混合菌群厭氧發(fā)酵的代謝模型及其過程控制.pdf

1、厭氧生物處理能夠直接利用多種有機廢棄物，所需要的運行成本較低，并且能夠生產包括甲烷、氫氣、乙酸、乙醇和生物塑料等多種有用化學品和生物能源，已被廣泛的應用于工業(yè)有機廢水和污泥的處理。但是由于該技術是復雜菌群的共同代謝過程，并且代謝產品的利用也需要與分離純化技術相結合，我們仍然需要深入研究。
　　 本論文以混合菌群厭氧發(fā)酵過程為研究對象，在代謝模型、氫氣過飽和現(xiàn)象、菌群和代謝產物控制、氣體發(fā)酵、生物氣純化等方面開展了相關研究:在Ro

2、driguez模型的基礎之上，進行了大量的修正，使得厭氧發(fā)酵代謝模型的模擬結果更加接近實驗結果;通過溶解氣質譜儀在線測定氫氣在液相中的濃度，首次報道并解釋了高溫產氫反應器中的氫氣過飽和現(xiàn)象;利用強高溫(70℃)條件控制混合菌群中古菌的分布，實現(xiàn)了利用葡萄糖生產甲烷和乙酸的目的;在中空纖維膜生物膜反應器中，混合菌群原位利用合成氣（氫氣和二氧化碳）生產中長鏈脂肪酸;通過微生物燃料電池(MFC)產電可以驅動雙極膜(BPM)解離水生產堿液，并用

3、于生物氣的純化，從而使得厭氧發(fā)酵生產的合成氣具有實際應用價值。主要內容和結果包括:
　　 1.通過引入電子歧化反應的概念，以及在氧化還原電對(NADH/NAD+和Fdred/Fdox)，代謝產物的跨膜傳質過程，丁酸、氫氣、丙酸等生化反應的計量關系等方面對Rodriguez模型的修正，使得混合菌群厭氧發(fā)酵模型的模擬結果更加接近實驗結果。即:在酸性條件下，代謝產物主要是丁酸、乙酸和乙醇，而在中性和堿性條件下，代謝產物主要是乙酸和丙酸

4、，并且氫氣產量低于2.2mol/mol-glucose;當?shù)孜餄舛雀哂?.13 mol/L時，代謝產物主要是乙醇和少量的氫氣;氫氣分壓增加導致乙酸產量降低，而使得丁酸產量增加。由于本模型提供了代謝產物分布與環(huán)境條件的計算關系，通過進一步修正，本模型也可以用于其它類型發(fā)酵系統(tǒng)的模擬，如間歇式反應器和上流式厭氧污泥床反應器(UASB)等。
　　 2.通過溶解氣質譜儀在線測定氫氣在液相中的濃度，我們首次報道了高溫產氫反應器中的氫氣過飽

5、和現(xiàn)象。結果表明，雖然反應器頂空氫氣分壓沒有明顯變化，但是液相中氫氣濃度隨著底物負荷增加而增加，隨著雷諾數(shù)的增加而降低，氫氣過飽和比在1.7和3.0之間。同時，液相中氫氣濃度增加導致氫氣產量和底物降解速率降低，乙醇/（乙酸+丁酸）的比值升高。因此，與頂空氫氣分壓相比，液相中氫氣濃度對混菌厭氧發(fā)酵過程的影響更為顯著。并且，通過氣液傳質系數(shù)的計算說明氫氣過飽和現(xiàn)象在厭氧發(fā)酵過程中是不可避免的，必須給予考慮。
　　 3.在強高溫(70

6、℃)混合菌群厭氧發(fā)酵的連續(xù)攪拌式反應器(CSTR)中，以葡萄糖為底物，經(jīng)過100天的連續(xù)運行表明，反應器運行較為穩(wěn)定，項空中的產物主要是甲烷，其產量為0.89-1.22 mol/mol-glucose;而液相產物主要是乙酸，其產量為1.45-1.60 mol/mol-glucose，含量高于90％。在間歇實驗中也存在相似的結果，乙酸的濃度達到34.4 g/L。CSTR反應器中的菌群分析表明，產甲烷古菌主要是嗜氫產甲烷菌Methanoth

7、ermobacter thermautotrophicus和Methanobacterium thermoaggregans，總含量達到古菌總量的98％以上。這說明利用強高溫條件可以控制混合菌群中古菌的分布，即抑制嗜乙酸產甲烷菌的活性并富集嗜氫產甲烷菌。
　　 4.將有機污染物和生物質直接氣化為合成氣，是微生物利用難降解底物的重要途徑之一。利用合成氣生產脂肪酸，尤其是中長鏈脂肪酸，是實現(xiàn)有機污染物再利用的重要方式。我們通過中空纖

8、維膜生物膜反應器實現(xiàn)了混合菌群原位利用合成氣（氫氣和二氧化碳）生產脂肪酸。氫氣的利用率達到100％，而代謝產物包括乙酸、丁酸、已酸和辛酸，最高濃度分別是7.4，1.8，0.7和0.42 g/L。生物膜生產已酸的速率與文獻報道相似，約為31.4 mmol-C/g-VSS/d，而辛酸的生產速率則比文獻報道的結果高6倍，約為19.1 mmol-C/g-VSS/d。此外，菌群分析表明，生物膜中的微生物以Clostridium ljungdahl

9、ii和Clostridium kluyveri為主，約占61.7％。由于具有環(huán)境的耐受能力強和單位體積反應器的比表面積高等優(yōu)勢，與懸浮生長反應器相比，中空纖維膜生物膜反應器具有較高的反應活性，從而十分利于其在合成氣發(fā)酵方面的應用。
　　 5.生物氣中CO2的去除是利用生物氣的前提，而堿液的價格和運輸成本是限制其應用的因素之一。通過MFC產電可以驅動雙極膜解離水生產堿液:在沒有外加電壓的條件下，堿液的pH值最高為9.8;而當外加0