產氫發(fā)酵類型頂極群落及產物反饋抑制研究.pdf

1、當前，能源短缺及環(huán)境污染問題成為制約我國乃至世界經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，因此，作為化石能源的替代品，可再生清潔能源——氫能日益受到世人的重視，并引發(fā)了世界范圍內研究氫能的熱潮。有人預言，以氫能為基本能源推動社會政治和經(jīng)濟的“氫經(jīng)濟”時代即將到來。在常規(guī)的制氫方法中，均以消耗大量的不可再生的能源為代價,已不再適應社會發(fā)展的需求。而利用厭氧發(fā)酵微生物代謝作用制取氫氣技術具有雙重功效和可持續(xù)的特點，成為近幾年世界各國的研究熱點。
　　本研究旨在

2、以厭氧發(fā)酵法生物制氫技術為中心，對某些困擾生物制氫研究者的問題進行研究：這些問題包括對產氫－產酸發(fā)酵類型的發(fā)酵及產氫能力存在爭議，缺乏量化的比較；產氫能力需進一步提高；混合菌種產氫發(fā)酵動力學模式較少研究，尚無完整的動力學模型供參考；生物制氫反應器仍停留在“黑箱操作”階段，對微生物群落的結構和功能缺乏了解；一些重要的影響因子如產物反饋抑制的影響及模式缺乏研究，抑制濃度尚無定量化的結果。本研究即針對以上研究的不足，結合生物制氫反應器運行中所

3、遇到的問題展開。目的是針對這些關鍵因素，解決發(fā)酵法制氫遺留的一些問題，并對采用新興技術手段解析反應器內微生物的結構與功能方面作出了探索，同時完善產氫發(fā)酵理論，為工程應用提供理論基礎和技術支持。
　　采用控制初始啟動條件的方法，分別在27d和30d成功的實現(xiàn)了丁酸型發(fā)酵和乙醇型發(fā)酵的快速啟動，在相同的進水負荷和水力停留時間下得到乙醇型21.2mol/kgVSS·d和丁酸型11.1mol/kgVSS·d的比產氫速率，前者為后者的1.9

4、倍；維持丁酸型發(fā)酵的耗堿量為乙醇型的7倍；乙醇型發(fā)酵在運行中不易發(fā)生轉化，具有高的產氫穩(wěn)定性，而丁酸型極易發(fā)生轉化，產氫穩(wěn)定性差。在高進水負荷下，乙醇型發(fā)酵得到最大產氫率6.1m3·m-3·d-1，丁酸型發(fā)酵得到最大產氫率4.2m3·m-3·d-1，乙醇型出現(xiàn)崩潰時的負荷比丁酸型高出26kgCOD·m-3·d-1左右，前者更容易實現(xiàn)高負荷運行和高產氫率，證實了乙醇型發(fā)酵產氫具有顯著的優(yōu)越性。
　　通過小型間歇產氫試驗，確定了半胱氨

5、酸的最佳投加濃度為0.1g/L。通過連續(xù)流試驗，確立了在進水中投加半胱氨酸同時直接向反應器內投加 Fe2＋的產氫強化策略，產氫能力短時間內在原來的基礎上可提高18％左右。并通過對脫氫酶和氫化酶的活性的測定，分析認定產氫能力增強的主導因素為細菌酶活性的增強。
　　分別確立了碳水化合物（還原糖）乙醇型和丁酸型發(fā)酵的微生物增殖、氫氣生成和基質利用動力學模型，并對模型參數(shù)進行了推導，得出的動力學參數(shù)值為乙醇型：KS：2.7907g·L-1

6、、μmax：0.0030h-1、Yp/x：8.3570mL·g-1、Yx/s：0.0268、m：0.0115 h-1、Yp/s：332.3740mL·g-1；丁酸型：KS：2.5448g·L-1、μmax：0.0032 h-1、Yp/x：5.9150mL·g-1、Yx/s：0.0350、m：0.0114 h-1、Yp/s：303.7646mL·g-1。理論數(shù)據(jù)和實驗值的擬合良好，較好的反映了產氫發(fā)酵混合菌種的增殖、產物生成和底物(還原糖

7、)消耗的變化規(guī)律，可以模擬發(fā)酵過程操作。
　　利用熒光原位雜交技術（Fluorescence In Situ Hybridization，F(xiàn)ISH）跟蹤監(jiān)測了發(fā)酵類型頂極轉化過程中產氫關鍵菌的變化動態(tài)，這三類菌是Enterobacteriaceae、Clostridium histolyticum和Clostridium lituseburense，得出了這三類菌在演替過程中豐度的變化。結果表明，三者的數(shù)量同菌群的產氫能力存在密切

8、關聯(lián)，并分析了這三類菌在制氫反應器內的相互關系和在各發(fā)酵類型中所占有的地位，這項研究為進一步探明生物制氫反應器的群落結構與產氫能力關系以實現(xiàn)微生物群落的調控奠定了基礎。
　　對產氫發(fā)酵過程液相產物反饋抑制作用進行了考察和量化分析，發(fā)現(xiàn)不同液相產物對菌群存在不同程度的抑制。對于乙醇型HPFB，乙醇對發(fā)酵產氫的抑制作用不明顯，而乙酸對菌群的發(fā)酵產氫有較明顯的影響，外加乙酸濃度為15～20mmol·L-1時，菌群發(fā)生代謝流量的改變，產氫

9、受到過程造成抑制；外加25～30mmol·L-1代謝進程受到抑制，產物總量大幅減少。對于丁酸型HPFB，丁酸和乙酸對菌群的發(fā)酵產氫均有明顯抑制，外加丁酸和乙酸濃度分別為10～15mmol·L-1和15～20mmol·L-1時，菌群發(fā)生代謝流量的改變，產氫受到抑制；外加丁酸和乙酸20mmol·L-1和25mmol·L-1時代謝進程受到抑制，產物總量大幅減少。乙酸和丁酸僅易引起系統(tǒng)pH值的下降，而且產物本身可使菌群代謝流量發(fā)生改變，阻遏產氫