基于嗜热解糖厌氧杆菌与生物炭强化甘蔗渣资源化利用的方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种基于嗜热解糖厌氧杆菌与生物炭强化甘蔗渣资源化利用的方法与应用。本发明专利技术以纤维素类物质为碳源富集厌氧纤维素降解菌群；制备嗜热解糖厌氧杆菌种子液；将纤维素降解菌群和嗜热解糖厌氧杆菌种子液接种至发酵产氢培养基中进行暗发酵产氢，收集发酵产氢后的废液；将废液作为溶剂配制发酵产甲烷培养基，接种富含产甲烷菌群的厌氧污泥，进行发酵产甲烷。该方法中以常见的废弃生物质甘蔗渣为底物，采用简单有效的两相厌氧发酵工艺，并分阶段调控产氢和产甲烷过程，最终总能量回收达到15.84MJ/kg底物。本发明专利技术提供的方法特别适合应用于微生物转化甘蔗渣生产生物燃料。适合应用于微生物转化甘蔗渣生产生物燃料。适合应用于微生物转化甘蔗渣生产生物燃料。

【技术实现步骤摘要】
基于嗜热解糖厌氧杆菌与生物炭强化甘蔗渣资源化利用的方法与应用


[0001]本专利技术属于微生物发酵
，特别涉及一种基于嗜热解糖厌氧杆菌与生物炭强化甘蔗渣资源化利用的方法与应用。

技术介绍

[0002]过度开发及使用化石燃料造成的能源短缺和环境污染问题日益严重，新能源的开发与应用已成为全球共识。氢气作为单位质量热值最高的气体燃料，其燃烧产物只有水，具有着取代化石燃料的潜力。电解法等传统的制氢方法应用广泛，但存在成本高、不可持续、环境污染等问题。近年来，暗发酵生物制氢因其成本低、反应周期短、操作条件和反应设备简单而受到广泛关注。此外，微生物可以利用废弃的木质纤维素生物质作为原料进行发酵，既可以生产可再生的绿色能源，又可以避免木质纤维素资源利用不足造成的环境污染和资源浪费。我国是农业大国，甘蔗渣作为南方具有代表性的废弃木质纤维素生物质，研究甘蔗渣的资源化利用对我国开发可再生能源，调整能源结构和实现碳中和的目标都具有重要意义。
[0003]虽然目前已有大量研究聚焦，但暗发酵生物制氢技术的产氢效率依然有待提高，并且提高产氢废液的利用，降低成本，提升能量转化值得深入研究。为了解决这一问题，接种物的处理，两相厌氧发酵和分阶段调控等影响发酵生产生物燃料的关键因素亟需优化。

技术实现思路

[0004]本专利技术的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于嗜热解糖厌氧杆菌与生物炭强化甘蔗渣资源化利用的方法。在厌氧发酵过程中添加嗜热解糖厌氧杆菌与生物炭，实现高效稳定的两阶段产氢产甲烷工艺，同时在一定程度上解决甘蔗制糖工业的环境污染问题。
[0005]本专利技术的另一目的在于提供上述基于嗜热解糖厌氧杆菌与生物炭强化甘蔗渣资源化利用的方法的应用。
[0006]本专利技术的目的通过下述技术方案实现：
[0007]一种基于嗜热解糖厌氧杆菌与生物炭强化甘蔗渣资源化利用的方法，包括如下步骤：
[0008](1)厌氧纤维素降解菌种子液的制备：以纤维素类物质为碳源富集厌氧纤维素降解菌群，得到厌氧纤维素降解菌种子液；
[0009](2)嗜热解糖厌氧杆菌种子液的制备：将嗜热解糖厌氧杆菌进行活化和放大培养，得到嗜热解糖厌氧杆菌种子液；
[0010](3)将步骤(1)中得到的纤维素降解菌群和步骤(2)中得到的嗜热解糖厌氧杆菌种子液接种至发酵产氢培养基中进行暗发酵产氢，收集发酵产氢后的废液；
[0011](4)将步骤(3)得到的废液作为溶剂配制发酵产甲烷培养基，接种富含产甲烷菌群
的厌氧污泥，进行厌氧发酵产甲烷。
[0012]步骤(1)中所述的厌氧纤维素降解菌群优选按如下步骤得到：在结晶纤维素为碳源组成的纤维素培养基中连续转接培养，淘汰产氢能力和降解率较低的样品，最终获得稳定的厌氧纤维素降解菌群，其中的优势菌为瘤胃梭菌属(Ruminiclostridium)。瘤胃梭菌属(Ruminiclostridium)在木质纤维素发酵体系中普遍存在，主要发挥综纤维素降解功能。
[0013]所述的厌氧纤维素降解菌群优选按如下步骤得到：将泥样与纤维素培养基混合，培养，减少上清液后热处理，摇匀后接种于新鲜纤维素培养基中，厌氧培养；将产氢能力和降解率较好的样品在纤维素培养基中连续转接培养，获得稳定的厌氧纤维素降解菌群。
[0014]所述的泥样和所述的纤维素培养基优选按固液比1g:(2.5～3.5)mL配比；更优选按固液比1g:3mL配比。
[0015]所述的纤维素培养基的组成优选如下：结晶纤维素3g/L，硫酸铵1.3g/L、磷酸二氢钾1.5g/L、磷酸氢二钾3.93g/L、二水合氯化钙0.1g/L、六水合氯化镁1g/L、半胱氨酸盐酸盐0.5g/L、酵母提取物4g/L和浓度为0.01％(w/v)的刃天青1mL/L，pH值为7.0
±
0.3。
[0016]所述的培养的条件优选为：于35～40℃静置培养9～11天，期间每三天把一半的培养基更换为新鲜的纤维素培养基；更优选为：于37℃静置培养10天，期间每三天把一半的培养基更换为新鲜的纤维素培养基。
[0017]所述的减少上清液优选为去除原体积2/3的上清液。
[0018]所述的热处理的条件优选为：于85～95℃热处理25～35min；更优选为：于90℃热处理30min。
[0019]所述的接种于新鲜纤维素培养基中的接种量优选为新鲜纤维素培养基体积的8～12％；更优选为新鲜纤维素培养基体积的10％。
[0020]所述的厌氧培养的条件优选为：温度是50～60℃，转速是100～200rpm；更优选为：温度是55℃，转速是150rpm。
[0021]所述的较优的样品的筛选方法如下：观察纤维素降解情况，记录具有纤维素降解能力的样品，定时检测氢气含量，淘汰产氢能力和降解率较低的样品，得到较优的样品。
[0022]所述的连续转接培养的步骤优选如下：
[0023]1)将样品按新鲜纤维素培养基体积的10％接种量转接于新鲜纤维素培养基；
[0024]2)间隔24h将培养物按新鲜纤维素培养基体积的10％接种量再次转接于新鲜纤维素培养基；
[0025]3)重复步骤2)直到转接培养至目标代数。
[0026]所述的连续转移培养优选培养30代以上；优选为32～35代。
[0027]步骤(2)中所述的嗜热解糖厌氧杆菌优选为嗜热解糖厌氧杆菌MJ2。
[0028]步骤(2)中所述的活化的条件优选为：将嗜热解糖厌氧杆菌接种至装有种子培养基的西林瓶中，将西林瓶密封，抽真空，充入惰性气体，于温度为50～60℃且转速为100～200rpm的条件下震荡培养10～15h；更优选为：将嗜热解糖厌氧杆菌接种至装有种子培养基的西林瓶中，用胶塞和铝盖将西林瓶密封，抽真空3次，充入0.04MPa氮气，于温度为55℃且转速为150rpm的条件下震荡培养12h。
[0029]所述的放大培养的条件优选为：将活化后的嗜热解糖厌氧杆菌接种至装有种子培养基的血清瓶中，将血清瓶密封，抽真空，充入惰性气体，于温度为50～60℃且转速为100～
200rpm条件下震荡培养10～15h；更优选为：将活化后的嗜热解糖厌氧杆菌接种至装有种子培养基的血清瓶中，用胶塞和铝盖将血清瓶密封，抽真空3次，充入0.04MPa氮气，于温度为55℃且转速为150rpm条件下震荡培养12h。
[0030]所述的种子培养基的组成优选如下：碳源为木糖5g/L、硫酸铵1.3g/L、磷酸二氢钾1.5g/L、磷酸氢二钾3.93g/L、二水合氯化钙0.1g/L、六水合氯化镁1g/L、半胱氨酸盐酸盐0.5g/L、酵母提取物4g/L和浓度为0.01％(w/v)的刃天青1mL/L，pH值为7.0
±
0.3。
[0031]步骤(3)中所述的纤维素降解菌群和嗜热解糖厌氧杆菌种子液的总接种量优选为发酵产氢培养基体积的10％。
[0032]步骤(3)中所述的纤维素降解菌群和嗜热解糖厌氧杆菌种子液接种的体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于嗜热解糖厌氧杆菌与生物炭强化甘蔗渣资源化利用的方法，其特征在于包括如下步骤：(1)厌氧纤维素降解菌种子液的制备：以纤维素类物质为碳源富集厌氧纤维素降解菌群，得到厌氧纤维素降解菌种子液；(2)嗜热解糖厌氧杆菌种子液的制备：将嗜热解糖厌氧杆菌进行活化和放大培养，得到嗜热解糖厌氧杆菌种子液；(3)将步骤(1)中得到的纤维素降解菌群和步骤(2)中得到的嗜热解糖厌氧杆菌种子液接种至发酵产氢培养基中进行暗发酵产氢，收集发酵产氢后的废液；(4)将步骤(3)得到的废液作为溶剂配制发酵产甲烷培养基，接种富含产甲烷菌群的厌氧污泥，进行厌氧发酵产甲烷；步骤(3)中所述的发酵产氢培养基的组成如下：甘蔗渣5～25g/L、生物炭0～12g/L、硫酸铵1.3g/L、磷酸二氢钾1.5g/L、磷酸氢二钾3.93g/L、二水合氯化钙0.1g/L、六水合氯化镁1g/L、半胱氨酸盐酸盐0.5g/L、酵母提取物4g/L、浓度为0.01％(w/v)的刃天青1mL/L，pH值为7.0
±
0.3；步骤(4)中所述的发酵产甲烷培养基的组分如下：溶剂为废液，1g/L酵母提取物、0～12g/L生物炭或铁改性生物炭，pH值为8.0
±
0.3。2.根据权利要求1所述的基于嗜热解糖厌氧杆菌与生物炭强化甘蔗渣资源化利用的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的厌氧纤维素降解菌群按如下步骤得到：将泥样与纤维素培养基混合，培养，减少上清液后热处理，摇匀后接种于新鲜纤维素培养基中，厌氧培养；将产氢能力和降解率较好的样品在纤维素培养基中连续转接培养，获得稳定的厌氧纤维素降解菌群。3.根据权利要求2所述的基于嗜热解糖厌氧杆菌与生物炭强化甘蔗渣资源化利用的方法，其特征在于：所述的泥样和所述的纤维素培养基按固液比1g:(2.5～3.5)mL配比；所述的纤维素培养基的组成如下：结晶纤维素3g/L，硫酸铵1.3g/L、磷酸二氢钾1.5g/L、磷酸氢二钾3.93g/L、二水合氯化钙0.1g/L、六水合氯化镁1g/L、半胱氨酸盐酸盐0.5g/L、酵母提取物4g/L和浓度为0.01％(w/v)的刃天青1mL/L，pH值为7.0
±
0.3；所述的培养的条件为：于35～40℃静置培养9～11天，期间每三天把一半的培养基更换为新鲜的纤维素培养基；所述的减少上清液为去除原体积2/3的上清液；所述的热处理的条件为于85～95℃热处理25～35min；所述的接种于新鲜纤维素培养基中的接种量为新鲜纤维素培养基体积的8～12％；所述的厌氧培养的条件为：温度是50～60℃，转速是100～200rpm；所述的连续转接培养的步骤如下：1)将样品按新鲜纤维素培养基体积的10％接种量转接于新鲜纤维素培养基；2)间隔24h将培养物按新鲜纤维素培养基体积的10％接种量再次转接于新鲜纤维素培养基；3)重复步骤2)直到转接培养至目标代数。4.根据权利要求1所述的基于嗜热解糖厌氧杆菌与生物炭强化甘蔗渣资源化利用的方
法，其特征在于：步骤(2)中所述的嗜热解糖厌氧杆菌为嗜热解糖厌氧杆菌MJ2；步骤(2)中所述的活化的条件为：将嗜热解糖厌氧杆菌接种至装有种子培养基的西林瓶中，将西林瓶密封，抽真空，充入惰性气体，于温度为50～60℃且转速为100～200rpm的条件下震荡培养10～15h；所述的放大培养的条件为：将活...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱明军，黄金榕，卜杰，程镜蓉，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：