B.R3菌株生物制氢系统发酵条件与化学增强技术研究

摘要

厌氧发酵生物制氢技术可将高浓度的有机废水和生物质（如复合固体废弃物、阴沟底泥等）等作为原材料（底物）进行氢气制取，这既可以解决环境问题又能产生氢气，同时由于其反应简单、可持续、稳定产氢、产氢速率高、反应器的设计、操作、管理简单方便等特点而越来越受到世界的关注。
　　本文依据厌氧发酵生物制氢的产氢机理，研究了高效产氢菌种BiohydrogenbacteriumR3 sp.nov（以下简称B.R3）在间歇实验条件下的发酵产氢效能，以及不同发酵条件（包括起始pH值、温度、生物质底物等）、有机氮源、无机氮源、磷酸盐、以及各种金属离子及其浓度对其产氢发酵效能的影响作用，同时研究了在连续流实验条件下，高效产氢菌种B.R3以糖蜜废水为底物的连续发酵产氢效能。研究结果表明:
　　起始pH值和温度对细胞生长和产氢量具有较明显的影响，与国内外学者的研究结果相比，当起始pH值为5.5时，B.R3的细胞干重和产氢量分别达到最大值0.63 g/L和34.2mmol/L。当温度为30℃时B.R3的细胞干重与比产氢率达到最大值0.66 g/L和1.0145 molH2/mol葡萄糖，此时乙醇和乙酸的产量分别为3067.95 mg/L与2554.57 mg/L，低于或高于这个温度时，产氢率和细胞生长都会受到抑制。
　　B.R3以葡萄糖、绵白糖、白砂糖、红糖、面粉、牛奶、玉米面、淀粉、糖蜜和琼脂分别为底物进行发酵产氢试验的结果表明，当以葡萄糖作为底物时，生物气体和氢气产量较高分别为187.5 mol/L和89.28 mol/L，氢气含量为47.62％，当以面粉、牛奶、玉米粉、淀粉和琼脂作为发酵底物时，B.R3的发酵产氢量极低，然而以牛奶、玉米粉作为底物时，B.R3的氢气含量却相对较高(36.92％和43.75％)。大部分学者的研究结果都显示糖类物质具有较高的产氢能力，而纤维类物质需要经过一定酸处理、碱处理等预处理方式才能被菌种利用产氢，因此不适宜作为生物制氢的底物选择，但是本文认为虽然目前这类物质作为发酵产氢底物时的产氢效率不高，但由于其含有较丰富的碳水化合物从而具有较高的产氢潜力，并且在我国农业大国的国情下，还是十分具有研究价值的，这样既可做到废弃物处理同时也满足了能源物质——H2的生产。
　　纯菌种在连续流条件下进行发酵产氢的研究相对混合菌种而言比较少，且实验时体积相对较小，因此本文以B.R3进行连续流厌氧发酵生物制氢，实验时总体积为20L，实验证明通过控制适宜的实验条件，可实现CSTR反应器连续产氢。实验进行时以有机负荷为4 kgCOD/L·d启动，运行至第23 d时有机负荷降为3kgCOD/L·d，运行至第49 d时有机负荷降低为2kgCOD/L·d，运行过程中氢气产量与含量、末端发酵产物以及有机等随着反应器时间的运行而呈现不同变化。反应器运行1～23 d时氢气产量与含量呈现波动性上升趋势，在这个阶段内当反应器运行至第23 d时气体产量达到最大值24.904 L/d;当反应器运行至第23～48 d时，反应器内的产气量与氢气含量都比较稳定且较高，当反应器运行至第28 d时，产气量达到最大值26.39 L/d;当反应器运行至第49～61 d时，反应器内的产气量与氢气含量都开始下降，当反应器运行至第51d时氢气产量降低到最低值0.90 L/d，随着反应器的继续运行以及NaHCO3的添加，B.R3的产气量与氢气含量缓慢上升趋势。
　　氮元素及对B.R3产氢发酵效能的影响研究结果显示有机氮源对B.R3的生长及产氢效能的促进作用大大高于无机氮源对其的促进作用。酵母粉是较有效的氮源提供者，能够更好的促进B.R3的细胞生长和发酵产氢。无机氮源对发酵产氢细菌的发酵产氢效能促进作用不明显，因此在培养基中加入有机氮源（尤其是酵母粉）对于提高B.R3的发酵产氢效能是十分必要的。
　　磷元素及对B.R3产氢发酵效能的影响研究结果显示磷酸氢二钾对B.R3的生长及产氢效能都具有良好的促进作用，在反应器内起始pH值为5.5，温度为30℃并且以酵母粉作为氮源时，当磷酸氢二钾浓度为1.5 g/L时，B.R3的生物气体产量、氢气产量以及产氢率都达到最大值，分别为4960 mL/L·培养基，2107.5 mL/L·培养基和1.93 mol H2/mol葡萄糖。磷酸氢二钾对培养基中的pH值具有较好的缓冲作用，当培养基内添加了磷酸氢二钾时其pH值始终维持在3.0～5.0范围内。
　　磷酸盐缓冲溶液对B.R3的发酵产氢效能以及缓冲培养基终pH值同样也具有较良好的促进作用，当磷酸盐缓冲溶液浓度为0.15 mol时，B.R3的生物气体、氢气产量和平均产氢速率分别达到最大值3860 mL/L·培养基，1832.7 mL H2/L·培养基和2.6324 mmolH2/g·cell·h。
　　综合对比NH4HCO3、 NaHCO3、 Na2CO3、 K2HPO4、 KH2PO4、 NaH2PO4和Na2HPO4对B.R3产氢效能的影响，反应器内添加了Na2HPO4与K2HPO4的B.R3的氢气产量与氢气含量达到最高值，分别为1978.56mL/L·培养基、44.1％与2160.9mL/L·培养基、45.8％。
　　金属离子对产氢菌种发酵产氢效能的影响实验表明，在反应器内起始pH值为5.5，温度为30℃并且以酵母粉作为氮源条件下，当CoCl2浓度为0.05mg/L，B.R3的氢气产量达到最大值为205 mL/L·培养基，当添加Fe粉浓度为200 mg/L时，B.R3的氢气产量达到最大值为315mL/L·培养基，当添加Fe2+浓度为40 mg/L时，B.R3的氢气产量达到最大值为281mL/L·培养基，当添加Cu2+浓度为0.03 mg/L时，B.R3产氢量达到最大值192mL/L·培养基，当添加Zn2+浓度为0.2 mg/L时，B.R3产氢量达到最大值144.2 mL/L·培养基。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 氢能与生物制氢技术

1．2．1 氢能的研究现状

1．2．2 发酵法生物制氢研究

1．3 厌氧发酵产氢机理

1．3．1 发酵法生物制氢的经典发酵类型

1．3．2 影响发酵制氢系统产氢能力的生态因子

1．4 糖蜜废水

1．4．1 糖蜜组成成分

1．4．2 糖蜜利用现状

1．5 本课题的来源、目的、意义及主要研究内容

1．5．1 课题来源

1．5．2 目的与意义

1．5．3 研究内容与创新性

2 试验装置、材料与方法

2．1 试验装置

2．1．1 间歇试验装置

2．1．2 连续流试验装置

2．2 实验材料与方法

2．2．1 试验菌种

2．2．2 CSTR反应器运行时的底物

2．2．3 实验方法

2．3 理化项目分析与方法

2．3．1 氢气含量的测定

2．3．2 液相末端发酵产物的测定

2．3．3 产氢微生物细胞干重的测定

2．3．4 氧化还原电位的测定

2．3．5 葡萄糖含量的测定

3 纯培养发酵生物制氢系统的建立

3．1 B．R3形态学与生理生化特性分析

3．1．1 B．R3形态学与生理生化分析项目与方法

3．1．2 B．R3形态学与生理生化鉴定

3．2 B．R3产氢特性与调控

3．2．1 不同起始pH值对B．R3产氢效能的影响

3．2．2 不同温度对B．R3产氢效能的影响

3．2．3 不同底物对B．R3产氢效能的影响

3．3 以糖蜜废水为底物的产氢生态系统的建立

3．3．1 反应器运行过程中B．R3产氢效能的变化

3．3．2 反应器运行过程中液相末端发酵产物与pH值的变化

3．3．3 反应器运行过程中COD去除率的变化

3．3．4 反应器运行过程中氧化还原电位的变化

3．4 本章小结

4 生物制氢发酵系统的氮素、磷素调控

4．1 氮对生物制氢菌种生长的影响与产氢效应

4．1．1 氮素循环

4．1．2 有机氮源对B．R3产氢的影响

4．1．3 无机氮源对B．R3发酵产氢的影响

4．2 磷对生物制氢菌种生长的影响与产氢效应

4．2．1 磷的功能

4．2．2 K2HPO4对菌株B．R3发酵产氢效能的影响

4．2．3 磷酸盐缓冲溶液(PBS：K2HPO4+KH2PO4)对B．R3产氢发酵的影响

4．3 磷酸盐与碳酸盐对B．R3产氢发酵效能的影响

4．3．1 磷酸盐和碳酸盐对B．R3产氢效能的影响

4．3．2 磷酸盐和碳酸盐对B．R3液相末端产物及pH值的影响

4．3．3 磷酸盐和碳酸盐对B．R3葡萄糖利用率和细胞干重的影响

4．4 本章小结

5 生物制氢发酵系统的金属盐类调控

5．1 钴对生物制氢菌种发酵产氢效能的影响

5．1．1 不同浓度Co2+对B．R3产氢效能的影响

5．1．2 不同浓度Co2+对B．R3细胞浓度与葡萄糖利用率的影响

5．1．3 不同浓度Co2+对B．R3液相末端发酵产物和pH值的影响

5．2 铁对生物制氢菌种生长的影响与产氢效应

5．2．1 不同浓度Fe粉和Fe2+对B．R3产氢与生长效能的影响

5．2．2 不同浓度Fe粉和Fe2+对B．R3液相末端发酵产物的影响

5．3 铜对生物制氢菌种生长的影响与产氢效应

5．3．1 不同浓度Cu2+对B．R3产氢效能的影响

5．3．2 不同浓度Cu2+对B．R3细胞生长的影响

5．3．3 不同浓度Cu2+对B．R3液相末端发酵产物与pH值的影响

5．4 锌对生物制氢菌种发酵产氢效能的影响

5．4．1 不同浓度Zn2+对B．R3氢气产量与含量的影响

5．4．2 不同浓度Zn2+对B．R3液相末端发酵产物与pH值的影响

5．4．3 不同浓度Zn2+对B．R3细胞生长与葡萄糖消耗的影响

5．5 不同金属离子对生物制氢菌种生长的影响与产氢效应

5．5．1 金属离子对菌株B．R3氢气产量的影响

5．5．2 金属离子对菌株B．R3细胞干重及葡萄糖利用率的影响

5．5．3 金属离子对菌株B．R3液相末端发酵产物及pH值的影响

5．6 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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