一种提高厌氧细菌发酵产氢活性的方法

摘要

本发明公开了一种提高厌氧细菌发酵产氢活性的方法。本发明是通过向厌氧发酵液中加入银纳米颗粒进行催化生物制氢，银纳米颗粒不仅提高了氢气的产量，缩短了产氢停滞期和发酵周期，而且对于产氢活性受到抑制的厌氧发酵细菌，加入纳米银颗粒可以迅速恢复细菌的产氢活性，比仅向体系中补充氮源的效果更明显。本发明利用了纳米颗粒独特的表面效应和催化效应，催化激活发酵细菌的产氢酶，有助于解决现有厌氧发酵制氢体系中产氢效率低，接种后产氢停滞期较长的问题，还可以提高发酵体系对进水冲击负荷、温度、酸、碱、毒物等环境条件变化的适应性及运行稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于有机废水生物处理技术领域，涉及一种利用提高厌氧混合细菌发酵产氢活性的方法。

背景技术

利用碳水化合物为原料的发酵法生物制氢技术，可应用于有机废水和有机固体废弃物的处理实现大规模生产获得氢能，在生物转化可再生能源物质（纤维素、淀粉等）生产氢能的研究中显示出独特的优势。利用有机废水进行暗发酵生物制氢具有成本低、耗能少、对环境友好等优势，已成为近年来国际上生物制氢技术的研究热点。但是发酵产氢过程中有机底物的氢转化效率低，发酵细菌易失活，对废水浓度、温度、毒物等环境条件变化的抵抗力弱，产氢效率不稳定等特点限制了其大规模工业化应用的可行性。

以往主要通过改变发酵液的C/N比、培养温度以及培养基中微量元素的浓度，以寻找最适宜细菌发酵产氢的环境条件来提高细菌的产氢能力。纳米技术在上世纪八十年代兴起，对于纳米颗粒功能的研究引发了光学、电学、磁学、药学、化学以及生物学等多个科学领域的一场革命。纳米颗粒所具有的独特的表面效应和量子尺寸效应使其在生命科学领域应用于酶的固定，DNA转染以及生物传感器的研发等方面。目前仅有少数研究涉及到使用纳米颗粒提高葡萄糖氧化酶的生物活性，但使用纳米颗粒作为厌氧发酵产氢的催化剂尚未见报道，更未有纳米颗粒催化生物制氢的最佳条件及氢产量。

对于生物制氢技术来说，提高发酵细菌产氢酶的催化产氢活性，保持发酵产氢体系运行的稳定性、以及提高有机底物的氢转化效率是利用厌氧发酵大规模生物制氢的关键所在。针对此问题，本发明提出了一种提高厌氧细菌发酵产氢活性的方法，充分利用纳米颗粒独特的表面效应和催化效应，催化激活发酵细菌的产氢酶，缩短发酵细菌接种后的停滞期，提高暗发酵体系对进水冲击负荷的适应性及运行稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用提高厌氧混合细菌发酵产氢活性的方法，以解决现有厌氧发酵制氢体系中产氢效率低，接种后停滞期较长的问题。

一种提高厌氧细菌发酵产氢活性的方法，其特征是，在银纳米颗粒的存在下，利用厌氧混合产氢细菌进行批式发酵，以制备氢气。

本发明所述的银纳米颗粒是银纳米胶体，粒径为5～30 nm，加入浓度为         5～500 nmol/L。

本发明所述的厌氧混合产氢细菌是将厌氧活性污泥在50～150℃条件下烘焙1～3 h，而后煮沸10～60 min，然后移入厌氧反应器中发酵30～45 d，然后将发酵液转移至连续搅拌槽式反应器中进行连续培养，水力停留时间为12～24 h，温度控制在30～35℃，培养驯化30～90 d。

本发明所述的批式发酵方法制氢包括：在厌氧条件下进行，振荡频率为100～300 rpm，发酵温度35～40℃，菌液的接种量为培养基总体积的20～40%，发酵底物的浓度为10～20 g/L。

与现有技术相比，本发明体现的优势和特点是：

1、通过加入适当浓度的银纳米颗粒，氢气的产量大，且有效缩短产氢的停滞期和发酵周期；

2、提高了混合细菌的产氢速率，增加了生物气中的氢气含量（45～58%），提高了单位底物的产氢效率（可达2.11～2.55 molH₂/mol葡萄糖）；

3、增强了混合细菌对废水浓度、温度、毒物等环境条件变化的能力，在发酵过程中无需控制溶液pH，保持稳定的连续产氢能力。

附图说明

图1为葡萄糖发酵的累积产氢曲线。

图2为不同浓度的NH₄Cl促进产氢发酵的累积产氢曲线。

图3为不同浓度的NH₄Cl及20 nmol/L银纳米颗粒促进产氢发酵的累积产氢曲线。

图4 为银纳米颗粒的透射电镜照片。

具体实施方式

通过以下给出的实施例对本发明的内容进一步详细的加以说明。

实施例1银纳米颗粒促进厌氧发酵产氢的实验

本实施例中使用的厌氧混合产氢细菌是取自某污水处理厂的厌氧活性污泥，在   100℃条件下烘焙2 h，而后煮沸30 min，然后移入厌氧反应器中发酵30 d，然后将发酵液转移至连续搅拌槽式反应器中进行连续培养，水力停留时间为24 h，温度控制在35℃，未控制pH，培养驯化60 d。

发酵液的组成：于120 mL的发酵罐中加入20mL混合产氢菌液，40 mL培养基（1000 mL蒸馏水含有如下成分：葡萄糖20 g；牛肉膏 4 g；蛋白胨10 g；Na₂CO₃ 4 g；K₂HPO₄·3H₂O 250 mg；MgCl₂·6H₂O 200 mg；CuSO₄·5H₂O 10 mg；MnSO₄·4H₂O    30 mg；FeSO₄·7H₂O 200 mg；CoCl₂·6H₂O 0.25 mg），20 mL纳米银溶胶（使最终发酵液中纳米银浓度分别为10、20、50、100、200 nmol/L）。银纳米颗粒的平均粒径为20 nm，银颗粒要新制备的，用前超声半小时。混合产氢菌液的接种量为培养基总体积的25%，底物葡萄糖的浓度为10 g/L， 对反应瓶吹5 min氮气来保证厌氧环境，分批实验在黑暗状态，振荡频率为200 rpm，发酵温度为35℃条件下进行，初始pH值为8.1～8.6，反应始终未调节pH值。

分析测试方法：底物发酵生成的生物气体积用排水法进行测量，所有的气体数据都已换算到标准状况下（0℃，1atm）。生物气中氢气的百分比使用配有热导检测器（TCD）的气相色谱仪来进行检测，使用2米填装Porapak Q(50/80目)的不锈钢柱。氩气（Ar）作为载气，流速为30 mL/min。进样口、柱箱、及检测器的温度分别为80、50和100℃。

该实施方案条件下的累积产氢曲线见附图1。该实施例发酵时间为96 h，发酵气相中有氢气和二氧化碳两种气体，其中氢气体积分数最高为57.5%。空白实验有4小时的产氢停滞期，氢气产量为138.2 mL；加入银纳米颗粒的对照组没有产氢停滞期，且产氢量均大幅提高，银纳米颗粒浓度为10、20、50、100、200 nmol/L时，产氢量分别为201.6、231.2、228.2、226.1、236.9 mL。

实施例2厌氧细菌激活碱冲击失活细菌产氢活性的实验

本实施例中使用的厌氧混合产氢细菌与实施例1的不同之处在于使用连续搅拌槽式反应器进行连续培养时，水力停留时间为24 h，温度控制在35℃，调节pH值为12，培养驯化15 d，使细菌的产氢发酵受到抑制，停止产氢。

发酵液的组成：于120 mL的发酵罐中加入上述停止产氢的混合产氢菌液20 mL，培养基40 mL（成分与实施例1相同），NH₄Cl 20 mL（使最终氮元素的浓度分别为0.3～1.1 g/L），最终纳米银浓度为20 nmol/L（加入的纳米银胶体体积可忽略），其余同实施例1。

该实施方案条件下的累积产氢曲线见附图2、附图3，使用的银纳米颗粒的电镜照片见附图4。该实施例发酵时间为168 h，发酵气相中有氢气和二氧化碳两种气体，其中氢气体积分数最高为55%。所有实验组均有较长的产氢停滞期，空白组（未加NH₄Cl和纳米银）一直未产氢，加入纳米银的实验组停滞期缩短12～24 h，且产氢量均比仅加入NH₄Cl的对照组高。

溶液中氮元素的浓度为0.3、0.5、0.7、0.9、1.1 g/L时，产氢量分别为188.1、184.7、190.7、173.2、112.9 mL。再向其中加入20 nmol/L的纳米银时，对照组产氢量分别为192.1、195.3、216.0、203.1、202.4 mL。

从以上两个实施例可以看出，适当浓度纳米银颗粒的加入不仅提高了氢气的产量，且有效缩短产氢的停滞期和发酵周期，而且对于产氢活性受到抑制的厌氧发酵细菌，加入适当浓度的纳米银颗粒可以迅速恢复细菌的产氢活性，极大的缩短产氢停滞期，比仅向体系中补充氮源的效果更明显，而且增加了细菌对于较高氮源浓度的适应性。