中取25mL接种液，转移到干净的血清瓶中，再加75mL新鲜的步骤1涉及的基质培养液，再加入0.25g纤维素，厌氧条件下于55℃摇床中培养，重复转移培养6次，以逐步淘汰产甲烷菌，得到以嗜热纤维素降解菌群为主的菌液；3)构建单室瓶式MEC反应器，反应器的有效体积为250mL，以石墨纤维制成的碳刷为阳极，以不锈钢网为阴极，以Ag/AgCl电极为参比电极；MEC启动时，以与步骤1来源相同的堆肥为接种物，以乙酸钠作为电子供体，其浓度为1.0g/L，加入的基质250mL，所述基质由以下重量配比的组份混合制成：浓度为0.5mol/L的PBS溶液25mL、维他命溶液2.5mL、微量元素溶液2.5mL以及220mL的去离子水，所述微量元素溶液与步骤1)涉及的微量元素溶液相同；然后对MEC反应器进行N2曝气30min，使之为厌氧环境，将其置于55℃的恒温培养箱中，并用恒电位仪控制阳极电势为‑0.2V vs.Ag/AgCl，并实时采集输出电流，当MEC的输出电流出现3个周期以上重现性较好的产电曲线时，认为MEC阳极上嗜热产电菌群成功挂膜；4)将步骤3)中驯化完成的MEC中的基质更换掉，加入20‑50mL步骤2)培养6次结束得到的菌液，并加入纤维素滤纸碎片为电子供体，其浓度为2.5‑4.0g/L，然后加入200‑250mL与步骤3相同的基质，在于步骤3)相同的条件下运行MEC反应体系，同时记录MEC正式运行时的电流输出并在周期结束时测定体系产生的氢气量。...
【技术特征摘要】
1.一种基于微生物电解池的协同利用嗜热菌群从纤维素中高效回收氢气的方法，其特征在于，它包括如下操作步骤：1)称取10.0g中温堆肥置于120mL的血清瓶中，加入纤维素滤纸碎片0.25g，然后向血清瓶中加入100mL的基质培养液；所述基质培养液由基本基质、微量元素、维他命元素、硒酸盐和半胱氨酸盐酸盐溶液混合配制成，每配制1L基质培养液中，含基本基质996mL、微量元素溶液1mL、维他命溶液1mL、硒酸盐溶液1mL、半胱氨酸盐酸盐1mL，其中每1L基本基质中含有如下成份：NaCl1.0g、NH4Cl10.0g、MgCl2·6H2O1.0g、CaCl·2H2O5.0g；每1L微量元素溶液中含有如下成份：FeCl2·4H2O2.0g、H3BO30.05g、ZnCl20.05g、CuCl2·2H2O0.038g、MnCl2·4H2O0.05g、CoCl2·6H2O0.05g、NiCl·2H2O0.092g、(NH4)2Mo7O24·4H2O0.05g、AlCl30.05g；每1L硒酸盐溶液中含有如下成份：浓HCl1mL、Na2SeO3·5H2O0.1g、乙二胺四乙酸0.5g；其中半胱氨酸盐酸盐的制法是：将0.5g半胱氨酸与2.6gNaHCO3溶于10mL去离子水中；基质培养液配制完毕后用N2/CO2＝80/20混合气对添加了堆肥、滤纸和基质的血清瓶进行曝气30min，去除溶液中的溶解氧，同时维持基质的初始pH为7；曝气结束后，将血清瓶密封起来，并置于55℃的摇床里进行培养；当纤维素完全溶解且血清瓶中无气体产生时为一轮培养结束，得第一轮接种液；2)从步骤1)的血清瓶中取25mL接种液，转移到干净的血清瓶中，再加75mL新鲜的步骤1涉及的基质培养液，再加入0.25g纤维素，厌氧条件下于55℃摇床中培养，重复转移培养6次，以逐步淘汰产甲烷菌，得到以嗜热纤维素降解菌群为主的菌液；3)构建单室瓶式MEC反应器，反应器的有效体积为250mL，以石墨纤维制成的碳刷为阳极，以不锈钢网为阴极，以Ag/AgCl电极为参比电极；MEC启动时，以与步骤1来源相同的堆肥为接...
【专利技术属性】
技术研发人员：侯燕萍，覃善铭，涂玲丽，闫一旻，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西,45
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