乙醇型發(fā)酵與電滲析耦合工藝解除產物抑制促進產氫.pdf

1、能源短缺和環(huán)境污染已成為制約人類經濟發(fā)展和社會進步的兩大全球性的難題。及早進行能源消費結構轉型，實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，已得到國際社會的共識。作為化石能源的替代品，氫氣以其清潔、高效、可再生的特性日益受到世人的關注，并引發(fā)了世界范圍內研究氫能的熱潮。有機廢水發(fā)酵法生物制氫具有回收能源和凈化環(huán)境的雙重功效，成為近年來的研究熱點。利用厭氧發(fā)酵微生物代謝作用制取氫氣的過程中普遍存在著產物抑制，使得發(fā)酵法生物制氫的產氫能力遇到瓶頸，難以有所突破。

2、因此，研究產氫發(fā)酵系統(tǒng)中存在的產物抑制，開發(fā)出能夠快速、有效的解除抑制的技術手段，將提高發(fā)酵法生物制氫工藝的產氫速率，優(yōu)化產氫系統(tǒng)，實現(xiàn)長期穩(wěn)定產氫的目的，達到環(huán)境效益與經濟效益的統(tǒng)一。
　　本文以乙醇型發(fā)酵的代表菌株——高效產氫發(fā)酵細菌 E.Harbinese B49為研究對象，考察了產氫發(fā)酵過程中液相末端產物——乙酸和乙醇，對底物利用、細胞增殖和產物合成的影響。外加乙酸對E. harbinese B49的產氫抑制作用顯著。外加

3、乙酸為20mmol/L（液相產物中為34mmol/L）最大產氫速率和比產氫率均下降約30％。通過對實驗數據的分析和擬合，建立了E. harbinese B49的非競爭產物抑制模型，對乙酸和乙醇的抑制強度進行了量化和比較。利用劑量——反應曲線獲得乙酸和乙醇的半抑制常數分別為62mmol/L和154mmol/L。通過對產物抑制的研究，確定了去除乙酸，解除“發(fā)酵障礙”，提高乙醇型發(fā)酵產氫能力的工程策略。
　　為尋找從發(fā)酵液中高效分離乙酸

4、的方法，利用商品電滲析器對實際發(fā)酵液進行分離試驗獲得了理想的分離效果，證實了雙極膜電滲析技術從發(fā)酵液中分離乙酸的可行性。根據研究需要自行設計制作小型雙極膜電滲析器進行發(fā)酵液中乙酸分離特性研究，考察了電滲析過程中濃縮室、淡化室的乙酸濃度、乙酸收率、葡萄糖擴散、pH、乙醇濃度、電流效率等參數的變化情況。確定以發(fā)酵液的pH值為電滲析分離操作的控制點能夠成功實現(xiàn)對發(fā)酵液中乙酸濃度的調控和對葡萄糖的回收。構建的雙極膜電滲析工藝能夠快速有效的分離乙

5、酸，提高發(fā)酵液的pH值，并能夠有效回收殘余的葡萄糖。
　　將雙極膜電滲析工藝作為分離單元與發(fā)酵法生物制氫工藝相耦合，構建了產氫發(fā)酵與產物分離耦合制氫工藝。耦合工藝與傳統(tǒng)發(fā)酵工藝的間歇產氫對比研究表明從發(fā)酵液中分離乙酸對E. harbinese B49的生長繁殖和產氫發(fā)酵的促進作用。耦合制氫工藝能夠解除乙酸的抑制，提高產氫能力，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。從發(fā)酵體系中分離出的乙酸越多，解除產氫抑制作用越明顯，對產氫能力的提高越顯著。根據E. h

6、arbinese B49可能的產氫發(fā)酵代謝途徑進行代謝通量分析也表明解除乙酸抑制與促進產氫能力提高的內在機制，乙酸的產量與氫氣產量成正相關，因此，對乙酸進行分離，解除乙酸抑制，是提高產氫量最直接、有效的方法。結合耦合制氫工藝的運行特點，通過耦合制氫工藝的補料產氫試驗，探討了運行模式對耦合工藝提高產氫效能的影響，表明連續(xù)運行模式下產氫能力將獲得進一步的提升。對耦合工藝的連續(xù)運行模式及其生物反應的動力學模型進行了研究，明確耦合工藝的匹配參數