[发明专利]一种直接利用未解毒的酸预处理木质纤维素进行产氢的方法与应用

说明书

本发明公开了一种直接利用未解毒的酸预处理木质纤维素进行产氢的方法与应用。本发明将嗜热解糖厌氧杆菌种子液接种入发酵培养基中进行厌氧发酵，得到氢气；其中，发酵培养基是以未解毒的酸预处理木质纤维素为碳源的培养基。本发明通过两阶段发酵或补加部分有机酸后进行发酵。本发明通过两阶段发酵氢气的产量可以达到277.44mM(6.21L‑H₂/L)；通过添加10g/L乙酸，氢气的产量可以提高63.9％，可以显著提高甘蔗渣的生物产氢效率。本发明提供的方法适合应用于在微生物转化甘蔗渣。

技术领域

本发明属于微生物发酵产氢技术领域，特别涉及一种直接利用未解毒的酸预处理木质纤维素进行产氢的方法与应用。

背景技术

随着人类进入21世纪，各种技术突飞猛进的发展，导致化石燃料，如煤、石油、天然气等大量被消耗，这些能源提供了大约世界所需量的95％。而随着社会的进一步发展，能源的需求量会进一步扩大。化石燃料的大量消耗同样造成了严重的环境污染问题，如现在的雾霾问题，导致人们谈霾色变。更重要的是化石燃料的不可再生性，能源的枯竭将会影响社会的安定，寻找一种具有可再生性、环保性和低成本性的可替代能源受到各国的关注。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，每年经过光合作用可以合成大量的木质纤维素，作为一种非粮原料不与人争粮，因此受到众多研究者的重视。

众所周知，氢气燃料仅仅生成水而不产生任何温室气体，因此被认为是一种理想的可替代化石燃料的能源载体。到目前为止在工业范围内，氢气主要通过天然气或石油的蒸汽转换、煤的气化或者电解水而产生，这些生产氢气的方法抹掉了氢气的众多优势，并不适合长远考虑。生物制氢是目前最有可能替代传统制氢的一种手段，其不依赖于化石燃料，而是利用产氢微生物的新陈代谢进行产氢，是一种清洁、低成本的制氢方法。生物制氢原料来源广泛，其中木质纤维素由于含量巨大、可再生性被认为是最具应用前景的原料之一。由于木质纤维素的抗性，需要通过预处理手段提高木质纤维素的可降解性。酸预处理是目前常见的工业级别的预处理技术之一，但是由于酸预处理过程中同时会产生一定量的抑制物，需要进行脱毒处理才能被微生物所利用，限制了生物制氢的发展。开发一种无需解毒操作的生物制氢工艺可以避免解毒过程造成的环境污染问题，并且可以简化操作流程降低生产成本，对生物制氢技术的应用发展具有重要意义。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种直接利用未解毒的酸预处理木质纤维素进行产氢的方法与应用，并提供了通过添加代谢产物提高氢气产量的方法。该方法直接以未解毒的酸预处理木质纤维素(如甘蔗渣)为底物，通过发酵工艺优化或在发酵液中添加有机酸实现未解毒的酸预处理甘蔗渣的高效生物制氢工艺。该过程预料成本低且处理成本同样低廉，发酵工艺简单、氢气产量高，同时降低了预处理对环境的污染问题，很大程度上节省了原料及其预处理费用，同时很大程度上提高了底物的利用率，解决木质纤维素在生物制氢工艺中效率低下的问题，具有较高的经济可行性。

本发明的另一目的在于提供所述直接利用未解毒的酸预处理木质纤维素进行产氢的方法在微生物转化甘蔗渣中的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种直接利用未解毒的酸预处理木质纤维素进行产氢的方法，包括如下步骤：

(1)将嗜热解糖厌氧杆菌进行活化、扩大培养，得到种子液；

(2)将步骤(1)得到的种子液接种入发酵培养基中进行厌氧发酵，得到氢气；

其中，所述的发酵培养基是以未解毒的酸预处理木质纤维素为碳源的培养基。

所述的厌氧发酵为一个阶段的厌氧发酵，或是为由至少两个阶段组成的厌氧发酵；优选为由两个阶段组成的厌氧发酵。

所述的厌氧发酵由至少两个阶段组成的厌氧发酵时，是每个阶段的厌氧发酵完成后，将发酵液的pH值调节为6.5～7.0，以及进行抽真空和充入惰性气体，再进行下一个阶段的厌氧发酵。

所述的pH值优选为7.0。