[发明专利]一种生物质发酵-光合耦联产氢的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物技术领域，具体涉及一种利用红薯、薯蓣等生物质发酵-光合藕联产 氢的方法。

背景技术

生物产氢作为一种清洁环保的产氢方法，已引起了人们广泛的关注，生物产氢主要有 发酵产氢和光合产氢两种方法。发酵产氢主要利用严格厌氧细菌和兼性厌氧细菌等分解一 些大分子有机物(如淀粉、纤维素等)产氢，其产氢速率快，底物转换率高，但发酵产氢 过程中产生的大量挥发性有机酸(乙酸、丁酸和丙酸)会造成pH下降，从而影响产氢效 率，同时大量挥发性有机酸的产生对环境也会造成一定污染；而光合细菌(如Rhodobacter sphaeroides、Rhodopseudomonas sp.和Rhodopseudomonas palustris等)以发酵产氢后 的有机酸进行光合产氢，其光合产氢效率要远高于发酵产氢效率，并且光合细菌可以利用 自然光产氢。因此，如果通过发酵细菌和光合细菌藕联产氢，可以充分利用底物进行生物 产氢，进一步提高产氢效率，实现生物产氢工业化。

目前国内外已有很多关于发酵-光合藕联产氢的研究和报道，但仍然处于探索阶段， 存在很多问题和缺陷。

首先是缺乏满足工业化生物产氢的低成本产氢底物，许多前期研究都是利用模式底物 如葡萄糖、蔗糖和淀粉等进行发酵-光合藕联产氢，例如：Haruhiko Y等以淀粉做底物利 用发酵细菌Clostridium butyricum和光合细菌Rhodobacter sp.M-19藕联产氢，最大 产氢率可达6.6mol-H₂/mol-葡萄糖，Chen CY等以蔗糖为底物利用发酵细菌Clostridium pasteurianum CH4和光合细菌Rhodopseudomonas palustris WP3-5藕联产氢，最大产氢 率可达10.21mol-H₂/mol-蔗糖，虽然这些报道的藕联产氢效率很高，但是利用纯品制氢 是不符合实际的。

其次是针对制约生物产氢的底物问题，研究者把目光投向了来源更加广泛，成本更低 廉的生物质和有机固体废物，如浙江大学芩可法等(CN 1858214A)利用生物质及固体有 机废弃物发酵和光合耦合产氢的方法，但这些方法产氢效率较低。并且利用生物质或是有 机固体废物进行生物产氢，首先要将生物质或有机固体废物通过酸水解或是酶水解的方法 降解为更加容易被发酵细菌所利用的单糖或是小分子有机物，然后通过发酵产生氢气和有 机酸，发酵产生的有机酸再通过光合细菌继续产氢。酸水解会增加产氢成本，同时会造成 二次环境污染。中科院上海生命科学研究院周志华等(CN101109014A)利用厨余垃圾和乙 醇发酵废水等废弃物为原料，通过暗发酵和光发酵藕联制氢，但对发酵产氢后的发酵液需 进行稀释和补充多种营养元素以便促进光合细菌生长和产氢，这些又会使产氢工艺复杂 化。

第三，在光合产氢过程中，多数研究仍然利用纯光合细菌进行光合产氢。但是因为发 酵产氢后的有机酸成分比较复杂，单一的纯光合细菌对不同有机酸的利用能力差别很大， 所以光合产氢效率很低。

因此，针对目前发酵-光合耦合产氢过程中存在的问题和缺陷，本发明提出了一种利 用红薯、薯蓣等天然生物质材料的产氢工艺更简化、产氢效率更高的产氢方法。

红薯是我国的主要粮食作物之一，目前我国对于红薯的应用仅仅局限于提取其淀粉， 对于利用红薯生成乙醇已有部分报道，但是还没有利用红薯生成氢气的报道。

盾叶薯蓣(Dioscorea Zingiberensis C.H Wright)是薯蓣科薯蓣属多年生缠绕草本 植物，俗称黄姜，火头根，是我国提取甾体激素类药物原料薯蓣皂甙元(diosgenin)的主 要植物，国内大多采用传统的酸解法在分解出薯蓣皂甙元的同时，盾叶薯蓣中的淀粉和纤 维素未加利用就进入了废水中，这样不仅浪费了大量的资源，而且使废水处理难度加大， 环境污染严重。如果能够先以盾叶薯蓣中的淀粉和纤维素为原料进行发酵-光合联合产氢， 再提取皂素，不仅有助于降低废水处理的难度，而且还可增加经济效益，实现薯蓣产业的 可持续发展。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种利用红薯、薯蓣等生物质发酵- 光合藕联产氢的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：