一種產氫細菌與含油微藻梯級耦合產能的方法
2023-09-09 16:38:50 1
一種產氫細菌與含油微藻梯級耦合產能的方法
【專利摘要】一種產氫細菌與含油微藻梯級耦合產能的方法，它涉及生物能源領域。本發明要解決目前暗發酵制氫中發酵產物難利用、易造成環境汙染，以及底物利用率低、產能效率低的問題。本發明的方法為：一、取產氫細菌進行培養；二、將有機酸發酵液進行離心；三、接種含油微藻；四、提取油脂。本發明方法將暗發酵制氫技術和微藻產油技術二者結合起來，解決了暗發酵制氫中發酵產物難利用、易造成環境汙染的問題，並且可以回收可再生能源，底物利用率高，產能效率高。本發明主要用於生物能源領域。
【專利說明】一種產氫細菌與含油微藻梯級耦合產能的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及生物能源領域。
【背景技術】 [0002]人口的增長和經濟的發展帶來了巨大的能源需求，然而，傳統的化石能源(石油、煤炭、天然氣)日益枯竭，難以滿足日益增長的需要，且化石能源的使用會帶來溫室效應等諸多環境問題，對人類的生存和可持續發展構成了嚴重的威脅。因此，開發高效、綠色環保的可再生能源已迫在眉睫。生物質能等可再生能源的開發和利用已成為世界各國廣泛關注的熱點。生物柴油和生物制氫是新型「綠色能源」，具有可再生和環境保護的雙重功效，
[0003]符合國家「十二五」規劃節能減排和低碳經濟發展的戰略需求。
[0004]生物制氫技術作為一種低成本、低能耗的綠色能源生產技術，其反應條件溫和、能耗低、能妥善解決能源與環境的矛盾。並且可以結合有機廢水處理和清潔能源生產，因而備受關注。厭氧發酵(暗發酵)制氫技術具有產氫速率快、底物來源廣和工藝流程簡單等優點，受到了世界範圍內的關注。然而，暗發酵制氫技術在生產中會產生大量無法利用的小分子有機酸，導致暗發酵制氫的底物利用率很低。另一方面，含有大量有機酸的發酵液如處理不當，會產生嚴重的環境汙染。
[0005]生物柴油是以動植物油脂或微生物油脂為原料，經酯化反應而得到的一種脂肪酸甲酯，是可替代現有普通柴油的綠色環保的可再生能源。微藻的油脂含量可以達到乾重的20%~60%，且環境適應能力強、生長速度快、生長周期短，是生產生物柴油的優質原料。然而，微藻生物柴油商業化生產的制約因素在於其高昂的原料成本，亟待尋求廉價的原料來源。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是為了解決目前暗發酵制氫中發酵產物難利用、易造成環境汙染，以及底物利用率低、產能效率低的問題，提供一種產氫細菌與含油微藻梯級耦合產能的方法。
[0007]本發明的一種產氫細菌與含油微藻梯級耦合產能的方法，按照以下步驟進行:
[0008]一、取產氫細菌進行培養；
[0009]二、將步驟一產氫細菌產生的有機酸發酵液進行離心，取上清液調節pH至6~9，然後進行高壓蒸汽滅菌；
[0010]三、向步驟二滅菌後的上清液中接種含油微藻，進行培養；
[0011]四、採收步驟三培養得到的含油微藻，然後提取含油微藻中的油脂。
[0012]本發明包含以下有益效果:
[0013]1、將暗發酵制氫技術和微藻產油技術二者結合起來，可以同時解決原料短缺與發酵產物利用兩個瓶頸問題，不僅解決了暗發酵制氫中發酵產物難利用、易造成環境汙染的問題，為提高基質利用率及系統的產能能力提供理論指導和技術支持，而且對於加快生物柴油和生物制氫技術的產業化步伐也具有重要的意義；
[0014]2、本發明將暗發酵制氫與微藻產油偶聯，該方法可以回收可再生能源，底物利用率高，產能效率高。暗發酵制氫的發酵液中含有大量小分子有機酸廢棄物，會對環境造成潛在的威脅，利用微藻處理暗發酵制氫產生的有機酸廢棄物，不僅保護了環境，而且將這些廢棄物進行了資源化利用，降低了微藻產油的成本，實現了可再生清潔能源生產和環境保護的雙重功效；
[0015]3、本發明步驟一得到的有機酸發酵液中含有乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和乙醇；
[0016]4、本發明方法的產氫量為1500~2500mL H2/L工作體積，產油量為0.5~1.0g/L工作體積。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明工藝流程示意圖；
[0018]圖2為實施例一中的產氫效能曲線圖；
[0019]圖3為實施例一中的油脂累積曲線圖。
【具體實施方式】
[0020]本發明技術方案不局限於以下所列舉【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】間的任意組合。
`[0021]【具體實施方式】一:本實施方式一種產氫細菌與含油微藻梯級耦合產能的方法，按以下步驟進行:
[0022]一、取產氫細菌進行培養；
[0023]二、將步驟一產氫細菌產生的有機酸發酵液進行離心，取上清液調節pH至6~9，然後進行高壓蒸汽滅菌；
[0024]三、向步驟二滅菌後的上清液中接種含油微藻，進行培養；
[0025]四、採收步驟三培養得到的含油微藻，然後提取含油微藻中的油脂。
[0026]本實施方式的有益效果:
[0027]1、將暗發酵制氫技術和微藻產油技術二者結合起來，可以同時解決原料短缺與發酵產物利用兩個瓶頸問題，不僅解決了暗發酵制氫中發酵產物難利用、易造成環境汙染的問題，為提高基質利用率及系統的產能能力提供理論指導和技術支持，而且對於加快生物柴油和生物制氫技術的產業化步伐也具有重要的意義；
[0028]2、本實施方式將暗發酵制氫與微藻產油偶聯，該方法可以回收可再生能源，底物利用率高，產能效率高。暗發酵制氫的發酵液中含有大量小分子有機酸廢棄物，會對環境造成潛在的威脅，利用微藻處理暗發酵制氫產生的有機酸廢棄物，不僅保護了環境，而且將這些廢棄物進行了資源化利用，降低了微藻產油的成本，實現了可再生清潔能源生產和環境保護的雙重功效；
[0029]3、本實施方式步驟一得到的有機酸發酵液中含有乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和乙醇；
[0030]4、本實施方式的產氫量為1500~2500mL H2A工作體積，產油量為0.5~1.0g/L工作體積。
[0031]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟一中所述的產氫細菌為哈工大產乙醇桿菌(Ethanoligenens harbinense)、巴氏梭菌(Clostridiumpasteurianum)、大腸桿菌(Escherichiab coli)、丁酸梭菌(Clostridium butyricum)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)、產氣腸桿菌(Enterobacter aerogenes)中的一種或幾種按任意比混合。其它與【具體實施方式】一相同。
[0032]本實施方式所述的產氫細菌均通過購買得到。
[0033]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是:步驟一中所述的產氫細菌培養條件為溫度35°C~37°C，避光，充入氮氣隔絕空氣培養，培養時間為20~40小時。其它與【具體實施方式】一或二相同。
[0034]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是:步驟二中所述的離心條件如下:轉速為8000~12000rpm，離心時間5~20分鐘，離心溫度4°C~25°C。其它與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0035]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是:步驟二中所述的高壓蒸汽滅菌條件為壓力102.9kPa，溫度為121°C~126°C，時間15~30分鐘。其它與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0036]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是:步驟三中所述的含油微藻為小球藻、柵藻、娃藻、隱甲藻、扁藻、杜氏藻、螺旋藻、金藻中的一種或幾種按任意比混合。其它與【具體實施方式】一至五之一相同。
[0037]本實施方式所述的 含油微藻均通過購買得到。
[0038]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一至六之一不同的是:步驟三中所述的接種液為穩定期種子液，接種量按發酵液總體積的5%~10%來接種。其它與【具體實施方式】一至六之一相同。
[0039]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】一至七之一不同的是:步驟三中所述的含油微藻培養條件為溫度15°C~40°C，光照培養，光照強度為O~120001uX，培養時間120~192小時。其它與【具體實施方式】一至七之一相同。
[0040]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】一至八之一不同的是:步驟四中所述的含油微藻採收方法為離心法或過濾法。其它與【具體實施方式】一至八之一相同。
[0041]【具體實施方式】十:本實施方式與【具體實施方式】一至九之一不同的是:步驟四中所述的含油微藻油脂提取方法為氯仿-甲醇法、索氏抽提法、正己烷-異丙醇法、正己烷-乙醇法或乙醚-石油醚法。其它與【具體實施方式】一至九之一相同。
[0042]實施例一:
[0043]本實施例產氫細菌與含油微藻梯級耦合產能的方法，按照以下步驟進行:
[0044]一、取哈工大產乙醇桿菌B49 (Ethanoligenens harbinense B49)進行培養,培養條件為溫度37°C，避光，充入氮氣隔絕空氣培養，培養時間35小時，產生氫氣和有機酸發酵液，
[0045]發酵液的主要成分為乙酸和乙醇；
[0046]二、對步驟一得到的發酵液進行預處理，離心去除產氫細菌，離心條件為轉速12000rpm,離心時間5分鐘，溫度4°C，取上清液調節pH至7，並進行高壓蒸汽滅菌，高壓蒸汽滅菌條件為壓力102.9kPa(l.05kg/cm2)，溫度121。。，時間15分鐘；
[0047]三、在步驟二得到的發酵液中接種柵藻R-16，接種液為穩定期種子液，接種量按發酵液總體積的10%來接種，柵藻R-16培養條件為溫度25°C,避光,培養時間144小時,利用發酵液中的有機酸等進行柵藻R-16生長和油脂積累；
[0048] 四、收集步驟三得到的柵藻R-16，收集方法為離心法，並採用氯仿-甲醇法提取柵藻R-16中的油脂。
[0049]本實施例中，產氫細菌為哈工大產乙醇桿菌B49 (Ethanoligenens harbinenseB49)，它的保藏編號為CGMCC N0.1153，保藏地址為北京市朝陽區北辰西路I號院，保藏單位為中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心。
[0050]本實施例中所用的哈工大產乙醇桿菌B49 (Ethanoligenens harbinense B49)通過購買得到。
[0051]本實施例中，含油微藻為柵藻R-16 (Scenedesmus sp.R-16),已在《A newIipid-rich microalga Scenedesmus sp.strain R_16isolated using Nile redstaining:effects of carbon and nitrogen sources and initial pH on the biomassand lipid production》(《用尼羅紅突光染色法分離的一株富油柵藻R-16:碳源、氮源和初始pH對生物量和油脂產量的影響》)(Biotechnology for biofuels2013, 6:143)中公開，所述的柵藻R-16從文章作者處購買得到。
[0052]本實施例中的產氫效能曲線圖如圖2所示，由圖2可知暗發酵制氫的產氫量為2283mLH2/L工作體積。
[0053]本實施例中的油脂累積曲線圖如圖3所示，由圖3可知微藻的產油量為0.81g/L工作體積。
[0054]實施例二:
[0055]本實施例產氫細菌與含油微藻梯級耦合產能的方法，按照以下步驟進行:
[0056]一、取丁酸梭菌(Clostridium butyricum)進行培養,培養條件為溫度35°C,避光，充入氮氣隔絕空氣培養，培養時間30小時,產生氫氣和有機酸發酵液,發酵液的主要成分為乙酸和丁酸；
[0057]二、對步驟一得到的發酵液進行預處理，離心去除產氫細菌，離心條件為轉速12000rpm,離心時間5分鐘，溫度4°C，取上清液調節pH至7，並進行高壓蒸汽滅菌，高壓蒸汽滅菌條件為壓力102.9kPa(l.05kg/cm2)，溫度121。。，時間15分鐘；
[0058]三、在步驟二得到的發酵液中接種小球藻，接種液為穩定期種子液，接種量按發酵液總體積的5%來接種，小球藻培養條件為溫度30°C，光照培養，光照強度為50001uX，培養時間168小時，利用發酵液中的有機酸等進行小球藻生長和油脂積累；
[0059]四、收集步驟三得到的小球藻，收集方法為過濾法，並採用索氏抽提法提取小球藻中的油脂。
[0060]本實施例中，產氫細菌為丁酸梭菌(Clostridium butyricum),通過購買得到。[0061 ] 本實施例中，含油微藻為小球藻，通過購買得到。
[0062]將暗發酵制氫技術和微藻產油技術二者結合起來，可以同時解決原料短缺與發酵產物利用兩個瓶頸問題，不僅解決了暗發酵制氫中發酵產物難利用、易造成環境汙染的問題，為提高基質利用率及系統的產能能力提供理論指導和技術支持，而且對於加快生物柴油和生物制氫技術的產業化步伐也具有重要的意義。
[0063]本發明將暗發酵制氫與微藻產油偶聯，該方法可以回收可再生能源，底物利用率高，產能效率高。暗發酵制氫的發酵液中含有大量小分子有機酸廢棄物，會對環境造成潛在的威脅，利用微藻處理暗發酵制氫產生的有機酸廢棄物，不僅保護了環境，而且將這些廢棄物進行了資源化利用，降低了微藻產油的成本，實現了可再生清潔能源生產和環境保護的雙重功效。
[0064]本發明步驟一得到的有機酸發酵液中含有乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和乙醇。
[0065]本發明方法的產氫量為1500~2500mL H2/L工作體積，產油量為0.5~1.0g/L工作體積。``
【權利要求】
1.一種產氫細菌與含油微藻梯級耦合產能的方法，其特徵在於它包括以下步驟: 一、取產氫細菌進行培養； 二、將步驟一產氫細菌產生的有機酸發酵液進行離心，取上清液調節pH至6~9，然後進行高壓蒸汽滅菌； 三、向步驟二滅菌後的上清液中接種含油微藻，進行培養； 四、採收步驟三培養得到的含油微藻，然後提取含油微藻中的油脂。
2.根據權利要求1所述的一種產氫細菌與含油微藻梯級耦合產能的方法，其特徵在於步驟一中所述的產氫細菌為哈工大產乙醇桿菌、巴氏梭菌、大腸桿菌、丁酸梭菌、丙酮丁醇梭菌、產氣腸桿菌中的一種或幾種按任意比混合。
3.根據權利要求1所述的一種產氫細菌與含油微藻梯級耦合產能的方法，其特徵在於步驟一中所述的產氫細菌培養條件為溫度35 V~37°C，避光，充入氮氣隔絕空氣培養，培養時間為20~40小時。
4.根據權利要求1 所述的一種產氫細菌與含油微藻梯級稱合產能的方法，其特徵在於步驟二中所述的離心條件如下:轉速為8000~12000rpm,離心時間5~20分鐘,離心溫度4。。~25。。。
5.根據權利要求1所述的一種產氫細菌與含油微藻梯級耦合產能的方法，其特徵在於步驟二中所述的高壓蒸汽滅菌條件為壓力102.9kPa，溫度為121°C~126°C，時間15~30分鐘。
6.根據權利要求1所述的一種產氫細菌與含油微藻梯級稱合產能的方法，其特徵在於步驟三中所述的含油微藻為小球藻、柵藻、硅藻、隱甲藻、扁藻、杜氏藻、螺旋藻、金藻中的一種或幾種按任意比混合。
7.根據權利要求1所述的一種產氫細菌與含油微藻梯級耦合產能的方法，其特徵在於步驟三中所述的接種液為穩定期種子液，接種量按發酵液總體積的5%~10%來接種。
8.根據權利要求1所述的一種產氫細菌與含油微藻梯級耦合產能的方法，其特徵在於步驟三中所述的含油微藻培養條件為溫度15°C~40°C，光照培養，光照強度為O~120001ux，培養時間120~192小時。
9.根據權利要求1所述的一種產氫細菌與含油微藻梯級耦合產能的方法，其特徵在於步驟四中所述的含油微藻採收方法為離心法或過濾法。
10.根據權利要求1所述的一種產氫細菌與含油微藻梯級耦合產能的方法，其特徵在於步驟四中所述的含油微藻油脂提取方法為氯仿-甲醇法、索氏抽提法、正己烷-異丙醇法、正己烷-乙醇法或乙醚-石油醚法。
【文檔編號】C12R1/19GK103555778SQ201310533944
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月1日 優先權日:2013年11月1日
【發明者】任南琪, 任宏宇, 劉冰峰, 謝國俊, 趙磊, 孔凡英 申請人:哈爾濱工業大學