專利名稱：通過調(diào)控發(fā)酵過程中的溫度進(jìn)行汽爆秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于發(fā)酵工藝技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及利用發(fā)酵過程中變化溫度對汽爆秸 稈發(fā)酵產(chǎn)氫進(jìn)行調(diào)控的方法。
背景技術(shù)：
隨著人類社會的發(fā)展，對能源的需求量越來越大，然而地球上的化石燃料儲 量有限，因此，必須開發(fā)新型的可再生能源以滿足人類生產(chǎn)和生活的需要。氫氣 是一種清潔、高效的能源，是化石燃料良好的替代品。常規(guī)的制氫方法，如電解 水法和化石原料熱裂解法[Adnan M. Int J Hydrogen Energy, 2001:26:29-27; Ayhan D. Energy Sources, 2002:24:59-68.]，存在著能耗高，產(chǎn)物成分復(fù)雜，分離成本高 等缺點(diǎn)，不能從根本上解決能源和環(huán)境問題。以可再生的生物質(zhì)資源為原料，依 靠微生物發(fā)酵制氫日益成為研究的方向和熱點(diǎn)。
秸稈是一類來源非常豐富，價(jià)格極為低廉的可再生性資源，經(jīng)汽爆處理后， 秸稈中的部分半纖維素發(fā)生降解，纖維素的致密結(jié)構(gòu)被破壞，易于降解而被微生 物所利用。丁酸梭菌(aM/n'd"加&"0Wa^)能夠利用包括葡萄糖、木糖、纖維 二糖等大部分的木質(zhì)纖維素水解物，是以汽爆秸稈為原料進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫的理想菌 種(Hawkes FR. Int J Hydrogen Energy 2002,27:1339-1347.)。在以汽爆秸稈為底
物的微生物發(fā)酵過程中，添加纖維素酶使底物中的纖維素和半纖維素降解以產(chǎn)生 微生物能夠利用的小分子可溶性糖，是提高汽爆秸稈原料利用率的關(guān)鍵。
常用的利用汽爆秸稈發(fā)酵制氫的方式是同步糖化發(fā)酵，即將汽爆秸稈原料， 纖維奪酶和菌種詞時(shí)置于發(fā)酵罐中，邊酶解邊發(fā)酵(陳洪章，李佐虎。使用汽爆 植物秸稈發(fā)酵制備氫氣的方法。,家發(fā)明專利，CN1500879A)。但是，在同步 糖化發(fā)酵過程中，環(huán)境溫度通常以滿足微生物的生長為主要目標(biāo)。在以C. 6"0Wcww為產(chǎn)氧菌時(shí)，發(fā)酵權(quán)的溫度保持在其最適生長溫度35'C，而纖維素酶 的最適作用溫度為50'C，兩者之間的最適溫差有15'C，導(dǎo)致原料的利用率難以
提高。因此，有必要探索新的發(fā)酵方式以解決這一矛盾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對汽爆秸稈同步糖化發(fā)酵制氫過程中酶解和發(fā)酵溫度不 一致的問題，提供一種在發(fā)酵過程中進(jìn)行變溫刺激，以同時(shí)滿足纖維素降解和微 生物發(fā)酵的需要，提高纖維素酶解率和氫氣產(chǎn)率的新方法。
本發(fā)明利用汽爆秸稈配制培養(yǎng)基進(jìn)行丁酸梭菌(C. 6"0^'c"m AS1.209)產(chǎn) 氫發(fā)酵，發(fā)酵初期溫度維持在微生物生長的最適溫度，35'C。在發(fā)酵進(jìn)行到一定 的時(shí)間后，經(jīng)過一段時(shí)間后，迅速將發(fā)酵罐的溫度升高，達(dá)到有利于纖維素酶發(fā) 揮作用而又不影響微生物的活性的溫度，維持一段時(shí)間后，迅速降溫至35°C。 發(fā)酵繼續(xù)進(jìn)行一段時(shí)間后，再次重復(fù)上述操作。經(jīng)過這樣的多次變溫，達(dá)到促進(jìn) 底物中纖維素的降解，提高底物轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)氫效率的目的。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下-
本發(fā)明提供的通過調(diào)控發(fā)酵過程中的溫度進(jìn)斤汽皿稈發(fā)酵產(chǎn)氫的方法，其步驟
如下
(1) 制備汽爆秸稈培養(yǎng)基
向汽爆秸稈原料中添加尿素0.05 03g/g-底物、KH2P04 0.03g/g-底物、MgS04 0.015g/g-底物和水，滅菌后得到汽爆秸稈培養(yǎng)基；所述底物是指汽爆秸稈原料；
汽爆秸稈培養(yǎng)基中的汽爆秸稈原料與所加液體的固液質(zhì)量份配比為1: 3;
(2) 制備丁酸梭菌種子液
將丁酸梭菌接種于丁酸梭菌種子培養(yǎng)基中，35'C厭氧培養(yǎng)至對數(shù)生長期，制 得丁酸梭菌種子液；所述丁酸梭菌購自中國微生物保藏管理委員會普通微生物保 藏中心，其保藏號為CGMCC AS1.209.
所述每升丁酸梭菌種子培養(yǎng)基含有葡萄糖20g,酵母抽提物3g， KH2P04 0.2g， K2HP04 1.6g， MgS04-7H20 0.2g， NaCl O.lg， CaCl2 O.Olg， Na2S9H20 0.25g, NaMoO4.2H2O0.01g， NaHCO30.2g和(NH4)2S04 3.0g; (3)變溫發(fā)酵制備氫氣
向步驟(i)所得汽爆秸稈培養(yǎng)基中接入丁酸梭菌種子液，接種量為4 ro億
個(gè)細(xì)胞/g-底物，再加入適量的無菌蒸餾水，使最終的固液質(zhì)量份比為l: 5 1: 8,均勻混合后，迅速通入氮?dú)獬?，置?5'C開始發(fā)酵
發(fā)酵開始6 12小時(shí)后，迅速升高溫度至40 46'C,保持1 3小時(shí)后，迅 速降溫至35'C恒溫繼續(xù)發(fā)酵；
當(dāng)發(fā)酵進(jìn)行至22 36小時(shí)，再次迅速升高至40 46°C，保持1 3小時(shí)， 之后迅速降溫至35'C恒溫發(fā)酵至不再有氣體產(chǎn)生；
用排水集氣法收集所產(chǎn)生氣體，所產(chǎn)生氣體為氫氣和二氧化碳混合物，經(jīng)分
離后，得到純氫氣。
所述汽爆秸稈料的制備如下
將植物秸稈粉碎到3 4cm的長度，放入汽爆罐中，密閉后通入水蒸汽，使 罐壓迅速升至1.5MPa，維壓10min后，迅速放壓，制得汽爆秸稈料；
所述汽爆植物秸稈料為汽爆小麥秸稈料麥秸稈，汽爆玉米秸稈料，汽爆水稻 秸稈料或汽爆高粱秸稈料。
本發(fā)明的通過調(diào)控發(fā)酵過程中的,進(jìn)行汽爆秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫的方法，在發(fā)酵過 程中短時(shí)間升高溫度，將顯著促進(jìn)纖維素酶解，對微生物的活性卻不會有太大影 響，從而提高原料的利用率和產(chǎn)物產(chǎn)量。
圖1顯示了以汽爆玉米秸稈為底物進(jìn)行丁酸梭菌發(fā)酵的過程中，對發(fā)酵過程 進(jìn)行變溫控制和恒溫發(fā)酵的產(chǎn)氫量變化曲線；變溫控制為發(fā)酵進(jìn)行10h后將溫度 升高至45'C保持2h，之后降低回到35'C，繼續(xù)恒溫發(fā)酵；當(dāng)發(fā)酵進(jìn)行到30h后 再次升溫至45'C保持2h，然后再次降低至35'C恒溫發(fā)酵；可知，在發(fā)酵初期短 時(shí)間升高溫度，微生物的活性受到一定影響，延遲期變長，但在溫度降低回到 35'C后，產(chǎn)氫量迅速增加；第二次升溫后，發(fā)酵受到一定影響，但隨后產(chǎn)氫量出 現(xiàn)了第二次迅速增高，說明升高溫度促進(jìn)了纖維素降解，微生物發(fā)酵所需的營養(yǎng) 成分得到補(bǔ)充，總產(chǎn)氫量顯著提高。
總之，本發(fā)明的通過調(diào)控發(fā)酵過程中的,進(jìn)行汽爆秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫的方法具備 如下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明針對汽爆秸稈同步糖化發(fā)酵制ii過程中酶解和發(fā)酵溫度不一致的問 題，提供一種在發(fā)酵過程中進(jìn)行變溫刺激，以同時(shí)滿足纖維素降解和微生物發(fā)酵 的需要，可提高植物秸稈中纖維素酶解率和氫氣產(chǎn)率。


附圖1為以汽爆玉米秸稈為底物進(jìn)行變溫發(fā)酵與恒溫發(fā)酵制備氫氣的試驗(yàn) 結(jié)果對比示意圖。'
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1.用本發(fā)明提供的方法以汽爆玉米秸稈為原料進(jìn)行變溫發(fā)酵制備氫 氣，具體步驟如下-
1、制備汽爆秸稈料
把秸稈粉碎到3 4cm的長度，放入汽爆罐中，密閉后通入水蒸汽，使罐壓 迅速升至1.5MPa,在此壓力下維持10min后，迅速放壓，制得汽爆秸稈料； 2、制備丁酸梭菌種子液
將丁酸梭菌(購自中國微生物保藏管理委員會普通微生物保藏中心，其保藏 號為CGMCCAS1.209)接種于丁酸梭菌培養(yǎng)基，35。C厭氧培養(yǎng)至對數(shù)生長期，即 制得丁酸梭菌種子液；
所述每升丁酸梭菌培養(yǎng)基含葡萄糖20g，酵母抽提物0.5g, KH2P04 0.2g， K2HP04 1.6g， MgS04.7H20 0.2g, NaCl O.lg， CaCl2 O.Olg, Na2S.9H20 0.25g， NaMo04.2H20 0.01 g， NaHC03 0.2g and (NH4)2S04 3.0g;
3、制備汽爆秸稈培養(yǎng)基 向汽爆秸稈原料中添加尿素0.2g/g-底物、KH2P04 0.03g/g-底物、MgS04 0.015g/g-底物和水，其固液質(zhì)量份配比為1: 3，滅菌后得到汽爆秸稈培養(yǎng)基； 所述底物是指汽爆秸稈原料； 4、變溫發(fā)酵制備氫氣
將處于對數(shù)生長期的種子液接種于汽爆秸稈培養(yǎng)基(混合均勻)，接種量4億 個(gè)細(xì)胞/g-底物，并向汽爆秸稈培養(yǎng)基中適當(dāng)添加無菌蒸餾水，使最終的固液質(zhì)量 份比為l: 6，迅速通入氮?dú)獬鹾?，置?5'C開始發(fā)酵；
發(fā)酵開始8小時(shí)后，將反應(yīng)器溫度迅速升高至40'C，維持1小時(shí)后，迅速降 溫到35'C,繼續(xù)恒溫發(fā)酵；當(dāng)發(fā)酵進(jìn)行至30小時(shí)后，再次迅速升溫至40'C,維 持l小時(shí)后，迅速降溫至35'C,繼續(xù)恒溫發(fā)酵至不再有氣體產(chǎn)生；
用排水集氣法收集所產(chǎn)生的氨氣和二氧化碳，經(jīng)分離后，得到氫氣。 連續(xù)發(fā)酵78小時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)物中只有氫氣和二氧化碳，其中，氫氣含量為44.5 %,比產(chǎn)氨率為78ml/g-底物,分離后可得純氫氣。
實(shí)施例2.用本發(fā)明提供的方法以汽爆高粱秸稈為原料進(jìn)行發(fā)酵，具體步驟 如下
步驟l、 2同實(shí)施例1。
3、向汽爆秸稈原料中添加尿素0.15g/g-底物、KH2P04 0.03g/g-底物、MgS04 0.015g/g-底物和水，其固液質(zhì)量份配比為1: 3,滅菌后得到汽爆秸稈培養(yǎng)基； 所述底物是指汽爆秸稈原料；
4、將處于對數(shù)生長期的C 6w^yr!'o/加AS1. 209種子液與培養(yǎng)基混合均勻， 接種量6億個(gè)細(xì)胞/g-底物，并向培養(yǎng)基中適當(dāng)添加無菌蒸餾水，使最終的固液 質(zhì)量份比為h 5，迅速通入氮?dú)獬鹾螅糜?5r開始發(fā)酵。發(fā)酵開始10小時(shí) 后，將反應(yīng)器溫度迅速升高至45r,維持1小時(shí)后，迅速降溫回到35r,繼續(xù) 在此溫度下恒溫發(fā)酵。當(dāng)發(fā)酵進(jìn)行至24小時(shí)后，再次迅速升溫至45t:，維持l 小時(shí)后，迅速降溫至35'C至不再有氣體產(chǎn)生。用排水集氣法收集所產(chǎn)生的氫氣 和二氧化碳，經(jīng)分離后，得到氫氣。
連續(xù)發(fā)酵78小時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)物中只有氫氣和二氧化碳，其中，氫氣含量為42.6
比產(chǎn)氨率為75ml/g-底物，分離后可得純氫氣。
實(shí)施例3.用本發(fā)明提供的方法以汽爆麥秸為原料進(jìn)行發(fā)酵，具體步驟如下 步驟I、 2同實(shí)施例1。
3、 向,秸稈原料中添加尿素0.18g/g-底物、KH2P04 0.03g/g-底物、MgS04 0.015g/g-底物和水，其固液質(zhì)量份配比為1: 3,滅菌后得到汽爆秸稈培養(yǎng)基； 所述底物是指汽爆秸稈原料；
4、 將處于對數(shù)生長期的C.6"l)r/cMW AS1.209種子液與培養(yǎng)基混合均勻，接 種量8億個(gè)細(xì)胞/g-底物，并向培養(yǎng)基中適當(dāng)添加無菌蒸餾水，使最終的固液質(zhì) 量份配比為l: 7，迅速通入氮?dú)獬鹾?，置?5'C開始發(fā)酵。發(fā)酵開始8小時(shí) 后，將反應(yīng)器溫度迅速升高至43'C，維持2小時(shí)后，迅速降溫回到35'C,繼續(xù) 恒溫發(fā)酵。當(dāng)發(fā)酵進(jìn)行至30小時(shí)后，再次迅速升溫至43'C,維持2小時(shí)后，迅 速降溫至35'C，繼續(xù)恒溫發(fā)酵至不再有氣體產(chǎn)生。用排水集氣法收集所產(chǎn)生的 氫氣和二氧化碳，經(jīng)分離后，得到氫氣。
連續(xù)發(fā)酵78小時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)物中只有氫氣和二氧化碳，其中，氫氣含量為43.8 %,比產(chǎn)氡率為74ml/g-底物，分離后可得純氫氣。
實(shí)歸例4.用本發(fā)明提供的方法以汽爆玉米秸稈為原料進(jìn)行發(fā)酵，具體步驟 如下
步驟l、 2同實(shí)施例1。3、 向汽爆秸稈原料中添加尿素0.2g/g-底物、KH2P04 0.03g/g-底物、MgS04 0.015g/g-底物和水，其固液質(zhì)量份配比為1: 3，滅菌后得到汽爆秸稈培養(yǎng)基； 所述底物是指n^秸稈原料；
4、 將處于對數(shù)生長期的C, 6"Or!'cwm AS1. 209種子液與培養(yǎng)基混合均勻，接 種量10億個(gè)細(xì)胞/g-底物，并向培養(yǎng)基中適當(dāng)添加無菌蒸餾水，使最終的固液質(zhì) 量份配比為l: 6，迅速通入氮?dú)獬鹾?，置?5'C開始發(fā)酵。發(fā)酵開始10小時(shí) 后，將反應(yīng)器溫度迅速升高至45'C，維持2小時(shí)后，迅速降溫回到35'C，繼續(xù) 恒溫發(fā)酵。當(dāng)發(fā)酵進(jìn)行至35小時(shí)后，再次迅速升溫至45'C，維持2小時(shí)后，迅 速降溫至35°C，繼續(xù)恒溫發(fā)酵至不再有氣體產(chǎn)生。用排水集氣法收集所產(chǎn)生的 氣體。
連續(xù)發(fā)酵78小時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)物中只有氫氣和二氧化碳，其中，氣氣含量為45.2 %,比產(chǎn)氫率為76ml/g-底物，分離后可得純氫氣。
權(quán)利要求
1、一種通過調(diào)控發(fā)酵過程中的溫度進(jìn)行汽爆秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫的方法，其步驟如下(1)制備汽爆秸稈培養(yǎng)基向汽爆秸稈原料中添加尿素0.05～0.3g/g-底物、KH2PO40.03g/g-底物、MgSO40.015g/g-底物和水，滅菌后得到汽爆秸稈培養(yǎng)基；所述底物是指汽爆秸稈原料；汽爆秸稈培養(yǎng)基中的汽爆秸稈原料與所加液體固液質(zhì)量份配比為1∶3；(2)制備丁酸梭菌種子液將丁酸梭菌接種于丁酸梭菌種子培養(yǎng)基中，35℃厭氧培養(yǎng)至對數(shù)生長期，制得丁酸梭菌種子液；所述丁酸梭菌購自中國微生物保藏管理委員會普通微生物保藏中心，其保藏號為CGMCC AS1.209；所述每升丁酸梭菌種子培養(yǎng)基含有葡萄糖20g，酵母抽提物3g，KH2PO40.2g，K2HPO4 1.6g，MgSO4·7H2O 0.2g，NaCl 0.1g，CaCl2 0.01g，Na2S·9H2O0.25g，NaMoO4·2H2O 0.01g，NaHCO3 0.2g和(NH4)2SO4 3.0g；(3)變溫發(fā)酵制備氫氣向步驟(1)所得汽爆秸稈培養(yǎng)基中接入丁酸梭菌種子液，接種量為4～10億個(gè)細(xì)胞/g-底物，再加入適量的無菌蒸餾水，使最終的固液質(zhì)量份配比為1∶5～1∶8，均勻混合后，迅速通入氮?dú)獬?，置?5℃開始發(fā)酵；發(fā)酵開始6～12小時(shí)后，迅速升高溫度至40～46℃，保持1～3小時(shí)后，迅速降溫至35℃恒溫繼續(xù)發(fā)酵；當(dāng)發(fā)酵進(jìn)行至22～36小時(shí)，再次迅速升高至40～46℃，保持1～3小時(shí)，之后迅速降溫至35℃恒溫發(fā)酵至不再有氣體產(chǎn)生；用排水集氣法收集所產(chǎn)生氣體，所產(chǎn)生氣體為氫氣和二氧化碳混合物，經(jīng)分離后，得到純氫氣。
2、 按權(quán)利要求1所述的ffiiiS^發(fā)酵過程中的自進(jìn)行n^秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣的方 法，，征在于，所述汽爆秸稈料的制備如下將植物秸稈粉碎到3 4cm的長度，放入汽爆罐中，密閉后通入水蒸汽，使 罐壓迅速升至1.5MPa，維壓10min后，迅速放壓，制得汽爆植物秸稈料爭
3、 按權(quán)利要求i或2所述的iiil調(diào)控;^過程中^S進(jìn)纟m^稈發(fā)酵產(chǎn)氫的方法，,征在于，所述汽爆植物秸稈料為汽爆小麥秸稈料麥秸稈，汽爆玉米 秸稈料，餼爆水稻秸稈料或汽爆高粱秸稈料。
全文摘要
本發(fā)明的通過調(diào)控發(fā)酵過程中的溫度進(jìn)行汽爆秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫的方法向汽爆秸稈中添加尿素、KH₂PO₄、MgSO₄和水，得汽爆秸稈培養(yǎng)基；將丁酸梭菌接種于種子培養(yǎng)基中，35℃厭氧培養(yǎng)至對數(shù)期得種子液；向汽爆秸稈培養(yǎng)基中接入種子液，通氮?dú)獬?，?5℃發(fā)酵6～12小時(shí)后，迅速升溫至40～46℃，保持1～3小時(shí)后，迅速降溫至35℃恒溫繼續(xù)發(fā)酵；發(fā)酵進(jìn)行至22～36小時(shí)，再次升溫至40～46℃，保持1～3小時(shí)，之后降溫至35℃恒溫發(fā)酵至不再有氣體產(chǎn)生；將所產(chǎn)生的氣體經(jīng)分離后，得到純氫氣。該方法在發(fā)酵過程中多次短時(shí)間升高溫度，促進(jìn)底物纖維素降解，由于升溫時(shí)間較短，對微生物活性影響小，而氫氣產(chǎn)率顯著提高。
文檔編號C12P3/00GK101177694SQ200610114338
公開日2008年5月14日 申請日期2006年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月7日
發(fā)明者李冬敏, 陳洪章 申請人:中國科學(xué)院過程工程研究所