光发酵细菌Rhodopseudomonas faecalis RLD-53产氢效能与强化机制研究

摘要

环境污染和能源短缺促使人类寻找和使用清洁可再生能源。氢气是一种高效环保的能源载体，在降低环境污染和减少温室气体排放过程中发挥重要作用。光发酵生物制氢利用太阳能处理有机废水，生产理想可再生的清洁能源，是最具应用前景的产氢工艺。虽然光发酵产氢具有较高的产氢理论值，但是在连续流产氢反应器尤其是大规模的连续流产氢反应器中，产氢效率较低，是实现光发酵生物制氢产业化过程中面临的瓶颈问题。
　　光发酵连续流产氢物质流分析表明，光发酵细菌Rhodopseudomonas faecalis RLD-53凝集性能差，不能与出水有效分离，生物量不断流失，在连续流稳态运行过程中，大量的有机碳源不断被用于细胞生长以补充流失的生物量维持反应器中的细胞浓度，而不是用于产氢，导致光发酵产氢反应器最大氢气产率仅为1.89mol H2/mol乙酸。因此，光发酵细菌R. faecalisRLD-53凝集性能差造成大量的有机碳源用于细胞生长，是光发酵连续流产氢效能低下的关键节点。利用膜分离技术将处于高效产氢阶段的光发酵细菌R. faecalisRLD-53完全截留在光发酵膜生物产氢反应器中，在前四个周期的运行过程中，平均氢气产率达到3.02mol H2/mol乙酸。然而，菌种衰亡导致产氢效率迅速下降。此外，膜生物产氢反应器需要消耗相当一部分的能源用于膜分离，降低了体系净产能，随着膜污染的发生，能源消耗进一步升高。
　　针对传统细胞固定化技术的缺点和光发酵产氢对固定化载体的特殊要求，采用活性碳纤维作为适用于光发酵细菌固定化的流化载体。在活性碳纤维比表面积1500m2/g，长度为1mm，用量为0.8g/L时，固定化产氢效果最佳到达3.05mol H2/mol乙酸。与传统载体相比，活性碳纤维处于流化状态，每个固定化在活性碳纤维上的细菌都可以接收到光照并利用底物产氢。根据活性碳纤维载体的流化和沉淀特性，设计运行了光发酵序批式产氢反应器，优化并确定反应器运行的主控参数。在水力停留时间为144h，进水底物浓度为60mmol/L时获得最佳的产氢效果，氢气产率和产氢速率分别达到690mL/L/d和3.12mol H2/mol乙酸。为了进一步增强载体的固定化产氢效果，通过硝酸-汽爆联合对活性碳纤维进行表面改性。改性后的活性碳纤维表面布满了突起粗糙度增加，表面含氧官能团增多，光发酵细菌R. faecalisRLD-53固定化容量升高，在连续流产氢过程中产氢速率和氢气产率明显提高，分别达到722mL/L/d和3.24 mol/mol乙酸。
　　微生物的凝集性能在微生物与出水分离过程中发挥关键作用，为增强光发酵细菌的凝集性能，依据影响微生物凝集性能的各种因素筛选得到选促使 R.faecalis RLD-53凝集的关键因子：L-半胱氨酸和Ca2+。以L-半胱氨酸作为主凝集因子，考察了光发酵细菌R. faecalisRLD-53在不同碳源、氮源、底物浓度和碳氮比条件下的凝集强化产氢特性，实现光发酵细菌R. faecalisRLD-53在凝集状态下的最佳产氢效果。在光发酵细菌R. faecalisRLD-53凝集形成过程中，L-半胱氨酸主要通过形成二硫键促进蛋白的分泌，进而增加胞外聚合物产生；胞外聚合物的增多改变细胞表面元素和官能团，尤其是带电官能团的变化，进而降低了光发酵细菌R. faecalisRLD-53 Zeta电位；光发酵细菌R. faecalisRLD-53接触势垒随着L-半胱氨酸浓度的增加而降低，在1.0g/L时达到最小值，凝集性能最佳达到40.86％。钙离子浓度增加使得体系的离子强度升高，压缩扩散双电层厚度，使得Zeta电位电负性减少，导致静电排斥作用力显著降低，光发酵细菌R. faecalisRLD-53接触势能的能垒大大降低，凝集性能在Ca2+浓度为6mmol/L时达到28.85%。随着搅拌速率的增加，细菌细胞之间有效的碰撞增加，有利于光发酵细菌R. faecalisRLD-53形成絮体，过度的搅拌将产生剧烈的水力剪切作用，将破坏光发酵絮体的结构，凝集性能降低。根据光发酵细菌R. faecalis RLD-53凝集强化产氢特性，考察了光发酵细菌R. faecalisRLD-53絮体在序批式产氢反应器中的产氢效能。在最佳产氢条件 HRT为96h，有机负荷为15mmol/L/d，光照强度为200W/m2时，光发酵凝集强化产氢速率达到1043mL/L/d，氢气产率达到3.35mol H2/mol乙酸。
　　为强化光发酵细菌R. faecalisRLD-53对复杂有机质的利用和转化，针对传统耦合产氢模式操作繁琐和两类细菌生长代谢速率不匹配的问题，依据暗发酵细菌Ethanoligenens harbinenseB49与光发酵细菌R. faecalisRLD-53的生长与产氢动力学特征设计了暗-光发酵一体式产氢反应器，使得暗发酵细菌与光发酵细菌在空间生态位上相对分离，而代谢底物自由联通。在暗光发酵的最佳体积配比为1:4，磷酸盐浓度为20mmol/L，底物浓度为8g/L和暗光发酵细菌接种比例为1:20时，反应器中挥发酸的积累量明显降低，氢气产率达到4.96mol H2/mol葡萄糖。通过新型暗-光发酵一体式产氢反应器设计运行，优化和调控系统运行参数，建立有效的耦合产氢调控对策，为进一步提高生物产氢能力和生物质梯级利用效率的进一步工程化应用提供理论依据和科学指导。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 光发酵生物制氢

1.3 光发酵连续流产氢工艺

1.4 光发酵连续流产氢强化策略

1.5 暗-光发酵耦合产氢技术

1.6 光发酵生物制氢技术面临的问题

1.7 本论文的研究内容与技术路线

第2章 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.2 试验装置

2.3 试验方法

2.4 分析方法

2.5 试验数据处理与分析方法

第3章 光发酵连续流产氢物质流分析

3.1 引言

3.2 光发酵连续流产氢反应器产氢效能

3.3 光发酵连续流产氢反应器物质流分析

3.4 光发酵膜生物产氢反应器设计运行

3.5 本章小结

第4章 改性活性碳纤维固定化产氢

4.1 引言

4.2 BioF载体固定化光发酵细菌产氢

4.3 活性碳纤维固定化光发酵细菌产氢

4.4 光发酵序批式产氢反应器产氢效能

4.5 固定化载体的表面改性及应用

4.6 光发酵细菌载体固定化产氢性能的比较

4.7 本章小结

第5章光发酵细菌R. faecalis RLD-53凝集产氢

5.1 引言

5.2 光发酵细菌致凝集因子筛选

5.3 光发酵细菌凝集强化产氢性能优化

5.4 光发酵细菌凝集机制

5.5 光发酵序批式反应器中凝集强化产氢效能

5.6 光发酵细菌凝集强化产氢的优势

5.7 本章小结

第6章 暗光发酵耦合产氢增强技术

6.1 引言

6.2 暗-光发酵一体式产氢反应器的构建

6.3 不同体积配比对耦合产氢的影响

6.4 磷酸盐对耦合产氢的影响

6.5 不同底物浓度对耦合产氢的影响

6.6 暗光发酵细菌接种比例对耦合产氢的影响

6.7 不同耦合方式产氢效能的比较

6.8 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

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