結(jié)合氫發(fā)酵和微生物電解池利用秸稈類生物質(zhì)兩階段梯級產(chǎn)氫的研究.pdf

1、氫能作為一種理想的能量載體，具有清潔、高效和可再生的特點。在諸多的制氫途徑中，發(fā)酵法制氫可以利用包括工農(nóng)業(yè)廢棄物在內(nèi)的多種有機物作為基質(zhì)產(chǎn)生氫氣，具有耗能少，生產(chǎn)成本低的特點。微生物電解池（MEC）作為新興的電化學(xué)輔助生物制氫技術(shù)，可以利用不同有機廢水（特別是乙酸）高效產(chǎn)氫。在纖維素類生物質(zhì)發(fā)酵制氫過程中，纖維素由于晶體結(jié)構(gòu)致密，且被木質(zhì)素和半纖維素緊密包裹，因此很難被微生物直接利用，同時，在發(fā)酵產(chǎn)氫過程中也存在著底物利用率低以及氫發(fā)酵

2、廢水帶來的環(huán)境污染問題?；诖?，本研究建立了嗜溫條件下降解纖維素的產(chǎn)氫菌群的富集馴化方法，在此基礎(chǔ)上分離篩選出具有纖維素降解能力和直接降解生玉米秸稈的產(chǎn)氫菌株；進一步通過將氫發(fā)酵與MEC技術(shù)耦合，進行兩階段梯級強化產(chǎn)氫。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、沤到饫w維素產(chǎn)氫菌群的富集馴化。以微晶纖維素為唯一碳源，牛糞堆肥為天然菌源，在中溫條件下進行厭氧富集培養(yǎng)，獲得了具有較強纖維素降解能力的中溫產(chǎn)氫菌群。馴化得到的產(chǎn)氫菌群的碳譜極為廣泛，具有

3、較強的纖維素降解產(chǎn)氫能力。在單因素實驗的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法對影響菌群產(chǎn)氫的培養(yǎng)基的組成進行了優(yōu)化。結(jié)果顯示NH4HCO3濃度、KH2PO4濃度和營養(yǎng)液添加量對菌群產(chǎn)氫影響顯著。在NH4HCO3濃度為2.5 g/L、KH2PO4濃度為1.8 g/L、營養(yǎng)液添加量為8.2 ml/L的最優(yōu)發(fā)酵條件下，菌群最大累計產(chǎn)氫量可達264.1 ml/g-微晶纖維素。采用變性梯度凝膠電泳（DGGE）技術(shù)分析產(chǎn)氫菌群在富集馴化過程中的演替規(guī)律。實驗結(jié)果顯

4、示，在富集馴化過程中，微生物的數(shù)量和多樣性呈明顯的演替過程，以微晶纖維素為碳源生長的種群活性明顯增強，成為優(yōu)勢物種；不能夠利用微晶纖維素的種群數(shù)量明顯減少甚至消失。將優(yōu)勢條帶進行切膠回收、克隆和測序，結(jié)果表明菌群中的絕大多數(shù)微生物都與梭菌屬（Clostridium）的產(chǎn)氫細(xì)菌相似度最大，說明經(jīng)富集馴化得到的菌群具有較強的纖維素降解產(chǎn)氫能力。
　?、浦苯咏到饫w維素產(chǎn)氫的優(yōu)勢菌株的分離篩選鑒定及其產(chǎn)氫特性研究。從富集馴化的菌群中分離篩

5、選出5株具有纖維素降解功能的中溫產(chǎn)氫細(xì)菌，經(jīng)產(chǎn)氫能力和纖維素降解能力測試，確認(rèn)一株高效纖維素降解產(chǎn)氫菌。對該菌株進行生理生化考察和菌種鑒定，并對菌株產(chǎn)氫特性進行研究：菌株C. populeti FZ10能有效利用各種碳源生長產(chǎn)氫。以微晶纖維素為碳源時，菌株C. populeti FZ10最佳生長產(chǎn)氫條件為：微晶纖維素5 g/L，酵母粉5 g/L，蛋白胨2 g/L，初始pH6.98，磷酸緩沖液濃度0.15M，發(fā)酵溫度35℃。在此優(yōu)化條件下

6、，菌株最大累積產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速率分別為177.5 mL/g和7.7 ml/g·h-1，菌體生物量為231 mg/L，纖維素降解率達到86％。
　?、遣恍璧孜镱A(yù)處理，能夠直接降解生秸稈產(chǎn)氫菌株的篩選鑒定及其發(fā)酵產(chǎn)氫特性研究。以生秸稈為唯一碳源，對分離得到的5株產(chǎn)氫菌進行秸稈產(chǎn)氫能力和降解能力測試，并確認(rèn)一株具有高效生秸稈降解能力的產(chǎn)氫菌，結(jié)合菌株形態(tài)和生理生化特性，對該菌株進行種屬鑒定，并對其秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫特性進行研究：菌株C. sar

7、tagoforme FZ11能利用多種碳源產(chǎn)氫，特別是能直接利用天然纖維素物質(zhì)（如：生玉米秸稈）發(fā)酵產(chǎn)氫，且不需底物預(yù)處理。表明菌株 C. sartagoforme FZ11具有較強的纖維素降解產(chǎn)氫能力。在單因素實驗的基礎(chǔ)上，采用Plackett-Burman設(shè)計、最陡爬坡和Box-Behnken響應(yīng)面分析法對以生玉米秸稈為唯一碳源的發(fā)酵產(chǎn)氫過程參數(shù)進行優(yōu)化，結(jié)果表明，尿素添加量、磷酸緩沖液濃度和營養(yǎng)液量與累積氫氣產(chǎn)量存在顯著的相關(guān)性。

8、在尿素添加量為6.2 g/L、PBS濃度為0.19 M、營養(yǎng)液量為8.7 ml/L的最優(yōu)發(fā)酵條件下，實際測得最大累積產(chǎn)氫量達到96.20 ml/g-秸稈。
　　⑷MEC利用秸稈氫發(fā)酵廢水梯級產(chǎn)氫的研究。針對秸稈氫發(fā)酵廢水中的丁酸在 MEC中難以降解的問題，我們通過采用不同底物（丁酸、乙酸和氫發(fā)酵廢水）對MEC生物陽極進行馴化，考察了不同陽極富集方式、底物濃度和外加電壓對MEC產(chǎn)氫的影響，結(jié)果表明，在0.6V外加電壓下，采用丁酸馴化

9、的MEC利用秸稈發(fā)酵廢水獲得的最大氫氣產(chǎn)率為943 ml/g-COD，產(chǎn)氫速率為3.62 m3/m3/d，氫回收率為67％，在此條件下基于輸入電能的能量效率為203％。將MEC與氫發(fā)酵偶聯(lián)后，總產(chǎn)氫量達到454.6 ml H2/g-秸稈，與秸稈暗發(fā)酵產(chǎn)氫相比，氫產(chǎn)量提高了近5倍。采用Illumina MiSeq高通量測序技術(shù)考察MEC陽極生物群落結(jié)構(gòu)對底物的響應(yīng)，結(jié)果表明，與乙酸和發(fā)酵廢水馴化的生物陽極相比，采用丁酸馴化的生物陽極具有較