一种煤层本源菌群功能重塑的煤炭原位生物制氢方法技术

一种煤层本源菌群功能重塑的煤炭原位生物制氢方法，属于煤气化技术领域。本源产甲烷菌原位功能重塑生物煤制氢技术，在地下煤储层中，以煤层产甲烷菌群为基础，利用调控因子诱导，靶向切断氢产甲烷和氢产有机酸的生物代谢点位，实现本源产甲烷菌群代谢功能由煤制甲烷转为煤制氢。专利技术充分利用本源菌对煤层的环境的适应性，调控获得的产产氢菌群能自主适应煤层环境，并且全技术流程无需外源菌注入，利用微生物精准开采实现煤炭氢采，减少碳排放。优点：能够在煤层温度下直接实施，无需加热等温控作业；能同步在大范围煤田区域同步实施，可靠性高操作简单、制氢成本低廉、污染低、安全性更高。安全性更高。安全性更高。

【技术实现步骤摘要】
一种煤层本源菌群功能重塑的煤炭原位生物制氢方法


[0001]本专利技术涉及煤气化
，特别是一种煤层本源菌群功能重塑的煤炭原位生物制氢方法。

技术介绍

[0002]以热解技术和生物技术为代表的煤炭地下气化技术的研究，助推了煤炭清洁化利用的进程。煤炭微生物气化与煤层气增产技术可实现原位煤转甲烷，以非常规天然气形式开采利用、有效减少污染物排放。但是CH4燃烧释热仍然伴随等摩尔CO2的生成，因此煤炭微生物气化解决了煤炭清洁利用问题，但并未从根本上解决碳排放的难题。这就亟待探寻一种创新性的技术方法，利用微生物精准选采实现“煤炭氢采”，助力煤炭产业创新发展新格局。
[0003]煤制氢技术目前主要采用热解制氢：煤炭在热解炉内加入催化剂后加热热解，可生成富氢气体。该方法需要在特定热解炉内，在500℃以上高温环境中完成热解反应。该技术难以在煤层中原位实施。

技术实现思路

[0004]技术问题：本专利技术的目的是要提供一种煤层本源菌群功能重塑的煤炭原位生物制氢方法，解决现有的煤制氢技术难以在煤层中原位实施的问题；能够在低温条件下，大范围同步实施煤制氢。
[0005]技术方案：本专利技术的目的是这样实现的：本源产甲烷菌原位功能重塑生物煤制氢技术，在地下煤储层中，以煤层产甲烷菌群为基础，利用调控因子诱导，靶向切断氢产甲烷和氢产有机酸的生物代谢点位，实现本源产甲烷菌群代谢功能由煤制甲烷转为煤制氢。
[0006]具体步骤如下：
[0007]步骤1、本源产甲烷菌群获取与功能菌株分离富集：/>[0008]待技术实施煤层中首先激活、培育出本源产甲烷菌群，分离富集关键煤水解菌、产氢菌、噬氢产酸菌和产甲烷菌菌株，每种富集菌株的相对丰度>97.00％；所述的分离富集无需纯化；
[0009]步骤2、煤炭降解中的关键H代谢通路与主要产氢功能菌类别：
[0010]分析获取菌群的煤产甲烷代谢通路，厘清煤产甲烷代谢通路中的产H2与噬H2代谢分布，确立典型厌氧产氢途径在H代谢通路中的点位分布与分配权重，甄别出煤层原生产氢功能菌的主要类别；
[0011]步骤3、确立噬氢的关键生物学点位与功能菌种类别：
[0012]结合H代谢通路与关键产氢菌类型，确立H2产CH4和H2产乙酸或丁酸的关键生物学点位，明确产甲烷菌群代谢中主要噬氢点位构成菌种类别；
[0013]步骤4、主要菌种的生物学特征分析与群落协作关系：
[0014]明晰关键煤水解菌、产氢菌、噬氢产酸菌和产甲烷菌的生物学特征，揭示围绕目标
生物学点位的产H2‑
噬H2菌间共生
‑
协作拓扑关系；
[0015]步骤5、煤层地质特征与产氢菌的适应能力分析：
[0016]分析待技术实施煤层的煤岩地质特征，剖析关键煤水解菌、产氢菌、噬氢产酸菌和产甲烷菌对环境因子变化的响应规律；
[0017]步骤6、噬氢靶向点位阻断的调控培养基配置与诱导方法：
[0018]基于待技术实施煤层地质特征，结合目标菌种生物学特征，利用敏感源分析方法探寻煤水解菌和产氢菌耐受性优良、但能显著抑制产甲烷菌和噬氢产酸菌的敏感因子，并进一步的基于敏感源分析结果，利用梯级实验和响应面实验法确立调控培养基配置方法；结合步骤4和本步骤测定的主要菌株的生长速率差异，进一步利用梯级实验和响应面实验法调整调控培养基中敏感因子的组成、含量水平、以及供给方法，建立噬氢靶向点位阻断的诱导方法；所述的噬氢靶向点位阻断为：定向抑制产甲烷菌、靶向阻断H2产CH4和H2产有机酸代谢节点；
[0019]步骤7、构建产氢菌生物多样性与稳定产氢调控方法：
[0020]明晰菌群功能由产甲烷至产氢调控过程中，优势菌构成和菌间协作关系对代谢点位调控的随动响应规律，进一步的确立产氢菌群形成与步骤5和步骤6中的环境因子和敏感因子的相关性，进一步的以产氢菌群构建为目标综合带交互的正交实验与响应面试验方法优化步骤6完成的“噬氢靶向点位阻断的诱导方法”，构建稳定煤水解、强化产H2、抑制H2产CH4和H2产有机酸的产氢培养基配制方法与精准调控方法，厘清新构菌群中优势菌形成内因、菌群平衡条件和自稳能力，优化并明确疏通煤产H2代谢通路，阻断噬H2代谢点位的复合因子调控重构菌群功能中核心代谢通路转换模式和群落结构演化规律；
[0021]步骤8、煤制氢底物降解选择性与最优底物H2转化率分析：
[0022]针对新构的煤产氢菌群，通过理论推导、计算模拟、煤表面基团赋存分析手段，对比H2产CH4靶向阻断前后菌群对煤表面基团利用选择性异同，明晰产氢菌群营养获取倾向性，结合产氢菌代谢模式推导出最优底物H2转化率；
[0023]步骤9、代谢产物分压对H2转化率影响分析：
[0024]探索产氢发酵指纹代谢产物分压对煤炭生物产氢的影响规律，确立稳定产氢速率与提升底物有效转化率的关键代谢产物影响因素与控制条件；所述的产氢发酵指纹代谢产物分压包括：H2分压、CO2分压、乙酸分压、丁酸分压；
[0025]步骤10、本源产甲烷菌群代谢功能重塑煤制氢技术方案优化与确立：
[0026]步骤7实验方法与实验结果基础上，叠入步骤8与步骤9分析结果作为分析因素，构建待实施煤种理想产氢菌群结构模型和多样性驱动因素模型，优化实现底物产氢最大化的调控方法，多循环相似模拟分析优化调控下产氢菌群的结构稳定性与功能可靠性，确立本源产甲烷菌群代谢功能重塑煤制氢技术方案；
[0027]步骤11、本源产甲烷菌群代谢功能重塑煤制氢技术实施：
[0028]根据本源产甲烷菌群代谢功能重塑煤制氢技术方案：
[0029]步骤11
‑
1，配置产甲烷菌激活培育培养基，完成待处理煤层本源产甲烷菌群的激活；
[0030]步骤11
‑
2，配置阻断H2产CH4和H2产有机酸代谢节点的调控培养基，注入煤层实施本源产甲烷菌群代谢功能由产甲烷转为产氢的重塑；
[0031]步骤11
‑
3，配置稳定煤水解、强化产H2、抑制H2产CH4和H2产有机酸的产氢培养基，注入煤层后实施生物法煤制氢；
[0032]步骤11
‑
4，实时抽排气体代谢产物，使煤层中的气体压力保持在0.9
‑
0.95atm标准大气压；
[0033]步骤11
‑
5，实时监控煤层水中的水溶性代谢产物分压，利用稀释法或乙酸、丁酸分离法控制煤层水中的水溶性代谢产物浓度，实现高效稳定煤制氢技术的实施。
[0034]所述的步骤4中，关键煤水解菌、产氢菌、噬氢产酸菌和产甲烷菌的生物学特征分析包括以下指标：
[0035]温度、pH因素的环境适应性、关键营养需求与营养离子耐受范围、生长曲线、抗生素敏感特征、微量离子需求与敏感性、H2和CO2分压敏感性、乙酸、丁酸及盐类分压敏感性；
[0036]其中，营养性离子包括以N、P、K、Na、S、Mg、Ca、Fe、Cl、Se元素本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤层本源菌群功能重塑的煤炭原位生物制氢方法，其特征是：在地下煤储层中，以煤层产甲烷菌群为基础，利用调控因子诱导，靶向切断氢产甲烷和氢产有机酸的生物代谢点位，实现本源产甲烷菌群代谢功能由煤制甲烷转为煤制氢。2.根据权利要求1所述的煤层本源菌群功能重塑的煤炭原位生物制氢方法，其特征是：具体步骤如下：步骤1、本源产甲烷菌群获取与功能菌株分离富集：待技术实施煤层中首先激活、培育出本源产甲烷菌群，分离富集关键煤水解菌、产氢菌、噬氢产酸菌和产甲烷菌菌株，每种富集菌株的相对丰度>97.00％；所述的分离富集无需菌种纯化；步骤2、煤炭降解中的关键H代谢通路与主要产氢功能菌类别：分析获取菌群的煤产甲烷代谢通路，厘清煤产甲烷代谢通路中的产H2与噬H2代谢分布，确立典型厌氧产氢途径在H代谢通路中的点位分布与分配权重，甄别出煤层原生产氢功能菌的主要类别；步骤3、确立噬氢的关键生物学点位与功能菌种类别：结合H代谢通路与关键产氢菌类型，确立H2产CH4和H2产乙酸或丁酸的关键生物学点位，明确产甲烷菌群代谢中主要噬氢点位构成菌种类别；步骤4、主要菌种的生物学特征分析与群落协作关系：明晰关键煤水解菌、产氢菌、噬氢产酸菌和产甲烷菌的生物学特征，揭示围绕目标生物学点位的产H2‑
噬H2菌间共生
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协作拓扑关系；步骤5、煤层地质特征与产氢菌的适应能力分析：分析待技术实施煤层的煤岩地质特征，剖析关键煤水解菌、产氢菌、噬氢产酸菌和产甲烷菌对环境因子变化的响应规律；步骤6、噬氢靶向点位阻断的调控培养基配置与诱导方法：基于待技术实施煤层地质特征，结合目标菌种生物学特征，利用敏感源分析方法探寻煤水解菌和产氢菌耐受性优良、但能显著抑制产甲烷菌和噬氢产酸菌的敏感因子，确立调控培养基配置方法；结合主要菌株的生长速率差异，建立定向抑制产甲烷菌、靶向阻断H2产CH4和H2产有机酸代谢节点的诱导方法；步骤7、构建产氢菌生物多样性与稳定产氢调控方法：明晰菌群功能由产甲烷至产氢调控过程中，优势菌构成和菌间协作关系对代谢点位调控的随动响应规律，构建稳定煤水解、强化产H2、抑制H2产CH4和H2产有机酸的产氢培养基配制方法与精准调控方法，厘清新构菌群中优势菌形成内因、菌群平衡条件和自稳能力，优化并明确疏通煤产H2代谢通路，阻断噬H2代谢点位的复合因子调控重构菌群功能中核心代谢通路转换模式和群落结构演化规律；步骤8、煤制氢底物降解选择性与最优底物H2转化率分析：针对新构的煤产氢菌群，通过理论推导、计算模拟、煤表面基团赋存分析手段，对比H2产CH4靶向阻断前后菌群对煤表面基团利用选择性异同，明晰产氢菌群营养获取倾向性，结合产氢菌代谢模式推导出最优底物H2转化率；步骤9、代谢产物分压对H2转化率影响分析：探索产氢发酵指纹代谢产物分压对煤炭生物产氢的影响规律，确立稳定产氢速率与提
升底物有效转化率的关键代谢产物影响因素与控制条件；所述的产氢发酵指纹代谢产物分压包括：H2分压、CO2分压、乙酸分压、丁酸分压；步骤10、本源产甲烷菌群代谢功能重塑煤制氢技术方案优化与确立：构建待实施煤种理想产氢菌群结构模型和多样性驱动因素模型，优化实现底物产氢最大化的调控方法，多循环相似模拟分析优化调控下产氢菌群的结构稳定性与功能可靠性，确立本源产甲烷菌群代谢功能重塑与煤制氢技术方案；步骤11、本源产甲烷菌群代谢功能重塑煤制氢技术实施：根据本源产甲烷菌群代谢功能重塑煤制氢技术方案：步骤11
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【专利技术属性】
技术研发人员：肖栋，彭苏萍，王恩元，黄炳香，诺贝托，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：