生物質(zhì)暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產(chǎn)氫的機(jī)理研究.pdf

1、氫能是一種新型高能量密度的清潔能源，利用可以循環(huán)再生的生物質(zhì)進(jìn)行發(fā)酵制氫，是當(dāng)前國內(nèi)外制氫領(lǐng)域的研究熱點和新能源技術(shù)的競爭焦點。本文以富含糖類、淀粉和纖維素的生物質(zhì)為對象，對暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產(chǎn)氫進(jìn)行了機(jī)理研究。研究中采用高溫高壓微波加熱結(jié)合酸堿溶液的預(yù)處理方法，促進(jìn)了纖維素類生物質(zhì)高效水解；在暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產(chǎn)氫工藝中采用混菌技術(shù)，極大地提高了產(chǎn)氫效率，使水葫蘆和稻稈等纖維素類生物質(zhì)的產(chǎn)氫量達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
　　本文利用葡萄

2、糖作為底物、丁酸梭菌(Clostridium butyricum)和沼澤紅假單胞菌(Rhodopseudomonas palustris)分別作為暗發(fā)酵和光發(fā)酵的產(chǎn)氫菌種，進(jìn)行兩階段分批式發(fā)酵產(chǎn)氫的可行性實驗研究。在暗發(fā)酵階段，葡萄糖為20g/1時得到最大產(chǎn)氫率為1.72 mol H2/mol葡萄糖，最大產(chǎn)氫速率為100 ml H2/1/h，主要液相副產(chǎn)物是乙酸和丁酸等小分子有機(jī)酸；在光發(fā)酵階段，暗發(fā)酵尾液被沼澤紅假單胞菌利用繼續(xù)產(chǎn)氫，

3、最大產(chǎn)氫率為4.16 mol H2/mol葡萄糖(10 g/1時得到)，最大產(chǎn)氫速率為118 ml H2/1/h，暗發(fā)酵副產(chǎn)物中90％以上的有機(jī)酸被利用去除。葡萄糖的最大產(chǎn)氫率從暗發(fā)酵階段的1.72 mol H2/mol葡萄糖顯著提高到暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合的5.48 mol H2/mol葡萄糖(10 g/1時得到)。
　　本文以木薯淀粉為對象，對淀粉類生物質(zhì)暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產(chǎn)氫的效果進(jìn)行了實驗研究。在暗發(fā)酵階段，由活性污泥富集培養(yǎng)

4、混合產(chǎn)氫菌種，原木薯淀粉經(jīng)過α-淀粉酶/糖化酶水解后，最大產(chǎn)氫率由240.4 ml H2/g淀粉提高至276.1 ml H2/g淀粉(25 g/1時得到)，最大總產(chǎn)氫速率Roverall由72.5 ml H2/1/h提高至229.3 ml H2/1/h。在光發(fā)酵階段，沼澤紅假單胞菌(Rhodopseudomonaspalustris)作為產(chǎn)氫菌種，最大產(chǎn)氫率和產(chǎn)氫速率分別為131.9 ml H2/g淀粉(10g/1時得到)和16.4 m

5、l H2/1/h。通過暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合，木薯淀粉的最大產(chǎn)氫宰從單純暗發(fā)酵的240.4 ml H2/g淀粉顯著提高到402.3 ml H2/g淀粉(25g/1時得到)。通過響應(yīng)面設(shè)計優(yōu)化暗發(fā)酵階段的反應(yīng)條件、利用固定化光合混菌提高光發(fā)酵階段的產(chǎn)氫效率，淀粉暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合的產(chǎn)氫率可以提高到840mlH2/g淀粉。
　　本文研究了微波加熱/堿堿預(yù)處理方法對稻稈酶水解糖化的影響，以及稻稈水解糖化后進(jìn)行暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合的產(chǎn)氫特性。5

6、0 g/l稻稈在0.5％NaOH溶液中經(jīng)微波140℃加熱15分鐘后，再經(jīng)過纖維素酶水解96小時，還原糖產(chǎn)率為69.3g/100gTVS，為理論值的96.7％。將稻稈水解溶液用于暗發(fā)酵產(chǎn)氫，60 g/1時得到最大產(chǎn)氫率為155 ml H2/g TVS。暗發(fā)酵尾液主要成分是乙酸和丁酸等小分子有機(jī)酸，在光發(fā)酵中被固定化光合混菌進(jìn)一步利用產(chǎn)氫，最大產(chǎn)氫率為328ml H2/gTVS(稻稈為50 g/1時得到).經(jīng)過暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合，稻稈為50

7、g/1時得到最大產(chǎn)氫率463 ml H2/gTVS。
　　本文以水葫蘆為底物，對不同預(yù)處理方法的水解糖化效果進(jìn)行對比，然后對水葫蘆進(jìn)行暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產(chǎn)氫進(jìn)行了理論分析和實驗研究.(1)20 g/1水葫蘆經(jīng)112℃蒸汽加熱15分鐘和420 W微波常壓加熱1分鐘后，再用1.0％NaOH溶液于45℃處理24小時，然后利用纖維素酶水解48小時，還原糖產(chǎn)率為30.57 g/100g TVS。在暗發(fā)酵產(chǎn)氫階段，水葫蘆最大產(chǎn)氫率和產(chǎn)氫速率分

8、別為76.7 ml H2/gTVS(20 g/1時得到)和223.1 ml/1/h(40 g/1時得到)。光發(fā)酵階段最大產(chǎn)氫率為522.6 ml H2/g TVS(水葫蘆為10 g/1時得到)。經(jīng)過暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合，水葫蘆的產(chǎn)氫率由暗發(fā)酵階段的76.7ml H2/g TVS顯著提高到596.1 ml H2/g TVS(10 g/1時得到)。(2)20 g/1水葫蘆置于1.0％硫酸溶液中用微波于140℃(壓力為0.2-0.6 MPa)加

9、熱15分鐘，然后用纖維素酶水解72小時，水葫蘆的還原糖產(chǎn)量為64.4 g/100g TVS，為理論值的96.1％。將預(yù)處理后的水葫蘆進(jìn)行暗發(fā)酵，得到的產(chǎn)氫率為112.3 ml H2/g TVS。光發(fā)酵產(chǎn)氫率可達(dá)639.3 ml H2/g TVS。暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合后，水葫蘆的產(chǎn)氫率最高可達(dá)751.5ml H2/g TVS。(3)最后，利用兩臺串聯(lián)的5升發(fā)酵罐對水葫蘆進(jìn)行了暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產(chǎn)氫的半連續(xù)流中間試驗，兩段總產(chǎn)氫率達(dá)到335.