[发明专利]一种快速形成MEC制氢阳极微生物膜的方法

说明书

本发明提供一种快速形成MEC（Microbial electrolysis cell）制氢阳极微生物膜的方法，该方法克服了MEC阳极生物膜需先经过MFC（Microbial fuel cell）富集，然后再经过MEC驯化的繁琐过程。本发明在培养和驯化过程中，首先在MEC反应器中加入厌氧活性污泥为接种物，缓冲营养液，微量元素液，培养和驯化底物，然后在厌氧和恒温条件下，外加微电压促使接种物中的产电微生物生长繁殖，使之在阳极表面快速形成具有产氢功能的阳极生物膜。培养和驯化过程中在线记录仪记录电极间电流变化，氢气含量通过气相色谱法检测，并通过循环伏安法测试阳极生物膜的电化学活性。本方法有效缩短培养周期，且形成的阳极膜具有较好的产氢能力。

技术领域

本发明属于生物电化学领域中MEC制氢阳极微生物膜的培养方法。

背景技术

MEC（Microbial electrolysis cell）阳极微生物膜是MEC技术的关键所在，阳极膜是MEC制氢相关微生物生长繁殖的重要场所，是研究相关微生物及其特殊功能的一扇窗口。与一般生物膜相比，MEC阳极膜表面的微生物既可在分解有机物的过程中产生电子，又能从环境中接受胞外电子，因此，电子交换能力（电流密度）成为衡量MEC阳极微生物膜是否形成和电化学活性高低的重要指标。

从MEC制氢工艺技术方面看，MEC阳极微生物膜对MEC产氢起着绝对的控制作用，是保证MEC制氢的前提。从MEC制氢机理可知，氢气在阴极析出第一步时附着与阳极表面的电活性微生物对底物的降解。在这一过程中，只有微生物在阳极表面的生长繁衍，形成具有产氢功能的MEC阳极微生物膜，才能有效地降解有机底物，形成质子与电子等。

目前，MEC阳极膜的培养驯化，通常先经过MFC产电驯化，使MFC阳极微生物具有产电功能，然后转移到MEC中才能进行产氢实验；MFC阳极产电微生物培养驯化周期较长，在培养过程中需要定期更换基质营养液。相较下通过直接用MEC培养阳极膜，新启动的MEC功能菌群组成丰度更大，其库伦效率和产氢效率更具优势。但是，对于MEC阳极微生物膜培养并没有专门研究，只是在阳极膜培养过程中电路中有稳定电流产生便进行产氢研究。

发明内容

本发明所提供的MEC阳极微生物膜的形成方法，克服了MEC阳极微生物膜需先经过MFC产电培养，然后再转移到MEC驯化的繁琐过程。本发明将以MEC制氢方式直接培养驯化MEC阳极微生物膜，不仅能够获得电化学活性较高的MEC阳极微生物膜，而且缩短培养周期可避免时常更换基质营养液，使培养过程简单易操作。

本发明的培养方法按照以下步骤操作：（1）接种：在MEC反应器中加入接种物；（2）投料：在MEC反应器中加入配制好的缓冲营养液，微量元素液和底物，加入水使其净容量400mL，然后向反应器内通入氮气排空反应器内空气，使其迅速进入厌氧状态；（3）外加电压：在反应器阴阳极两端施加微电压，在恒温条件下培养。

本发明的接种物为厌氧活性污泥，接种量为净容量22.5%～30%。

本发明的缓冲营养液为：磷酸二氢钾（KH₂PO₄）6.1g/L，磷酸氢二钾（K₂HPO₄·3H₂O)9.6g/L，氯化钾（KCl）2.22g/L，氯化铵（NH₄Cl）0.28g/L，酵母膏（Yeast extract）0.1g/L，七水合硫酸镁（MgSO₄·7H₂O）0.1g/L，二水合氯化钙（CaCl₂·2H₂O）10mg/L，其pH为7.0，用量100mL。