一种强化双菌发酵纤维素产氢的方法技术

本发明专利技术涉及一种强化双菌发酵纤维素产氢的方法，尤其涉及一种通过添加磁性Fe3O4纳米颗粒促进双菌发酵纤维素产氢的方法，其通过采用含有磁性Fe3O4纳米颗粒的纤维素培养基对纤维素降解菌和糖发酵菌进行共培养，磁性Fe3O4纳米颗粒的添加促进了双菌种间的电子传递，进而提高纤维素降解率和产氢量。本发明专利技术所述方法中采用的磁性Fe3O4纳米颗粒可以重复回收利用，无污染，能够节约生产成本，方法操作简单，易于放大，添加磁性Fe3O4纳米颗粒的双菌体系比不添加体系，产氢量提高幅度可达35％。

Method for enhancing production of hydrogen by fermentation of double bacteria

The invention relates to a method for strengthening the double fermentation of cellulose to produce hydrogen, in particular relates to a method of adding magnetic Fe3O4 nanoparticles promote cellulose to produce hydrogen by double fermentation, through the use of Fe3O4 magnetic nanoparticles containing cellulose medium on cellulose degrading bacteria and sugar fermentation bacteria were co cultured, Fe3O4 magnetic nanoparticles add promote the electron transfer between two strains, and to improve the rate of cellulose degradation and hydrogen production. The method of the invention adopts Fe3O4 magnetic nanoparticles can be reused, no pollution, saves the production cost, simple operation, easy amplification, adding magnetic Fe3O4 nanoparticles double bacteria system compared with the system, hydrogen yield increases of up to 35%.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于可再生能源
，涉及一种强化双菌发酵产氢的方法，尤其涉及一种通过添加磁性Fe3O4纳米颗粒促进双菌发酵纤维素产氢的方法。
技术介绍
为应对当今世界面临严峻的能源和环境危机，利用生物质产生可再生能源逐渐受到人们的重视。氢作为能源载体具有能量密度高，绿色无污染等突出优点，是真正意义上的绿色可再生能源。其具有较广的应用范围，可直接用作燃料，也可通过燃料电池通过电化学反应直接转换成电能，用于交通运输等，还可用作各种能源的中间载体。目前，氢能源主要来源于一次能源(煤、石油和天然气)的转化。传统制备技术虽然过程效率高，技术成熟，但其设备投资大，加速不可再生能源消耗的同时也对环境造成污染。生物制氢技术具有原料来源广，条件温和，绿色无污染等诸多优点，但目前国内外大多数研究者采用的都是容易降解的物质，如葡萄糖、蔗糖、淀粉和短链脂肪酸等作为产氢研究的主要原料，这些原料价格昂贵，因而相比物理及化学法产氢成本高。利用木质纤维素类生物质产氢可降低氢发酵成本(MudhooA等,Biohydrogenproductionandbioprocessenhancement:areview.CriticalReviewsinBiotechnology,2011,31:250-263)，因而受到越来越多研究者的关注。Zhao等人选择菌种Clostridiumbeijerinckii发酵产氢，但是由于这种菌类只可以代谢单糖或二糖，较高的原料成本无疑限制了以纤维素为底物的发酵产氢应用(ZhaoX等,HydrogenproductionbythenewlyisolatedClostridiumbeijerinckiiRZF-1108.BioresourceTechnology,2011,102:8432-8436)。研究发现通过微生物共培养(GengA等,Effectofkeyfactorsonhydrogenproductionfromcelluloseinaco-cultureofClostridiumthermocellumandClostridiumthermopalmarium.BioresourceTechnology,2010,101:4029-4033；LuY等,Enhancingthecellulose-degradingactivityofcellulolyticbacteriaCTL-6(Clostridiumthermocellum)byco-culturewithnon-cellulolyticbacteriaW2-10(Geobacillussp.).AppliedBiochemistryBiotechnology,2013,171:1578-1588)可以提高木质纤维素水解产物的产氢量。目前已有文献公开了一种双菌发酵产氢的方法(Li等,Dynamicmicrowave-assistedalkalipretreatmentofcornstalktoenhancehydrogenproductionviaco-culturefermentationofClostridiumthermocellumandClostridiumthermosaccharolyticum,Biomass&Bioenergy,2014,64:220-229)，以纤维素降解菌Clostridiumthermocellum和糖发酵菌Thermoanaerobacteriumthermosaccharolyticum的双菌共培养促进产氢研究，以玉米秆制备纤维素作为底物进行发酵，价格低廉，且双菌发酵的产氢量相比单菌发酵有显著提高。但是，其产氢量及纤维素降解率仍不够高，有待进一步提升。研究发现添加胞外电子穿梭体(Extracellularelectronshuttle,EES)(ZhangX等,InteractionsbetweenClostridiumbeijerinckiiandGeobactermetallireducensinco-culturefermentationwithanthrahydroquinone-2,6-disulfonate(AH2QDS)forenhancedbiohydrogenproductionfromxylose.BiotechnologyandBioengineering,2013,110:164-172；YeX等,Anthrahydroquinone-2,6,-disulfonate(AH2QDS)increaseshydrogenmolaryieldandxyloseutilizationingrowingculturesofClostridiumbeijerinckii.AppliedMicrobiologyandBiotechnology,2011,92:855-864)的手段，可以提高木质纤维素水解产物的产氢量。目前常用的电子穿梭体包括：醌类、染料和木素等，(MalvankarNSandLovleyDR,Microbialnanowiresforbioenergyapplications.CurrentOpinioninBiotechnology,2014,27:88-95)。其中，醌类和染料电子穿梭体因有毒而产生环境污染并危害人体健康，而且，醌类、染料和木素作为电子穿梭体使用时，不能回收再利用，因而这些电子穿梭体成本较高，无疑会限制这些材料的工业应用。添加胞外电子穿梭体蒽氢醌磺酸盐可以促进双菌共培养体系(Clostridiumbeijerinckii和Geobactermetallireducens)的木糖代谢产氢量(ZhangX等,InteractionsbetweenClostridiumbeijerinckiiandGeobactermetallireducensinco-culturefermentationwithanthrahydroquinone-2,6-disulfonate(AH2QDS)forenhancedbiohydrogenproductionfromxylose.BiotechnologyandBioengineering,2013,110:164-172)。随后，研究者拓展了该双菌体系的底物范围和EES的种类(5-羟茶醌、2-羟-1,4萘醌、富烯酸和腐殖酸)(LovleyDR等,Humicsubstancesaselectronacceptorsformicrobialrespiration.Nature,1996,382:445-448；Lovleyetal.,1999；WolfM等,EffectsofhumicsubstancesandquinonesatlowconcentrationsonferrihydritereductionbyGeobactermetallireducens.EnvironmentalScienceandTechnology,2009,43:5679-5685)，同样证明了该体系能够促进氢气的产生。但是，使用木糖作为原料成本较高，且醌类有毒，这就限制了其进一步应用。磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种强化双菌发酵产氢的方法，其特征在于，所述方法包括：在含有磁性Fe3O4纳米颗粒的培养体系中接种纤维素降解菌和糖发酵菌，进行发酵产氢。

【技术特征摘要】
1.一种强化双菌发酵产氢的方法，其特征在于，所述方法包括：在含有磁性Fe3O4纳米颗粒的培养体系中接种纤维素降解菌和糖发酵菌，进行发酵产氢。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)向纤维素培养基中加入磁性Fe3O4纳米颗粒，灭菌，得双菌发酵培养基；(2)向步骤(1)的双菌发酵培养基中接种纤维素降解菌和糖发酵菌，进行发酵纤维素产氢。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述纤维素培养基为微晶纤维素培养基；优选地，步骤(1)所述磁性Fe3O4纳米颗粒的终浓度控制在0.2-10mM，优选5-10mM，进一步优选8-10mM；优选地，所述磁性Fe3O4纳米颗粒的粒径为10-100nm，优选为20-50nm。4.如权利要求2-3之一所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述纤维素降解菌和糖发酵菌的总接种量控制在5％-15％，优选8％-10％；优选地，所述纤维素降解菌和糖发酵菌的接种比例为1:1-1:0.01，优选1:0.9-1:0.6，进一步优选1:0.9-1:0.8；优选地，所述纤维素降解菌和糖发酵菌的接种间隔时间为0h-48h，优选0h-11h，进一步优选6h-11h；优选地，所述接种时，先接种纤维素降解菌，再接种糖发酵菌。5.如权利要求2-4之一所述的方法，其特征在于，所述纤维素降解菌和糖发酵菌在接种前都经过预培养阶段；优选地，所述纤维素降解菌和糖发酵菌的预培养的pH值均独立地为
\t6.1-7.5，优选6.5-7.0，进一步优选7.0；优选地，所述纤维素降解菌和糖发酵菌的预培养的温度均独立地为50-60℃，优选55℃。6.如权利要求2-5之一所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述发酵纤维素产氢过程的pH值为6.1-7.5，优选6.5-7.0，进一步优选7.0；优选地，步骤(2)中所述发酵纤维素产氢...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘春朝，张琛，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11