光合細菌利用低分子有機酸產(chǎn)氫的試驗研究.pdf

1、氫能由于高效、可再生以及無污染的特性，被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ奈磥砟茉础Ｍ瑐鹘y(tǒng)產(chǎn)氫方法相比，生物制氫方法對發(fā)展清潔高效的可再生能源和減少環(huán)境污染具有重要意義，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。目前，生物產(chǎn)氫的研究主要分為發(fā)酵和光合兩種方法。由于發(fā)酵產(chǎn)氫過程中產(chǎn)生的低分子有機酸(VFAs)不能進一步有效的分解，而且這些低分子有機酸的累積在一定程度上阻礙了產(chǎn)氫底物的充分有效地利用。光合細菌能夠利用這些低分子有機酸產(chǎn)氫。因而將光合細菌和發(fā)酵細菌耦合產(chǎn)氫是理想

2、的產(chǎn)氫選擇。其中，光合細菌利用低分子有機酸產(chǎn)氫是耦合法產(chǎn)氫的關(guān)鍵步驟。 本文主要研究光合細菌沼澤紅假單胞菌Rh.PalustrisZ02利用這些低分子有機酸，如乙酸、丙酸、丁酸和乳酸等，進行光合產(chǎn)氫的試驗研究。由于菌體是生物產(chǎn)氫過程中的關(guān)鍵因素，因而本文對光合細菌利用低分子有機酸的生長特性進行了研究。通過對比確定了修正的Gompertz模型作為光合細菌利用低分子有機酸生長的動力學(xué)模型。并對影響光合細菌的生長因素進行了試驗研究。結(jié)

3、果表明在pH7.0、溫度30℃和光強2300lux是光合細菌Rh.PalustrisZ02最適宜的生長條件。 微生物反應(yīng)動力學(xué)是研究各種環(huán)境因素與微生物代謝活動之間相互作用隨時間變化的規(guī)律。因而反應(yīng)過程的參數(shù)對產(chǎn)氫研究是很重要的。本文建立了利用VFAs產(chǎn)氫過程中的菌體生長、產(chǎn)物形成、有機酸消耗、反應(yīng)液pH變化以及有機酸降解等反應(yīng)動力學(xué)模型，并進行了試驗驗證。同時通過試驗發(fā)現(xiàn)有機酸為產(chǎn)氫抑制性底物，所以在Monod方程基礎(chǔ)上進行修

4、正，得到有機酸抑制的反應(yīng)動力學(xué)方程(Andrew底物抑制模型)，并通過試驗驗證了模型的可靠性。 利用響應(yīng)曲面法確定出適合光合細菌利用低分子有機酸的產(chǎn)氫條件。結(jié)果得到最佳產(chǎn)氫條件為pH7.0、溫度30℃和光強6700lux，菌體有最大的產(chǎn)氫率1.90molH2/mol乙酸、2.38molH2/mol丙酸、3.02molH2/mol丁酸和1.75molH2/mol乳酸。同時通過ANOVA分析發(fā)現(xiàn)，溫度和pH具有相關(guān)性，而光強與pH和

5、溫度不偶聯(lián)，所以光強可以作為產(chǎn)氫的獨立影響因子進行單獨研究。由于碳酸鹽的缺乏會限制有機酸的利用和產(chǎn)氫，所以針對不同濃度NaHCO3對Rh.PalustrisZ02利用有機酸產(chǎn)氫的影響進行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)光合細菌Rh.PalustrisZ02利用丙酸和丁酸產(chǎn)氫時需要NaHCO3作為電子受體。本文還研究了抑制光合細菌產(chǎn)氫的兩大因素：氧以及氨氮，結(jié)果表明NH+4對于光合細菌利用低分子有機酸產(chǎn)氫的抑制是一貫的；大量O2的存在抑制光合產(chǎn)氫，而微量

6、的O2可以促進產(chǎn)氫。當以氬氣和微量的氧混合時達到最大產(chǎn)氫率。 進一步研究了有機酸濃度對光合細菌Rh.PalustrisZ02產(chǎn)氫的影響，主要對累積產(chǎn)氫量、產(chǎn)氫率和氫轉(zhuǎn)化率幾個指標進行探討，并對這幾個指標進行了試驗研究和分析，分別建立以有機酸濃度為變量的累積產(chǎn)氫量、產(chǎn)氫率和氫轉(zhuǎn)化率的數(shù)學(xué)模型，同時通過數(shù)學(xué)模型和試驗數(shù)據(jù)的分析確定了氫轉(zhuǎn)化率適合作為衡量不同有機酸不同濃度時菌體產(chǎn)氫能力的指標。結(jié)果表明試驗范圍內(nèi)有機酸濃度對光合產(chǎn)氫的影

7、響很大，過高濃度的有機酸對產(chǎn)氫有明顯的抑制作用，產(chǎn)氫過程中這幾種低分子有機酸均各自存在著一個最佳的產(chǎn)氫濃度值。并通過對數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)三種低分子有機酸達到各自產(chǎn)氫時最佳有機酸濃度值的大小順序分別為：乙酸＞丙酸＞丁酸。這說明丁酸濃度對產(chǎn)氫的影響作用要大于乙酸和丙酸。本文除對單一有機酸產(chǎn)氫的研究外，同時還進行了混合酸產(chǎn)氫的研究。由于乙酸和丁酸是發(fā)酵法產(chǎn)氫能力的指標也是發(fā)酵產(chǎn)氫的主要液相產(chǎn)物，所以本文對混合有機酸產(chǎn)氫的研究主要是集中在乙酸

8、和丁酸混合的光合細菌產(chǎn)氫。而乙酸和丁酸的濃度比直接影響著光合產(chǎn)氫效果，通過響應(yīng)曲面法(RSM)確定最佳的乙酸和丁酸濃度比為3.792，乙酸濃度為0.0383mol/L時，達到最大的氫轉(zhuǎn)化率43.88％。 為了提高光合細菌利用低分子有機酸產(chǎn)氫以及抗環(huán)境因素干擾的能力，對這些低分子有機酸進行了固定化菌體光合產(chǎn)氫特性的試驗研究。結(jié)果表明固定化能提高產(chǎn)氫率，以海藻酸鈉為固定化載體的產(chǎn)氫效果最佳。同時發(fā)現(xiàn)固定化菌體利用有機酸產(chǎn)氫也存在最佳

9、有機酸濃度，固定化菌體產(chǎn)氫的最佳有機酸濃度要高于游離態(tài)的最佳有機酸濃度。對于乙酸、丙酸和丁酸這三種小分子羧酸，其最佳有機酸濃度的大小同樣隨著有機酸碳原子數(shù)的增加而減小，即乙酸(0.043mol/l)＞丙酸(0.029mol/l)＞丁酸(0.022mol/l)。其中乙酸的氫轉(zhuǎn)化率最高，達到65.3％。在利用低分子有機酸所產(chǎn)生氣相成分中，氫氣含量因有機酸類型的不同而不同，并不受有機酸濃度，以及菌體固定化與否的影響。對于乙酸、丙酸和丁酸，氫氣