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与流程

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。

技术实现要素：

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。

每个阶段所述的厌氧发酵的发酵条件优选为于50～60℃、以100～200rpm的转速进行发酵。

所述的发酵的时间优选为至少48h；优选为120h。

所述的发酵的条件优选为于55℃、以150rpm的转速发酵120h。

所述的未解毒的酸预处理木质纤维素优选通过如下方法得到：向木质纤维素原料中加入硫酸溶液进行反应，固液分离，取固体，得到未解毒的酸预处理木质纤维素。

所述的木质纤维素原料优选为甘蔗渣。

所述的甘蔗渣优选为干燥至恒重的甘蔗渣。

所述的硫酸溶液的浓度优选为质量(g)体积(ml)比1％。

所述的木质纤维素原料的终浓度优选为质量体积比10％。质量为g时，体积为ml。

所述的反应的条件优选为121℃反应30min。

所述的固液分离的方式优选为抽滤，更优选为真空条件下进行抽滤。

所述的真空条件中的真空度优选为-0.08mpa。

所述的发酵培养基为发酵培养基i、发酵培养基ii或发酵培养基iii；优选为发酵培养基ii或发酵培养基iii；最优选为发酵培养基iii；

发酵培养基i的组成如下：未解毒的酸预处理的木质纤维素20-100g/l、氯化铵1g/l、氯化钠1g/l、磷酸氢二钾1g/l、磷酸二氢钾1g/l、半胱氨酸0.5g/l、六水合氯化镁0.5g/l、氯化钾0.2g/l、酵母粉2g/l、蛋白胨2g/l、微量元素贮液1ml/l、维生素贮液1ml/l、浓度为0.01％(w/v)的刃天青1ml/l，水余量；

发酵培养基ii的组成如下：发酵培养基i+纤维素酶，纤维素酶的添加量按每g甘蔗渣添加20u纤维素酶计算；

发酵培养基iii的组成如下：发酵培养基ii+有机酸，有机酸在发酵培养基iii中的终浓度为1～10g/l；

其中，

微量元素贮液组成为：氯化亚铁1.5g/l，四水合氯化锰0.1g/l，六水合氯化钴0.19g/l，氯化锌70mg/l，二水合氯化铜2mg/l，硼酸6mg/l，六水合氯化镍24mg/l，二水合钼酸钠36mg/l，二水合钨酸钠15mg/l，五水亚硒酸钠15mg/l；

维生素贮液组成为：硫辛酸50mg/l，生物素20mg/l，烟酸0.35g/l，盐酸硫胺素5mg/l，对氨基苯甲酸50mg/l，叶酸20mg/l，泛酸钙50mg/l，维生素b121mg/l，盐酸比多醇(维生素b6)100mg/l。

所述的发酵培养基的ph值优选为6.5～7。

所述的木质纤维素优选为甘蔗渣。

所述的纤维素酶优选为诺维信的纤维素酶ctec2。

所述的有机酸优选为甲酸、乙酸、乳酸和丁酸中的一种或至少两种；优选为乙酸。

所述的有机酸的终浓度优选为0.2～10g/l；更优选为1～10g/l。

所述的发酵培养基i的制备方法如下：将发酵培养基i中的各成分混合，置于能密封的容器中，抽真空和充入惰性气体，灭菌，得到发酵培养基i。

所述的能密封的容器优选为血清瓶。

所述的惰性气体优选为氮气。

所述的充入惰性气体的具体操作优选为：充0.01mpa惰性气体三次。

所述的灭菌的条件优选为121℃下灭菌30min。

所述的发酵培养基ii通过步骤(a)或步骤(b)制备得到：

(a)将发酵培养基i中的各成分混合，置于密封容器中，抽真空和充入惰性气体，灭菌；冷却后加入纤维素酶，得到发酵培养基ii；

(b)将发酵培养基i中的各成分混合，置于密封容器中，抽真空和充入惰性气体，灭菌；冷却后加入纤维素酶，于50～55℃酶解，得到发酵培养基ii。

所述的酶解的时间优选为至少48h；优选为72h。

所述的酶解的条件优选为于50℃酶解72h。

所述的发酵培养基iii通过如下步骤制备得到：将发酵培养基i中的各成分混合，置于密封容器中，抽真空和充入惰性气体，灭菌；冷却后加入纤维素酶，于50～55℃酶解；最后加入有机酸，得到发酵培养基iii。

步骤(1)中所述的嗜热解糖厌氧杆菌为具有一定酸水解抑制物耐受性的菌株；优选为嗜热解糖厌氧杆菌mj1，保藏号为gdmccno：60096，已在申请号为“201611020566.6”、名称为“一种嗜热解糖厌氧杆菌及其在生物制氢中的应用”的中国发明专利申请中公开。

步骤(1)中所述的种子液在制备时所用到的种子培养基是以木糖为碳源的培养基；优选为含有如下成分的培养基：5g/l木糖，氯化铵1g/l，氯化钠1g/l，磷酸氢二钾1g/l，磷酸二氢钾1g/l，半胱氨酸0.5g/l，六水氯化镁0.5g/l，氯化钾0.2g/l，酵母粉2g/l，蛋白胨2g/l，微量元素贮液1ml/l，维生素贮液1ml/l，0.01％(w/v)刃天青1ml/l；其中，

微量元素贮液组成为：氯化亚铁1.5g/l，四水合氯化锰0.1g/l，六水合氯化钴0.19g/l，氯化锌70mg/l，二水合氯化铜2mg/l，硼酸6mg/l，六水合氯化镍24mg/l，二水合钼酸钠36mg/l，二水合钨酸钠15mg/l，五水亚硒酸钠15mg/l；

维生素贮液组成为：硫辛酸50mg/l，生物素20mg/l，烟酸0.35g/l，盐酸硫胺素5mg/l，对氨基苯甲酸50mg/l，叶酸20mg/l，泛酸钙50mg/l，维生素b121mg/l，盐酸比多醇100mg/l。

步骤(1)中所述的活化的条件优选为：在西林瓶中加入种子培养基，再接种嗜热解糖厌氧杆菌，于55℃、150rpm振荡培养18h。

步骤(1)中所述的扩大培养优的条件优选为：在血清瓶中加入种子培养基，再接种活化后的嗜热解糖厌氧杆菌，于55℃、150rpm振荡培养18h。

步骤(2)中所述的种子液的接种量优选为相当于所述的发酵培养基体积的10％。

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。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明可以利用甘蔗制糖工业中的废弃物—甘蔗渣为底物，经过简单的稀酸预处理后可以用于微生物的厌氧发酵体系，具有良好的应用性。

(2)本发明直接采用未解毒的酸预处理甘蔗渣为底物，不需要经过洗涤或者解毒处理，可以简化操作工艺降低生产成本，并且避免了解毒操作对环境造成的污染问题，具有广阔的推广前景。

(3)本发明采用的两阶段的发酵工艺，可以显著提高底物的利用率提高生物制氢的效率，氢气的产量可以达到277.44mm(6.21l-h2/l)。

(4)本发明采用添加有机酸可以改变菌体的代谢途径，更又有利于提高氢气的产量，提高底物利用率，添加10g/l的乙酸时氢气的产量可以提高63.9％。

附图说明

图1是本发明提供的同步糖化发酵模式下第一阶段产氢量结果图。

图2是本发明提供的预水解同步糖化发酵模式下第一阶段产氢量结果图。

图3是本发明提供的两种发酵模式下第二阶段产氢量结果图。

图4是本发明提供的两阶段发酵的代谢产物结果图。

图5是本发明提供的不同有机酸组合对产氢量影响结果图。

图6是本发明提供的不同乙酸浓度对产氢量影响结果图

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明实施例中使用到的未解毒的酸预处理的甘蔗渣通过如下步骤制备得到：用浓度为1％(w/v)的硫酸溶液将10质量份压榨出甘蔗汁后的甘蔗渣定容至100体积份，质量为g计时，体积按ml计；于121℃反应30min后，在真空度为-0.08mpa的条件下进行抽滤，得到未解毒的酸预处理的甘蔗渣。

实施例1：同步糖化发酵模式下不同浓度底物的产氢能力

(1)嗜热解糖厌氧杆菌种子液的制备：将-80℃保存的嗜热解糖厌氧杆菌mj1先经10ml西林瓶(装有4.5ml种子培养基)于55℃、150rpm振荡培养18h进行活化，接着在100ml的血清瓶(装有45ml种子培养基)于55℃、150rpm振荡培养18h进行放大，得到种子液。其中种子培养基是含5g/l木糖的木糖液体培养基，培养基主要成分为：木糖5g/l(碳源)，氯化铵1g/l，氯化钠1g/l，磷酸氢二钾1g/l，磷酸二氢钾1g/l，半胱氨酸0.5g/l，六水氯化镁0.5g/l，氯化钾0.2g/l，酵母粉2g/l，蛋白胨2g/l，微量元素贮液1ml/l，维生素贮液1ml/l，0.01％刃天青1ml/l；

微量元素贮液组成为：氯化亚铁1.5g/l，四水氯化锰0.1g/l，六水氯化钴0.19g/l，氯化锌70mg/l，二水氯化铜2mg/l，硼酸6mg/l，六水氯化镍24mg/l，一水钼酸钠36mg/l，二水钨酸钠15mg/l，五水亚硒酸钠15mg/l；

维生素贮液组成为：硫辛酸50mg/l，生物素20mg/l，烟酸0.35g/l，盐酸硫胺素5mg/l，对氨基苯甲酸50mg/l，叶酸20mg/l，泛酸钙50mg/l，维生素b121mg/l，盐酸比多醇100mg/l。

(2)发酵培养基的制备及灭菌：发酵培养基成份及用量为：20-100g/l未解毒的酸预处理的甘蔗渣(设置不同的发酵培养基，不同的发酵培养基的区别在于甘蔗渣含量不同)、氯化铵1g/l、氯化钠1g/l、磷酸氢二钾1g/l、磷酸二氢钾1g/l、半胱氨酸0.5g/l、六水合氯化镁0.5g/l、氯化钾0.2g/l、酵母粉2g/l、蛋白胨2g/l、微量元素贮液1ml/l、维生素贮液1ml/l、浓度为0.01％(w/v)的刃天青1ml/l；

微量元素贮液组成为：氯化亚铁1.5g/l，四水合氯化锰0.1g/l，六水合氯化钴0.19g/l，氯化锌70mg/l，二水合氯化铜2mg/l，硼酸6mg/l，六水合氯化镍24mg/l，二水合钼酸钠36mg/l，二水合钨酸钠15mg/l，五水亚硒酸钠15mg/l；

维生素贮液组成为：硫辛酸50mg/l，生物素20mg/l，烟酸0.35g/l，盐酸硫胺素5mg/l，对氨基苯甲酸50mg/l，叶酸20mg/l，泛酸钙50mg/l，维生素b121mg/l，盐酸比多醇(维生素b6)100mg/l。

将装有发酵培养基的血清瓶用胶塞和铝盖密封并重复抽真空和充0.01mpa的氮气3次，最后在121℃下灭菌30min，灭菌结束后用1m氢氧化钠在无菌条件下调节发酵培养基的ph值为6.5。

(3)嗜热解糖厌氧杆菌同步糖化发酵模式下第一阶段产氢：将纤维素酶ctec2以20u/g甘蔗渣的量(即按甘蔗渣的量计算，每g甘蔗渣配比20u纤维素酶ctec2)用注射器注入培养基中，再将制备好的种子液按10％(v/v)的接种量注射入上述发酵培养基中，发酵温度为55℃，摇床转速为150rpm，发酵120h后终止发酵。结果如图1所示，测定氢气的产量随着底物浓度的提高而提高，产量分别为28.47mm(20g/l甘蔗渣)、66.01mm(40g/l甘蔗渣)、96.84mm(60g/l甘蔗渣)和118.65mm(100g/l甘蔗渣)，较高浓度的底物并未对菌体的产氢量造成影响，说明嗜热解糖厌氧杆菌mj1在同步糖化发酵中可以很好的利用未解毒的酸预处理甘蔗渣进行产氢，产氢效率均具有较好的水平。

实施例2：预水解同步糖化发酵模式下不同浓度底物的产氢能力

(1)种子液的制备同实施例1。

(2)发酵培养基的制备及灭菌同实施例1。

(3)嗜热解糖厌氧杆菌预水解同步糖化发酵模式下第一阶段产氢：将纤维素酶ctec2以20u/g甘蔗渣的量用注射器注入培养基中，经过50℃酶解72h后再将制备好的种子液按10％(v/v)的接种量注射入上述酶解后的发酵培养基中，发酵温度为55℃，摇床转速为150rpm，发酵120h后终止发酵。结果如图2所示，测定氢气的产量随着底物浓度的提高而提高，产量分别为20.71mm(20g/l甘蔗渣)、57.28mm(40g/l甘蔗渣)、76.78mm(60g/l甘蔗渣)和109.59mm(100g/l甘蔗渣)，说明嗜热解糖厌氧杆菌mj1在预水解同步糖化发酵中仍然可以很好的利用未解毒的酸预处理甘蔗渣进行产氢，产氢效率均具有较好的水平。

实施例3：不同发酵模式下进行第二阶段发酵产氢的方法

(1)种子液的制备同实施例1。

(2)发酵培养基的制备及灭菌同实施例1。

(3)嗜热解糖厌氧杆菌同步糖化发酵模式下第一阶段产氢同实施例1。

(4)嗜热解糖厌氧杆菌预水解同步糖化发酵模式下第一阶段产氢同实施例2。

(5)不同发酵模式下第二阶段发酵产氢：第一阶段发酵结束后，将同步糖化发酵和预水解同步糖化发酵结束后发酵培养基(100g/l甘蔗渣)的ph值调节至7.0，再将血清瓶用胶塞和铝盖密封并重复抽真空和充0.01mpa的氮气3次，转移至摇床中进行第二阶段的发酵，发酵温度为55℃，摇床转速为150rpm，发酵120h后终止发酵。结果如图3所示，测定氢气的产量随着底物浓度的提高而提高，产量分别为55.14mm(同步糖化发酵)和167.85mm(预水解同步糖化发酵)，说明在预水同步糖化发酵中，嗜热解糖厌氧杆菌mj1第二阶段的氢气产量显著高于同步糖化发酵，加上第一阶段的氢气产量，总氢气产量达到了277.44mm(6.21l-h2/l)。

实施例4：预水解同步糖化发酵模式下两阶段发酵的发酵液中有机酸含量的测定

(1)种子液的制备同实施例1。

(2)发酵培养基(100g/l甘蔗渣)的制备及灭菌同实施例1。

(3)嗜热解糖厌氧杆菌预水解同步糖化发酵模式下第一阶段产氢同实施例2，发酵结束后取发酵液进行有机酸含量的测定，结果如图4所示，其中乙酸和丁酸为主要的代谢产物，甲酸、乙酸、乳酸和丁酸的产量分别为0.50、2.44、0.17和1.98g/l。

(4)嗜热解糖厌氧杆菌预水解同步糖化发酵模式下第二阶段产氢同实施例3，发酵结束后取发酵液进行有机酸含量的测定，结果如图4所示，其中乙酸和丁酸为主要的代谢产物，甲酸、乙酸、乳酸和丁酸的产量分别为0.21、0.52、0.04和1.45g/l，表明第二阶段发酵过程中产生的有机酸的产量较低。

实施例5：利用添加不同组合的有机酸提高甘蔗渣产氢效果的方法

(1)种子液的制备同实施例1。

(2)发酵培养基(100g/l甘蔗渣)的制备及灭菌同实施例1。

(3)甘蔗渣的预酶解方法同实施例2：即将纤维素酶ctec2以20u/g甘蔗渣的量用注射器注入培养基中，经过50℃酶解72h。

(4)嗜热解糖厌氧杆菌在不同有机酸组合添加下预水解同步糖化发酵产氢：酶解结束后用无菌注射器注入不同组合的无菌有机酸，分别为添加3g/l乙酸、或2g/l丁酸、或3g/l乙酸加2g/l丁酸、或3g/l乙酸加2g/l丁酸加0.5g/l甲酸加0.2g/l乳酸，添加各种酸后再用无菌的1m氢氧化钠调节ph值为7.0。再将制备好的种子液按10％(v/v)的接种量注射入上述酶解后的发酵培养基中，发酵温度为55℃，摇床转速为150rpm，发酵120h后终止发酵。氢气产量结果如图5所示，添加3g/l乙酸时氢气的产量提高了50.7％，添加2g/l丁酸时氢气的产量提高了26.8％，进一步组合有机酸添加对氢气产量的影响与单个添加有机酸类似，说明添加乙酸可以显著提高氢气的产量。

实施例6：利用添加不同浓度乙酸提高甘蔗渣产氢效果的方法

(1)种子液的制备同实施例1。

(2)发酵培养基(100g/l甘蔗渣)的制备及灭菌同实施例1。

(3)甘蔗渣的预水解方法同实施例2。

(4)嗜热解糖厌氧杆菌在不同浓度乙酸添加下预水解同步糖化发酵产氢：酶解结束后用无菌注射器注入不同浓度的无菌乙酸，添加量分别为1、2、3、5、7和10g/l，添加不同浓度乙酸后再用无菌的1m氢氧化钠条件ph值为7.0。再将制备好的种子液按10％(v/v)的接种量注射入上述酶解后的发酵培养基中，发酵温度为55℃，摇床转速为150rpm，发酵120h后终止发酵。氢气产量结果如图6所示，氢气的产量随着乙酸浓度的提高而提高，在10g/l乙酸的添加量时，氢气的产量提高了63.9％。

对比例1：不添加有机酸情况下甘蔗渣的产氢效果

(1)种子液的制备同实施例1。

(2)发酵培养基(100g/l甘蔗渣)的制备及灭菌同实施例1。

(3)甘蔗渣的预水解方法同实施例2。

(4)嗜热解糖厌氧杆菌不添加有机酸下预水解同步糖化发酵产氢：酶解结束后用无菌注射器注入与一定量的无菌水(与有机酸添加体积一致)，用无菌的1m氢氧化钠条件ph值为7.0。再将制备好的种子液按10％(v/v)的接种量注射入上述酶解后的发酵培养基中，发酵温度为55℃，摇床转速为150rpm，发酵120h后终止发酵。氢气产量结果如图5的对照所示或图6的0g/l乙酸所示，定义其氢气产量为100％。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。