产氢菌与真养产碱杆菌联合转化生物质和COsub2/sub制备聚羟基脂肪酸酯的方法.pdf

1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610119130.6 (22)申请日 2016.03.02 C12P 7/62(2006.01) C12R 1/05(2006.01) C12R 1/01(2006.01) C12R 1/145(2006.01) (71)申请人 中国科学院过程工程研究所 地址 100190 北京市海淀区中关村北二条 1 号 (72)发明人 韩业君 彭小伟 (74)专利代理机构 北京品源专利代理有限公司 11332 代理人 巩克栋 侯潇潇 (54) 发明名称 产氢菌与真养产碱杆菌联合转化生物质和 CO2制备聚羟基脂肪酸酯的方法 (57) 摘要 本发

2、明针对生物质产氢过程产生的 CO2和有 机酸回收利用困难， 其经济和环境效益有待进一 步提高的现状， 以及 CO2减排和固定的迫切需求， 提供一种产氢菌与真养产碱杆菌联合转化生物质 和 CO2制备聚羟基脂肪酸酯的方法。真养产碱杆 菌是一种兼性化能自养菌， 能利用有机酸、 糖等有 机物化能异养， 也能利用CO2和H2为碳源和能源在 有 O2条件下进行化能自养， 在细胞内大量积累生 物可降解塑料聚羟基脂肪酸酯 (PHA)。本方法通 过工艺设计， 利用真养产碱杆菌将生物质产氢过 程生成的物质氢气、 二氧化碳和有机酸全部利用， 同时大量固定 CO2生成可降解塑料聚羟基脂肪酸 酯。 本发明不仅实现了生物

3、质利用的零排放， 同时 提供一种快速固定 CO2生产聚羟基脂肪酸酯的方 法。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 CN 105543297 A 2016.05.04 CN 105543297 A 1.产氢菌与真养产碱杆菌联合转化生物质和CO2制备聚羟基脂肪酸酯的方法， 包括以下 步骤： 1)产氢菌以生物质为原料厌氧发酵产生氢气、 二氧化碳和有机酸， 发酵过程收集气体。 2)收集步骤1)中含有机酸的发酵液， 按1-5比例接种真养产碱杆菌， 有氧发酵4-24h， 将有机酸利用完之后， 将在步骤1)收集的氢气和二氧化碳补加一

4、定量的二氧化碳、 氢气和 氧气组成的混合气， 导入真养产碱杆菌发酵液中， 进行以二氧化碳、 氢气和氧气为碳源和能 源的化能自养发酵， 生产聚羟基脂肪酸酯。 2.如权利要求1步骤1)所述的方法， 生物质原料包括木质纤维素类、 淀粉类和有机垃 圾。 3.如权利要求1步骤1)所述的方法， 厌氧发酵温度为30-85， 发酵周期为3-30天。 4.如权利要求1步骤2)所述的方法， 混合气中二氧化碳、 氢气和氧的比例为1比4-8比 0.5-2。 5.如权利要求1步骤2)所述的方法， 化能自养发酵过程气体流量为每分钟经过发酵液 的体积为发酵液体积的0.5-5倍。 6.如权利要求1步骤2)所述的方法， 化能自

5、养发酵时间为1-6天， 发酵温度为25-35。 权利要求书 1/1 页 2 CN 105543297 A 2 产氢菌与真养产碱杆菌联合转化生物质和CO2制备聚羟基脂肪 酸酯的方法 技术领域 0001 本发明属于生物技术、 生物质利用和CO2固定领域， 具体涉及一种产氢菌与真养产 碱杆菌联合转化生物质和CO2制备聚羟基脂肪酸酯的方法。 背景技术： 0002 微生物暗发酵制氢是异养型厌氧细菌利用碳水化合物等有机物， 通过暗发酵作用 产生氢气的过程。 利用秸秆、 造纸工业废水、 发酵工业废水、 食品工业废液等为原料进行生 物制氢， 是获得洁净能源氢气的有效方法。 但在产氢过程同时产生CO2和有机酸，

6、 产生的H2、 CO2和有机酸的摩尔比大约为(12)/1/1， CO2一般直接排放或制备干冰， 而有机酸在发酵液 中浓度往往很低， 难以回收利用。 目前产氢过程碳利用率基本为零， 须进一步提高其经济和 环保效益。 真养产碱杆菌(Ralstoniaeutropha或Alcaligeneseutrophus)是一种兼性化 能自养菌， 能利用有机酸、 糖等有机物化能异养， 也能利用CO2和H2为碳源和能源在有O2条件 下进行化能自养， 在细胞内大量积累生物可降解塑料聚羟基脂肪酸酯(PHA)。 目前， 聚羟基 脂肪酸酯主要由葡萄糖等原料生产， 价格昂贵， 寻找廉价原料发酵是PHA大规模生产的关 键。

7、针对以上问题， 本项目提供一种产氢菌与真养产碱杆菌联合转化生物质和CO2制备聚羟 基脂肪酸酯的方法， 首先利用产氢菌以生物质(如秸秆、 生活垃圾、 工业废水等)为原料厌氧 发酵产生氢气、 二氧化碳和有机酸， 发酵过程收集氢气和二氧化碳混合气体。 同时利用含有 机酸的发酵液， 按1-5比例接种真养产碱杆菌， 有氧发酵(化能异养)4-24h， 利用有机酸为 碳源发酵生长菌体， 再将收集的氢气和二氧化碳补加一定量的二氧化碳、 氢气和氧气组成 的混合气， 导入真养产碱杆菌发酵液中， 进行以二氧化碳、 氢气和氧气为碳源和能源的化能 自养发酵， 生产聚羟基脂肪酸酯。 本项目克服生物质产氢过程碳利用率低、

8、有机酸可能造成 二次污染以及经济效益差的问题， 同时在化能自养发酵阶段大量转化二氧化碳制备PHA， 将 实现二氧化碳减排和降低可降解塑料PHA的生产成本。 因此， 本发明具有潜在的工业应用价 值和社会价值。 发明内容 0003 发明目的： 0004 本发明提供一种产氢菌与真养产碱杆菌联合转化生物质和CO2制备聚羟基脂肪酸 酯的方法， 目的有两个方面， 一是针对生物质产氢过程产生的CO2和有机酸回收利用困难， 其经济和环境效益有待进一步提高的现状， 发明利用真养产碱杆菌以产氢过程产生的有机 酸和CO2为碳源生产PHA,从而提高生物质利用的经济和社会效益； 二是CO2减排和固定是缓 解温室效应的有

9、效途径， 真养产碱杆菌利用完产氢过程产生的有机酸和CO2之后， 还需要吸 收大量的CO2合成PHA， 达到CO2固定的目的， 同时产生的PHA是可降解塑料， 其使用可为环保 和减排做贡献。 0005 技术方案： 说明书 1/3 页 3 CN 105543297 A 3 0006 为实现上述发明目的， 本发明采用的技术方案如下： 0007 1)产氢菌以生物质为原料厌氧发酵3-30天产生氢气、 二氧化碳和有机酸， 发酵过 程收集氢气和二氧化碳气体， 其中生物质包括但不限于木质纤维素类、 淀粉类和有机垃圾， 产氢微生物包括但不限于Clostridium， Caldicellulosiruptor，

10、Thermoanaerobacterium， Desulfotomaculum。 0008 2)收集步骤1)中含有机酸的发酵液， 按1-5比例接种真养产碱杆菌， 在25-35 条件下有氧发酵4-24h， 将有机酸利用完之后， 将在步骤1)收集的氢气和二氧化碳补加一定 量的二氧化碳、 氢气和氧气组成的混合气， 混合气中二氧化碳、 氢气和氧的比例为1比4-8比 0.5-2， 将混合气压缩到100-1000kpa或用蠕动泵导入真养产碱杆菌发酵液中， 控制气体流 量为每分钟经过发酵液的体积为发酵液体积的0.5-5倍， 在25-35下进行以二氧化碳、 氢 气和氧气为碳源和能源的化能自养发酵1-6天， 离

11、心收集菌体， 烘干后用有机溶剂萃取得打 聚羟基脂肪酸酯。 具体实施方式 0009 实施例1： Caldicellulosiruptorowensensis与真养产碱杆菌联合转化玉米秸秆 和CO2制备聚羟基脂肪酸酯 0010 产氢菌Caldicellulosiruptorowensensis以玉米秸秆为原料厌氧发酵， 秸秆在 发酵液中的初始含量为2(w/v)， 在75摇床发酵15天产生氢气、 二氧化碳和有机酸， 发酵 过程收集氢气和二氧化碳气体。 发酵结束后， 离心收集含有机酸的发酵液， 按2.5比例接 种培养24h的真养产碱杆菌， 在200转/分钟摇床28发酵14h， 发酵液中检测不到有机酸，

12、 在 产氢过程收集的氢气和二氧化碳气体中补加一定量的二氧化碳、 氢气和氧气组成的混合 气， 使混合气中二氧化碳、 氢气和氧的比例为1比6比1， 用蠕动泵导入真养产碱杆菌发酵液 中， 控制气体流量为每分钟经过发酵液的体积为发酵液体积的0.5倍， 在30下进行以二氧 化碳、 氢气和氧气为碳源和能源的化能自养发酵5天， 离心收集菌体， 烘干后用有机溶剂萃 取得打聚羟基脂肪酸酯， 聚羟基脂肪酸酯产率为21g/L。 0011 实施例2： Clostridiumbutyricum与真养产碱杆菌联合转化小麦秸秆和CO2制备 聚羟基脂肪酸酯 0012 产氢菌Clostridiumbutyricum以小麦秸秆为

13、原料厌氧发酵， 秸秆在发酵液中的 初始含量为2.2(w/v)， 在5L发酵罐37发酵10天产生氢气、 二氧化碳和有机酸， 发酵过程 收集氢气和二氧化碳气体。 发酵结束后， 离心收集含有机酸的发酵液， 按3比例接种培养 22h的真养产碱杆菌， 在220转/分钟摇床28发酵18h， 发酵液中检测不到有机酸， 在产氢过 程收集的氢气和二氧化碳补加一定量的二氧化碳、 氢气和氧气组成的混合气， 使混合气中 二氧化碳、 氢气和氧的比例为1比7比1.2， 用蠕动泵导入真养产碱杆菌发酵液中， 控制气体 流量为每分钟经过发酵液的体积为发酵液体积的1倍， 在30下进行以二氧化碳、 氢气和氧 气为碳源和能源的化能自

14、养发酵3天， 离心收集菌体， 烘干后用有机溶剂萃取得打聚羟基脂 肪酸酯， 聚羟基脂肪酸酯产率为25g/L。 0013 实施例3： 厌氧产氢混合菌群与真养产碱杆菌联合转化工业废水和CO2制备聚羟基 脂肪酸酯 0014 用驯化的厌氧产氢菌群活性污泥颗粒， 在UASB反应器中利用COD为20-40g/L的工 说明书 2/3 页 4 CN 105543297 A 4 业废水发酵产氢， 控制有机物水力停留时间为48h， 发酵温度为37， 发酵过程收集氢气和 二氧化碳气体， 同时收集含有机酸的发酵废液。 在发酵废液离心去除固体颗粒后， 按3比 例接种培养24h的真养产碱杆菌， 在5L发酵罐中30有氧发酵20h， 发酵液中检测不到有机 酸， 将产氢过程收集的氢气和二氧化碳补加一定量的二氧化碳、 氢气和氧气组成的混合气， 使混合气中二氧化碳、 氢气和氧的比例为1比8比1， 将混合气压缩到500kpa， 替代无菌空气 导入真养产碱杆菌发酵罐中， 控制气体流量为每分钟经过发酵液的体积为发酵液体积的1 倍， 在30下进行以二氧化碳、 氢气和氧气为碳源和能源的化能自养发酵5天， 离心收集菌 体， 烘干后用有机溶剂萃取得打聚羟基脂肪酸酯， 聚羟基脂肪酸酯产率为31g/L。 说明书 3/3 页 5 CN 105543297 A 5