一种利用纤维素作为原料制取氢气的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物质能源生产技术领域，具体设及一种利用纤维素作为原料制取氨 气的方法。
【背景技术】
[0002] 氨能是理想的清洁能源之一，已经引起人们的广泛重视。生物制氨利用微生物催 化脱氨、在代谢过程中产生氨分子的生理机制，通过W有机物作为基质的发酵过程制取氨 气。由于整个过程无需W矿物资源为原料，环境污染低且生态效应高，目前对生物制氨的研 究已经成为热点。然而，传统方法原料成本高且产氨率低，使得生物制氨发展和应用受到制 约。相比之下，纤维素类生物质主要包括农作物賴杆和野生的草本及木本植物，是地球上分 布最广且最廉价的可再生资源之一，非常适合作为制备可再生能源的原料。目前，全国賴杆 的理论资源量约为8. 4亿吨，可收集资源量约为7亿吨，
[0003] W纤维素类生物质作为原料，利用微生物发酵制取氨气的方法可概括为：首先对 纤维素类生物质进行预处理，使得纤维素水解成还原糖；随后通过微生物发酵将还原糖转 化成氨气。
[0004] 由于在纤维素类生物质中，半纤维素和木质素通过共价键形成网状结构，将纤维 素包裹其中，在处理中纤维素很难与所加入的纤维素酶接触。如果在预处理时直接用纤维 素酶进行水解，还原糖的产率一般低于20%。因此，为提高底物的转化率，在预处理步骤中， 通常先使用物理法和/或化学法破坏纤维素类生物质的天然结构，再使用纤维素酶将其水 解；或者，采用微生物处理酶解的方法，利用纤维素分解菌直接将纤维素转化为还原糖。预 处理中使用的物理法例如通过机械粉碎或蒸汽爆破的方法破坏纤维素的晶体结构，使得在 后续水解时与纤维素酶的接触面积增大。预处理中使用的物理一化学法例如将蒸汽爆破或 机械粉碎与化学药剂处理相结合。预处理中使用化学法主要为稀酸处理法和碱处理法（非 专利文献1)。例如，CN102101647A公开了一种从纤维素制取氨气的方法，该过程首先利用 外加的水溶化onsted酸、水溶Lewis酸、固体酸或水自身可逆电离产生的H+对纤维素进行 水解，然后水解产物再进行水热重整制氨。非专利文献2利用微波炉进行微波辅助碱处理， 随后用台式电炉封闭加热，从而将纤维素水解为还原糖。预处理中采用的微生物处理酶解 法例如：将白腐真菌接种于木质纤维素液体培养基中培养，经水洗、烘干后得预处理后纤维 素，然后将产氨菌营养盐溶液与绿色木霉粗酶液混合，加入预处理后的纤维素，得同步糖化 发酵产氨培养基（CN102321671A) 及利用天然绿色木霉代替商业纤维素酶对纤维素进 行处理（CN 102286538A)。上述纤维素预处理工艺均存在工艺时间长、还原糖得率低的缺 点。 阳〇化]而对于通过微生物发酵将还原糖转化成氨气的过程，传统的暗发酵产氨的主要瓶 颈问题是产氨率低和能源转化效率低，且发酵残余液中含有大量有机酸和醇类等副产物， 既浪费了能量又污染了环境。例如，CN102286538A使用的暗发酵发酵方式理论产氨率最 高只有4mol/mol。可见，仅仅使用暗发酵一种发酵方式，产氨效率不可能获得突破性提高。 而非专利文献2虽然采用了微波辅助碱处理，然而，该文献利用微波炉作为加热仪器，不能 形成密闭环境产生恒定高溫高压的预处理条件，.在该文献中，还原糖得率最高不超过3% (图1);此外，由于微波炉的溫度和压力均难W控制，不利于技术的推广和应用；特别地，该 文献中，在纤维素类生物质产氨底物中添加了 6g葡萄糖后，与6g纯葡萄糖作为产氨底物相 比产氨量并无明显增加，运表明该文献微波预处理后的纤维素类生物质，并不能被光合细 菌产氨有效利用进行产氨。虽然现有技术中也有采用暗发酵与光发酵结合的两步产氨，然 而，大部分均是针对结构简单的小分子糖类（如葡萄糖、薦糖等）和容易利用的淀粉类生物 质进行研究，缺乏对纤维素类生物质的高效预处理方法和产氨工艺的研究。
[0006] 可见，如何将生物制氨的理念实用化，开发稳健且产氨率、产氨速率、底物利用率 和能量转化效率高的方法，仍是亟待解决的技术问题。
[0007] [非专利文献1]木质纤维素生物转化氨气技术及前景，《太阳能学报》，第28卷第 1期，2007年1月。
[0008] [非专利文献2]微波环境下的玉米賴杆碱处理技术，《浙江农业科学》，2012年第 6期。
【发明内容】
[0009] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用纤维素类生物质制取氨气的方法， 所述方法包含如下步骤：
[0010] (1)微波碱消解：对纤维素类生物质进行烘干粉碎，随后加入稀碱溶液，在微波加 热消解仪中进行微波加热辅助碱消解；
[0011] (2)酶水解：利用纤维素酶对经步骤（1)消解后的纤维素进行水解，获得含有可发 酵的还原糖的水解后纤维素；
[0012] (3)暗发酵产氨：在暗发酵反应器中加入步骤（2)获得的溶液，接入暗发酵产氨菌 种和暗发酵培养基进行暗发酵，将气相产物（主要为H2、C02)导出；
[0013] (4)光发酵产氨：将步骤（3)得到的暗发酵尾液沉淀、离屯、后，作为光发酵产氨的 底物，接入光发酵产氨菌种和光发酵培养基进行光发酵，将气相产物（主要为H2、C02)导 出；
[0014] (5)纯化：将步骤（3)和步骤（4)的气相产物合并，并对&进行纯化。
[0015] 具体而言，本发明是通过如下技术方案实现的：
[0016] 1. 一种利用纤维素类生物质制取氨气的方法，所述方法包含如下步骤：
[0017] (1)微波碱消解：对纤维素类生物质进行烘干粉碎，随后加入稀碱溶液，在微波加 热消解仪中进行微波加热辅助碱消解；
[0018] (2)酶水解：利用纤维素酶对经步骤（1)消解后的纤维素进行水解，获得含有可发 酵的还原糖的水解后纤维素；
[0019] (3)暗发酵产氨：在暗发酵反应器中加入步骤（2)获得的溶液，接入暗发酵产氨菌 种和暗发酵培养基进行暗发酵，将气相产物导出；
[0020] (4)光发酵产氨：将步骤做得到的暗发酵尾液沉淀、离屯、后，作为光发酵产氨的 底物，接入光发酵产氨菌种和光发酵培养基进行光发酵，将气相产物导出；
[0021] (5)纯化：将步骤（3)和步骤（4)的气相产物合并，并对&进行纯化。
[0022] 2.如段落I所述的方法，其中，所述纤维素类生物质选自于农作物、野生草本植物 的賴杆或富含纤维素的工业废弃物。
[0023] 3.如段落2所述的方法，其中，所述农作物的賴杆为玉米、小麦、水稻或甘薦的賴 杆，所述富含纤维素的工业废弃物为玉米忍、甘薦渣、水葫芦。
[0024] 4.如段落1-3中任一项所述的方法，其中，步骤（1)中，所述烘干粉碎后，纤维素类 生物质的粒径为《1mm。
[00巧]5.如段落1-3中任一项所述的方法，其中，步骤（1)中，所述稀碱溶液是：浓度为 0.1 wt% -5. Owt%的氨氧化钢、氨氧化钟、氨氧化裡、氨氧化领、氨氧化儘、氨氧化锋、碳酸 钢、碳酸钟、碳酸裡溶液或氨水中的一种或多种。
[00%] 6.如段落1-5中任一项所述的方法，其中，步骤（1)中，烘干粉碎后的纤维素类生 物质的干重与加入的所述稀碱溶液的质量比为1:100~10:100。
[0027] 7.如段落1-6中任一项所述的方法，其中，步骤（1)中，所述微波加热辅助碱消解 在100~150°C的溫度、0. 2~0. SMPa的压力下进行5~30分钟。
[00測 8.如段落1-7中任一项所述的方法，其中，步骤（1)中，将所述烘干粉碎后的纤维 素类生物质与稀碱溶液混合后立即进行所述微波加压加热辅助碱消解。
[0029] 9.如段落1-8中任一项所述的方法，其中，在进行步骤（1)的微波碱消解后，将获 得的消解液的抑调整至4. 0~5. 0。
[0030] 10.如段落1-9中任一项所述的方法，其中，步骤似中，所加入的纤维素酶与纤维 素类生物质的干重的质量比为0. 5:100. 0~5. 0:100. 0。
[0031] 11.如段落1-10中任一项所述的方法，其中，步骤（2)中，酶水解的溫度为35~ 45°C，酶水解的时间为48~96小时。
[0032] 12.如段落1-11中任一项所述的方法，其中，步骤（3)中，所述的暗发酵产氨菌种 为选自于由下酸梭菌、产气肠杆菌、阴沟肠杆菌、己氏梭菌、嗜热芽抱杆菌、热纤维梭菌所组 成的组中的一种或几种。
[0033] 13.如段落1-12中任一项所述的方法，其中，步骤（3)中所述的暗发酵培养基的 组成为：4g/L 蛋白腺、0. 5g/L k 半脫氨酸、4g/L 化C1、0.1 g/L MgCl2、〇. Ig/L 化Cl2、l. 5g/ L K2HPO4、10血维生素液、W及10血微量元素液；其中，所述维生素液的成分为：0. 025g/ L抗坏血酸、0. 02g/L巧樣酸、0.0 lg/L叶酸、W及0.0 lg/L对氨基苯甲酸；所述微量元素 液的成分为：〇. Olg/L MnCl2、〇. 05g/L aiCl2、〇. Olg/L &8〇3、0.0 lg/L CaClzW及 0.0 lg/L A 化(S〇4)2。
[0034] 14.如段落1-13中任一项所述的方法，其中，步骤（3)中，所述暗发酵产氨菌种的 接种量为：菌种的种子培养液占整个发酵体积的10% (v/v)，并且所述种子培养液中所述 菌种种子的浓度不低于2. Og/L。
[0035] 15.如段落1-14中任一项所述的方法，其中，步骤（3)中，所述暗发酵的发酵溶液 溫度为30°C~37°C。
[0036] 16.如段落1-15中任一项所述的方法，其中，步骤（3