糖蜜制氢的菌群优化与半连续流工艺研究

摘要

发酵法生物制氢技术是未来解决产氢问题最有潜力的途径之一。这种方法可以利用有机废弃物作为发酵底物，具有广阔的经济效益和除废产能的环境效益，从而吸引了世界越来越多科研人员和企业的关注。基于目前国际上对发酵制氢的研究成果，本文进行的研究对提高产氢得率和发酵法生物制氢技术产业化具有重要的推动作用，如筛选高效产氢菌株并复配，开发多种废水制氢，改进发酵工艺等。本文选用废糖蜜作为底物，通过复配高效产氢菌群，对比批式发酵工艺和连续流发酵工艺，并系统的探讨了复配菌群协同产氢机理和该条件下最佳制氢工艺。主要研究成果如下：
　　本文将选育的两株严格厌氧产氢菌先应用至小样产氢然后在发酵罐中扩大试验，分别研究了发酵液中底物浓度、pH值、细菌接种量、氧化还原电位对产氢性能的影响。得到严格厌氧菌的最佳产氢环境因子；葡萄糖浓度10g/L，培养基pH恒定5.5～6.0，恒温37℃，添加缓冲溶液L-半胱氨酸。该条件下最大发酵产氢得率为1.265molH2/molG。
　　基于两株严格厌氧菌与另一种兼性菌具有相似培养环境且利于优势互补，故将三者复配。兼性菌前期产氢速率快后期减慢，而两种严格厌氧菌的产氢速率从发酵中、后期才缓慢提高，因而复配对协调菌株产氢速率起到积极作用，促进最终产氢得率提高；厌氧菌产氢周期长，且对氧气非常敏感，兼性厌氧菌复配后消耗了发酵环境中的氧气并且降低了发酵产物中的酸类有害成分，为严格厌氧菌提供了更好的生存环境。
　　从未来制氢产业化快速连续制氢角度出发，本文重点讨论了批式发酵工艺和连续流发酵工艺各自的优缺点，并最终发明了发酵罐半连续流制氢工艺。在该工艺下两株严格厌氧菌与一株兼性菌复配产氢达到最佳效果，产氢得率最高达到3.07molH2/mol蔗糖。
　　本文针对半连续流工艺对参数进行优化，得到最佳参数是：糖蜜浓度40g/L、pH为6.5±0.5、缓慢加入糖蜜和培养基的补料方式。发酵罐连续培养3个循环批次后，菌群仍稳定产氢，制氢启动时间缩短3h。该工艺不仅可以节约制氢成本，还能获得较高的COD去除率，其单位底物氢气产量较批式发酵有所提高，达混合产氢中上水平。最终获得最大产氢得率为4.03 mol/mol蔗糖，最大平均产氧速率为4.65L/h。
　　本文还对发酵产物采用反向高效液相色谱进行了成分分析。分别定性和定量检测批式工艺的液相产物，与之对比，半连续流工艺所产生的液相末端产物中乙醇、乙酸含量更多，属于乙醇型发酵，而且在半连续流工艺调控环境因子后乙醇型发酵的特征更加明显，适合产氢菌群的发酵制氢，因而从机理上证明了半连续流工艺优于批式工艺，菌种间的协同作用得到了发挥，进而提高了产氢得率。