光合细菌利用乙酸、丙酸、丁酸产氢的研究

摘要

环境污染和能源危机迫使人类去寻找新的能源，氢气作为一种可再生的清洁能源，备受青睐。传统的制氢方法消耗化石能源，还要产生环境污染，相比之下，生物制氢可以利用大量的废水和废渣等废弃物，在常温、常压下进行，是一项符合可持续发展战略的新技术。 发酵细菌制氢和光合细菌制氢相结合的两步法生物制氢是目前研究热点。第一步，通过发酵细菌在厌氧条件下把复杂的有机物转化为氢气、二氧化碳、挥发性有机酸等；第二步，通过光合细菌利用太阳能把挥发性脂肪酸转化为氢气。乙酸、丙酸和丁酸是发酵细菌制氢的主要代谢产物，本研究采用Rhodopseudomonas capsulata作为菌种，以乙酸、丙酸、丁酸为底物，旨在提高光合细菌产氢量和氢气产率，以期望提高生物制氢技术的产氢能力，降低成本，为此项技术的产业化和推广提供理论和技术指导。 本论文主要研究内容包括：考察影响乙酸、丙酸、丁酸产氢的主要因素；研究了光合细菌利用乙酸、丙酸、丁酸产氢过程中氮消耗、pH变化和氢气浓度的变化，探求了它们之间的关系；优化丙酸和丁酸产氢条件，提高产氢量和氢气产率；采用正交试验优化出产氢量较高的乙酸、丙酸、丁酸混合酸培养基配方。 试验结果表明：菌龄、接种量、底物浓度、pH、金属离子、温度等是影响光合细菌产氢的主要影响因素。光合细菌利用丁酸产氢最佳的菌龄是72h，最优接种量为10%，在此条件下，丁酸产氢的氢气产率为13.4%；当乙酸浓度为40mmol/L时，最佳的氮源浓度为8-9mmol/L，氢气产率达到27.3%；丁酸浓度45 mmol/L时，最佳谷氨酸钠浓度10 mmol/L，氢气产率11.06%；乙酸和丁酸培养基最适pH是6.80，丙酸培养基的pH为7.6～7.7；在34℃下，乙酸产氢量大于30℃，丁酸则相反。 金属离子严重影响Rhodopseudomonas capsulata利用丙酸产氢。Rhodopseudomonas capsulata利用丙酸产氢MgSO4·7H2O的适宜浓度为0.1g/L，超过此浓度会使产氢能力显著下降；MnSO4浓度为2.77mg/L时，单位菌液累计产氢量增加了1.02倍，在此条件下，氢气产率可达到19.59%；在ZnCl2浓度为0.2mg/L产氢量比无ZnCl2配方增加了2.5倍，氢气产率达到24.73%；CuCl2浓度为12.7μg/L条件下，单位菌液累计产氢量达到1395ml，氢气产率增加到19.08%，比无CuCl2配方增加了1.62倍；Ni2+对Rhodopseudomonas capsulata产氢有抑制作用；最适的CoCl2·6H2O浓度为0.1mg/L；Fe3+能明显的提高Rhodopseudomonas capsulata的产氢量，加入5.4mg/L的FeCl3·6H2O使Rhodopseudomonas capsulata的产氢量达到无Fe3+对照组的6.4倍。 对乙酸、丙酸、丁酸产氢过程研究发现光合细菌利用乙酸、丙酸、丁酸的速度是:乙酸>丙酸>丁酸，产氢持续时间是：丙酸>丁酸>乙酸。菌液中氮浓度下降到1mmol/L以下，铵抑制才能解除，产氢开始；在产氢过程中，pH快速上升，随后菌液的pH缓慢下降。 利用均匀设计优化出丙酸产氢培养基的配方：丙酸42mmol/L，谷氨酸钠9mmol/L，NaCl 0.3g/L，MgSO4·7H2O 0.1g/L，其它组分同生长培养基，用此配方，累计产氢量可达1504 ml-H2/L-culture，氢气产率可达到20.57%，高于报道的18.8%，通过直观分析和回归处理得出：谷氨酸钠浓度是影响光合细菌利用丙酸产氢的主要因素，证明通过优化培养基配方可以显著提高产氢量和氢气产率。 通过均匀设计得到丁酸产氢培养基的配方，即丁酸43mmol/L，谷氨酸钠12mmol/L，用此配方我们得到丁酸的氢气产率为23.75%，产氢量2539 ml-H2/L-culture，数学模型解释影响丁酸产氢主要因素是谷氨酸钠浓度。 用正交设计优化得到乙酸、丙酸、丁酸混合酸产氢培养基的配方：乙酸24mmol/L，丙酸7mmol/L，丁酸12mmol/L，谷氨酸钠9mmol/L。在此条件下氢气产率达到15.02%。此结果为下一步继续提高产氢量和氢气产率的工作提供了试验设计的基础，是有意义的探索。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 文献综述

第二章 材料和方法

第三章 影响光合细菌产氢主要因素的研究

第四章 乙酸、丙酸、丁酸光合产氢过程研究

第五章 用均匀设计优化丙酸产氢条件

第六章 利用均匀设计优化丁酸产氢培养基

第七章 正交试验优化乙酸、丙酸、丁酸混合酸培养基配方

第八章 结论和展望

致谢

参考文献

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