本發(fā)明涉及微生物發(fā)酵生產(chǎn)清潔能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用導(dǎo)電載體馴化丙酸產(chǎn)甲烷生物膜的方法。

背景技術(shù)：
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厭氧發(fā)酵制備生物燃?xì)饧夹g(shù)已經(jīng)被世界各國(guó)公認(rèn)為最有效的有機(jī)廢棄物處理技術(shù)，非常適合處理含水率較高且容易生物降解的有機(jī)物。以有機(jī)廢棄物為原料制備生物質(zhì)燃?xì)?，既能減少污染物的排放，其產(chǎn)生的清潔燃?xì)庥痔娲茉春土帜拘讲竦南?，?shí)現(xiàn)進(jìn)一步減排，具有雙向清潔功能，是應(yīng)對(duì)氣候變化的重大舉措。在厭氧發(fā)酵過(guò)程中極易出現(xiàn)酸抑制情況，導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，產(chǎn)氣率降低、發(fā)酵周期拉長(zhǎng)，甚至發(fā)酵失敗。酸抑制往往伴隨著丙酸的積累，根據(jù)熱力學(xué)分析，丙酸的降解因受氫分壓等因素影響難以自發(fā)進(jìn)行，只有在大量共生菌種的作用下才能夠?qū)崿F(xiàn)降解，因此丙酸降解是厭氧發(fā)酵的限速步驟。丙酸的積累致使發(fā)酵系統(tǒng)pH降低，抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性，最終導(dǎo)致發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣能力下降或者發(fā)生酸化。通常的解決方法是宏觀上優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，如投加堿調(diào)節(jié)pH，或者降低有機(jī)負(fù)荷和發(fā)酵濃度，使發(fā)酵在相對(duì)較低的發(fā)酵濃度下運(yùn)行，限制了發(fā)酵效率。隨著生物強(qiáng)化技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用，研究人員開(kāi)始嘗試將其應(yīng)用到沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中，即人為的添加特定功能的微生物來(lái)應(yīng)對(duì)酸抑制，提高發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但目前投加功能菌群多為購(gòu)買純培養(yǎng)復(fù)合菌劑，環(huán)境條件要求苛刻，難以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境而發(fā)揮強(qiáng)化作用。

因此，為獲得生物活性穩(wěn)定且高效降解丙酸的生物強(qiáng)化菌劑，有必要提出一種有效地馴化及菌劑制備方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種利用導(dǎo)電載體馴化丙酸產(chǎn)甲烷生物膜的方法，通過(guò)在厭氧發(fā)酵體系中設(shè)置導(dǎo)電載體，以丙酸和丙酸鈉為碳源，馴化丙酸產(chǎn)甲烷菌系并形成生物膜，有效提高丙酸降解效率，解除系統(tǒng)酸抑制，提升厭氧體系的穩(wěn)定性。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：

一種利用導(dǎo)電載體馴化丙酸產(chǎn)甲烷生物膜的方法，該方法在厭氧發(fā)酵體系中設(shè)置導(dǎo)電載體，以丙酸和丙酸鈉為碳源，以沼氣發(fā)酵液為接種物，以導(dǎo)電載體為生物膜附著載體，通過(guò)階梯性提高有機(jī)負(fù)荷至3.0g/L，同時(shí)階梯性提高丙酸與丙酸鈉的摩爾比至4：1，獲得有機(jī)負(fù)荷大于3.0g/L，理論產(chǎn)甲烷率大于70％的產(chǎn)甲烷生物膜，具體包括以下步驟：在氮?dú)夂投趸俭w積比為4:1的混合氣氛中，按體積比為14:1將接種物接種到培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為37℃，每24h置換培養(yǎng)基，15天為一個(gè)培養(yǎng)周期，培養(yǎng)10-15天后加入導(dǎo)電載體，使其全部浸沒(méi)于發(fā)酵液中，此后每個(gè)培養(yǎng)周期階梯性提高有機(jī)負(fù)荷及培養(yǎng)基中丙酸與丙酸鈉的摩爾比，直至有機(jī)負(fù)荷大于3.0g/L、丙酸與丙酸鈉的摩爾比為4：1，獲得了目標(biāo)產(chǎn)物；所述培養(yǎng)基配制如下：在1L水中加入400mg NH₄Cl、250mg MgSO₄·6H₂O、400mg KCl、120mgCaCl₂·2H₂O、80mg(NH₄)₂HPO₄、55mg FeCl₃·6H₂O、5000mg NaHCO₃、不同摩爾比的丙酸與丙酸鈉，還加入CoCl₂·6H₂O、NiCl₂·6H₂O、MnCl₂·4H₂O、CuCl₂·2H₂O、AlCl₃·6H₂O、ZnCl₂、Na₂WO₄·2H₂O、H₃BO₃、Na₂SeO₃、Ma₂MoO₄·2H₂O各0.0005mg。

所述導(dǎo)電載體選自導(dǎo)電碳?xì)?、碳纖維毛刷等。

厭氧消化過(guò)程中除種間氫傳遞機(jī)制外，直接種間電子傳遞(direct interspecies electron transfer,DIET)機(jī)制同樣被證實(shí)存在，而且可以通過(guò)添加導(dǎo)電物質(zhì)得以強(qiáng)化。直接種間電子傳遞(簡(jiǎn)稱DIET)途徑降解丙酸、丁酸等酸化產(chǎn)物可有效規(guī)避氫分壓帶來(lái)的熱力學(xué)限制。本發(fā)明在設(shè)置有導(dǎo)電載體的容器內(nèi)進(jìn)行丙酸產(chǎn)甲烷菌的馴化，可以增強(qiáng)產(chǎn)甲烷菌降解丙酸的能力，并在導(dǎo)電載體上形成生物膜，生物膜上的微生物通過(guò)直接種間電子傳遞(簡(jiǎn)稱DIET)途徑實(shí)現(xiàn)丙酸的高效降解。

本發(fā)明還保護(hù)所述丙酸產(chǎn)甲烷生物膜的應(yīng)用，應(yīng)用于厭氧發(fā)酵體系中。

本發(fā)明的有益效果如下：

1)本發(fā)明通過(guò)在厭氧發(fā)酵體系中設(shè)置導(dǎo)電載體，利用導(dǎo)電載體馴化高效丙酸產(chǎn)甲烷菌，并使其形成生物膜富集，生物膜上的微生物通過(guò)直接種間電子傳遞(簡(jiǎn)稱DIET)途徑實(shí)現(xiàn)丙酸的高效降解，應(yīng)用于厭氧發(fā)酵體系中可以解除氫分壓等因素帶來(lái)的熱力學(xué)限制，有效提高丙酸降解效率，有效的緩解丙酸積累帶來(lái)的發(fā)酵抑制，提高厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高厭氧發(fā)酵效率，降低厭氧發(fā)酵酸敗幾率，其產(chǎn)氣率為理論產(chǎn)量的75％，丙酸及乙酸的利用率大于90％。

2)本發(fā)明馴化得到的丙酸產(chǎn)甲烷生物膜，可直接加入到酸抑制特別是丙酸和乙酸抑制的發(fā)酵系統(tǒng)中，能夠縮短酸抑制期，提高系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性。

附圖說(shuō)明：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的在線自動(dòng)采氣培養(yǎng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1、電腦，2、流量計(jì)，3、第一發(fā)酵罐，4、第二發(fā)酵罐，5、碳纖維毛刷。

圖2是發(fā)酵前的碳纖維毛刷；

圖3是發(fā)酵后的碳纖維毛刷；

圖4是實(shí)施例2利用本發(fā)明馴化得到的丙酸產(chǎn)甲烷生物膜作用于餐廚垃圾厭氧消化系統(tǒng)的效果圖。

具體實(shí)施方式：

以下是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，而不是對(duì)本發(fā)明的限制。

實(shí)施例1：

所述培養(yǎng)基配制如下：在1L水中加入400mg NH₄Cl、250mg MgSO₄·6H₂O、400mg KCl、120mg CaCl₂·2H₂O、80mg(NH₄)₂HPO₄、55mg FeCl₃·6H₂O、5000mg NaHCO₃、不同摩爾比的丙酸與丙酸鈉，還加入CoCl₂·6H₂O、NiCl₂·6H₂O、MnCl₂·4H₂O、CuCl₂·2H₂O、AlCl₃·6H₂O、ZnCl₂、Na₂WO₄·2H₂O、H₃BO₃、Na₂SeO₃、Ma₂MoO₄·2H₂O各0.0005mg。

接種物取自養(yǎng)牛場(chǎng)牛糞沼氣池發(fā)酵液，有機(jī)負(fù)荷2.0g/L，日容積產(chǎn)氣率為1.1L/L d。

培養(yǎng)裝置采用如圖1所示的2L CSTR在線自動(dòng)采氣培養(yǎng)裝置。其中第一發(fā)酵罐3和第二發(fā)酵罐4為皆為2L厭氧發(fā)酵瓶，區(qū)別在于第一發(fā)酵罐3內(nèi)不設(shè)置碳纖維毛刷，第二發(fā)酵罐4設(shè)有市場(chǎng)上購(gòu)買的碳纖維毛刷，其他培養(yǎng)條件相同，第一發(fā)酵罐3和第二發(fā)酵罐4的日產(chǎn)氣量由流量計(jì)2記錄并傳送到電腦1進(jìn)行記錄。

利用導(dǎo)電載體馴化丙酸產(chǎn)甲烷生物膜的方法包括以下步驟：在氮?dú)夂投趸俭w積比為4:1的混合氣氛中，第一發(fā)酵罐3和第二發(fā)酵罐4各取2100ml接種物接種到150ml培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為37℃，每24h用注射器吸出150ml的菌液，并注入150ml新鮮的培養(yǎng)基，15天為一個(gè)培養(yǎng)周期，培養(yǎng)10-15天后加入碳纖維毛刷，使其全部浸沒(méi)于發(fā)酵液中，此后每個(gè)培養(yǎng)周期階梯性提高有機(jī)負(fù)荷及培養(yǎng)基中丙酸與丙酸鈉的摩爾比(參見(jiàn)表1)，直至有機(jī)負(fù)荷大于3.0g/L、丙酸與丙酸鈉的摩爾比為4：1，獲得了產(chǎn)甲烷率大于理論產(chǎn)量的70％的高效丙酸產(chǎn)甲烷生物膜。

表1

通過(guò)10個(gè)周期的馴化，第一發(fā)酵罐3隨著丙酸比值的增加和有機(jī)負(fù)荷的提高，在第125天(丙酸：丙酸鈉的摩爾比等于4：1，有機(jī)負(fù)荷為2.5g/L)酸敗并停止產(chǎn)氣，而第二發(fā)酵罐4獲得了可長(zhǎng)期穩(wěn)定地在有機(jī)負(fù)荷在3.0g/L，丙酸和丙酸鈉的摩爾比4：1條件下高效利用丙酸產(chǎn)甲烷生物膜，其產(chǎn)氣率為理論產(chǎn)量的75％，丙酸及乙酸的利用率大于90％。將第二發(fā)酵罐4內(nèi)的碳纖維毛刷5取出進(jìn)行觀察，如圖3可見(jiàn)，碳纖維毛刷5上附著了大量黏稠狀的物質(zhì)，經(jīng)微生物分析，其上優(yōu)勢(shì)菌群主要為Methanospirillum和Methanosaeta兩種，其通過(guò)種間電子直接傳遞途徑(DIET)降解丙酸。

實(shí)施例2：馴化得到的丙酸產(chǎn)甲烷生物膜應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室的餐廚垃圾發(fā)酵系統(tǒng)。

餐廚垃圾俗稱泔水，富含有機(jī)質(zhì)，極易腐爛變質(zhì)，形成健康隱患和環(huán)境污染等問(wèn)題。以餐廚垃圾為原料進(jìn)行厭氧制備沼氣能夠?qū)崿F(xiàn)餐廚垃圾資源化利用，但是厭氧過(guò)程中，餐廚垃圾極易酸化，特別是丙酸和乙酸的積累，抑制產(chǎn)甲烷的順利進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)室在TS濃度為12％，中溫37℃下進(jìn)行厭氧發(fā)酵批式實(shí)驗(yàn)，在發(fā)酵第10天達(dá)到產(chǎn)氣高峰，第15至25天一直處于酸抑制狀態(tài)，直到第30天左右，停止產(chǎn)氣。在相同條件下，第15天直接加入本實(shí)施例1馴化得到的丙酸產(chǎn)甲烷生物膜，系統(tǒng)恢復(fù)產(chǎn)氣，并在第20天達(dá)到產(chǎn)氣高峰，發(fā)酵時(shí)間縮短至25天(參見(jiàn)圖4)。