產(chǎn)氣腸桿菌暗發(fā)酵及其與光合細(xì)菌聯(lián)合制氫工藝研究.pdf

1、生物發(fā)酵制氫技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景，然而就現(xiàn)階段來說，無論是暗發(fā)酵制氫技術(shù)還是光合發(fā)酵制氫技術(shù)均存在各自的不足和局限。能量轉(zhuǎn)化效率低，制氫成本高，極大地制約了生物制氫，尤其是以農(nóng)作物秸稈等纖維素類生物質(zhì)能為原料的生物發(fā)酵制氫技術(shù)的發(fā)展?jié)摿?我國的秸稈等生物質(zhì)來源廣泛，資源豐富，卻不能直接用于發(fā)酵產(chǎn)氫，必須經(jīng)過高成本的酶解或結(jié)合其他理化方法的預(yù)處理之后才能產(chǎn)氫，這是是秸稈等纖維素類生物質(zhì)產(chǎn)氫經(jīng)濟(jì)性的重要制約因素。而通過選定高效產(chǎn)氫菌株，結(jié)

2、合暗發(fā)酵和光合制氫兩種制氫技術(shù)各自的工藝優(yōu)點(diǎn)，得到一系列最優(yōu)工藝參數(shù)，以提高生物制氫技術(shù)的產(chǎn)氣速率和氫氣轉(zhuǎn)化率，將能夠?yàn)榇蚱评w維素類生物質(zhì)產(chǎn)氫局限，得到可以經(jīng)濟(jì)高效型產(chǎn)氫的組合微生物，及對(duì)應(yīng)配套的工藝條件，為生物制氫技術(shù)從理論研究向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用轉(zhuǎn)變提供助力。
　　本論文是在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“生物質(zhì)多相流光合產(chǎn)氫過程調(diào)控機(jī)理及光熱傳輸特性研究（編號(hào):51376056）”的資助下完成。選擇高效暗發(fā)酵菌株產(chǎn)氣腸桿菌（Enterobac

3、teraerogenes）和本課題組篩選保藏的HAU-M1高效光合細(xì)菌作為產(chǎn)氫菌種，進(jìn)行暗發(fā)酵和光發(fā)酵的聯(lián)合制氫技術(shù)研究。通過對(duì)產(chǎn)氣腸桿菌進(jìn)行富集培養(yǎng)，在得到了其基本的生長(zhǎng)規(guī)律和最適發(fā)酵條件后用于發(fā)酵產(chǎn)氫，以總產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速率作為主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化了產(chǎn)氣腸桿菌利用葡萄糖暗發(fā)酵產(chǎn)氫的工藝參數(shù);并對(duì)其發(fā)酵反應(yīng)液中的揮發(fā)性脂肪酸成分進(jìn)行了液相分析;分滅菌和不滅菌兩種處理方式，通過一系列的前處理后，繼續(xù)用于光合制氫;分析暗發(fā)酵反應(yīng)液以及產(chǎn)氣腸

4、桿菌活菌菌體對(duì)光合細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫的影響;并進(jìn)一步研究產(chǎn)氣腸桿菌與光合細(xì)菌之間的生物加強(qiáng)作用;同時(shí)對(duì)產(chǎn)氣腸桿菌利用不同前處理?xiàng)l件下的玉米秸稈的發(fā)酵產(chǎn)氫能力進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明:
　　(1)有機(jī)態(tài)氮存在的條件下，最適于產(chǎn)氣腸桿菌的生長(zhǎng)繁殖，可以在第28小時(shí)開始到達(dá)對(duì)數(shù)期。產(chǎn)氣腸桿菌在純培養(yǎng)條件下具有很好的的耐酸性，耐酸范圍在pH7至pH4.5之間，這對(duì)連續(xù)產(chǎn)氫過程非常有利;不同工藝條件下產(chǎn)氣腸桿菌的發(fā)酵產(chǎn)氫的周期差別較大，在68h至

5、156h之間;產(chǎn)氣腸桿菌發(fā)酵產(chǎn)氫周期可達(dá)最短為68h的最優(yōu)化發(fā)酵工藝條件為溫度35℃、pH值6.5、碳氮質(zhì)量比3，其氫氣產(chǎn)率為261.5ml/gG、氫氣轉(zhuǎn)化率為2.1molH2/mol G。
　　(2)產(chǎn)氣腸桿菌暗發(fā)酵殘液主要為甲酸、乙醇和乙酸等，丁酸的含量較少，這對(duì)后續(xù)光合細(xì)菌的利用有利。光合產(chǎn)氫結(jié)束后乙酸量大大降低，說明光合細(xì)菌優(yōu)先利用的小分子酸主要是乙酸。滅菌處理發(fā)酵殘液進(jìn)一步用于聯(lián)合光合的產(chǎn)氫的實(shí)驗(yàn)表明，發(fā)酵殘液的加入對(duì)產(chǎn)

6、氫量的提高有益，總產(chǎn)氣量和產(chǎn)氫量均隨著發(fā)酵殘液加入量的增加而增加;未經(jīng)滅菌處理發(fā)酵液的加入對(duì)產(chǎn)氫量的影響則是:低添加量時(shí)，總產(chǎn)氣量和產(chǎn)氫量隨著發(fā)酵殘液加入量的增加而增加。但當(dāng)其添加量提高到50％時(shí)，產(chǎn)氣量反而減少。滅菌之后的暗發(fā)酵反應(yīng)液對(duì)產(chǎn)氫系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)pH值有一定的影響，普遍降低0.7左右;加入含有產(chǎn)氣腸桿菌活菌菌體發(fā)酵殘液的實(shí)驗(yàn)組，由于產(chǎn)氣腸桿菌的代謝以及小分子酸的增加，使其pH值降低2.2左右，隨著后續(xù)產(chǎn)氫反應(yīng)的進(jìn)行，乙酸等逐漸被分

7、解代謝掉，pH值又逐漸回升，至6.0左右。
　　(3)產(chǎn)氣腸桿菌的生物加強(qiáng)作用研究表明，加強(qiáng)組A的產(chǎn)氫延遲期縮短，12h后即開始產(chǎn)氣，發(fā)酵周期也縮短至5.5d，產(chǎn)氫速率快，所產(chǎn)氣體中氫氣的百分含量提高，達(dá)到51％，隨后隨著碳源和酸堿環(huán)境的改變，以及菌體的老化而終止。產(chǎn)氣量相對(duì)于光合對(duì)照組提高了20.3％，氫氣產(chǎn)量提高了49.6％。加強(qiáng)組B的發(fā)酵周期短至4.0d，這主要是由于碳源的耗盡，而終止了產(chǎn)氫。加強(qiáng)組B作為加強(qiáng)組A組的二分之一

8、碳源對(duì)照，與加強(qiáng)組A相比，其的總產(chǎn)氣量并不是同比例少了一半，而是相對(duì)于A組的一半提高了30.5％，氫氣產(chǎn)量提高了28.0％。說明低碳源濃度對(duì)產(chǎn)氣腸桿菌和光合細(xì)菌的生物加強(qiáng)作用有利。
　　(4)產(chǎn)氣腸桿菌對(duì)玉米秸稈有一定的直接利用能力，但其利用效率不高，利用能力有限。相對(duì)來說，經(jīng)過預(yù)混處理和酶解處理的玉米秸稈具有更好的產(chǎn)氫效果，其總產(chǎn)氣量和總產(chǎn)氫量均高于未處理組，以酶解處理效果最好;但產(chǎn)氣腸桿菌利用酶解后秸稈所得到的總產(chǎn)氣量比利用當(dāng)