专利名称：一种生物质发酵-光合耦联产氢的方法
技术领域：
本发明属于生物技术领域，具体涉及一种利用红薯、薯蓣等生物质发酵-光合藕
联产氢的方法。
背景技术：
生物产氢作为 -种清洁环保的产氢方法，已引起了人们广泛的关注，生物产氢主要有发酵产氢和光合产氢两种方法。发酵产氢主要利用严格厌氧细菌和兼性厌氧细菌等分解一些大分子有机物(如淀粉、纤维素等)产氢，其产氢速率快，底物转换率高,但发酵产氢过程中产生的大量挥发性有机酸(乙酸、丁酸和丙酸)会造成pH下降，从而影响产氢效率，同时大量挥发性有机酸的产生对环境也会造成一定污染；而光合细菌(如Rhodobactersphaeroides、Rhodopseudomonas sp.和Rhodopseudomonas palustris等)以
发酵产氢后的有机酸进行光合产氢,其光合产氢效率要远高于发酵产氢效率，并且光合细菌可以利用自然光产氢。因此,如果通过发酵细菌和光合细菌藕联产氢，可以充分利用底物进行生物产氢，进一步提高产氢效率,实现生物产氢工业化。 目前国内外已有很多关于发酵-光合藕联产氢的研究和报道，但仍然处于探索阶段，存在很多问题和缺陷。 首先是缺乏满足工业化生物产氢的低成本产氢底物，许多前期研究都是利用模式底物如葡萄糖、蔗糖和淀粉等进行发酵_光合藕联产氢，例如Haruhiko Y等以淀粉做底物利用发酵细菌Clostridium butyricum禾D光合细菌Rhodobact.er sp. M—19藕联产氢，最大产氢率可达6.6mo1-H2/mol-葡萄糖，Chen CY等以蔗糖为底物利用发酵细菌Clostridiumpasteuria皿m CH4禾口光合细菌Rhodopseudoraonas palustris WP3-5藕联产氢，最大产氢率可达10. 21mol-H2/'mol-蔗糖，虽然这些报道的藕联产氢效率很高，但是利用纯品制氢是不符合实际的。 其次是针对制约生物产氢的底物问题,研究者把目光投向了来源更加广泛，成本更低廉的生物质和有机固体废物，如浙江大学芩可法等(CN 1858214A)利用生物质及固体有机废弃物发酵和光合耦合产氢的方法，但这些方法产氢效率较低。并且利用生物质或是有机固体废物进行生物产氢，首先要将生物质或有机固体废物通过酸水解或是酶水解的方法降解为更加容易被发酵细菌所利用的单糖或是小分子有机物，然后通过发酵产生氢气和有机酸，发酵产生的有机酸再通过光合细菌继续产氢。酸水解会增加产氢成本，同时会造成二次环境污染。中科院上海生命科学研究院周志华等(CN101109014A)利用厨余垃圾和乙醇发酵废水等废弃物为原料，通过暗发酵和光发酵藕联制氢，但对发酵产氢后的发酵液需进行稀释和补充多种营养元素以便促进光合细菌生长和产氢，这些又会使产氢工艺复杂化。 第三，在光合产氢过程中，多数研究仍然利用纯光合细菌进行光合产氢。但是因为发酵产氢后的有机酸成分比较复杂，单一的纯光合细菌对不同有机酸的利用能力差别很大，所以光合产氢效率很低。
因此,针对目前发酵-光合耦合产氢过程中存在的问题和缺陷，本发明提出了一
种利用红薯、薯蓣等天然生物质材料的产氢工艺更简化、产氢效率更高的产氢方法。 红薯是我国的主要粮食作物之一，目前我国对于红薯的应用仅仅局限于提取其淀
粉，对于利用红薯生成乙醇已有部分报道，但是还没有利用红薯生成氢气的报道。 盾叶薯蓣(Dioscorea Zingiberensis C. H Wright)是薯蓣科薯蓣属多年生缠绕
草本植物，俗称黄姜，火头根，是我国提取甾体激素类药物原料薯蓣皂甙元(diosgenin)的
主要植物，国内大多采用传统的酸解法在分解出薯蓣皂甙元的同时,盾叶薯蓣中的淀粉和
纤维素未加利用就进入了废水中，这样不仅浪费了大量的资源，而且使废水处理难度加大，
环境污染严重。如果能够先以盾叶薯蓣中的淀粉和纤维素为原料进行发酵-光合联合产
氢，再提取皂素，不仅有助于降低废水处理的难度，而且还可增加经济效益，实现薯蓣产业
的可持续发展。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种利用红薯、薯蓣等生物质发
酵-光合藕联产氢的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为 (1)将加水粉碎后的红薯、薯蓣等生物质热处理，温度60 12(TC，使其水解为淀粉和其他大分子含糖有机物； (2)将上述水解后的有机混合物加入产氢培养基中，在发酵产氢细菌的作用下进行发酵产氢，产生大量氢气，产氢反应中控制温度25 40°C，pH 5. 5 7. 5，产氢时间2 3天； (3)将....匕述发酵产氢后的发酵液调节pH后接种光合细菌，实现发酵细菌和光合细菌藕联产氢，反应中控制温度20 40。C，pIi 6. 0 7. 5，光照强度2000 80001ux，产氢时间5 8天。 (4)上述步骤光合产氢完成后重新添加红薯、薯蓣等生物质，进行二次发酵产氢；发酵液调节pH后，再次进行光合藕联产氢，发酵液可重复利用3-5次。
(5)上述步骤中发酵液经过3-5次重复利用后，在反应器中添加发酵培养基，进行新一轮循环。光合产氢后的多余光合菌体也可作光合制剂。 作为本发明的进一步说明，发酵-光合藕联产氢是在同--反应器中进行的。用于发酵_光合藕联产氢的天然生物质材料还可以是葛根、木薯、马玲薯等。
作为本发明的进一步说明，所述步骤(2)中的产氢培养基成分为FeCl30 . 001 () 01 g，關0()4 *7:H2() () 002 () ()2g，生长因子0. 1 () 5g,自来水1L。生长因子可以是蛋白胨、牛肉膏、麦芽汁或玉米浆。 作为本发明的进一步说明，所述步骤(2)中红薯、薯蓣等生物质热处理后进行发酵产氢时其底物浓度为1 10g干重/L ;混合发酵产氢细菌为Clostridiumchaxtatabidum、 Clostridium colicanis、 Bacillus sp.禾卩Clostridium butyricum等常规菌种，发酵产氢接种量为0. 5 2% 。 作为本发明的进 一 步说明，步骤(3)中所述光合菌群包括Rhodobactersphaeroides、 Rhodopseudomonas faecalis禾口 Rhodopseudomonas palustris，光合产氧接种量为3 5%。 与现有技术相比，本发明具有以F优势 首先,本发明利用来源广泛的天然生物质红薯、薯蓣等作为底物进行发酵-光合 藕联产氢，不需要常规酸水解或是酶水解过程，只需要热处理就可以进行发酵产氢；发酵培 养基可以利用自来水配制，除了添加少量微量元素和生长因子外，不需要添加更多的营养 物质，其产氢成本更低，操作更方便。 其次,本发明发酵产氢和光合产氢可先后在同一反应器中进行，发酵产氢后的发
酵液不需要离心、过滤、稀释或是添加任何促进光合细菌生长和产氢的营养物质，仅需调节
pH后就可以直接接种光合细菌进行光合产氢，可以节约成本，简化产氢工艺。 第三，首次发酵-光合藕联产氢后的发酵液不用排出，只需重新添加红薯、薯蓣等
生物质,发酵液可作为发酵培养基重复利用，实现发酵 光合藕联循环产氢3-5次，这样不
仅可以充分降解底物进行生物产氢,提高底物利用率，而且可以节约成本，达到清洁生产的目的。 第四，本发明中发酵和光合产氢过程中都采用混合菌群进行生物产氢，可以充分 发挥混合菌群利用底物范围宽、对环境耐受性强、协同产氢能力强和产氢效率高的特点；此 外，发酵光合藕联产氢后剩余的光合产氢菌体也可以作为光合制剂，广泛用于农业、畜 牧、水产养殖业。 第五，本发明中薯蓣中的淀粉通过发酵转化，使有机物得到充分利用，不仅可以产 生大量氢气,还可以作为皂素提取的预处理工艺，提高皂素收率,减少酸水解造成的环境污 染。
具体实施方案 实施例1 :利用红薯发酵-光合藕联产氢 1.红薯热处理将红薯加水粉碎，底物为5g(干重)/L、添加产氢培养基后于 ll(TC处理20分钟。产氢培养基成分为:FeCl3 0. 005g， NaMo04 * 7H20 0. Olg，酵母膏0. 3g， 自来水1L。 2.发酵产氢将混合发酵产氢细菌按2%接种量接种至上述热处理的红薯培养 液中进行厌氧发酵产氢，发酵液体积为l()()niL，反应在3(X)mL玻璃瓶中进行，即装料系数为 0. 33。控制温度为35°C ，初始pH为7. 0，静置常压下发酵产氢。 3.产氢产酸过程6h后，发酵细菌开始产氢，整个产氢过程持续48 72小时，产 氢量为279ml/g(干重)，最大产氢速率为110. 85ml/l/h，氢气浓度为37. 84%，根据红薯中 lg干重中所含总糖(86%)折算产氢率为2.35M)1-H2/m)1-葡萄糖。
4.光合菌群利用发酵产氢后的发酵液进行光合产氢 将发酵产氢后的发酵液(不需添加任何其它营养物质)调节pH为7. 0后接种光 合菌群，接种量为5% (v/v)。培养过程中控制温度3(TC，初始pH 7，光照强度置常压下光合产氢。光合产氢时间为7天左右，产氢量为785ml/g(红薯干重)，最大产氢 速率为23. 35ml/l/h，根据红薯中lg千重中所含总糖(86% )折算产氢率为6. 61mol-H2/ mol-葡萄糖。 发酵-光合藕联产氢量为1()64ml/g(干重)，根据红薯中lg干重中所含总糖 (86% )折算产氢率为8. 96mol-H2/mol-葡萄糖，比单独厌氧发酵产氢提高了 2. 8倍。
实施例2 :不同温度F发酵-光合藕联产氢 方法步骤同实施例1，只是发酵过程控制温度在30°C 。发酵产氢过程持续了 66 小时，产氢量为248ml/g(干重)，产氢速率为23na/l/h,根据红薯中lg干重中所含总糖 (86% )折算产氢率为2. 09mol-H/mol-葡萄糖；红薯发酵产氢后的发酵液接种光合细菌产 氢后，光合产氢量为556ml/g(千重)，产氢速率为19. 40ml/l/h，折算产氢率为4. 68mol-H2/ mol-葡萄糖。发酵和光合藕联产氢量共804ml/g(干重)，折算其产氢率为6. 77mol-H2/ mol-葡萄糖，比单独厌氧发酵产氢提高了 2. 2倍。发酵温度3()°C比35°C的两步藕联产氢量 降低了 20%左右。 实施例3 :不同装料系数的发酵_光合藕联产氢 方法步骤同实施例1,发酵液体积为150mL，发酵与光合联合产氢仍在300mL玻璃 瓶中进行，即装料系数为0. 5。发酵产氢量为225ml/g干重,产氢速率为22. 8m:l/l/h,氢气 浓度为50. 2%,比实施例1高出了 12. 36%，根据红薯中lg干重中所含总糖(86% )折算产 氢率为1. 89mol-H/mol-葡萄糖，氢气产量比实施例1降低了 20%;红薯发酵产氢后的发酵 液接种光合细菌产氢后，光合产氢量为457ml/g干重,产氢速率为18. 2ml/l/h，折算产氢率 为3. 85鹏1-:H2/m0l-葡萄糖。发酵和光合藕联产氢量共为692ml/g干重，折算其产氢率为 5. 74mol-H2/mol-葡萄糖，比单独厌氧发酵产氢提高了 2倍。
实施例4 :不同生长因子F红薯发酵_光合藕联产氢 方法步骤同实施例1,生长因子为0. 3g/L玉米浆。发酵产氢量为279ml/g干重，产 氢速率为42. 9ml/l/h，根据红薯中lg干重中所含总糖(86% )折算产氢率为2. 35mo:l-H2/ mol-葡萄糖；红薯发酵产氢后的发酵液接种光合菌群产氢后，光合产氢量为686ml/g干重， 产氢速率为16. 7ml/l/h，折算产氢率为5. 77mol-H2/mol-葡萄糖。发酵和光合藕联产氢量 共为965ml/g干重,折算其产氢率为8. 12mol-II2/mol-葡萄糖，比单独厌氧发酵产氢提高了 2. 5倍。 实施例5 :利用红薯光合产氢发酵液的多次藕联产氢 方法步骤同实施例1。发酵产氢量为237ml/g(千重)，折算其产氢率为
2. OOmol-II2/mol 葡萄糖；红薯发酵产氢后的发酵液接种光合菌群产氢后，光合产氢量为 435ral/g (干重)，折算其产氢率为3. 66mol-H:2/m)1-葡萄糖。发酵和光合藕联产氢量共为 672ml/g(干重)，折算其产氢率为5. 66m0l-H2/mol-葡萄糖。 第一次光和产氢后的发酵液调节pH为7. 0，投加底物浓度为5g(千重)/L的红 薯，通过发酵细菌进行第二次发酵产氢；发酵过程中其产氢量为299ml/g(干重)，折算其 产氢率为2. 52mol-H:2/mol-葡萄糖；发酵产氢后，再次调节二次发酵液的p:H为7. 0，利用 反应器中的光合细菌进行二次光和产氢，光合产氢量为416ml/g (干重)，折算其产氢率为
3. 50mOl-H2/mol-葡萄糖。发酵-光合藕联二次产氢量共为715ml/g(千重)，折算其产氢 率为6. 02mol-II2/mol-葡萄糖，比第一次提高了 0. 36mol-H2/mol-葡萄糖。
6
继续利用上述二次藕联产氢后的发酵液进行第三次发酵-光合藕联产氢，操作过 程同上，第三次发酵产氢量为246ml/g (千重)，折算其产氢率为2. 07mOl-H2/mol-葡萄糖； 光合产氢量为490ml/g (干重)，折算其产氢率为4. 13mol-IV'mol-葡萄糖。发酵和光合藕 联产氢量共为736ml/g(干重)，折算其产氢率为6. 2()mo:l-H2/m0l-葡萄糖，比第一次提高了
0. 54mol-H2/mol-葡萄糖。 综合三次发酵_光合藕联产氢，其平均发酵产氢量为261ml/g(千重)，折算其 产氢率为2. 19mol-H2/mol 葡萄糖；平均光合产氢量为447ml/g(干重)，折算其产氢率为 3. 76mo:l-H2/mo:l-葡萄糖。发酵和光合联合产氢量平均为736ml/g(干重)，折算其产氢率 为5. 95mol-H2Zmol-葡萄糖，比第一次提高了 0. 29mol-H2/mol-葡萄糖。
实施例6 :利用薯蓣发酵_光合藕联产氢 方法步骤同实施例l,生长因子为0.5g/L酵母膏。发酵产氢量为266ml/g(干 重)，最大产氢速率为33. 2ml/:l/h，根据薯蓣中lg干重中所含总糖(68% )折算产氢率 为2. 55mol-H2/mol-葡萄糖，发酵产氢同时产生的有机酸中丁酸为1 3g/L，乙酸0. 7
1. 7g/L，还有少量的乙醇和丙酸。发酵产氢后的发酵液接种光合菌群产氢后，光合产氢量为 738ml/g(干重)，最大产氢速率为44. lml./1/h,发酵和光合藕联产氢量共为1004ml/g干 重，折算其产氢率为9. 64鹏1-:H2/mol-葡萄糖，比单独厌氧发酵产氢提高了 3. 8倍。产氢完 成后发酵液还可以用于皂素提取。 实施例7 :不同薯蓣浓度发酵_光合联合产氢 方式同实施例1，薯蓣底物为7g(干重)/L，发酵产氢48h后，发酵产氢量、最大产 氢速率及产氢率分别为246. 9ml/g(干重:)、34. 66ral/:[/h和2. 37mol-H:2/mol-葡萄糖；发 酵产氢后的发酵液接种光合菌群产氢后，其光合产氢量为322ml/g(干重)，最大产氢速率 为15. 2ml/l/h，综合发酵光合联合产氢量为569ml/g(千重)，折算其产氢率为5. 46mol-H2/ mol-葡萄糖。与实例1相比，薯蓣底物为7g(干重)/L比薯蓣底物为5g(干重)/L的产氢 总量和产氢率均降低了 3()%多。产氢完成后将发酵液用于皂素提取。 依此方法，利用红薯、薯蓣等生物质发酵-光合藕联产氢后的最终发酵液可以完 成3 5次产氢，这对于提高红薯、薯蓣等生物质底物的利用率、增加发酵_光合藕联产氢 效率、降低产氢成本和产氢废水的优化处理有很大的促进作用。 综上所述,本发明开发了一种高效、实用的生物制氢系统,实现了资源循环利用和 清洁能源生产的双赢，具有显著的环境效益、经济效益和社会效益，应用前景广阔。此外，本 发明不限于以上描述的具体实例，本领域技术人员在本发明权利要求前提下作出的变化和 改动，均应是本发明的保护范围。
权利要求
一种生物质发酵-光合藕联产氢的方法，其特征在于发酵产氢和光合产氢先后在同一反应器中进行，包括以下步骤(1)将粉碎后的生物质热处理，温度60～120℃，使其水解为淀粉和其他大分子含糖有机物；(2)将上述水解后的有机混合物加入发酵产氢培养基中，产氢反应中控制温度25～40℃，pH为5.5～7.5，产氢时间2～3天；(3)将上述发酵产氢后的发酵液调节pH后接种光合菌群后继续进行产氢，反应中控制温度20～40℃，pH 6.0～7.5，光照强度2000～8000lux，产氢时间5～8天；(4)光合产氢完成后重新添加生物质，再次进行发酵-光合藕联发酵产氢；底物能重复利用3～5次。
2. 根据权利要求1所述的一种生物质发酵-光合藕联产氢的方法，其特征在于所述生物质为红薯或薯蓣或葛根或木薯或马玲薯。
3. 根据权利要求1所述的一种生物质发酵-光合藕联产氢的方法,其特征在于:所述发酵产氢培养基含FeCl3， NaMo04 * 7H20，生长因子，自来水1L。
4. 根据权利要求1所述的一种生物质发酵_光合藕联产氢的方法，其特征在于所述发酵产氢培养基配方为FeCl3 0. 001-0. Olg, NaMo04 * 7H200. 002-0. 02g,生长因子0. 1 0. 5g，自来水1L。
5. 根据权利要求3或4所述的 -种生物质发酵_光合藕联产氢的方法，其特征在于所述生长因子是酵母膏或蛋白胨或牛肉膏或麦芽汁或玉米浆。
6. 根据权利要求1所述的一种生物质发酵-光合藕联产氢的方法,其特征在于生物质热处理后进行发酵产氢时其底物浓度为1 1()g(干重)/L。
7. 根据权利要求1所述的一种生物质发酵-光合藕联产氢的方法，其特征在于发酵产氢细菌为Clostridium chartatabidum、 Clostridium colicanis. 、 Bacillus sp.禾flClostridium butyricum。
8. 根据权利要求1所述的一种生物质发酵-光合藕联产氢的方法，其特征在于光合菌群为Rhodobacter sphaeroides、 Rhodopseudomonas faecalis禾卩Rhodopseudomonaspalustris。
9. 根据权利要求8所述的一种生物质发酵-光合藕联产氢的方法，其特征在于所述的光合菌群的生长培养基含琥珀酸钠，酵母膏，(NH:4)2S()4， KH2P()4， K2:HP()4, NaCl，MgS04 * 7H20， CaCl2， FeS04 * 7H20， (NH4) 6Mo7024， CoCl2 * 6H20， ZnCl2， CuCl2， H萬，EDTA-2Na，维生素B,，生物素，蒸馏水。
10. 根据权利要求8所述的一种生物质发酵-光合藕联产氢的方法，其特征在于所述的光合菌群的生长培养基配方为琥珀酸钠9.8g,酵母膏lg， (N:H4)2S()4 1.25g，KH2P04 0. 5g， K2HP04 0 . 6g， NaCl 0. 2g， MgS04 * 7H20 0. 6g， CaCl2 0. 05g， FeS04 * 7H20 lmg，(NH4)6Mo70240. 5mg，CoCl2 *6H20 0. Olmg， ZnCl20. lmg， CuCl20. Olmg， H3B032mg， EDTA-2Na 2mg，维生素1mg，生物素15 ii g，蒸馏水1L。
全文摘要
本发明属于生物技术领域，具体涉及一种利用红薯、薯蓣等生物质发酵-光合耦联产氢的方法。本发明发酵产氢和光合产氢在同一反应器中完成，首先将生物质热处理；然后以生物质为底物的发酵培养基中接种发酵细菌，在温度25～40℃，pH 5.5～7.5的环境中进行厌氧发酵产氢；产氢完成后发酵液不需添加任何其它营养物质，也不需要进行稀释，只需调节pH值为6.0～7.5后直接接种混合光合菌群，在光照强度2000～8000lux下继续进行厌氧光合产氢。本发明产氢后的最终发酵液只需重新添加红薯、薯蓣等生物质即可再次耦联产氢，发酵液可重复利用3-5次。本发明方法具有产氢效率高、产氢持续时间长、底物转化效率高、易于工业化等优点。
文档编号C12P3/00GK101760479SQ200810148030
公开日2010年6月30日 申请日期2008年12月25日 优先权日2008年12月25日
发明者付宁, 何晓红, 李大平, 王晓梅, 胡吉军, 贾志国, 陶勇 申请人:中国科学院成都生物研究所