一種提高厭氧細菌發酵產氫活性的方法技術

本發明專利技術公開了一種提高厭氧細菌發酵產氫活性的方法。本發明專利技術是通過向厭氧發酵液中加入銀納米顆粒進行催化生物制氫，銀納米顆粒不僅提高了氫氣的產量，縮短了產氫停滯期和發酵周期，而且對于產氫活性受到抑制的厭氧發酵細菌，加入納米銀顆?？梢匝杆倩謴图毦漠a氫活性，比僅向體系中補充氮源的效果更明顯。本發明專利技術利用了納米顆粒獨特的表面效應和催化效應，催化激活發酵細菌的產氫酶，有助于解決現有厭氧發酵制氫體系中產氫效率低，接種后產氫停滯期較長的問題，還可以提高發酵體系對進水沖擊負荷、溫度、酸、堿、毒物等環境條件變化的適應性及運行穩定性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于有機廢水生物處理
，涉及一種利用提高厭氧混合細菌發酵產氫活性的方法。
技術介紹
利用碳水化合物為原料的發酵法生物制氫技術，可應用于有機廢水和有機固體廢棄物的處理實現大規模生產獲得氫能，在生物轉化可再生能源物質(纖維素、淀粉等)生產氫能的研究中顯示出獨特的優勢。利用有機廢水進行暗發酵生物制氫具有成本低、耗能少、對環境友好等優勢，已成為近年來國際上生物制氫技術的研究熱點。但是發酵產氫過程中有機底物的氫轉化效率低，發酵細菌易失活，對廢水濃度、溫度、毒物等環境條件變化的抵抗力弱，產氫效率不穩定等特點限制了其大規模工業化應用的可行性。以往主要通過改變發酵液的C/N比、培養溫度以及培養基中微量元素的濃度，以尋找最適宜細菌發酵產氫的環境條件來提高細菌的產氫能力。納米技術在上世紀八十年代興起，對于納米顆粒功能的研究引發了光學、電學、磁學、藥學、化學以及生物學等多個科學領域的一場革命。納米顆粒所具有的獨特的表面效應和量子尺寸效應使其在生命科學領域應用于酶的固定，DNA轉染以及生物傳感器的研發等方面。目前僅有少數研究涉及到使用納米顆粒提高葡萄糖氧化酶的生物活性，但使用納米顆粒作為厭氧發酵產氫的催化劑尚未見報道，更未有納米顆粒催化生物制氫的最佳條件及氫產量。對于生物制氫技術來說，提高發酵細菌產氫酶的催化產氫活性，保持發酵產氫體系運行的穩定性、以及提高有機底物的氫轉化效率是利用厭氧發酵大規模生物制氫的關鍵所在。針對此問題，本專利技術提出了，充分利用納米顆粒獨特的表面效應和催化效應，催化激活發酵細菌的產氫酶，縮短發酵細菌接種后的停滯期，提高暗發酵體系對進水沖擊負荷的適應性及運行穩定性。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種利用提高厭氧混合細菌發酵產氫活性的方法，以解決現有厭氧發酵制氫體系中產氫效率低，接種后停滯期較長的問題。，其特征是，在銀納米顆粒的存在下，利用厭氧混合產氫細菌進行批式發酵，以制備氫氣。本專利技術所述的銀納米顆粒是銀納米膠體，粒徑為5 30 nm，加入濃度為5 500 nmol/L0本專利技術所述的厭氧混合產氫細菌是將厭氧活性污泥在50 150°C條件下烘焙I 3 h，而后煮沸10 60 min，然后移入厭氧反應器中發酵30 45 d，然后將發酵液轉移至連續攪拌槽式反應器中進行連續培養，水力停留時間為12 24 h，溫度控制在30 35°C，培養馴化30 90 do本專利技術所述的批式發酵方法制氫包括在厭氧條件下進行，振蕩頻率為100 300rpm,發酵溫度35 40°C，菌液的接種量為培養基總體積的20 40%，發酵底物的濃度為10 20 g/L。與現有技術相比，本專利技術體現的優勢和特點是 1、通過加入適當濃度的銀納米顆粒，氫氣的產量大，且有效縮短產氫的停滯期和發酵周期； 2、提高了混合細菌的產氫速率，增加了生物氣中的氫氣含量(45 58%)，提高了單位底物的產氫效率(可達2. 11 2. 55 moIH2AioI葡萄糖)； 3、增強了混合細菌對廢水濃度、溫度、毒物等環 境條件變化的能力，在發酵過程中無需控制溶液PH，保持穩定的連續產氫能力。附圖說明圖1為葡萄糖發酵的累積產氫曲線。圖2為不同濃度的NH4Cl促進產氫發酵的累積產氫曲線。圖3為不同濃度的NH4Cl及20 nmol/L銀納米顆粒促進產氫發酵的累積產氫曲線。圖4為銀納米顆粒的透射電鏡照片。具體實施例方式通過以下給出的實施例對本專利技術的內容進一步詳細的加以說明。實施例1銀納米顆粒促進厭氧發酵產氫的實驗 本實施例中使用的厭氧混合產氫細菌是取自某污水處理廠的厭氧活性污泥，在100°C條件下烘焙2 h，而后煮沸30 min，然后移入厭氧反應器中發酵30 d，然后將發酵液轉移至連續攪拌槽式反應器中進行連續培養，水力停留時間為24 h，溫度控制在35°C，未控制pH，培養馴化60 d0發酵液的組成于120 mL的發酵罐中加入20mL混合產氫菌液，40 mL培養基(1000HiL蒸餾水含有如下成分葡萄糖20g;牛肉膏4g;蛋白胨IOg ；Na2C03 4 g ；Κ2ΗΡ04 · 3H20250 mg ；MgCl2 · 6H20 200 mg ；CuSO4 · 5H20 10 mg ；MnSO4 · 4H20 30 mg ；FeS04 · 7H20 200mg ；CoCl2 · 6H20 0.25 mg), 20 mL納米銀溶膠(使最終發酵液中納米銀濃度分別為10、20、50,100,200 nmol/L)。銀納米顆粒的平均粒徑為20 nm，銀顆粒要新制備的，用前超聲半小時?；旌袭a氫菌液的接種量為培養基總體積的25%，底物葡萄糖的濃度為10 g/L,對反應瓶吹5 min氮氣來保證厭氧環境，分批實驗在黑暗狀態，振蕩頻率為200 rpm，發酵溫度為35 °C條件下進行，初始pH值為8.1 8. 6，反應始終未調節pH值。分析測試方法底物發酵生成的生物氣體積用排水法進行測量，所有的氣體數據都已換算到標準狀況下(0°C，latm)。生物氣中氫氣的百分比使用配有熱導檢測器(T⑶)的氣相色譜儀來進行檢測，使用2米填裝Porapak Q (50/80目)的不銹鋼柱。氬氣(Ar)作為載氣，流速為30 mL/min。進樣口、柱箱、及檢測器的溫度分別為80、50和100°C。該實施方案條件下的累積產氫曲線見附圖1。該實施例發酵時間為96 h，發酵氣相中有氫氣和二氧化碳兩種氣體，其中氫氣體積分數最高為57. 5%?？瞻讓嶒炗?小時的產氫停滯期，氫氣產量為138. 2 mL ;加入銀納米顆粒的對照組沒有產氫停滯期，且產氫量均大幅提高，銀納米顆粒濃度為10、20、50、100、200 nmol/L時，產氫量分別為201. 6,231. 2、228.2,226. 1、236· 9 mL。實施例2厭氧細菌激活堿沖擊失活細菌產氫活性的實驗 本實施例中使用的厭氧混合產氫細菌與實施例1的不同之處在于使用連續攪拌槽式反應器進行連續培養時，水力停留時間為24 h，溫度控制在35°C，調節pH值為12，培養馴化15 d，使細菌的產氫發酵受到抑制，停止產氫。發酵液的組成于120 mL的發酵罐中加入上述停止產氫的混合產氫菌液20 mL,培養基40 mL(成分與實施例1相同)，NH4C1 20 mL(使最終氮元素的濃度分別為O. 3 1.1g/L)，最終納米銀濃度為20 nmol/L (加入的納米銀膠體體積可忽略)，其余同實施例1。該實施方案條件下的累積產氫曲線見附圖2、附圖3，使用的銀納米顆粒的電鏡照片見附圖4。該實施例發酵時間為168 h,發酵氣相中有氫氣和二氧化碳兩種氣體,其中氫氣體積分數最高為55%。所有實驗組均有較長的產氫停滯期，空白組(未加NH4Cl和納米銀)一直未產氫，加入納米銀的實驗組停滯期縮短12 24 h，且產氫量均比僅加入NH4Cl的對 照組高。溶液中氮元素的濃度為O. 3、0. 5、0. 7、0. 9、1.1 g/L時，產氫量分別為188.1、184. 7,190. 7,173. 2,112. 9 mL。再向其中加入20 nmol/L的納米銀時，對照組產氫量分別為 192. 1,195. 3,216. 0,203. 1,202. 4 mL。從以上兩個實施例可以看出，適當本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種提高厭氧細菌發酵產氫活性的方法，其特征是，在銀納米顆粒的存在下，利用厭氧混合產氫細菌進行批式發酵，以制備氫氣。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：張永芳，魏琴，杜斌，趙偉，魏東，趙燕芳，
申請(專利權)人：濟南大學，
類型：發明
國別省市：