一种基于微生物电解池的协同利用嗜热菌群从纤维素中高效回收氢气的方法与流程

本发明涉及微生物电解池产氢的方法，具体涉及到利用嗜热纤维素降解菌和嗜热产电菌的协同作用从纤维素中回收氢气的方法。

背景技术：

随着能源危机的日益加剧，开发可再生能源已受到了世界各国的高度重视。目前，氢能被认为是一种理想的可再生能源，因为其具有燃烧热值高、燃烧过程无污染、应用范围广、原材料丰富、可储存运输等优点。目前，制氢技术主要包括电催化分解水制氢、暗发酵制氢、微生物电解池(mec)制氢以及光催化分解水制氢技术。其中，mec制氢前景看好，因为mec可以将生物质中蕴藏的化学能转化为氢能，且化学能转化为氢能的效率较高。

纤维素作为产量巨大(10¹⁵kg/年)的生物质废弃物，是巨大的能量载体，因此利用mec将纤维素的化学能转化为电能和能量气体已受到广泛关注。考虑到纤维素高分子有机物，其可生化降解性较差，前人在利用纤维素作为底物时，通过两个阶段来实现：先在厌氧消化反应器中将纤维素进行水解发酵，然后将水解发酵的产物作为mec的底物回收氢气。然而，在常温下，mec利用纤维素生产氢气的速率和效率较低，且分步操作增加了这一过程的复杂性以及成本。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于微生物电解池的协同利用嗜热菌群从纤维素中高效回收氢气的方法，通过构建嗜热mec，利用嗜热纤维素降解菌实现纤维素的水解发酵制氢和利用嗜热产电菌群对纤维素发酵终产物(乙酸)进行原位利用并产氢的双赢过程，从而实现高效地将纤维素中的化学能转化为氢能。

本发明以如下技术方案解决上述技术问题：

本发明一种基于微生物电解池的协同利用嗜热菌群从纤维素中高效回收氢气的方法，包括如下操作步骤：

1)称取10.0g中温堆肥置于120ml的血清瓶中，加入纤维素滤纸碎片0.25g，然后向血清瓶中加入100ml的基质培养液；所述基质培养液由基本基质、微量元素、维他命元素、硒酸盐和半胱氨酸盐酸盐溶液混合配制成，每配制1l基质培养液中，含基本基质996ml、微量元素溶液1ml、维他命溶液1ml、硒酸盐溶液1ml、半胱氨酸盐酸盐1ml，其中每1l基本基质中含有如下成份：nacl1.0g、nh4cl10.0g、mgcl2·6h2o1.0g、cacl·2h2o5.0g；每1l微量元素溶液中含有如下成份：fecl2·4h2o2.0g、h3bo30.05g、zncl20.05g、cucl2·2h2o0.038g、mncl2·4h2o0.05g、cocl2·6h2o0.05g、nicl·2h2o0.092g、(nh4)2mo7o24·4h2o0.05g、alcl30.05g；每1l硒酸盐溶液中含有如下成份：浓hcl1ml、na2seo3·5h2o0.1g、乙二胺四乙酸0.5g；其中半胱氨酸盐酸盐的制法是：将0.5g半胱氨酸与2.6gnahco3溶于10ml去离子水中；基质培养液配制完毕后用n2/co2＝80/20混合气对添加了堆肥、滤纸和基质的血清瓶进行曝气30min，去除溶液中的溶解氧，同时维持基质的初始ph为7；曝气结束后，将血清瓶密封起来，并置于55℃的摇床里进行培养；当纤维素完全溶解且血清瓶中无气体产生时为一轮培养结束，得第一轮接种液；

2)从步骤1)的血清瓶中取25ml接种液，转移到干净的血清瓶中，再加75ml新鲜的步骤1涉及的基质培养液，再加入0.25g纤维素，厌氧条件下于55℃摇床中培养，重复转移培养6次，以逐步淘汰产甲烷菌，且直至血清瓶中产生的气体为纯度高的氢气，并得到以嗜热纤维素降解菌群为主的菌液；

3)构建单室瓶式mec反应器，反应器的有效体积为250ml，以石墨纤维制成的碳刷为阳极，以不锈钢网为阴极，以ag/agcl电极为参比电极；mec启动时，以与步骤1来源相同的堆肥为接种物，以乙酸钠作为电子供体，其浓度为1.0g/l，加入的基质250ml，所述基质由以下重量配比的组份混合制成：pbs溶液(浓度为0.5mol/l)25ml、维他命溶液2.5ml、微量元素溶液2.5ml以及220ml的去离子水，所述微量元素溶液与步骤1)涉及的微量元素溶液相同；然后对mec反应器进行n2曝气30min，使之为厌氧环境，将其置于55℃的恒温培养箱中，并用恒电位仪控制阳极电势为-0.2vvs.ag/agcl，并实时采集输出电流，当mec的输出电流出现3个周期以上重现性较好的产电曲线时，认为mec阳极上嗜热产电菌群成功挂膜；

4)将步骤3)中驯化完成的mec中的基质更换掉，加入20-50ml步骤2)培养6次结束的嗜热纤维素降解菌的菌液，并加入纤维素滤纸碎片为电子供体，其浓度为2.5-4.0g/l，然后加入200-250ml与步骤3相同的基质，在于步骤3)相同的条件下运行mec反应体系，运行过程中通过嗜热纤维素降解菌的发酵制氢和嗜热产电菌利用前者降解纤维素产生的发酵终产物来进行产氢，并通过锡箔气袋收集气体，同时记录mec正式运行时的电流输出并在周期结束时测定体系产生的氢气量。

步骤1)中，所述中温堆肥是指以花园中的各种植物残体(如野草、落叶等)为主要原料混合堆积，经过发酵腐熟、微生物分解而形成的一种有机肥料，其中含有丰富的纤维素降解菌群。

步骤1)中，所述纤维素滤纸碎片为1cm*1cm碎片。

步骤3)中，所述碳刷的直径为5cm，长度为4cm；不锈钢网阴极的尺寸为：长3cm，宽2cm。

步骤3)中，所述单室瓶式mec反应器中，阳极置于瓶式反应器底部，阴极固定于反应器内阳极上方，且阴阳极的平均距离为4cm，阴极与阳极通过钛丝连接形成回路，且回路上串接恒电位仪和电阻，反应器内设有参比电极，反应器的顶部设有收集氢气的锡箔气袋。

本发明方法的原理是：纤维素在水解菌群和发酵菌群(统称纤维素降解菌)的作用下，将不溶性的纤维素水解为蛋白质、碳水化合物以及脂肪，然后在发酵菌群的作用下进一步分解为氨基酸、糖类、脂肪酸以及乙酸、氢气(由于前期的培养驯化过程中不断淘汰产甲烷菌群，所以后续的纤维素降解菌种发酵过程中几乎产生氢气)和二氧化碳等；而发酵终产物乙酸则可以进一步被mec阳极上的产电菌群利用，释放电子和质子，从而在阴极表面产生氢气。mec中以乙酸为电子供体进行产氢的反应式为：

阳极：c2h4o2+2h2o→8h⁺+8e^-+2co2

阴极：8h⁺+8e^-→4h2

本发明方法具有如下有益效果：

(1)从上述反应式可以看出，在mec中利用纤维素降解菌和产电菌的协同作用从纤维素中回收氢气可以实现纤维素产氢理论效率的最大化(暗发酵制氢+mec利用发酵产物制氢)；

(2)由于反应器中纤维素的发酵产物(尤其是酸类物质)可以及时地被产电菌分解利用，避免其累积同时也避免体系ph大幅度下降，而发酵产物的及时消耗反过来又有利于促进纤维素的快速水解发酵，缩短利用纤维素进行产氢的周期；

(3)由于经过驯化的纤维素降解菌在对纤维素进行分解的过程中，产生的是氢气，而mec产氢的纯度也较高，因而整个体系获得的氢气纯度较高，降低了后期分离提纯的费用；

(4)由于体系在55℃下运行，经驯化的微生物在此温度下具有较常温下更高的代谢活性，因而整个系统对纤维素降解的速率以及产氢的速率都较高；

(5)构建高温下运行的mec可为利用mec有效处理富含可生化性较差的有机物且废水温度较高污水(如生物乙醇制造过程中产生的蒸馏废水、农产品加工废水等)具有借鉴意义。

附图说明

图1为实施例1基于嗜热纤维素降解菌和嗜热产电菌的mec反应器示意图。

图2为实施例1嗜热纤维素降解菌的转移培养驯化过程产气图。

图3为实施例1基于纤维素为电子供体的嗜热mec的产电曲线图。

图4为实施例1基于纤维素为电子供体的嗜热mec的产氢性能。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明的技术方案，但不局限于以下实施例。

实施例1

1)称取10.0g堆肥置于120ml的血清瓶中，称取纤维素滤纸0.25g(将滤纸剪成1cm*1cm碎片)，然后向血清瓶中加入100ml的基质培养液，预留20ml的顶空位置收集气体。该基质培养液由基本基质、微量元素、维他命元素、硒酸盐和半胱氨酸盐酸盐溶液混合配制成，且每1l基质培养液中，含基本基质996ml、微量元素溶液1ml、维他命溶液(atccvitamin)1ml、硒酸盐溶液1ml、半胱氨酸盐酸盐1ml，其中每1l基本基质中含有如下成份：nacl1.0g、nh4cl10.0g、mgcl2·6h2o1.0g、cacl·2h2o5.0g；每1l微量元素溶液中含有如下成份：fecl2·4h2o2.0g、h3bo30.05g、zncl20.05g、cucl2·2h2o0.038g、mncl2·4h2o0.05g、cocl2·6h2o0.05g、nicl·2h2o0.092g、(nh4)2mo7o24·4h2o0.05g、alcl30.05g；每1l硒酸盐溶液中含有如下成份：浓hcl1ml、na2seo3·5h2o0.1g、乙二胺四乙酸0.5g；其中半胱氨酸盐酸盐的制法是：将0.5g半胱氨酸与2.6gnahco3溶于10ml去离子水中。基质培养液配制完毕后用n2/co2＝80/20混合气对添加了堆肥、滤纸和基质的血清瓶进行曝气30min，去除溶液中的溶解氧，同时维持基质的初始ph为7。曝气结束后，将血清瓶密封起来，并置于55℃的摇床里进行培养。在培养的过程中，每隔2天用玻璃注射器测定气体体积，并用气相色谱仪测定气体组分。当纤维素完全溶解且血清瓶中无气体产生时为一轮培养结束。

2)从步骤1)的血清瓶中取25ml接种液，转移到干净的血清瓶中，再加75ml新鲜的基质培养液，再加入0.25g纤维素，厌氧条件下于55℃摇床中培养，重复转移培养6次，以逐步淘汰产甲烷菌，使血清瓶中产生纯度较高的氢气。

3)构建单室瓶式mec反应器(有效体积为250ml)，以石墨纤维制成的碳刷(直径约为5cm，长度为4cm)为阳极，以不锈钢网(长3cm，宽2cm)为阴极，以ag/agcl电极为参比电极。将阳极1置于瓶式反应器7底部，阴极2固定于反应器内阳极上方，且阴阳极的平均距离大约为4cm，如图1所示，阴极2与阳极1通过钛丝6连接形成回路，且回路上串接恒电位仪4和电阻3，反应器内设有参比电极8，反应器的顶部设有锡箔气袋5。mec启动时，以与步骤1)来源相同的堆肥为接种物，以乙酸钠作为电子供体(其浓度为1.0g/l)，加入的基质250ml，所述基质由以下重量配比的组份混合制成：pbs溶液(浓度为0.5mol/l)25ml、维他命溶液(atccvitamin)2.5ml、微量元素溶液(每1l微量元素溶液中含有如下成份：fecl2·4h2o2.0g、h3bo30.05g、zncl20.05g、cucl2·2h2o0.038g、mncl2·4h2o0.05g、cocl2·6h2o0.05g、nicl·2h2o0.092g、(nh4)2mo7o24·4h2o0.05g、alcl30.05g)2.5ml以及220ml的去离子水。对mec反应器进行n2曝气30min，使之为厌氧环境，将其置于55℃的恒温培养箱中，并用恒电位仪控制阳极电势(-0.2vvs.ag/agcl)，并实时采集输出电流，当mec的输出电流出现3个周期以上重现性较好的产电曲线时，认为mec阳极上嗜热产电菌群成功挂膜。

4)将步骤3)中驯化完成的mec中的基质更换掉，加入25ml采用步骤2)经6次培养的以嗜热纤维素降解菌群为主的菌液，并加入纤维素滤纸碎片为电子供体，其浓度为2.5g/l，然后加入225ml与步骤3相同配比的基质，在于步骤3)相同的条件下运行mec反应体系。记录mec正式运行时的电流输出并在周期结束时测定体系产生的氢气量。

图1是基于嗜热纤维素降解菌和嗜热产电菌的mec反应器示意图。图中显示产电菌群和纤维素降解菌群的共存方式，同时也体现了电极的放置方式及mec与恒电位仪的连接方式。

图2是嗜热纤维素降解菌的转移培养驯化过程产气情况图，从图中可看出，在第一轮的培养过程中，血清瓶中产生的ch4量随时间的延长而增加，ch4总量高达90ml，且此阶段检测不到氢气，说明该阶段中纤维素的发酵产生的氢气及乙酸在产甲烷菌的作用下被转化为甲烷，此时，体系内产甲烷菌的数量非常丰富。第二轮到第四轮的培养实验中，气体体积较第一轮少，且检测到一定量的h2；说明纤维素发酵过程中产生的h2没有完全被转化为ch4；但系统中ch4仍占主导，占总体积的80％以上。第五轮的培养实验中，气体总体积以及ch4体积明显减少，且h2产量较前几轮培养的高。在第六轮培养实验中，气体成分主要为h2(总体积约25ml)，几乎无ch4。这些结果说明采取这样的连续转移培养可以逐步淘汰产甲烷菌，从而使得纤维素降解过程产生纯度较高的理想洁净能源h2。

图3为基于纤维素为电子供体的mec的产电曲线图。图中箭头所指时间点表示更换mec底物为纤维素滤纸并加入培养好的纤维素降解菌，从电流曲线可看出，最高电流密度达到3a/m²，比以乙酸钠为底物时的电流略低(约3.5a/m²)。连续两个周期的产电数据重现性不明显的可能原因是体系尚不稳定，但该结果仍能说明在嗜热纤维素降解菌群和嗜热产电菌群的协同作用下，mec可直接利用纤维素进行产能。

图4为基于纤维素为电子供体的mec的产氢性能的数据。在该实施例中，mec中纤维素的初始浓度为2.5g/l,mec周期结束后收集到的h2总量为66.3ml，说明在嗜热纤维素降解菌群和嗜热产电菌群的协同作用下，可高效地将纤维素中的氢元素转化为h2，且相对于单纯的发酵过程，缩短了纤维素分解所需的时间(对比第六轮培养周期和mec运行周期即可知)。

实施例2

1)称取10.0g堆肥置于120ml的血清瓶中，称取纤维素滤纸0.25g(将滤纸剪成1cm*1cm碎片)，然后向血清瓶中加入100ml的基质培养液，预留20ml的顶空位置收集气体。该基质培养液的配制与实施例1中步骤1的基质培养液相同。基质培养液配制完毕后用n2/co2＝80/20混合气对添加了堆肥、滤纸和基质的血清瓶进行曝气30min，去除溶液中的溶解氧，同时维持基质的初始ph为7。曝气结束后，将血清瓶密封起来，并置于55℃的摇床里进行培养。在培养的过程中，每隔2天用玻璃注射器测定气体体积，并用气相色谱仪测定气体组分。当纤维素完全溶解且血清瓶中无气体产生时为一轮培养结束。

2)从步骤1)的血清瓶中取25ml接种液，转移到干净的血清瓶中，再加75ml新鲜的基质培养液，再加入0.25g纤维素，厌氧条件下于55℃摇床中培养，重复转移培养6次，以逐步淘汰产甲烷菌，使血清瓶中产生纯度较高的氢气。

3)构建单室瓶式mec反应器(有效体积为250ml)，以石墨纤维制成的碳刷(直径约为5cm，长度为4cm)为阳极，以不锈钢网(长3cm，宽2cm)为阴极，以ag/agcl电极为参比电极。阳极置于瓶式反应器底部，阴极固定于反应器内阳极上方，且阴阳极的平均距离大约为4cm(反应器的结构见图1所示)。mec启动时，以与步骤1)来源相同的堆肥为接种物，以乙酸钠作为电子供体(其浓度为1.0g/l)，加入的基质250ml，所述基质包括pbs溶液(浓度为0.5mol/l)25ml、维他命溶液(atccvitamin)2.5ml、微量元素溶液(每1l微量元素溶液中含有如下成份：fecl2·4h2o2.0g、h3bo30.05g、zncl20.05g、cucl2·2h2o0.038g、mncl2·4h2o0.05g、cocl2·6h2o0.05g、nicl·2h2o0.092g、(nh4)2mo7o24·4h2o0.05g、alcl30.05g)2.5ml以及220ml的去离子水。对mec进行n2曝气30min，使之为厌氧环境，将其置于55℃的恒温培养箱中，并用恒电位仪控制阳极电势(-0.2vvs.ag/agcl)，并实时采集输出电流，当mec的输出电流出现3个周期以上重现性较好的产电曲线时，认为mec阳极上嗜热产电菌群成功挂膜。

4)将步骤3)中驯化完成的mec中的基质更换掉，加入25ml步骤2)中经6次培养的以嗜热纤维素降解菌群为主的菌液，并加入纤维素滤纸碎片为电子供体，其浓度为3.5g/l，然后加入225ml与步骤3相同的基质，在于步骤3)相同的条件下运行mec反应体系。记录mec正式运行时的电流输出并在周期结束时测定体系产生的氢气量。

在本实施例中，mec中纤维素的初始浓度为3.5g/l，mec周期结束后收集到的h2总量为93.6ml。

实施例3

1)称取10.0g堆肥置于120ml的血清瓶中，称取纤维素滤纸0.25g(将滤纸剪成1cm*1cm碎片)，然后向血清瓶中加入100ml的基质培养液，预留20ml的顶空位置收集气体。该培养液包括基本基质、微量元素、维他命元素、硒酸盐和半胱氨酸盐酸盐溶液，该基质培养液的配制与实施例1中步骤1的基质培养液相同。基质培养液配制完毕后用n2/co2＝80/20混合气对添加了堆肥、滤纸和基质的血清瓶进行曝气30min，去除溶液中的溶解氧，同时维持基质的初始ph为7。曝气结束后，将血清瓶密封起来，并置于55℃的摇床里进行培养。在培养的过程中，每隔2天用玻璃注射器测定气体体积，并用气相色谱仪测定气体组分。当纤维素完全溶解且血清瓶中无气体产生时为一轮培养结束。

2)从步骤1)的血清瓶中取25ml接种液，转移到干净的血清瓶中，再加75ml新鲜的基质培养液，加入0.25g纤维素，厌氧条件下于55℃摇床中培养，重复转移培养6次，以逐步淘汰产甲烷菌，使血清瓶中产生纯度较高的氢气。

3)构建单室瓶式mec反应器(有效体积为250ml)，以石墨纤维制成的碳刷(直径约为5cm，长度为4cm)为阳极，以不锈钢网(长3cm，宽2cm)为阴极，以ag/agcl电极为参比电极。阳极置于瓶式反应器底部，阴极固定于反应器内阳极上方，且阴阳极的平均距离大约为4cm(反应器结构见图1所示)。mec启动时，以与步骤1)来源相同的堆肥为接种物，以乙酸钠作为电子供体(其浓度为1.0g/l)，加入的基质250ml，所述基质包括pbs溶液(浓度为0.5mol/l)25ml，维他命溶液(atccvitamin)2.5ml，微量元素溶液(每1l微量元素溶液中含有如下成份：fecl2·4h2o2.0g、h3bo30.05g、zncl20.05g、cucl2·2h2o0.038g、mncl2·4h2o0.05g、cocl2·6h2o0.05g、nicl·2h2o0.092g、(nh4)2mo7o24·4h2o0.05g、alcl30.05g)2.5ml以及220ml的去离子水。对mec进行n2曝气30min使之为厌氧环境，将其置于55℃的恒温培养箱中，并用恒电位仪控制阳极电势(-0.2vvs.ag/agcl)，并实时采集输出电流，当mec的输出电流出现3个周期以上重现性较好的产电曲线时，认为mec阳极上嗜热产电菌群成功挂膜。

4)将步骤3)中驯化完成的mec中的基质更换掉，加入25ml步骤2)经6次培养的以嗜热纤维素降解菌群为主的菌液，并加入纤维素滤纸碎片为电子供体，其浓度为4.0g/l，然后加入225ml与步骤3相同的基质，在于步骤3)相同的条件下运行mec反应体系。记录mec正式运行时的电流输出并在周期结束时测定体系产生的氢气量。

在本实施例中，mec中纤维素的初始浓度为4.0g/l,mec周期结束后收集到的h2总量为103.0ml。

实施例4

1)称取10.0g堆肥置于120ml的血清瓶中，称取纤维素滤纸0.25g(将滤纸剪成1cm*1cm碎片)，然后向血清瓶中加入100ml的基质培养液，预留20ml的顶空位置收集气体。该基质培养液的配制与实施例1中步骤1的基质培养液相同。基质培养液配制完毕后用n2/co2＝80/20混合气对添加了堆肥、滤纸和基质的血清瓶进行曝气30min，去除溶液中的溶解氧，同时维持基质的初始ph为7。曝气结束后，将血清瓶密封起来，并置于55℃的摇床里进行培养。在培养的过程中，每隔2天用玻璃注射器测定气体体积，并用气相色谱仪测定气体组分。当纤维素完全溶解且血清瓶中无气体产生时为一轮培养结束。

2)从步骤1)的血清瓶中取25ml接种液，转移到干净的血清瓶中，再加75ml新鲜的基质培养液，加入0.25g纤维素，厌氧条件下于55℃摇床中培养，重复转移培养6次，以逐步淘汰产甲烷菌，使血清瓶中产生纯度较高的氢气。

3)构建单室瓶式mec反应器(有效体积为250ml)，以石墨纤维制成的碳刷(直径约为5cm，长度为4cm)为阳极，以不锈钢网(长3cm，宽2cm)为阴极，以ag/agcl电极为参比电极。阳极置于瓶式反应器底部，阴极固定于反应器内阳极上方，且阴阳极的平均距离大约为4cm(反应器结构见图1所示)。mec启动时，以与步骤1)来源相同的堆肥为接种物，以乙酸钠作为电子供体(其浓度为1.0g/l)，加入的基质250ml，所述基质包括pbs溶液(浓度为0.5mol/l)25ml，维他命溶液(atccvitamin)2.5ml，微量元素溶液(每1l微量元素溶液中含有如下成份：fecl2·4h2o2.0g、h3bo30.05g、zncl20.05g、cucl2·2h2o0.038g、mncl2·4h2o0.05g、cocl2·6h2o0.05g、nicl·2h2o0.092g、(nh4)2mo7o24·4h2o0.05g、alcl30.05g)2.5ml以及220ml的去离子水。对mec进行n2曝气30min，使之为厌氧环境，将其置于55℃的恒温培养箱中，并用恒电位仪控制阳极电势(-0.2vvs.ag/agcl)，并实时采集输出电流，当mec的输出电流出现3个周期以上重现性较好的产电曲线时，认为mec阳极上嗜热产电菌群成功挂膜。

4)将步骤3)中驯化完成的mec中的基质更换掉，加入50ml步骤2)经6次培养的以嗜热纤维素降解菌群为主的菌液，并加入纤维素滤纸碎片为电子供体(其浓度为3.5g/l)，然后加入200ml与步骤3相同配比的基质，在于步骤3)相同的条件下运行mec反应体系。记录mec正式运行时的电流输出并在周期结束时测定体系产生的氢气量。

在本实施例中，mec中嗜热纤维素降解菌液的接种量为20％，纤维素的初始浓度为3.5g/l,mec周期结束后收集到的h2总量为100.1ml。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰或组合等均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。