生物脱硫中氧化亚铁硫杆菌的固定化及培养基优化研究

摘要

利用含Fe<'3+>离子的氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans)菌液脱除混合气体中的硫化氢，是目前H<,2>S脱除技术的一个研究热点。该工艺一般分为三部分：脱硫、再生和硫磺分离。在再生反应器中，氧化亚铁硫杆菌催化硫酸亚铁氧化为硫酸铁，该反应器的连续、快速进行是整个工艺确立的关键。本文基于该工艺的特点，旨在通过不同的固定化方法来增大细胞密度，从而得到较高的生产能力，为后续的连续化操作提供条件。本文分别从固定化方法、培养基优化和反应器三方面进行了研究。 以海藻酸钙为载体，采用包埋方法对实验室保存活化后的T．f菌进行了固定化研究。在海藻酸钠浓度为2％(W/V)时，基质硫酸亚铁在凝胶内的扩散速率相对较快，通过回归方程计算出其扩散系数为2.183×10<'4> cm<'2>·min<'-1>；而氯化钙浓度对扩散影响不大。在海藻酸钠浓度为2％(W/V)，氯化钙浓度为4％(W/V)的情况下，分析了初始铁离子浓度、活性炭添加量和磷酸氢二钾浓度对Fe<'2+>氧化?速率的影响。结果表明，在初始包埋量为15 g细胞湿重/L凝胶液的情况下，当初始铁浓度为5g/L时，完全氧化所需时间最短为50 h，氧化速率最快为0.27 g·L<'-1>·h<'-1>；初始铁浓度为8g/L和10 g/L时，完全氧化所需时间相同为60 h。活性碳的添加在一定程度上加快了T.f菌的氧化速率，二次转接后最高氧化速率由0.55 g·L<'-1>·h<'-1>升高到0.78 g·L<'-1>·h<'-1>。而磷酸氢二钾会加快Fe<'3+>的水解生成铁钒类沉淀，阻塞海藻酸钙凝胶的孔道，导致载体使用周期变短。 为了减少培养过程中产生的沉淀，分析了培养基初始pH值和各营养成分的影响。研究表明，当pH值高于1.6时，随着培养基初始pH值的提高，氧化速率基本维持稳定，而生成的沉淀量逐渐增多；最佳pH值为1.8。考察不同氮源(NH<,4>)<,2>HPO<,4>、NH<,4>Cl、NH<,4>NO<,3>和(NH<,4>)<,2>SO<,4>对T.f菌培养过程的影响发现，最佳氮源为(NH<,4>)<,2>HPO<,4>，相对9k培养基而言(沉淀量1.18 g·L<'-1>)，不但可使Fe<'2+>的氧化速率维持稳定，而且产生的沉淀量也最少(0.78 g·L<'-1>)。(NH<,4>)<,2>HPO<,4>浓度的影响实验表明，随着浓度的降低，Fe<'2+>的氧化速率变化不大，而生成的沉淀量逐渐减少；当(NH<,4>)<,2>HPO<,4>浓度为0.5 g·L<'-1>时，培养过程中几乎没有沉淀。确定最佳培养基为：(NH<,4>)<,2>HPO<,4> 0.5 g/L，CaNO<,3> 0.01g/L，KCl 0.1g/L，MgSO<,4> 0.2 g/L，FeSO<,4>·7H<,2>O 44.3 g/L。 为了提高T.f菌的氧化能力，以木屑为固定化填料，在固定床生物反应器中培养T,f菌。间歇培养实验结果表明：当气速为0.4 L/min，初始铁浓度为10g/L时，固定化后Fe<'2+>的平均氧化速率由0.4 g·L<'-1>·h<'-1>升高到1.0 g·L<'-1>·h<'-1>；同时载体尺寸越小，孔隙率越小，比表面积越大，吸附菌体数越多，Fe<'2+>的氧化速率也越大，平均氧化速率升高到2.36 g·L<'-1>·h<'-1>。气速实验表明，随着气速的增加，Fe<'2+>的氧化速率也逐渐增大，当气速为1.4 L/min时，Fe<'2+>的平均氧化速率高达4.86g·L<'-1>．h<'-1>。连续实验结果表明，在达到最佳稀释率之前，随着稀释率的提高，Fe<'2+>的氧化速率也逐渐提高，而转化率却逐渐降低。将载体尺寸变小后，最高氧化速率由1.68 g·L<'-1>·h<'-1>提高到5.68 g·L<'-1>·h<'-1>。

目录

文摘

英文文摘

声明

1文献综述

1.1氧化亚铁硫杆菌

1.1.1氧化亚铁硫杆菌简介

1.1.2氧化亚铁硫杆菌的研究

1.1.3氧化亚铁硫杆菌对Fe2+的氧化特性

1.1.4氧化亚铁硫杆菌的应用

1.2微生物细胞固定化方法

1.2.1固定化细胞的性质和优点

1.2.2吸附法

1.2.3包埋法

1.2.4交联法

1.2.5膜截留法

1.3固定化微生物的研究进展

1.3.1固定化微生物细胞的传质和动力学研究

1.3.2固定化细胞在水污染控制中的应用研究

1.3.3固定化细胞在有机相的催化反应研究

1.3.4固定化微生物在脱硫工艺中的应用

1.4本研究的出发点和研究内容简介

2实验材料与方法

2.1实验材料

2.1.1菌种

2.1.2实验仪器

2.1.3实验试剂

2.2实验方法

2.2.1海藻酸钙包埋细菌的固定化方法

2.2.2培养基优化方法

2.2.3固定床生物反应器的运行研究

2.2.4分析方法

3实验结果与分析

3.1海藻酸钙包埋法的扩散和细菌氧化研究

3.1.1海藻酸钠浓度对基质扩散的影响

3.1.2氯化钙浓度对基质扩散的影响

3.1.3固定化凝胶小球内细菌的增值情况

3.1.4 pH值对凝胶小球的影响

3.1.5初始铁浓度对细菌氧化速率的影响

3.1.6活性炭添加量对细菌氧化速率的影响

3.1.7磷酸氢二钾对细菌氧化速率的影响

3.2不同培养基成分对氧化亚铁硫杆菌培养优化的研究

3.2.1初始pH值对细菌生长代谢和沉淀产生量的影响

3.2.2不同氮源对细菌生长代谢和沉淀产生量的影响

3.2.3磷酸氢二铵浓度对细菌生长代谢和沉淀产生量的影响

3.2.4硫酸镁浓度对细菌生长代谢和沉淀产生量的影响

3.3固定床生物反应器的运行

3.3.1载体表面观察

3.3.2固定化载体氧化速率的测定

3.3.3稀释率对菌膜氧化硫酸亚铁的影响

3.3.4固定化反应器动力学参数的推导

3.3.5通气量对菌膜氧化硫酸亚铁的影响

4结论

参考文献

附录

研究生期间发表论文

致谢