光合細(xì)菌連續(xù)制氫工藝及相關(guān)機(jī)理研究.pdf

1、本論文是在國家自然科學(xué)基金項目“太陽能光合生物制氫體系及其光譜耦合特性研究”(項目編號：50476087)和國家“863”計劃項目“中小型太陽能光合生物制氫系統(tǒng)及生產(chǎn)性運行研究”(項目編號：2006AA05Z119)的資助下完成的。 能源短缺以及能源生產(chǎn)、消費引起的環(huán)境污染問題已經(jīng)成為2l世紀(jì)人類面臨的最嚴(yán)重的兩大難題。從能源安全和環(huán)境保護(hù)角度考慮，開發(fā)可再生的綠色能源，構(gòu)筑新的能源體系是實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的必然選擇，積極發(fā)

2、展可再生能源也已成為全世界共識。用可再生能源全面取代化石能源，進(jìn)行一場新的工業(yè)革命，才能從根本上解決世界經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的問題。 生物法制氫，以其清潔、不需要消耗礦物資源等突出優(yōu)點，受到許多國家的重視。光合細(xì)菌產(chǎn)氫過程將氫氣的生成與有機(jī)物的轉(zhuǎn)化、光能的利用結(jié)合在一起，具備將太陽能和可再生的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氫能的功能。光合細(xì)菌產(chǎn)氫(特別是混合光合細(xì)菌菌群產(chǎn)氫)的生化反應(yīng)機(jī)理和代謝途徑相當(dāng)復(fù)雜，有待于長期、深入的研究，但對宏觀過程的表達(dá)和

3、實驗數(shù)據(jù)的研究，對于光合微生物制氫工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，具有一定的實際意義。 本文從光合細(xì)菌混合菌種的有關(guān)特性研究入手，進(jìn)行了生物制氫系統(tǒng)和工藝方法的探索，為光合生物制氫技術(shù)走向工業(yè)化提供理論依據(jù)和思路。主要研究結(jié)果： l.本文系統(tǒng)地研究了光合細(xì)菌混合菌種的相關(guān)特性，得到如下結(jié)論： 混合菌種為兼性厭氧菌群，單純的生長培養(yǎng)無需刻意考慮氣體環(huán)境，不需進(jìn)行通氣操作；產(chǎn)氫過程對氧氣敏感，需要嚴(yán)格厭氧條件，應(yīng)在產(chǎn)氫培養(yǎng)之初用C

4、O2氣體吹脫除去反應(yīng)器內(nèi)的空氣。 無論在生長還是在產(chǎn)氫階段，混合菌種對光照度變化的敏感性都不是特別強(qiáng)，光照度1000Lux左右比較合適。光照度越高，細(xì)菌或色素物質(zhì)“貼壁”現(xiàn)象出現(xiàn)得越快且嚴(yán)重，形成濃重的紅色遮光層，阻擋光線的穿透，不利于光合細(xì)菌對光的獲取。 混合菌種具有良好的環(huán)境適性和穩(wěn)定性，非常有利于工業(yè)化的應(yīng)用?；旌暇N既可耐受溫度、光照較大幅度變化，又能耐受雜菌污染的干擾，產(chǎn)氫和生長活性穩(wěn)定。 混合菌種在本

5、實驗設(shè)定的培養(yǎng)條件下，生長曲線接近直線，生長方式特別。初始濃度越高，光合細(xì)菌的增殖速率越快，但是，接種量小的培養(yǎng)液中，細(xì)胞的比增殖率高于接種量大的培養(yǎng)液。 光合細(xì)菌產(chǎn)氫屬于非生長關(guān)聯(lián)型發(fā)酵，產(chǎn)氫開始后，細(xì)胞逐漸衰亡。需采用專門進(jìn)行光合細(xì)菌生長培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器，為專門進(jìn)行產(chǎn)氫發(fā)酵的光生物反應(yīng)器提供生產(chǎn)菌種。 光合細(xì)菌利用葡萄糖產(chǎn)氫的過程中，存在著產(chǎn)酸代謝途徑，pH最低可達(dá)5.0以下；產(chǎn)氫現(xiàn)象開始后，培養(yǎng)液由紅色變?yōu)榛野咨?/p>

6、，其特征峰也逐漸消失，可能是代謝過程中還原作用或氫氣的直接作用，改交了光合細(xì)菌色素物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，這些色素物質(zhì)的變化與培養(yǎng)液p玨的改變無直接關(guān)系。 以葡萄糖為產(chǎn)氫底物、接種量為10％～20％時，產(chǎn)氫培養(yǎng)液的產(chǎn)氫效果比較理想。3％的葡萄糖濃度是光合細(xì)菌混合菌種產(chǎn)氫的最佳濃度。分批添加葡萄糖，能改善培養(yǎng)液中的光合細(xì)菌增殖作用，其細(xì)胞增殖幅度較大且維持時聞長，但產(chǎn)氫量明顯低于對照組。 2.自行研制了一套適合光合細(xì)菌連續(xù)培養(yǎng)的新型光

7、生物反應(yīng)器--活塞流循環(huán)連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)。反應(yīng)器采用了柱狀罐體，其直徑240mm，高800mm，罐體內(nèi)部加裝一個(底端封閉，頂端開口)透鹱有機(jī)玻璃管，并與反應(yīng)器的上端蓋固定在一起，用于布置照明光纖并使反應(yīng)罐內(nèi)形成環(huán)形結(jié)構(gòu)；分別在反應(yīng)罐底部和頂部的筒壁上切向開口，加裝管道。光合細(xì)菌在連續(xù)倍增培養(yǎng)過程中，生長特性穩(wěn)定(細(xì)胞濃度波動小于4％)，適合進(jìn)行回流連續(xù)培養(yǎng)，回流連續(xù)培養(yǎng)方法具有可行性。 3.進(jìn)行了光合細(xì)菌連續(xù)培養(yǎng)過程運行參數(shù)的探討

8、?；钊餮h(huán)連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)的最佳運行模式為：新鮮培養(yǎng)基流量等于回流培養(yǎng)液的流量(相當(dāng)于50％的菌種)，培養(yǎng)時間為特定初始濃度下的倍增時間，產(chǎn)量即為培養(yǎng)基的流量。 4.對連續(xù)制氫反應(yīng)器及制氫系統(tǒng)進(jìn)行了分析探討，設(shè)計了活塞流式光生物反應(yīng)器，并就其連續(xù)產(chǎn)氫生產(chǎn)工藝相關(guān)問題進(jìn)行初步研究。 確定了小型活塞流連續(xù)制氫系統(tǒng)的主要運行參數(shù)：菌種培養(yǎng)階段的初始OD660值為0.56，生長培養(yǎng)基、菌種回流和產(chǎn)出生產(chǎn)菌種的流量均為0.21L/h

9、，菌種循環(huán)連續(xù)培養(yǎng)反應(yīng)器的水力滯留時間為56小時；產(chǎn)氫階段的接種比例為l：l，即產(chǎn)氫培養(yǎng)基的流量為0.21L/h。 連續(xù)產(chǎn)氨系統(tǒng)的平均產(chǎn)氫量為2.68L/L，達(dá)到分批制氫的86.5％，系統(tǒng)的平均產(chǎn)氫速率為1.1506L/h，產(chǎn)氫速率的波動幅度在2.2％以內(nèi)。 5.在光合細(xì)菌產(chǎn)氫產(chǎn)氫過程中，氣體生成物H2和CO2對反應(yīng)進(jìn)程具有明顯盼反饋抑制作用，降低反應(yīng)器頂空壓力，可以有效地降低各種氣體成分的分壓，進(jìn)而降低它們在反應(yīng)液中的