[发明专利]一种产氢产乙醇微生物聚集体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微生物聚集体的制备方法，具体涉及一种产氢产乙醇微生物聚集体的制备方法。

背景技术

目前生产生物乙醇的原料广泛采用甘蔗、玉米的糖分和淀粉等食用物质，供应量受限以及使用成本高而限制了其应用。氢气的产生主要是通过化学方法，需要消耗大量的能量且可能造成环境污染，亦面临着如何有效降低成本和减少对环境的污染问题。有机废水处理多采用生物法处理，传统的有机废水生物处理技术(厌氧技术、好氧技术)着重于将有机物分解为二氧化碳和水而未能实现对其资源化利用。

许多有机废水如糖类生产废水、淀粉生产废水和酒类生产废水等中含有大量的碳水化合物，是微生物发酵产氢和乙醇的理想底物。微生物制氢技术和燃料乙醇的生产方面的研究日益增多，但是以有机废水为底物，通过特定微生物菌群如聚集体转化及代谢途径控制同步产氢和乙醇的研究却鲜有报道。在各种制氢技术中，生物制氢因其作用条件温和，可在常温常压下进行，能利用可再生的能源，也可进行废物的利用，具有能耗低和污染少等特点而受到关注(Nath and Das，2004)。生物制氢技术主要有光合生物制氢和发酵生物制氢(Das andVeziroglu，2001)。前者具有能利用太阳能、底物转化率高等优点，但存在产氢速率慢、光能转化效率低、光反应器设计复杂等缺点而限制了其实际应用。与光合生物制氢技术相比，发酵生物制氢具有产氢速率快、不需要光能、反应器运行操作便利且能利用多种废弃物等优势，因而实用性更强，更具备产业化前景(Das and Veziroglu，2001；Nathand Das，2004；Magnusson et al.，2009)。2005年，“有机废水发酵法生物制氢技术生产性示范工程”在哈尔滨国际科技城启动，日产氢气达1200m³，但目前发酵生物制氢成本仍然较高(Das and Veziroglu，2009)。该技术产业化过程中面临着如何有效降低成本、提高产氢效率的难题，而这与微生物产氢代谢过程密切相关。

以葡萄糖做原料产氢为例，通过甲酸裂解的途径产氢，以此途径产氢的微生物有Escherichia coli和Enterobacter sp.。最适产氢pH约在7.0(Shin et al.，2007)。由此可见葡萄糖通过微生物的发酵最终转化为有机酸、生物量的增加、氢气、二氧化碳和能量。各种产氢类型差异的本质在于发酵过程中对发酵因子的控制与接种污泥微生物种群结构不一样。已报道的影响发酵产氢的主要因子有：接种微生物、底物浓度和类型、反应器构造、水力停留时间(hydraulic retention time，HRT)、有机负荷、C/N、C/P、氧化还原电位、pH和温度等。对这些因子进行优化和控制可显著提高发酵生物制氢的效率(Yu and Mu，2006；Wang and Wan W，2009)。采用实验设计和统计学方法对丁酸型发酵的产氢条件进行优化和控制的研究较多，但大多数没有解决多响应之间最优化条件的选择，且未能揭示不同条件下微生物种群的多样性的变化与微生物功能群。现代分子生物技术(克隆文库)、生化技术(Biolog法)和光谱技术(红外光谱，IR)等可以很好地对微生物的种群结构、多样性和代谢途径进行研究(Koskinen et al.，2007)。相对于丁酸型发酵而言，利用有机废水同步产氢产乙醇具有较大的优势是不存在液相产物的再处理问题，实用性较强。另一方面，高效厌氧生物制氢技术的关键在于如何富集产氢优势菌(Cuetos et al.，2007；Ren et al.，2007)。其接种污泥多为混合微生物群体，既有发酵细菌、产氢细菌亦有氢气消耗细菌如产甲烷菌。若不能有效抑制氢气消耗细菌的活性，厌氧制氢系统的运行就会失败。因此需对接种污泥进行有效的前处理，目前主要的方法有加热、酸处理、碱处理、充氧、有机溶剂处理、冻融处理、超声波处理等。各种前处理方法其厌氧生物制氢的效率亦不同。Cheng和Hansen(2006)比较了5种厌氧污泥的前处理方式，认为酸处理效果最佳。但Hu和Cheng的研究表明采用有机溶剂如氯仿处理可以最有效地抑制厌氧污泥中氢气消耗菌的活性。Wang和Wei(2008)亦研究了5中厌氧污泥的前处理方法的优劣，结果显示加热处理方法最好，且简单而实用。但加热处理使得微生物的多样性发了急剧的变化，产氢类型易于向丁酸型转化。而一些较温和的处理方式如通过改变pH可以维持厌氧污泥中形成一个利于产氢的微生物种群结构(Lee et al.，2009)。由此可见，不同的研究中最佳厌氧污泥前处理亦不同，其原因是不同的处理方式对微生物多样性和种群结构的影响不同。有必要对不同的前处理方法进行优化设计，优选出利于同步产氢产乙醇的前处理方法。