光合細(xì)菌連續(xù)制氫工藝及相關(guān)機(jī)理研究.pdf

1、本論文是在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“太陽(yáng)能光合生物制氫體系及其光譜耦合特性研究”(項(xiàng)目編號(hào)：50476087)和國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“中小型太陽(yáng)能光合生物制氫系統(tǒng)及生產(chǎn)性運(yùn)行研究”(項(xiàng)目編號(hào)：2006AA05Z119)的資助下完成的。 能源短缺以及能源生產(chǎn)、消費(fèi)引起的環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)成為2l世紀(jì)人類面臨的最嚴(yán)重的兩大難題。從能源安全和環(huán)境保護(hù)角度考慮，開(kāi)發(fā)可再生的綠色能源，構(gòu)筑新的能源體系是實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的必然選擇，積極發(fā)

2、展可再生能源也已成為全世界共識(shí)。用可再生能源全面取代化石能源，進(jìn)行一場(chǎng)新的工業(yè)革命，才能從根本上解決世界經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的問(wèn)題。 生物法制氫，以其清潔、不需要消耗礦物資源等突出優(yōu)點(diǎn)，受到許多國(guó)家的重視。光合細(xì)菌產(chǎn)氫過(guò)程將氫氣的生成與有機(jī)物的轉(zhuǎn)化、光能的利用結(jié)合在一起，具備將太陽(yáng)能和可再生的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氫能的功能。光合細(xì)菌產(chǎn)氫(特別是混合光合細(xì)菌菌群產(chǎn)氫)的生化反應(yīng)機(jī)理和代謝途徑相當(dāng)復(fù)雜，有待于長(zhǎng)期、深入的研究，但對(duì)宏觀過(guò)程的表達(dá)和

3、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究，對(duì)于光合微生物制氫工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，具有一定的實(shí)際意義。 本文從光合細(xì)菌混合菌種的有關(guān)特性研究入手，進(jìn)行了生物制氫系統(tǒng)和工藝方法的探索，為光合生物制氫技術(shù)走向工業(yè)化提供理論依據(jù)和思路。主要研究結(jié)果： l.本文系統(tǒng)地研究了光合細(xì)菌混合菌種的相關(guān)特性，得到如下結(jié)論： 混合菌種為兼性厭氧菌群，單純的生長(zhǎng)培養(yǎng)無(wú)需刻意考慮氣體環(huán)境，不需進(jìn)行通氣操作；產(chǎn)氫過(guò)程對(duì)氧氣敏感，需要嚴(yán)格厭氧條件，應(yīng)在產(chǎn)氫培養(yǎng)之初用C

4、O2氣體吹脫除去反應(yīng)器內(nèi)的空氣。 無(wú)論在生長(zhǎng)還是在產(chǎn)氫階段，混合菌種對(duì)光照度變化的敏感性都不是特別強(qiáng)，光照度1000Lux左右比較合適。光照度越高，細(xì)菌或色素物質(zhì)“貼壁”現(xiàn)象出現(xiàn)得越快且嚴(yán)重，形成濃重的紅色遮光層，阻擋光線的穿透，不利于光合細(xì)菌對(duì)光的獲取。 混合菌種具有良好的環(huán)境適性和穩(wěn)定性，非常有利于工業(yè)化的應(yīng)用。混合菌種既可耐受溫度、光照較大幅度變化，又能耐受雜菌污染的干擾，產(chǎn)氫和生長(zhǎng)活性穩(wěn)定。 混合菌種在本

5、實(shí)驗(yàn)設(shè)定的培養(yǎng)條件下，生長(zhǎng)曲線接近直線，生長(zhǎng)方式特別。初始濃度越高，光合細(xì)菌的增殖速率越快，但是，接種量小的培養(yǎng)液中，細(xì)胞的比增殖率高于接種量大的培養(yǎng)液。 光合細(xì)菌產(chǎn)氫屬于非生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型發(fā)酵，產(chǎn)氫開(kāi)始后，細(xì)胞逐漸衰亡。需采用專門(mén)進(jìn)行光合細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器，為專門(mén)進(jìn)行產(chǎn)氫發(fā)酵的光生物反應(yīng)器提供生產(chǎn)菌種。 光合細(xì)菌利用葡萄糖產(chǎn)氫的過(guò)程中，存在著產(chǎn)酸代謝途徑，pH最低可達(dá)5.0以下；產(chǎn)氫現(xiàn)象開(kāi)始后，培養(yǎng)液由紅色變?yōu)榛野咨?/p>

6、，其特征峰也逐漸消失，可能是代謝過(guò)程中還原作用或氫氣的直接作用，改交了光合細(xì)菌色素物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，這些色素物質(zhì)的變化與培養(yǎng)液p玨的改變無(wú)直接關(guān)系。 以葡萄糖為產(chǎn)氫底物、接種量為10％～20％時(shí)，產(chǎn)氫培養(yǎng)液的產(chǎn)氫效果比較理想。3％的葡萄糖濃度是光合細(xì)菌混合菌種產(chǎn)氫的最佳濃度。分批添加葡萄糖，能改善培養(yǎng)液中的光合細(xì)菌增殖作用，其細(xì)胞增殖幅度較大且維持時(shí)聞長(zhǎng)，但產(chǎn)氫量明顯低于對(duì)照組。 2.自行研制了一套適合光合細(xì)菌連續(xù)培養(yǎng)的新型光

7、生物反應(yīng)器--活塞流循環(huán)連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)。反應(yīng)器采用了柱狀罐體，其直徑240mm，高800mm，罐體內(nèi)部加裝一個(gè)(底端封閉，頂端開(kāi)口)透鹱有機(jī)玻璃管，并與反應(yīng)器的上端蓋固定在一起，用于布置照明光纖并使反應(yīng)罐內(nèi)形成環(huán)形結(jié)構(gòu)；分別在反應(yīng)罐底部和頂部的筒壁上切向開(kāi)口，加裝管道。光合細(xì)菌在連續(xù)倍增培養(yǎng)過(guò)程中，生長(zhǎng)特性穩(wěn)定(細(xì)胞濃度波動(dòng)小于4％)，適合進(jìn)行回流連續(xù)培養(yǎng)，回流連續(xù)培養(yǎng)方法具有可行性。 3.進(jìn)行了光合細(xì)菌連續(xù)培養(yǎng)過(guò)程運(yùn)行參數(shù)的探討

8、?；钊餮h(huán)連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)的最佳運(yùn)行模式為：新鮮培養(yǎng)基流量等于回流培養(yǎng)液的流量(相當(dāng)于50％的菌種)，培養(yǎng)時(shí)間為特定初始濃度下的倍增時(shí)間，產(chǎn)量即為培養(yǎng)基的流量。 4.對(duì)連續(xù)制氫反應(yīng)器及制氫系統(tǒng)進(jìn)行了分析探討，設(shè)計(jì)了活塞流式光生物反應(yīng)器，并就其連續(xù)產(chǎn)氫生產(chǎn)工藝相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行初步研究。 確定了小型活塞流連續(xù)制氫系統(tǒng)的主要運(yùn)行參數(shù)：菌種培養(yǎng)階段的初始OD660值為0.56，生長(zhǎng)培養(yǎng)基、菌種回流和產(chǎn)出生產(chǎn)菌種的流量均為0.21L/h

9、，菌種循環(huán)連續(xù)培養(yǎng)反應(yīng)器的水力滯留時(shí)間為56小時(shí)；產(chǎn)氫階段的接種比例為l：l，即產(chǎn)氫培養(yǎng)基的流量為0.21L/h。 連續(xù)產(chǎn)氨系統(tǒng)的平均產(chǎn)氫量為2.68L/L，達(dá)到分批制氫的86.5％，系統(tǒng)的平均產(chǎn)氫速率為1.1506L/h，產(chǎn)氫速率的波動(dòng)幅度在2.2％以內(nèi)。 5.在光合細(xì)菌產(chǎn)氫產(chǎn)氫過(guò)程中，氣體生成物H2和CO2對(duì)反應(yīng)進(jìn)程具有明顯盼反饋抑制作用，降低反應(yīng)器頂空壓力，可以有效地降低各種氣體成分的分壓，進(jìn)而降低它們?cè)诜磻?yīng)液中的