微藻生物質(zhì)暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產(chǎn)氫氣以及聯(lián)產(chǎn)甲烷的機(jī)理研究.pdf

1、化石燃料的過度利用導(dǎo)致了日趨嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境污染。氫氣的能量密度高、燃燒產(chǎn)物清潔，是一種理想的二次能源載體。利用可再生的生物質(zhì)為原料通過發(fā)酵的方法制取氫氣已經(jīng)成為國內(nèi)外制氫領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。微藻具有光合作用效率高、生長迅速、分布廣泛等特點(diǎn)，是一種具有大規(guī)模能源化應(yīng)用潛力的生物質(zhì)原料。本文以微藻生物質(zhì)為研究對象，對其暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產(chǎn)氫氣以及聯(lián)產(chǎn)甲烷進(jìn)行機(jī)理研究，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)成分的高效分級利用，大幅度提高氫氣產(chǎn)率和能量轉(zhuǎn)化效率。

2、　　本文以微藻生物質(zhì)中的典型蛋白質(zhì)組分谷氨酸為原料，對谷氨酸的暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產(chǎn)氫氣聯(lián)產(chǎn)甲烷的可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在暗發(fā)酵、光發(fā)酵和甲烷發(fā)酵中使用的菌種均分離和富集于厭氧消化污泥，分別為混合產(chǎn)氫細(xì)菌、混合光合細(xì)菌和混合產(chǎn)甲烷細(xì)菌。在暗發(fā)酵階段，谷氨酸可以被產(chǎn)氫細(xì)菌有效的利用和發(fā)酵產(chǎn)生大量的可溶代謝產(chǎn)物但是卻很難產(chǎn)生氫氣。暗發(fā)酵尾液中的主要代謝產(chǎn)物為乙酸、丁酸以及銨離子，由于高濃度的銨離子會顯著抑制后續(xù)的光發(fā)酵產(chǎn)氫氣，需要在光發(fā)酵之前

3、去除尾液中的銨離子。沸石是一種廉價(jià)、可再生的天然資源，可以通過高效的離子交換去除溶液中的銨離子。經(jīng)過沸石處理之后，尾液中的銨離子濃度由處理之前的36.7mM顯著降低至3.2mM，銨離子去除率為91.1％。處理后的尾液接種光合細(xì)菌進(jìn)行光發(fā)酵，得到最大氫氣產(chǎn)率為292.9mlH2/g谷氨酸。光發(fā)酵尾液接種產(chǎn)甲烷細(xì)菌進(jìn)行甲烷發(fā)酵，得到最大甲烷產(chǎn)率為102.7mlCH4/g谷氨酸。通過暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產(chǎn)氫氣聯(lián)產(chǎn)甲烷，谷氨酸的能量轉(zhuǎn)化效率由單純

4、產(chǎn)氫氣的18.9％顯著提高至氫氣和甲烷聯(lián)產(chǎn)的40.9％。
　　本文以微藻生物質(zhì)中的典型碳水化合物成分海藻糖為原料，對海藻糖的暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產(chǎn)氫氣聯(lián)產(chǎn)甲烷的可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。海藻糖是一種非還原性二糖，性質(zhì)穩(wěn)定很難水解，只有經(jīng)過預(yù)處理水解為單糖以后才能高效的發(fā)酵產(chǎn)氫氣。海藻糖經(jīng)過微波加熱輔助稀酸預(yù)處理之后接種產(chǎn)氫細(xì)菌進(jìn)行暗發(fā)酵，得到最大氫氣產(chǎn)率為396.2mlH2/g海藻糖。暗發(fā)酵尾液接種光合細(xì)菌進(jìn)行光發(fā)酵，得到最大氫氣產(chǎn)率為

5、335.1mlH2/g海藻糖。光發(fā)酵的尾液接種產(chǎn)甲烷細(xì)菌進(jìn)行甲烷發(fā)酵，得到最大甲烷產(chǎn)率為116.9mlH2/g海藻糖。通過暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產(chǎn)氫氣聯(lián)產(chǎn)甲烷，海藻糖的能量轉(zhuǎn)化效率由單純產(chǎn)氫氣的47.2％顯著提高至氫氣和甲烷聯(lián)產(chǎn)的72.2％。
　　本文以鈍頂節(jié)旋藻為原料，討論和比較了微藻的兩種暗發(fā)酵產(chǎn)氫氣模式:利用外加產(chǎn)氫細(xì)菌的[FeFe]氫酶通過異相暗發(fā)酵產(chǎn)氫氣和利用節(jié)旋藻的[NiFe]氫酶通過自相暗發(fā)酵產(chǎn)氫氣。在異相暗發(fā)酵中，經(jīng)過

6、超聲波破碎和酶水解之后的節(jié)旋藻可以被產(chǎn)氫細(xì)菌高效利用，在節(jié)旋藻濃度為20g/l得到最大的氫氣產(chǎn)率為92.0mlH2/g DW。在自相暗發(fā)酵中，當(dāng)節(jié)旋藻濃度由1g/l提高到20g/l時(shí)，最大氫氣產(chǎn)率由51.4mlH2/g DW大幅度降低至11.0mlH2/g DW。在較高的節(jié)旋藻濃度條件下(20g/l)，異相暗發(fā)酵的產(chǎn)氫峰值速率和最大氫氣產(chǎn)率是自相暗發(fā)酵的110.0倍和8.4倍。因此在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，微藻生物質(zhì)應(yīng)選用異相暗發(fā)酵產(chǎn)氫氣的模式。

7、節(jié)旋藻經(jīng)過微波加熱輔助稀酸預(yù)處理和酶水解可以有效的促進(jìn)生物質(zhì)的水解和強(qiáng)化暗發(fā)酵產(chǎn)氫氣，隨后利用沸石去除暗發(fā)酵尾液中的銨離子可以實(shí)現(xiàn)高效的光發(fā)酵產(chǎn)氫氣。通過暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產(chǎn)氫氣，節(jié)旋藻的最大氫氣產(chǎn)率大幅度提高至337.0mlH2/g DW。
　　本文以海洋微擬球藻為原料，討論和比較了三種微藻生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)氫氣和甲烷的方法:
　　(1)暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產(chǎn)氫氣聯(lián)產(chǎn)甲烷;
　　(2)暗發(fā)酵產(chǎn)氫氣聯(lián)產(chǎn)甲烷;
　　(3)

8、直接發(fā)酵產(chǎn)甲烷。
　　微擬球藻通過微波加熱輔助稀硫酸預(yù)處理之后接種產(chǎn)氫細(xì)菌進(jìn)行暗發(fā)酵產(chǎn)氫氣。在暗發(fā)酵中產(chǎn)氫細(xì)菌對大部分經(jīng)過預(yù)處理水解生成的氨基酸的消耗時(shí)間大約是還原糖消耗時(shí)間的兩倍。微擬球藻通過暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產(chǎn)氫氣聯(lián)產(chǎn)甲烷得到的最大氫氣產(chǎn)率為161.3mlH2/g TVS，最大甲烷產(chǎn)率為183.9mlCH4/g TVS，整體能量轉(zhuǎn)化效率為暗發(fā)酵產(chǎn)氫氣聯(lián)產(chǎn)甲烷的1.7倍、直接產(chǎn)甲烷的1.3倍。
　　本文以蛋白核小、球藻為原

9、料，研究了多種預(yù)處理方式對微藻生物質(zhì)暗發(fā)酵產(chǎn)氫氣的影響。經(jīng)過蒸汽加熱輔助稀酸和微波加熱輔助稀酸預(yù)處理能夠顯著促進(jìn)小球藻的水解和暗發(fā)酵產(chǎn)氫氣。通過暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產(chǎn)氫氣聯(lián)產(chǎn)甲烷，小球藻的最大氫氣產(chǎn)率為198.3mlH2/g TVS，最大甲烷產(chǎn)率為186.2mlCH4/g TVS，整體能量轉(zhuǎn)化效率為34.0％。在批次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行了小球藻的半連續(xù)流發(fā)酵產(chǎn)氫氣的實(shí)驗(yàn)研究。通過長時(shí)間小球藻馴化得到的復(fù)雜產(chǎn)氫細(xì)菌菌群比之前通過葡萄糖馴化得

10、到的簡單菌群更能適應(yīng)和高效利用小球藻生物質(zhì)的各個(gè)成分，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的發(fā)酵產(chǎn)氫氣。為了進(jìn)一步提高生物質(zhì)發(fā)酵的能量轉(zhuǎn)化效率，以小球藻和木薯淀粉為混合原料，研究了碳氮摩爾比對發(fā)酵產(chǎn)氫氣的影響?；旌仙镔|(zhì)在碳氮摩爾比為25.3的條件下得到的最大暗發(fā)酵氫氣產(chǎn)率為276.2mlH2/g TVS，分別是單純用小球藻和木薯淀粉為原料最大氫氣產(chǎn)率的3.7倍和1.8倍。通過暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產(chǎn)氫氣聯(lián)產(chǎn)甲烷，混合生物質(zhì)的最大氫氣產(chǎn)率和甲烷產(chǎn)率分別為664