專利名稱：一種提高厭氧細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫活性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于有機(jī)廢水生物處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用提高厭氧混合細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫活性的方法。
背景技術(shù)：
利用碳水化合物為原料的發(fā)酵法生物制氫技術(shù)，可應(yīng)用于有機(jī)廢水和有機(jī)固體廢棄物的處理實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)獲得氫能，在生物轉(zhuǎn)化可再生能源物質(zhì)(纖維素、淀粉等)生產(chǎn)氫能的研究中顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢。利用有機(jī)廢水進(jìn)行暗發(fā)酵生物制氫具有成本低、耗能少、對環(huán)境友好等優(yōu)勢，已成為近年來國際上生物制氫技術(shù)的研究熱點(diǎn)。但是發(fā)酵產(chǎn)氫過程中有機(jī)底物的氫轉(zhuǎn)化效率低，發(fā)酵細(xì)菌易失活，對廢水濃度、溫度、毒物等環(huán)境條件變化的抵抗力弱，產(chǎn)氫效率不穩(wěn)定等特點(diǎn)限制了其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的可行性。以往主要通過改變發(fā)酵液的C/N比、培養(yǎng)溫度以及培養(yǎng)基中微量元素的濃度，以尋找最適宜細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫的環(huán)境條件來提高細(xì)菌的產(chǎn)氫能力。納米技術(shù)在上世紀(jì)八十年代興起，對于納米顆粒功能的研究引發(fā)了光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、藥學(xué)、化學(xué)以及生物學(xué)等多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的一場革命。納米顆粒所具有的獨(dú)特的表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)使其在生命科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用于酶的固定，DNA轉(zhuǎn)染以及生物傳感器的研發(fā)等方面。目前僅有少數(shù)研究涉及到使用納米顆粒提高葡萄糖氧化酶的生物活性，但使用納米顆粒作為厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的催化劑尚未見報(bào)道，更未有納米顆粒催化生物制氫的最佳條件及氫產(chǎn)量。對于生物制氫技術(shù)來說，提高發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫酶的催化產(chǎn)氫活性，保持發(fā)酵產(chǎn)氫體系運(yùn)行的穩(wěn)定性、以及提高有機(jī)底物的氫轉(zhuǎn)化效率是利用厭氧發(fā)酵大規(guī)模生物制氫的關(guān)鍵所在。針對此問題，本發(fā)明提出了一種提高厭氧細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫活性的方法，充分利用納米顆粒獨(dú)特的表面效應(yīng)和催化效應(yīng)，催化激活發(fā)酵細(xì)菌的產(chǎn)氫酶，縮短發(fā)酵細(xì)菌接種后的停滯期，提高暗發(fā)酵體系對進(jìn)水沖擊負(fù)荷的適應(yīng)性及運(yùn)行穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用提高厭氧混合細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫活性的方法，以解決現(xiàn)有厭氧發(fā)酵制氫體系中產(chǎn)氫效率低，接種后停滯期較長的問題。一種提高厭氧細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫活性的方法，其特征是，在銀納米顆粒的存在下，利用厭氧混合產(chǎn)氫細(xì)菌進(jìn)行批式發(fā)酵，以制備氫氣。本發(fā)明所述的銀納米顆粒是銀納米膠體，粒徑為5 30 nm，加入濃度為5 500 nmol/L0本發(fā)明所述的厭氧混合產(chǎn)氫細(xì)菌是將厭氧活性污泥在50 150°C條件下烘焙I 3 h，而后煮沸10 60 min，然后移入?yún)捬醴磻?yīng)器中發(fā)酵30 45 d，然后將發(fā)酵液轉(zhuǎn)移至連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器中進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)，水力停留時(shí)間為12 24 h，溫度控制在30 35°C，培養(yǎng)馴化30 90 do本發(fā)明所述的批式發(fā)酵方法制氫包括在厭氧條件下進(jìn)行，振蕩頻率為100 300rpm,發(fā)酵溫度35 40°C，菌液的接種量為培養(yǎng)基總體積的20 40%，發(fā)酵底物的濃度為10 20 g/L。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明體現(xiàn)的優(yōu)勢和特點(diǎn)是
1、通過加入適當(dāng)濃度的銀納米顆粒，氫氣的產(chǎn)量大，且有效縮短產(chǎn)氫的停滯期和發(fā)酵周期；
2、提高了混合細(xì)菌的產(chǎn)氫速率，增加了生物氣中的氫氣含量(45 58%)，提高了單位底物的產(chǎn)氫效率(可達(dá)2. 11 2. 55 moIH2AioI葡萄糖)；
3、增強(qiáng)了混合細(xì)菌對廢水濃度、溫度、毒物等環(huán) 境條件變化的能力，在發(fā)酵過程中無需控制溶液PH，保持穩(wěn)定的連續(xù)產(chǎn)氫能力。


圖1為葡萄糖發(fā)酵的累積產(chǎn)氫曲線。圖2為不同濃度的NH4Cl促進(jìn)產(chǎn)氫發(fā)酵的累積產(chǎn)氫曲線。圖3為不同濃度的NH4Cl及20 nmol/L銀納米顆粒促進(jìn)產(chǎn)氫發(fā)酵的累積產(chǎn)氫曲線。圖4為銀納米顆粒的透射電鏡照片。
具體實(shí)施例方式通過以下給出的實(shí)施例對本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)一步詳細(xì)的加以說明。實(shí)施例1銀納米顆粒促進(jìn)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的實(shí)驗(yàn)
本實(shí)施例中使用的厭氧混合產(chǎn)氫細(xì)菌是取自某污水處理廠的厭氧活性污泥，在100°C條件下烘焙2 h，而后煮沸30 min，然后移入?yún)捬醴磻?yīng)器中發(fā)酵30 d，然后將發(fā)酵液轉(zhuǎn)移至連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器中進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)，水力停留時(shí)間為24 h，溫度控制在35°C，未控制pH，培養(yǎng)馴化60 d0發(fā)酵液的組成于120 mL的發(fā)酵罐中加入20mL混合產(chǎn)氫菌液，40 mL培養(yǎng)基(1000HiL蒸餾水含有如下成分葡萄糖20g;牛肉膏4g;蛋白胨IOg ；Na2C03 4 g ；Κ2ΗΡ04 · 3H20250 mg ；MgCl2 · 6H20 200 mg ；CuSO4 · 5H20 10 mg ；MnSO4 · 4H20 30 mg ；FeS04 · 7H20 200mg ；CoCl2 · 6H20 0.25 mg), 20 mL納米銀溶膠(使最終發(fā)酵液中納米銀濃度分別為10、20、50,100,200 nmol/L)。銀納米顆粒的平均粒徑為20 nm，銀顆粒要新制備的，用前超聲半小時(shí)。混合產(chǎn)氫菌液的接種量為培養(yǎng)基總體積的25%，底物葡萄糖的濃度為10 g/L,對反應(yīng)瓶吹5 min氮?dú)鈦肀ＷC厭氧環(huán)境，分批實(shí)驗(yàn)在黑暗狀態(tài)，振蕩頻率為200 rpm，發(fā)酵溫度為35 °C條件下進(jìn)行，初始pH值為8.1 8. 6，反應(yīng)始終未調(diào)節(jié)pH值。分析測試方法底物發(fā)酵生成的生物氣體積用排水法進(jìn)行測量，所有的氣體數(shù)據(jù)都已換算到標(biāo)準(zhǔn)狀況下(0°C，latm)。生物氣中氫氣的百分比使用配有熱導(dǎo)檢測器(T⑶)的氣相色譜儀來進(jìn)行檢測，使用2米填裝Porapak Q (50/80目)的不銹鋼柱。氬氣(Ar)作為載氣，流速為30 mL/min。進(jìn)樣口、柱箱、及檢測器的溫度分別為80、50和100°C。該實(shí)施方案條件下的累積產(chǎn)氫曲線見附圖1。該實(shí)施例發(fā)酵時(shí)間為96 h，發(fā)酵氣相中有氫氣和二氧化碳兩種氣體，其中氫氣體積分?jǐn)?shù)最高為57. 5%?？瞻讓?shí)驗(yàn)有4小時(shí)的產(chǎn)氫停滯期，氫氣產(chǎn)量為138. 2 mL ;加入銀納米顆粒的對照組沒有產(chǎn)氫停滯期，且產(chǎn)氫量均大幅提高，銀納米顆粒濃度為10、20、50、100、200 nmol/L時(shí)，產(chǎn)氫量分別為201. 6,231. 2、228.2,226. 1、236· 9 mL。實(shí)施例2厭氧細(xì)菌激活堿沖擊失活細(xì)菌產(chǎn)氫活性的實(shí)驗(yàn)
本實(shí)施例中使用的厭氧混合產(chǎn)氫細(xì)菌與實(shí)施例1的不同之處在于使用連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)時(shí)，水力停留時(shí)間為24 h，溫度控制在35°C，調(diào)節(jié)pH值為12，培養(yǎng)馴化15 d，使細(xì)菌的產(chǎn)氫發(fā)酵受到抑制，停止產(chǎn)氫。發(fā)酵液的組成于120 mL的發(fā)酵罐中加入上述停止產(chǎn)氫的混合產(chǎn)氫菌液20 mL,培養(yǎng)基40 mL(成分與實(shí)施例1相同)，NH4C1 20 mL(使最終氮元素的濃度分別為O. 3 1.1g/L)，最終納米銀濃度為20 nmol/L (加入的納米銀膠體體積可忽略)，其余同實(shí)施例1。該實(shí)施方案條件下的累積產(chǎn)氫曲線見附圖2、附圖3，使用的銀納米顆粒的電鏡照片見附圖4。該實(shí)施例發(fā)酵時(shí)間為168 h,發(fā)酵氣相中有氫氣和二氧化碳兩種氣體,其中氫氣體積分?jǐn)?shù)最高為55%。所有實(shí)驗(yàn)組均有較長的產(chǎn)氫停滯期，空白組(未加NH4Cl和納米銀)一直未產(chǎn)氫，加入納米銀的實(shí)驗(yàn)組停滯期縮短12 24 h，且產(chǎn)氫量均比僅加入NH4Cl的對 照組高。溶液中氮元素的濃度為O. 3、0. 5、0. 7、0. 9、1.1 g/L時(shí)，產(chǎn)氫量分別為188.1、184. 7,190. 7,173. 2,112. 9 mL。再向其中加入20 nmol/L的納米銀時(shí)，對照組產(chǎn)氫量分別為 192. 1,195. 3,216. 0,203. 1,202. 4 mL。從以上兩個(gè)實(shí)施例可以看出，適當(dāng)濃度納米銀顆粒的加入不僅提高了氫氣的產(chǎn)量，且有效縮短產(chǎn)氫的停滯期和發(fā)酵周期，而且對于產(chǎn)氫活性受到抑制的厭氧發(fā)酵細(xì)菌，加入適當(dāng)濃度的納米銀顆?？梢匝杆倩謴?fù)細(xì)菌的產(chǎn)氫活性，極大的縮短產(chǎn)氫停滯期，比僅向體系中補(bǔ)充氮源的效果更明顯，而且增加了細(xì)菌對于較高氮源濃度的適應(yīng)性。
權(quán)利要求
1.一種提高厭氧細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫活性的方法，其特征是，在銀納米顆粒的存在下，利用厭氧混合產(chǎn)氫細(xì)菌進(jìn)行批式發(fā)酵，以制備氫氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高厭氧細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫活性的方法，其特征是，所述的銀納米顆粒是銀納米膠體，粒徑為5 30 nm,加入濃度為5 500 nmol/L。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高厭氧細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫活性的方法，其特征是，所述的厭氧混合產(chǎn)氫細(xì)菌是將厭氧活性污泥在50 150°C條件下烘焙I 3 h，而后煮沸10 60 min，然后移入?yún)捬醴磻?yīng)器中發(fā)酵30 45 d，然后將發(fā)酵液轉(zhuǎn)移至連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器中進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)，水力停留時(shí)間為12 24 h，溫度控制在30 35°C，培養(yǎng)馴化30 90 d。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高厭氧細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫活性的方法，其特征是，所述的批式發(fā)酵方法制氫包括在厭氧條件下進(jìn)行；振蕩頻率為100 300 rpm ;發(fā)酵溫度35 400C ;菌液的接種量為培養(yǎng)基總體積的20 40%，發(fā)酵底物的濃度為10 20 g/L。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高厭氧細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫活性的方法。本發(fā)明是通過向厭氧發(fā)酵液中加入銀納米顆粒進(jìn)行催化生物制氫，銀納米顆粒不僅提高了氫氣的產(chǎn)量，縮短了產(chǎn)氫停滯期和發(fā)酵周期，而且對于產(chǎn)氫活性受到抑制的厭氧發(fā)酵細(xì)菌，加入納米銀顆?？梢匝杆倩謴?fù)細(xì)菌的產(chǎn)氫活性，比僅向體系中補(bǔ)充氮源的效果更明顯。本發(fā)明利用了納米顆粒獨(dú)特的表面效應(yīng)和催化效應(yīng)，催化激活發(fā)酵細(xì)菌的產(chǎn)氫酶，有助于解決現(xiàn)有厭氧發(fā)酵制氫體系中產(chǎn)氫效率低，接種后產(chǎn)氫停滯期較長的問題，還可以提高發(fā)酵體系對進(jìn)水沖擊負(fù)荷、溫度、酸、堿、毒物等環(huán)境條件變化的適應(yīng)性及運(yùn)行穩(wěn)定性。
文檔編號C12P3/00GK102994559SQ201210448140
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者張永芳, 魏琴, 杜斌, 趙偉, 魏東, 趙燕芳 申請人:濟(jì)南大學(xué)