通过微生物电解池协同实现CO2还原与纤维素电发酵的方法技术

本申请涉及通过微生物电解池协同实现CO2还原与纤维素电发酵的方法。本申请通过在H型电解池的阴极和阳极上构建不同的微生物菌群，使得CO2在阴极处发生还原反应，转化为小分子有机物(甲酸、乙酸、乙醇等)；同时使纤维素在阳极处进行电发酵，逐步转化为有机酸。通过构建不同的微生物菌群，实现CO2和纤维素的定向转化，本申请的方法可以最大化利用纤维素，成本低、效率高，并集合CO2资源化利用于一体，具有较高的应用价值。较高的应用价值。较高的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
通过微生物电解池协同实现CO2还原与纤维素电发酵的方法


[0001]本申请涉及但不限于低值废弃物资源化利用及碳中和领域，具体涉及通过微生物电解池协同实现CO2还原与纤维素电发酵的方法。

技术介绍

[0002]温室气体(CO2、甲烷等)排放导致的全球变暖成为国内外高度关注的环境与气候问题。CO2固定、还原和高值转化是碳减排领域的重要方向。另一方面，发展太阳能光伏、风能的新能源可以在很大程度上减少化石燃料使用和CO2的排放。然而，新能源发电与用户用电模式之间的不平衡导致相当数量电能难以利用而被废弃，提高低品位废弃电能的利用率可以显著提升新能源设施的效率，利用废弃电能实现有机废弃物的高值转化可能是有效途径。进一步地，城镇和工业污水厂异养反硝化脱氮的碳源成本在150亿元以上，主要采用乙酸、乙酸钠、副产乙酸、短链脂肪酸复合碳源等。如果能利用废弃电能实现有机废弃物的微生物电发酵和碳源转化，则可以实现废弃物的高值转化和利用，产生巨大的环境和经济效益。
[0003]此外，微生物电解池对阳极的利用率较低，如果采用木制纤维素等低值有机废弃物作为生物阳极的底物氧化产电，则阳极产生的电流原位被用于阴极CO2还原。然而，木质纤维素结构复杂、水解慢，并且水解过程是纤维素产酸的限速步骤。纤维素类生物质及CO2定向转化难、转化效率低，并且存在气体利用率低的问题。

技术实现思路

[0004]以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制本申请的保护范围。
[0005]本申请提供了一种通过微生物电解池协同实现CO2还原与纤维素电发酵的方法。本申请利用微生物电解池，使用中空纤维膜电极，在阳极上构建异质微生物菌群，进行微生物电发酵，提高纤维素定向转化效率；同时在阴极上进行微生物电合成，将CO2转化为脂肪酸。在本申请中，利用可以分泌纤维素酶的好氧真菌Trichoderma reesei与厌氧产酸菌(如Megasphaera elsdenii)构建复合微生物菌群，突破了异质微生物需氧量、生长条件不同而难以共存的难题，酶水解产物可以快速地被厌氧产酸菌原位利用，同步实现酶水解和产酸发酵，大幅提高纤维素的转化率和产酸率。同时好氧真菌可以消耗阳极中的氧气，兼性菌(如乳酸菌)再进一步消耗剩余氧气，最终形成厌氧环境，使得厌氧菌能在阳极室中存活并发挥作用。本申请能够协同实现阳极纤维素资源化利用和阴极CO2固定。
[0006]本申请提供了一种通过微生物电解池协同实现CO2还原与纤维素电发酵的方法，所述方法包括以下步骤：
[0007]1)提供阴极中空纤维膜电极、阳极中空纤维膜电极和参比电极，将所述阴极中空纤维膜电极和所述参比电极设置在所述微生物电解池的阴极腔室中，将所述阳极中空纤维膜电极设置在所述微生物电解池的阳极腔室中；
[0008]2)通过以下在所述阳极中空纤维膜电极上构建阳极微生物膜：向所述阳极中空纤维膜中通入氧气，将好氧真菌和纤维素加入到所述阳极腔室中，在20
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37℃下培养所述好氧真菌持续24
‑
48小时，使所述好氧真菌附着在所述阳极中空纤维膜电极上以形成好氧真菌生物膜，所述好氧真菌将所述纤维素降解为包括木糖和葡萄糖的小分子碳水化合物，并消耗大量氧气，然后将乳酸菌接种于所述阳极腔室中，以消耗剩余的氧气，同时将包括木糖和葡萄糖的小分子碳水化合物转化为乳酸，然后经过24
‑
48小时培养，使所述乳酸菌附着在所述好氧真菌生物膜外形成兼性菌生物膜；
[0009]3)通过以下在所述阴极中空纤维膜上构建阴极微生物膜：向所述阴极中空纤维膜中通入二氧化碳和氢气，将同型产乙酸菌加入到所述阴极腔室中，所述同型产乙酸菌附着在电极上生长，使所述同型产乙酸菌在所述阴极中空纤维膜电极上形成生物膜，使CO2、H2转化为乙酸，在所述阴极中空纤维膜电极上的生物膜形成之后，停止向所述阴极中空纤维膜中通入二氧化碳和氢气；
[0010]4)在构建所述阳极微生物膜和阴极微生物膜后，向所述微生物电解池施加
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0.2V至
‑
0.5V(相对于参比电极)的电势，待所述微生物电解池运行稳定后将电势逐步降低到
‑
1V至
‑
1.5V，使阳极进行电发酵反应，向所述阴极腔室中的所述阴极中空纤维膜电极内通入二氧化碳使其进行微生物电合成反应。
[0011]在本申请的实例中，在步骤2)中，所述好氧真菌选自木霉属、青霉属、漆斑霉属和毛壳霉属，如Trichoderma reesei、Trichoderma viride或Trichoderma harzianum；所述乳酸菌选自乳杆菌属、片球菌属和链球菌属，如Lactobacillus acidophilus、Lactobacillus rhamnosus、Lactobacillus casei、Lactobacillus paracasei、Lactobacillus plantarum、Lactobacillus gasseri、Lactobacillus reuteri、Lactobacillus bulgaricus或Lactobacillus johnsonii。
[0012]在本申请的实例中，在步骤2)中，在形成兼性菌生物膜之后，将厌氧产酸菌接种于所述阳极腔室中形成厌氧菌生物膜，以将乳酸、所述小分子碳水化合物转化为包括乙酸的小分子挥发性脂肪酸。
[0013]在本申请的实例中，所述厌氧产酸菌选自梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属和双歧杆菌属，如Butyrivibrio fibrisolvens、Bifidobacterium或Clostridium tyrobutyricum。
[0014]在本申请的实例中，在步骤3)中，所述同型产乙酸菌选自梭状菌属，如Clostridium ljungdahlii、Acetobacterium woodii、Moorella thermoacetia或Sporomusa ovata。
[0015]在本申请的实例中，在步骤2)中，所述纤维素来源于农作物秸秆、甘蔗渣、中药药渣、果渣、菊芋渣或蔬菜废弃物。
[0016]在本申请的实例中，在步骤2)中，纤维素的添加量为1
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20g/L，优选地5
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10g/L。
[0017]在本申请的实例中，在步骤2)中，所述好氧真菌的接种浓度为1
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10％(v/v)，所述乳酸菌的接种浓度为1
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10％(v/v)，所述厌氧产酸菌的接种浓度为1
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10％(v/v)，并且所述好氧真菌、所述乳酸菌和所述厌氧产酸菌在接种前被扩增培养到OD
600
值达到0.4
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1.0，优选地0.5
‑
0.6。
[0018]在本申请的实例中，在步骤2)中，接种所述好氧真菌、所述乳酸菌和所述厌氧产酸菌达到0.5
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0.6的OD值后以2000
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过微生物电解池协同实现CO2还原与纤维素电发酵的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)提供阴极中空纤维膜电极、阳极中空纤维膜电极和参比电极，将所述阴极中空纤维膜电极和所述参比电极设置在所述微生物电解池的阴极腔室中，将所述阳极中空纤维膜电极设置在所述微生物电解池的阳极腔室中；2)通过以下在所述阳极中空纤维膜电极上构建阳极微生物膜：向所述阳极中空纤维膜中通入氧气，将好氧真菌和纤维素加入到所述阳极腔室中，在20
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37℃下培养所述好氧真菌持续24
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48小时，使所述好氧真菌附着在所述阳极中空纤维膜电极上以形成好氧真菌生物膜，所述好氧真菌将所述纤维素降解为包括木糖和葡萄糖的小分子碳水化合物，并消耗大量氧气，然后将乳酸菌接种于所述阳极腔室中，以消耗剩余的氧气，同时将包括木糖和葡萄糖的小分子碳水化合物转化为乳酸，然后经过24
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48小时培养，使所述乳酸菌附着在所述好氧真菌生物膜外形成兼性菌生物膜；3)通过以下在所述阴极中空纤维膜上构建阴极微生物膜：向所述阴极中空纤维膜中通入二氧化碳和氢气，将同型产乙酸菌加入到所述阴极腔室中，所述同型产乙酸菌附着在电极上生长，使所述同型产乙酸菌在所述阴极中空纤维膜电极上形成生物膜，使CO2、H2转化为乙酸，在所述阴极中空纤维膜电极上的生物膜形成之后，停止向所述阴极中空纤维膜中通入二氧化碳和氢气；4)在构建所述阳极微生物膜和阴极微生物膜后，向所述微生物电解池施加
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0.2V至
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0.5V(相对于参比电极)的电势，待所述微生物电解池运行稳定后将电势逐步降低到
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1V至
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1.5V，使阳极进行电发酵反应，向所述阴极腔室中的所述阴极中空纤维膜电极内通入二氧化碳使其进行微生物电合成反应。2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤2)中，所述好氧真菌选自木霉属、青霉属、漆斑霉属和毛壳霉属，如Trichoderma reesei、Trichoderma viride或Trichoderma harzianum；所述乳酸菌选自乳杆菌属、片球菌属和链球菌属，如Lactobacillus acidophilus、Lactobacillus rhamnosus、Lactobacillus casei、Lactobacillus paracasei、Lactobacillus plantarum、Lactobacillus gasseri、Lactobacillus reuteri、Lactobacillus bulgaricus或Lactobacillus johnsonii。3.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤2)中，在形成兼性菌生物膜之后，将厌氧产酸菌接种于所述阳极腔室中形成厌氧菌生物膜，以将乳酸、所述小分子碳水化合物转化为包括乙酸的小分子挥发性脂肪酸。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述厌氧产酸菌选自梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属和双歧杆菌属，如Butyrivibrio fibrisolvens、Bifidobacterium或Clostridium tyrobutyricum。5.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤3)中，所述同型产乙酸菌选自梭状菌属，如Clostridium ljungdahlii、Acetob...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘锐平，赵婧，梁贺，赵树南，宋歌，刘会娟，曲久辉，
申请(专利权)人：中国科学院生态环境研究中心，
类型：发明
国别省市：