一種嗜熱芽孢桿菌及其在發酵產氫中的應用的製作方法

2023-04-27 04:17:06 2

專利名稱：一種嗜熱芽孢桿菌及其在發酵產氫中的應用的製作方法
技術領域：
本發明屬於發酵產氫技術領域，具體涉及一種嗜熱芽孢桿菌及其在發酵產氫中的應用，即將嗜熱芽孢桿菌應用於汙泥/或有機廢棄物的水解預處理，再利用水解後的汙泥/ 或有機廢棄物發酵產氫；同時還包括一種篩選出的嗜熱芽孢桿菌All菌株。
背景技術：
由於煤，石油等不可再生資源的大量使用，人類不僅面臨著資源的枯竭，而且還會對環境造成汙染，產生溫室效應。而氫能由於其清潔無汙染、高熱值、高熱效率、適用範圍廣、可再生等諸多優點，已成為二十一世紀最有吸引力的替代能源。目前氫氣的產生可以通過兩種途徑物理化學方法和生物方法。物理化學方法包括電解水法和水煤氣法，但上述兩種方法都是以消耗電能或不可再生能源為代價獲得氫氣。而生物方法是利用產氫的微生物來分解有機物質來產氫，是一種節能環保的技術。在生物產氫法中，增加產氫微生物的數量及其產氫活性，選育高效的產氫菌群，是提高發酵制氫系統產氫效能的重要途徑。與利用單一菌株產氫相比，利用混合菌系進行厭氧生物制氫具有明顯的優勢，這是由於菌種間的協同作用，導致純菌的產氫能力不如混合菌種，高的產氫微生物多樣性有利於增加產氫系統的產氫能力，其中汙泥具有最大的產氫能力。因此，為了提高氫氣產生的穩定性和產氫效率，優化汙泥中的產氫微生物群落結構是一項重要的工作。同時，淘汰接種汙泥中存在的諸如產甲烷菌群、同型產乙酸菌群和硫酸鹽還原菌群等耗氫菌群，加快反應系統的汙泥馴化過程，提高產氫效能，以不同預處理方法來處理好氧活性汙泥和厭氧活性汙泥，並啟動發酵制氫系統的研究就非常重要。近年來，主要使用物化法篩選汙泥中的產氫菌群，同時水解汙泥或有機廢棄物來發酵產氫，如熱處理 (加熱或滅菌)，化學處理(鹼處理，酸處理，添加甲烷抑制劑等)，機械破解(超聲波，微波， 凍融等)等方法。目前已經有一些利用汙水處理廠的剩餘汙泥來產氫的技術報導，專利號為 ZL200310116142. 6的專利公開了「一種利用汙水廠剩餘汙泥厭氧發酵制氫的方法與裝置」， 它是應用鹼預處理汙泥產氫，將PH調到12 13，並抑制甲烷菌。但強鹼性環境對汙泥的後續生物處理十分不利，剩餘汙泥的填埋對土壤的損害比原汙泥更大，而且外加鹼，增加生產運行成本。申請號為2005100664 . 7的專利申請公開了一種「用汙水處理廠剩餘汙泥制氫的熱處理-發酵產氫方法」，它使用熱處理汙泥產氫，在121 °C，壓力1. 5個標準大氣壓，處理0.5小時。但這種方法延遲時間長(從開始發酵到產氫的這段時間)，氫氣純度低，而且用電量大，對設備的製造要求高，增加生產成本。而且超聲波、臭氧氧化、氯氧化、熱水解、酸或鹼處理等物理化學方法存在產生三氯甲烷副產物、梅拉德反應抑制厭氧消化、基建和運行費用大、能耗高、安全隱患等問題。因此，就需要建立一種有效的生物法預處理技術，對汙泥/或有機廢棄物進行水解並利用其發酵產氫的方法。同時，篩選出生物法預處理所需的高效微生物菌株也成為汙泥/或有機廢棄物水解和發酵產氫領域的研究熱點。

發明內容
本發明的目的是提供一種嗜熱芽孢桿菌及其在發酵產氫中的應用，即利用嗜熱芽孢桿菌來預處理汙泥/或有機廢棄物，水解汙泥/或有機廢棄物的大分子結構，富集產氫菌，提高後續產氫的效率，以彌補現有技術的不足。本發明涉及嗜熱芽孢桿菌在汙泥發酵產氫中的應用，包括汙泥預處理和發酵制氫步驟，其特徵在於上述的預處理步驟是在汙泥中接種嗜熱芽孢桿菌菌液，在50 70°C下預處理汙泥2 Mh，獲得嗜熱芽孢桿菌預處理水解汙泥，再轉入發酵制氫步驟。上述的發酵制氫步驟是將嗜熱芽孢桿菌預處理水解汙泥置於密封的發酵制氫反應器中，向汙泥中吹氮氣2 15min，再密封發酵產氫，發酵溫度為25 45°C。本發明的另一個方面涉及嗜熱芽孢桿菌預處理水解汙泥，是將嗜熱芽孢桿菌預處理水解汙泥作為產氫菌群接種體接種於有機廢棄物中進行發酵產氫。上述的有機廢棄物也可以先用嗜熱芽孢桿菌進行預處理。上述汙泥或有機廢棄物和嗜熱芽孢桿菌菌液的體積比為100 3 15。上述的汙泥可以是汙水處理廠的剩餘汙泥、河/海底泥或養殖池塘汙泥。其中嗜熱芽孢桿菌為篩選的嗜熱芽孢桿菌Bacillus thermophilic All菌株。嗜熱芽孢桿菌All (Bacillus thermophilic)，保藏編號為CGMCC No. 5309，保藏於中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心，地址為北京市朝陽區北辰西路1號院 3號中國科學院微生物研究所，郵編100101，保藏日期為2011年9月四號。本發明的嗜熱芽孢桿菌汙泥預處理方法可以有效地篩選泥中的高效產氫菌群，抑制耗氫菌的生長，同時破壞汙泥/或有機廢棄物的大分子結構，提高汙泥/或有機廢棄物的生物再降解能力，減少汙泥量，殺死汙泥/或有機廢棄物中的致病菌。經過本發明All菌株預處理的汙泥/或有機廢棄物，在後續的發酵制氫步驟中氫氣的產生量大，氫氣純度高，產氫的延遲時間短，具有明顯的經濟價值和開發潛能。
具體實施例方式本發明的基本原理如下在汙泥/或有機廢棄物中接種嗜熱芽孢桿菌，在高溫條件下，嗜熱芽孢桿菌可以分泌胞外酶，胞外酶可以破壞汙泥中微生物細胞壁，水解汙泥/或有機廢棄物的大分子結構，提高汙泥/或有機廢棄物的可生化性；同時胞外酶和高溫條件可以抑制或殺死汙泥中的產甲烷菌等耗氫菌，而產氫菌在極端環境下可以形成孢子，在適宜的條件下可以復活，汙泥經嗜熱芽孢桿菌處理後，便可以篩選出其中的高效產氫菌群。因此，汙泥/或有機廢棄物經嗜熱芽孢桿菌處理後，即可用於發酵產氫。對比汙泥經65°C熱處理和嗜熱芽孢桿菌處理後發酵產氫，嗜熱芽孢桿菌處理後汙泥的最大產氫率為27. 5ml H2/g VS，產氫率高出對應的65°C熱處理汙泥52. 3%，產生的氣體中只有H2和CO2,無甲烷產生。結果表明，汙泥經嗜熱芽孢桿菌處理後，產氫菌群活性高， 可以達到較好的產氫效果。下面結合具體實施例對本發明的菌株及其應用進行詳細描述一、菌株的篩選及理化性質1、菌株的篩選取青島市綠化帶花園土壤置於錐形瓶中，121 °C高溫滅菌，而後於65°C水浴震蕩培養1 2天，存活下來的即為嗜熱菌，再採用平板劃線法分離富集的嗜熱菌。所用培養基為通用的牛肉膏蛋白腖培養基，主要成分如下牛肉膏5g，蛋白腖10g，瓊脂20g，NaCl 5g，水 1000ml, pH 7. 0，1. 05kg/cm2，121°C條件下滅菌 20 分鐘。2、菌株的理化性質篩選出的菌落為淺灰色、半透明、淺裂，邊緣不整齊、中凸，該菌株為革蘭氏陽性菌，細杆狀，產芽孢，好氧或兼性厭氧菌，接觸酶反應為陽性，可分泌澱粉酶和蛋白酶，最適 PH值為6. 8 7. 5，最佳生長溫度為65°C。二、菌株的應用取分離的嗜熱菌All置於汙水廠剩餘汙泥中，汙泥和嗜熱菌菌液的體積比為 100 3 100 15，在45 75°C下處理汙泥2 Mh，然後取嗜熱菌水解汙泥置於密封的發酵制氫反應器中，向其中吹氮氣2 15min，密封，控制發酵溫度25°C 45°C，進行發酵產氫，2 IOh後產生氫氣。對於其它有機廢棄物的水解和發酵產氫，具體方法如下取分離的嗜熱菌All置於有機廢棄物中，有機廢棄物和嗜熱菌菌液的體積比為100 3 100 15，在45 75°C 下處理2 48h，然後接種嗜熱菌處理後的汙泥，置於密封的發酵制氫反應器中，汙泥與有機廢棄物的比例為100 5 100 20，然後向發酵制氫反應器中吹氮氣2 15min，密封， 控制發酵溫度25°C 45°C，進行發酵產氫，2 IOh後產生氫氣。實施例1 取城市汙水廠二沉池汙泥100ml，汙泥的TSS為13. 26g/L, VSS為7. 41g/L。置於嗜熱菌水解反應器中，接種嗜熱菌Bacillus thermophilic All菌株的菌液IOml (取All 菌株接種於液體培養基中，65°C水浴震蕩培養24h製得All菌株的菌液，培養基主要成分為牛肉膏 5g，蛋白腖 10g，NaCl 5g，水 1000ml，pH 7. 0，1. 05kg/cm2，121°C條件下滅菌 20 分鐘)，實驗溫度設定為65°C，通氣量為0. 21L/min，處理48h，以釋放汙泥中的有機營養物，同時又可以富集汙泥中的產氫菌群，殺滅耗氫菌和致病菌，並可釋放汙泥中吸附的部分重金屬。預處理後，TSS的溶解率達到41. 21%, VSS的溶解率達到55. 27%，汙泥中的營養物被釋放出來，其中原汙泥蛋白質的含量從87. 13mg/L上升到1011mg/L ；碳水化合物的含量從 10. 45mg/L 上升到 25;3mg/L ；SCOD (溶解性 COD)由原汙泥的 M5mg/L，提高到 6342mg/L。然後將嗜熱菌水解預處理後的汙泥放於血清瓶中，控制溫度35°C，吹氮氣5min， 以去掉剩餘汙泥上層空氣中的氧氣，保持發酵產氫反應器的厭氧環境，3小時後開始產氫。 最大產氫率為27. 5ml/gVS。其中氫氣的含量在80 %以上，其餘為二氧化碳，沒有甲烷氣的產生。產氫率比未經嗜熱菌水解預處理的汙泥(65°C熱處理)高出52.3%。因此，嗜熱菌水解汙泥發酵產氫，可以提高產氫率，氫氣純度高，縮短產氫延遲時間。實施例2 取海水養殖場有機廢棄物100ml，廢棄物的TCOD為12945mg/L，SS為1. 74g/L， VSS為0. 62g/L。取海水養殖場有機廢棄物100ml，接種本發明的Bacillusthermophilic All菌液10ml，調節pH = 7，在65°C，攪拌速率140r/min，處理Mh，然後接種Bacillus thermophilic Al 1處理汙泥IOml，在溫度為；35°C條件下，發酵產氫，2h後產生氫氣，無甲烷的產生，產生的生物氣中氫氣的含量大於70%，最大產氫率達到12. 59ml/gC0D。產生的高純氫氣收集於氣體收集裝置中，經純化後可以使用。
權利要求
1.一種嗜熱芽孢桿菌在汙泥發酵產氫中的應用方法，包括汙泥預處理和發酵制氫步驟，其特徵在於所述的汙泥預處理步驟是在汙泥中接種嗜熱芽孢桿菌菌液，在50 70°C下預處理汙泥2 Mh，獲得嗜熱芽孢桿菌預處理水解汙泥。
2.如權利要求1所述的應用方法，其特徵在於所述的發酵制氫步驟是將嗜熱芽孢桿菌預處理水解汙泥置於密封的發酵制氫反應器中，向汙泥中吹氮氣2 15min，再密封發酵產氫，發酵溫度為25 45°C。
3.如權利要求1所述的應用方法，其特徵在於所述的汙泥和嗜熱芽孢桿菌菌液的體積比為100 3 15。
4.如權利要求1所述的應用方法，其特徵在於所述的汙泥為汙水處理廠的剩餘汙泥、 河/海底泥或養殖池塘汙泥。
5.權利要求1所述的嗜熱芽孢桿菌預處理水解汙泥的應用，其特徵在於，是將嗜熱芽孢桿菌預處理水解汙泥作為產氫菌群接種體接種於有機廢棄物中來發酵產氫。
6.如權利要求5所述的嗜熱芽孢桿菌水解汙泥的應用，其特徵在於所述的有機廢棄物先用嗜熱芽孢桿菌菌液進行預處理。
7.如權利要求6所述的應用，其特徵在於所述的有機廢棄物和嗜熱芽孢桿菌菌液的體積比為100 3 15。
8.權利要求1或權利要求5所述的嗜熱芽孢桿菌為嗜熱芽孢桿菌 Bacillusthermophilic All 菌株,其保藏編號為 CGMCC No. 5309。
全文摘要
本發明涉及一種嗜熱芽孢桿菌及其在發酵產氫中的應用，包括汙泥/或有機廢棄物預處理和發酵制氫步驟，其特徵在於所述的汙泥/或有機廢棄物預處理步驟是在汙泥/或有機廢棄物中接種嗜熱芽孢桿菌菌液，處理後獲得嗜熱芽孢桿菌水解預處理汙泥/或有機廢棄物。另外，本發明製備的嗜熱芽孢桿菌預處理水解汙泥還可作為產氫菌群接種體接種於有機廢棄物中來發酵產氫。本發明的嗜熱芽孢桿菌汙泥預處理方法可以有效地篩選泥中的高效產氫菌群，抑制耗氫菌的生長，殺死汙泥/或有機廢棄物中的致病菌。經過本發明A11菌株預處理的汙泥/或有機廢棄物，在後續的發酵制氫步驟中氫氣的產生量大，氫氣純度高，產氫的延遲時間短，具有明顯的經濟價值和開發潛能。
文檔編號C12R1/07GK102373238SQ20111034183
公開日2012年3月14日 申請日期2011年11月2日 優先權日2011年11月2日
發明者佘宗蓮, 盧明敏, 縱巖, 趙珺, 郭亮, 馬啟敏 申請人:中國海洋大學