一种双效复合电活材料强化中链脂肪酸生物合成的方法

本发明属于有机废弃物资源化利用，具体涉及一种双效复合电活材料强化中链脂肪酸生物合成的方法。

背景技术：

1、微生物碳链延长技术是指通过特定功能微生物利用乙醇、乙酸和乳酸等易获取的底物合成中链脂肪酸(c6-c12的直链一元羧酸)。通过生物基化学品生产平台生产的中链脂肪酸，可被直接用作食品添加剂、抗菌剂、润滑油等的前驱体，还能被加工成生物柴油和航空燃料等，替代化石燃料的使用，具有很大的发展前景。但是，微生物碳链延长反应中普遍存在反应过程中电子传递效率低、未解羧酸抑制毒性等导致中链脂肪酸产量低的问题。近年来，针对微生物碳链延长技术生产中链脂肪酸的强化技术陆续出现。

2、生物炭是指生物质在特定温度的限氧条件下热解产生的富碳固体物质，其表面官能团，如醌/对苯二酚基团具有储存-释放电子的电容特性，细菌在还原生物炭的同时将电子储存在醌类物质中，当氧化还原电位发生变化后，被还原的生物炭进一步将电子传输给其它微生物，协助微生物适应环境变化。此外，有机固废是重要的生物质资源，直接丢弃、掩埋或焚烧不但会造成资源浪费更会引起环境污染，还会造成大量温室气体排放。利用有机固废生产生物炭符合当前农业可持续和绿色循环农业产业发展的要求。但是生物炭的官能团种类有限、选择性差，在实际应用中存在一定的局限。

3、铁元素是地壳中含量最丰富的金属元素之一，零价铁、铁氧化物等铁基导体材料廉价易得。越来越多种类的铁基导体材料被应用于微生物碳链延长系统，促进特异功能菌群之前的直接种间电子传递，从而提高中链脂肪酸产量和选择性。但零价铁和铁氧化物在水中易团聚和矿化，阻碍反应进行，为此可以在载体材料上负载铁基导体材料以防止其团聚，最大限度地发挥铁基导体材料的作用。此外，由于零价铁在反应过程中易形成氧化物钝化层，可以通过引入其他金属元素提高零价铁的稳定性。当前，研究者主要关注投加生物炭和金属导体材料提高微生物碳链延长过程生产中链脂肪酸的产量，而对二者的复合材料强化微生物碳链延长过程生产中链脂肪酸知之甚少。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有微生物碳链延长反应中存在反应过程中电子传递效率低，导致中链脂肪酸产量低的问题，而提供一种双效复合电活材料强化中链脂肪酸生物合成的方法。

2、本发明双效复合电活材料强化中链脂肪酸生物合成的方法按照以下步骤实现：

3、一、将稻壳碾碎后，经过筛、水洗、烘干后得到稻壳粉末，将六水合氯化铁和五水合氯化铜溶于水中，得到混合溶液，稻壳粉末加入到混合溶液中混合均匀，过滤后烘干，得到混合物；

4、二、在无氧条件下以700～800℃的温度对步骤一得到的混合物进行炭化处理，得到双效复合电活材料；

5、三、采用环境微生物作为接种菌源，进行碳链延长功能微生物的驯化和富集，得到接种物；

6、四、将接种物和生长培养基置于厌氧反应器内，投加双效复合电活材料，以乙醇和乙酸作为发酵底物，维持体系ph为5.5～7和温度为30～40℃，在厌氧条件下反应10～30d，得到以己酸和辛酸为主的发酵液；

7、其中步骤一所述的混合溶液中六水合氯化铁溶液的浓度为0.5～3mol/l，五水合氯化铜溶液的浓度为0.3～1.5mol/l；

8、步骤三中碳链延长功能微生物的驯化和富集过程如下：

9、a、当接种菌源为污泥时，充分搅拌混合后在4℃温度条件下均匀沉降处理，排去上清液后过50～150目筛去除杂质，得到浓缩污泥；

10、b、当接种菌源为湿地土壤时，将湿地土壤过10～20目筛去除砂石，得到过筛土壤；

11、c、将浓缩污泥或过筛土壤、生长培养基和发酵底物置于厌氧反应器内，发酵底物由乙醇和乙酸组成，调节体系的ph为5.5～7，进行驯化和富集处理，得到接种物。

12、本发明提供了一种双效复合电活材料强化中链脂肪酸生物合成的方法，利用农业废弃物稻壳制备双效复合电活材料，通过引入金属铁和金属铜，丰富了材料表面官能团组成，解决了零价铁在反应过程中会形成氧化物钝化层从而使反应速率逐渐降低的问题，提高材料稳定性和使用寿命，具有优越的环境适用性。铁和铜的协同作用有利于fe3+/fe2+和cu2+/cu+的氧化还原循环，加速生物炭与金属间的快速电子传递，提高材料的导电性和电容性。通过金属材料导电性提高微生物碳链延长过程中的电子传递效率，并利用材料电容性储存-释放电子，提高系统稳定性，不仅解决了微生物碳链延长过程中电子传递效率低的问题，提高系统缓冲性能，具有应用于半连续/间歇进料模式下有机废弃物生产中链脂肪酸的潜力，还能在循环经济背景下整合微生物碳链延长技术与生物质热解技术，提高中链脂肪酸产量，符合可持续发展的要求。

13、本发明利用农业废弃物稻壳制备双效复合电活材料，通过引入金属铁和金属铜，丰富了材料表面官能团组成，解决了零价铁在反应过程中会形成氧化物钝化层从而使反应速率逐渐降低的问题，提高材料稳定性和使用寿命，具有优越的环境适用性。铁和铜的协同作用有利于fe3+/fe2+和cu2+/cu+的氧化还原循环，加速生物炭与金属间的快速电子传递，提高材料的导电性和电容性。利用材料导电性提高微生物碳链延长过程中的电子传递效率，利用材料电容性储存-释放电子，提高系统稳定性，不仅解决了微生物碳链延长过程中电子传递效率低的问题，提高系统缓冲性能，具有应用于半连续/间歇进料模式下有机废弃物生产中链脂肪酸的潜力，还能在循环经济背景下整合微生物碳链延长技术与生物质热解技术，提高中链脂肪酸产量，符合可持续发展的要求。

技术特征：

1.双效复合电活材料强化中链脂肪酸生物合成的方法，其特征在于该中链脂肪酸生物合成的方法按照以下步骤实现：

2.根据权利要求1所述的双效复合电活材料强化中链脂肪酸生物合成的方法，其特征在于步骤一中将稻壳粉末加入到混合溶液中混合均匀，其中稻壳粉末的质量浓度为5～20g/l。

3.根据权利要求1所述的双效复合电活材料强化中链脂肪酸生物合成的方法，其特征在于步骤一中将稻壳粉末加入到混合溶液中，控制搅拌速率为100～150rpm，搅拌时间为2～4h，调整混合溶液的温度为60～80℃。

4.根据权利要求1所述的双效复合电活材料强化中链脂肪酸生物合成的方法，其特征在于步骤一中混合溶液中六水合氯化铁与五水合氯化铜的摩尔比为2:1。

5.根据权利要求1所述的双效复合电活材料强化中链脂肪酸生物合成的方法，其特征在于步骤二中所述的无氧条件为氮气氛围下，以5～10℃/min的速率加热至700～800℃，对混合物进行炭化处理时间为2～3h，冷却至室温后，过50～150目筛后得到双效复合电活材料。

6.根据权利要求1所述的双效复合电活材料强化中链脂肪酸生物合成的方法，其特征在于骤三中步骤c驯化和富集处理时间为15～20d。

7.根据权利要求1所述的双效复合电活材料强化中链脂肪酸生物合成的方法，其特征在于步骤四中双效复合电活材料的投加浓度为2～20g/l。

8.根据权利要求1所述的双效复合电活材料强化中链脂肪酸生物合成的方法，其特征在于步骤三和步骤四中所述生长培养基包括氯化铵1.04g/l、六水合氯化镁0.20g/l、磷酸二氢钾0.23g/l、磷酸氢二钾0.31g/l、氯化钠0.80g/l、氯化钙0.2g/l、半胱氨酸0.25g/l、维生素溶液1ml/l和微量元素溶液1ml/l；维生素溶液包括维生素h 2mg/l、维生素b10mg/l、盐酸吡哆醇10mg/l、盐酸硫胺素5mg/l、核黄素5mg/l、烟酸5mg/l、泛酸钙5mg/l、维生素b120.1mg/l、对氨基苯甲酸5mg/l、硫辛酸5mg/l；微量元素溶液包括次氮基三乙酸2g/l、硫酸锰1g/l、硫酸亚铁铵0.8g/l、氯化钴0.2g/l、硫酸锌0.2mg/l、氯化铜20mg/l、氯化镍20mg/l、硒酸钠20mg/l、钼酸钠20mg/l和钨酸钠20mg/l。

9.根据权利要求1所述的双效复合电活材料强化中链脂肪酸生物合成的方法，其特征在于步骤三和步骤四中乙醇和乙酸的摩尔浓度比为2:1～5:1，乙醇的摩尔浓度为50mmol/l～300mmol/l，乙酸的摩尔浓度为25mmol/l～150mmol/l。

10.根据权利要求1所述的双效复合电活材料强化中链脂肪酸生物合成的方法，其特征在于步骤三和步骤四中将厌氧反应器置于恒温空气摇床内，摇床温度为35～40℃，转速为100～150rpm。

技术总结一种双效复合电活材料强化中链脂肪酸生物合成的方法，本发明为了解决现有微生物碳链延长反应中存在反应过程中电子传递效率低，导致中链脂肪酸产量低的问题。强化中链脂肪酸生物合成的方法：一、将稻壳粉末加入到六水合氯化铁和五水合氯化铜混合溶液中得到混合物；二、炭化处理；三、以环境微生物作为接种菌源，进行碳链延长功能微生物的驯化和富集；四、将接种物和双效复合电活材料置于厌氧反应器内，添加生长培养基和发酵底物进行厌氧发酵，获得发酵液。本发明利用农业废弃物稻壳制备双效复合电活材料，其稳定性高，兼具导电性和电容性，可提高微生物碳链延长过程中电子传递效率，利用电容性储存‑释放电子，提高系统稳定性和中链脂肪酸产量。技术研发人员：郭婉茜,何子琳,吴清莲,任韦同受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18