技术领域
[0001] 本
发明属于
生物发酵制氢技术领域，特别涉及一种以木糖为底物发酵制备氢气的方法。
背景技术
[0002] 氢能是二次
能源，目前的制氢工艺主要有
电解水制氢、
热解制氢、光化制氢、核能制氢、
矿石燃料制氢和生物制氢等。电解水制氢目前应用较广，且比较成熟。电解水制氢的效率一般为75～85％，其工艺过程简单，无污染，但耗电量大，因此其应用受到了一定的限制。光化学制氢是以水为原料，光催化分解制取氢气的方法。矿物燃料制氢是当今制取氢气最主要的方法，其是以
煤、石油、
天然气为原料。利用核能和
太阳能分解水制氢是人们正在努
力探索的课题。
[0003] 相比上述制氢工艺，生物发酵制氢法具有反应条件温和，耗能低和环保性高等特点，通过发酵法制备氢气，可以最大程度地发挥氢气的环境效益。
[0004] 底物是限制生物制氢发展的关键因素，只有采用廉价的底物才会降低制氢成本，促进该技术的应用。我国作为一个农业大国，拥有耕地超过十五亿亩，每年会产生大量的
植物纤维废弃物。据不完全统计，我国每年仅植物秸秆、皮壳一项的产量就能达到7亿多吨。这些有机质大部分都没有得到有效利用，主要以就地焚烧的方式处置，不仅浪费了资源，而且对环境造成了污染。如果能将其用于发酵产氢，则纤维质就能够获得更加充分的利用。
[0005] 木质
纤维素作为
农作物秸秆的主要组成部分，经过物理、化学预处理或采用酶解处理后，可以得到40％的粗纤维(木质素和纤维素)和20％的半纤维素，半纤维素和纤维素在酶或酸的作用下
水解为单糖分子，主要为
葡萄糖和木糖，其中葡萄糖可以被几乎所有的
微生物利用，而约占30～40％的五
碳糖，即木糖却难以被微生物利用，同时纤维素水解液中还存在大量的可能抑制微生物活性的化合物。纤维素水解液中木糖的利用，是目前研究的重点和热点。目前报道的利用纤维素水解液产氢的研究论文和
专利，其实质是利用水解液中的葡萄糖作为发酵底物。例如，有研究发现，某些嗜热产氢菌株可利用纤维素水解液中的木糖进行生长，但却未报道利用其中木糖的产氢效能(朱玉红.高温发酵产氢菌株W16及其发酵产氢特性[D].哈尔滨工业大学,2008；刘艳.嗜热厌
氧梭菌降解纤维素及产氢特性研究[D].山东大学,2008.)；而
牛坤的研究则发现，纤维素水解液中的木糖会通过影响微生物的代谢途径而抑制其产氢效果(牛坤.Klebsiella pneumoniae ECU-15菌株暗发酵产氢过程分析及其利用木质纤维素水解液的实验研究[D].华东理工大学,2010.)。因此，纤维素水解液高效利用的关键是利用其中的木糖，将纤维素水解液中的木糖用于生产氢气能源，无疑可以大幅提升纤维素类物质的资源化效率。
发明内容
[0006] 针对
现有技术不足，本发明提供了一种以木糖为底物发酵制备氢气的方法。
[0007] 一种以木糖为底物发酵制备氢气的方法，包括以下步骤：
[0008] 1)产氢菌种的预培养；
[0009] 2)以木糖溶液为底物，添加
营养液制备发酵产氢培养基，将步骤1)中预培养的产氢菌种接种于发酵产氢培养基中，氮气吹脱3min以上以提供无氧环境，反应器置于恒温水浴摇床，
温度控制在25～40℃，摇床转速为80～120r/min，调节发酵液初始pH＝6.0～9.0，进行发酵制氢，收集发酵气体除去CO2得到H2。
[0010] 步骤1)中所述产氢菌种为经辐照预处理的
厌氧消化污泥，或丁酸梭菌(Clostridium butyricum)INET1与屎肠球菌(Enterococcus Faecium)INET2的混合菌群，或单一菌种丁酸梭菌INET1，或单一菌种屎肠球菌INET2；所述丁酸梭菌INET1在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心的保藏编号为CGMCC1.5199，保藏日期为2015年6月3日；所述屎肠球菌INET2在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心的保藏编号为CGMCC1.15321，保藏日期为2015年6月3日。中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心的地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号。
[0011] 所述辐照预处理为5kGy剂量的γ射线辐照处理，采用60Co源作为
放射源。
[0012] 所述丁酸梭菌INET1和屎肠球菌INET2是由经5kGy剂量的γ射线辐照处理的厌氧消化污泥中分离得到，放射源为60Co。
[0013] 经辐照预处理的厌氧消化污泥的预培养，培养基组分为：木糖20g/L，蛋白胨10g/L，
酵母粉0.5g/L，营养液10mL/100mL；
[0014] 丁酸梭菌INET1、屎肠球菌INET2的预培养，培养基组分为：葡萄糖50g/L，蛋白胨10g/L，酵母粉0.5g/L，营养液10mL/100mL。
[0015] 步骤2)中所述木糖溶液为木糖水溶液或纤维素水解液，所述木糖溶液为纤维素水解液是使用纤维素水解液直接配制发酵产氢培养基。
[0016] 所述发酵产氢培养基的组分为：木糖溶液90mL/100mL，营养液10mL/100mL。
[0017] 发酵产氢培养基中产氢菌种的接种比例为10mL/100mL。
[0018] 所述营养液的组分为：NaHCO3 40g/L，NH4Cl 5g/L，NaH2PO4·2H2O 5g/L，K2HPO4·3H2O 5g/L，FeSO4·7H2O 0.25g/L，MgCl2·6H2O 0.085g/L，NiCl2·6H2O 0.004g/L。
[0019] 所述发酵产氢培养基中木糖浓度为5～50g/L，木糖的最大产氢量为105～330mL/100mL，产氢效率为66～228mL/g木糖。
[0020] 本发明的有益效果为：木质纤维素水解液为底物进行产氢，本发明所述的产氢菌种，不仅可以充分利用其中的葡萄糖，还可以有效利用其中的木糖进行产氢。木糖作为木质纤维素的重要水解产物，以木糖为底物发酵制备氢气，不仅扩展了生物制氢的底物范围，提升了植物纤维原料的利用率，降低了产氢底物的成本，也有助于实现植物纤维废弃物的减量化、资源化，真正达到变废为宝的目的。本发明的成功应用对实现生物制氢的工业化具有重要意义，将直接推动纤维素类物质的进一步充分利用，为植物废物处置提供了新方法。
具体实施方式
[0021] 下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0023] 以木糖为底物，接种经辐照预处理的厌氧消化污泥进行发酵产氢：
[0024] 厌氧消化污泥采用5kGy剂量的γ射线进行辐照预处理，以60Co作为放射源。辐照预处理的厌氧消化污泥进行富集预培养，预培养的培养基组分为：木糖20g/L，蛋白胨10g/L，酵母粉0.5g/L，营养液10mL/100mL。预培养后，取10mL接种于100mL发酵产氢培养基中，发酵产氢培养基组分为：木糖50g/L，营养液10mL/100mL，使用5mol/L的HCl溶液或5mol/L的NaOH溶液调节初始pH为7.0，氮气吹脱检验气密性并驱除瓶内氧气，将反应瓶置于恒温水浴摇床，在35℃，100r/min反应下发酵产氢，间隔2h记录产气量。经过48h后产氢反应结束，气相色谱分析发现反应过程中无甲烷生成，可见辐照处理有效地杀灭了甲烷菌。实验得到的最-1大累计产氢量为330mL/100mL，产氢效率为66mL/g木糖，最大产氢速率为20.3mL·100mL ·h-1，延滞时间为2.4h。
[0025] 实施例2
[0026] 以木糖为底物，接种经辐照预处理的厌氧消化污泥进行发酵产氢：
[0027] 厌氧消化污泥采用5kGy剂量的γ射线进行辐照预处理，以60Co作为放射源。辐照预处理的厌氧消化污泥进行富集预培养，预培养的培养基组分为：木糖20g/L，蛋白胨10g/L，酵母粉0.5g/L，营养液10mL/100mL。预培养后，取10mL接种于100mL发酵产氢培养基中，发酵产氢培养基组分为：木糖5g/L，营养液10mL/100mL，使用5mol/L的HCl溶液或5mol/L的NaOH溶液调节初始pH为7.0，氮气吹脱检验气密性并驱除瓶内氧气，将反应瓶置于恒温水浴摇床，在35℃，100r/min反应下发酵产氢，间隔2h记录产气量。经过48h后产氢反应结束，气相色谱分析发现反应过程中无甲烷生成，可见辐照处理有效地杀灭了甲烷菌。实验得到的最大累计产氢量为114mL/100mL，产氢效率为228mL/g木糖，最大产氢速率为7.8mL·100mL-1·h-1，延滞时间为1.8h。
[0028] 实施例3
[0029] 以木糖为底物，接种丁酸梭菌INET1进行发酵产氢：
[0030] 从平板培养基上挑取丁酸梭菌INET1菌落，接种于200mL富集培养液中进行富集预培养，富集培养液成分如下：葡萄糖50g/L，蛋白胨10g/L，酵母粉0.5g/L，营养液10mL/100mL。菌种经过8-10h生长进入对数期，此时，取10mL处于对数期的菌液接种于100mL发酵产氢培养基中，发酵产氢培养基组分为：木糖10g/L，营养液10mL/100mL，使用5mol/L的HCl溶液或5mol/L的NaOH溶液调节初始pH为7.0，利用氮气吹脱检验气密性并驱除瓶内氧气，将反应瓶置于恒温水浴摇床，在35℃，100r/min条件下发酵产氢，间隔2h记录产气量。经过56h后产氢反应结束，实验得到的最大累计产氢量为105mL/100mL，产氢效率为105mL/g木糖，最大产气速率为9.3mL·100mL-1·h-1，延滞时间为36.4h。
[0031] 实施例4
[0032] 以木糖为底物，接种屎肠球菌INET2进行发酵产氢：
[0033] 从平板培养基上挑取屎肠梭菌INET2菌落，接种于200mL富集培养液中进行富集预培养，富集培养液成分如下：葡萄糖50g/L，蛋白胨10g/L，酵母粉0.5g/L，营养液10mL/100mL。菌种经过8-10h生长进入对数期，此时，取10mL处于对数期的菌液接种于100mL发酵产氢培养基中，发酵产氢培养基组分为：木糖10g/L，营养液10mL/100mL，使用5mol/L的HCl溶液或5mol/L的NaOH溶液调节初始pH为7.0，利用氮气吹脱检验气密性并驱除瓶内氧气，将反应瓶置于恒温水浴摇床，以35℃，100r/min条件反应，间隔2h记录产气量。经过70h后产氢反应结束，实验得到的最大累计产氢量为3mL/100mL，说明单一菌种屎肠球菌INET2进行木糖发酵产氢的能力弱。
[0034] 实施例5
[0035] 以木糖为底物，同时接种丁酸梭菌INET1与屎肠球菌INET2进行发酵产氢：
[0036] 从平板培养基上挑取丁酸梭菌INET1和屎肠球菌INET2菌落，分别接种于200mL富集培养液中进行富集预培养，富集培养液成分如下：葡萄糖50g/L，蛋白胨10g/L，酵母粉0.5g/L，营养液10mL/100mL。两株菌种均经过8-10h生长进入对数期，此时，分别取5mL处于对数期的两种菌液接种于100mL木糖发酵培养基中，发酵产氢培养基组分为：木糖10g/L，营养液10mL/100mL，使用5mol/L的HCl溶液或5mol/L的NaOH溶液调节初始pH为7.0，利用氮气吹脱检验气密性并驱除瓶内氧气后，将反应瓶置于恒温水浴摇床，以35℃，100r/min条件反应，间隔2h记录产气量。经过64h后产氢反应结束，实验得到的最大累计产氢量为114mL/
100mL，产氢效率为114mL/g木糖，最大产氢速率为10.8mL·100mL-1·h-1，延滞时间为
49.7h。
[0037] 实施例6
[0038] 以木质纤维素水解液为底物，接种经辐照预处理的厌氧消化污泥进行发酵产氢：
[0039] 厌氧消化污泥采用5kGy剂量的γ射线进行辐照预处理，以60Co作为放射源。辐照预处理的厌氧消化污泥进行富集预培养，预培养的培养基组分为：木糖20g/L，蛋白胨10g/L，酵母粉0.5g/L，营养液10mL/100mL。预培养后，取10mL接种于100mL发酵产氢培养基，发酵产氢培养基组分为：木质纤维素水解液90mL/100mL，营养液10mL/100mL，木质纤维素水解液中木糖浓度为18g/L，利用其中的木糖为底物利用其中的木糖为底物发酵产氢，并同时利用其中的葡萄糖等发酵产氢。使用5mol/L的HCl溶液或5mol/L的NaOH溶液调节初始pH为7.0，利用氮气吹脱检验气密性并驱除瓶内氧气，将反应瓶置于恒温水浴摇床，在35℃，100r/min反应下发酵产氢，间隔2h记录产气量。经过60h后产氢反应结束，对葡萄糖的利用率达到90％，扣除葡萄糖等产生的氢气，实验中木糖的最大累计产氢量为152mL/100mL，产氢效率为94mL/g木糖。
