乙醇型發(fā)酵與電滲析耦合工藝解除產(chǎn)物抑制促進(jìn)產(chǎn)氫.pdf

1、能源短缺和環(huán)境污染已成為制約人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步的兩大全球性的難題。及早進(jìn)行能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，已得到國際社會的共識。作為化石能源的替代品，氫氣以其清潔、高效、可再生的特性日益受到世人的關(guān)注，并引發(fā)了世界范圍內(nèi)研究氫能的熱潮。有機(jī)廢水發(fā)酵法生物制氫具有回收能源和凈化環(huán)境的雙重功效，成為近年來的研究熱點(diǎn)。利用厭氧發(fā)酵微生物代謝作用制取氫氣的過程中普遍存在著產(chǎn)物抑制，使得發(fā)酵法生物制氫的產(chǎn)氫能力遇到瓶頸，難以有所突破。

2、因此，研究產(chǎn)氫發(fā)酵系統(tǒng)中存在的產(chǎn)物抑制，開發(fā)出能夠快速、有效的解除抑制的技術(shù)手段，將提高發(fā)酵法生物制氫工藝的產(chǎn)氫速率，優(yōu)化產(chǎn)氫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定產(chǎn)氫的目的，達(dá)到環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。
　　本文以乙醇型發(fā)酵的代表菌株——高效產(chǎn)氫發(fā)酵細(xì)菌 E.Harbinese B49為研究對象，考察了產(chǎn)氫發(fā)酵過程中液相末端產(chǎn)物——乙酸和乙醇，對底物利用、細(xì)胞增殖和產(chǎn)物合成的影響。外加乙酸對E. harbinese B49的產(chǎn)氫抑制作用顯著。外加

3、乙酸為20mmol/L（液相產(chǎn)物中為34mmol/L）最大產(chǎn)氫速率和比產(chǎn)氫率均下降約30％。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和擬合，建立了E. harbinese B49的非競爭產(chǎn)物抑制模型，對乙酸和乙醇的抑制強(qiáng)度進(jìn)行了量化和比較。利用劑量——反應(yīng)曲線獲得乙酸和乙醇的半抑制常數(shù)分別為62mmol/L和154mmol/L。通過對產(chǎn)物抑制的研究，確定了去除乙酸，解除“發(fā)酵障礙”，提高乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫能力的工程策略。
　　為尋找從發(fā)酵液中高效分離乙酸

4、的方法，利用商品電滲析器對實(shí)際發(fā)酵液進(jìn)行分離試驗(yàn)獲得了理想的分離效果，證實(shí)了雙極膜電滲析技術(shù)從發(fā)酵液中分離乙酸的可行性。根據(jù)研究需要自行設(shè)計(jì)制作小型雙極膜電滲析器進(jìn)行發(fā)酵液中乙酸分離特性研究，考察了電滲析過程中濃縮室、淡化室的乙酸濃度、乙酸收率、葡萄糖擴(kuò)散、pH、乙醇濃度、電流效率等參數(shù)的變化情況。確定以發(fā)酵液的pH值為電滲析分離操作的控制點(diǎn)能夠成功實(shí)現(xiàn)對發(fā)酵液中乙酸濃度的調(diào)控和對葡萄糖的回收。構(gòu)建的雙極膜電滲析工藝能夠快速有效的分離乙

5、酸，提高發(fā)酵液的pH值，并能夠有效回收殘余的葡萄糖。
　　將雙極膜電滲析工藝作為分離單元與發(fā)酵法生物制氫工藝相耦合，構(gòu)建了產(chǎn)氫發(fā)酵與產(chǎn)物分離耦合制氫工藝。耦合工藝與傳統(tǒng)發(fā)酵工藝的間歇產(chǎn)氫對比研究表明從發(fā)酵液中分離乙酸對E. harbinese B49的生長繁殖和產(chǎn)氫發(fā)酵的促進(jìn)作用。耦合制氫工藝能夠解除乙酸的抑制，提高產(chǎn)氫能力，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。從發(fā)酵體系中分離出的乙酸越多，解除產(chǎn)氫抑制作用越明顯，對產(chǎn)氫能力的提高越顯著。根據(jù)E. h

6、arbinese B49可能的產(chǎn)氫發(fā)酵代謝途徑進(jìn)行代謝通量分析也表明解除乙酸抑制與促進(jìn)產(chǎn)氫能力提高的內(nèi)在機(jī)制，乙酸的產(chǎn)量與氫氣產(chǎn)量成正相關(guān)，因此，對乙酸進(jìn)行分離，解除乙酸抑制，是提高產(chǎn)氫量最直接、有效的方法。結(jié)合耦合制氫工藝的運(yùn)行特點(diǎn)，通過耦合制氫工藝的補(bǔ)料產(chǎn)氫試驗(yàn)，探討了運(yùn)行模式對耦合工藝提高產(chǎn)氫效能的影響，表明連續(xù)運(yùn)行模式下產(chǎn)氫能力將獲得進(jìn)一步的提升。對耦合工藝的連續(xù)運(yùn)行模式及其生物反應(yīng)的動力學(xué)模型進(jìn)行了研究，明確耦合工藝的匹配參數(shù)