秸稈類生物質暗發(fā)酵產氫關鍵參數優(yōu)化及其機理研究.pdf

1、氫能因其具有高效、清潔、無污染的特點被公認為最具發(fā)展前景的能源之一。在諸多的制氫方法中，生物制氫因其能夠在常溫常壓下操作而備受關注。與光合制氫相比，暗發(fā)酵制氫具有產氫速率高、不依賴光照、設備簡單、易操作、能夠實現廢棄生物質資源化等特點而最具產業(yè)化前景。目前，該技術普遍存在產氫率低、發(fā)酵底物成本高等問題，成為制約暗發(fā)酵制氫產業(yè)化的主要技術瓶頸。基于此，本文在探尋天然菌源預處理方法的基礎上，從高效生物制氫反應器中分離、篩選得到一株底物利用范

2、圍廣的高效兼性厭氧菌，對其產氫特性進行了研究，并從生化工程的角度對其中的NADH產氫途徑進行調控;之后，從降低運行成本的角度，篩選分離在中溫條件下能夠直接利用未經過預處理的秸稈類生物質高效發(fā)酵產氫的微生物，進行菌種鑒定及相關的產氫特性研究。
　　具體內容如下:
　　1.探尋新的菌源預處理方式。
　　系統(tǒng)考察了微波輻射預處理對混合菌源產氫性能的綜合影響。結果顯示:采用微波輻射對牛糞堆肥進行預處理，能夠有效抑制或殺滅嗜氫菌

3、，而保留產氫菌的活性。以20g/L酸解玉米秸稈為底物，利用微波輻射1.5min預處理的牛糞堆肥為菌源，在Na2CO3添加量800mg/L，Fe添加量400mg/L時，產氫量最大，達到144.3ml/g。與其它菌源預處理方式相比，該方法操作安全簡單，能耗低，耗時少，且菌源產氫能力更高。
　　通過AFM，蛋白濃度測定和PCR-DGGE技術研究了微波輻射作用機理在于:微波輻射能夠對菌源中微生物細胞壁造成不同程度的損傷和破壞，進而影響微生

4、物細胞的通透性;此外，微波還能對微生物的基因組DNA造成不同程度的損傷，由此導致對微波輻射敏感的嗜氫菌的失活或殺滅;而主要的產氫菌形成的芽孢具有極強的耐輻射和耐熱能力，短時的微波輻射不會對其造成損傷，產氫菌的活性得以保持。
　　2.從生物制氫反應器中分離得到一株高效兼性厭氧產氫菌。首先對其進行形態(tài)學特征及生理生化特性研究，結合菌株16SrDNA序列分析，確定該菌株的種屬分類。對菌株產氫特性進行研究:菌株Bacillussp.FS2

5、011能利用多種碳、氮源產氫。以葡萄糖為底物時，最大產氫量為2.26mol/mol。發(fā)酵液的初始pH和培養(yǎng)溫度對菌株產氫活性有影響，初始pH6.98、35℃為該菌種發(fā)酵產氫較為適宜的條件。在單因素實驗的基礎上，采用Plackett-Burman試驗設計法及響應面分析法對菌株Bacillussp.FS2011發(fā)酵產氫條件進行優(yōu)化。首先采用Plackett-Burman試驗設計法篩選出影響菌株產氫的主要因素:葡萄糖濃度、牛肉膏濃度和磷酸緩沖

6、液濃度。在此基礎上，利用最陡爬坡路徑大致確定最大響應區(qū)域，最后利用Box-Behnke試驗設計及響應面法進行回歸分析。結果表明，三個主要因素的濃度變化顯著影響氫氣產量。通過求解回歸方程，確定最優(yōu)產氫條件:當葡萄糖濃度13.52g/L，牛肉膏濃度1.95g/L，磷酸緩沖液濃度19.36mmol/L時，氫氣產量達到理論最大值3079.0ml/L，實際產氫量達到3081.2ml/L。
　　3.對Bacillussp.FS2011中NAD

7、H產氫途徑進行強化。首先，在培養(yǎng)基中使用與葡萄糖結構類似，氧化還原狀態(tài)不同的底物作為碳源進行發(fā)酵產氫試驗，確定FS2011胞內存在NADH產氫途徑。
　　采用丙酮酸脫氫酶系E1抑制劑對菌源產氫過程進行干涉，以期能夠充分發(fā)揮NADH產氫途徑的作用。首先考察了抑制劑濃度對兼性厭氧純菌和混合菌源發(fā)酵產氫量的影響。之后，考察了特定濃度抑制劑的添加對兼性厭氧純菌和混合菌源產氫性能的綜合影響。結果發(fā)現，添加適量的抑制劑能夠有效提高發(fā)酵體系的氫

8、氣產量，同時降低體系中乙酸和丁酸等副產物的生成，降低了后續(xù)發(fā)酵廢水的處理難度。
　　4.從利用生玉米秸稈馴化的生物制氫反應器中分離得到一株能夠在中溫條件下，不經過底物預處理，高效利用生玉米秸稈發(fā)酵產氫的細菌。根據其形態(tài)學特征及生理生化特性，并結合菌株16SrDNA序列分析，確定菌株FS3的種屬分類。
　　菌株Clostridiumsp.FS3能利用多種碳源產氫。以生玉米秸稈和酸解秸稈為底物時，產氫量分別為73.1和75.3m

9、l/g-cornstalk，初步判斷該菌株能夠直接利用秸稈中的半纖維素產氫。在單因素實驗的基礎上，采用響應面分析法對Clostridiumsp.FS3發(fā)酵產氫培養(yǎng)基進行優(yōu)化。利用Box-Behnken試驗設計及響應面分析法進行回歸分析。結果表明，碳酸氫銨、磷酸二氫鉀和營養(yǎng)液的濃度變化能夠顯著影響氫氣產量，通過求解回歸方程得到如下結論:當生玉米秸稈濃度20g/L，碳酸氫銨濃度1.76g/L，磷酸二氫鉀濃度0.91g/L，營養(yǎng)液的添加量為1