导电炭布及离子液体促进生物质发酵联产氢气和甲烷

摘要

微生物利用生物质发酵生产氢气新能源具有环境友好、可再生、低能耗的优点，对我国构建清洁低碳安全高效的新时代能源体系具有重要意义。本文探究了导电炭布强化转基因产气肠杆菌发酵产氢机理、混合菌群利用导电炭布增强发酵联产氢气和甲烷特性、离子液体预处理木薯渣提高了发酵联产氢气和甲烷的能量转化效率。 首次利用导电炭布增强了转基因产气肠杆菌的发酵产氢效率。扫描电镜（SEM）和蛋白分析表明导电炭布可以作为细菌生长的吸附表面，59.1%细菌吸附在炭布表面形成生物膜。傅里叶红外光谱（FTIR）和荧光光谱分析（EEM）证明了炭布生物膜内的微生物可溶性代谢产物（SMP）含有大量多糖和蛋白质等有机物，炭布生物膜SMP荧光物质的相对含量（88.1%）远大于发酵液SMP（11.9%），SMP颗粒直径≤1.2μm。发酵液相副产物分析表明导电炭布明显增强了高效产氢的乙酸型代谢反应（C6H12O6+2H2O→2CH3COOH+2CO2+4H2），减弱了消耗氢气的乙醇型代谢竞争反应（C6H12O6→2C2H5OH+2CO2）。当添加1.0g/L导电炭布时葡萄糖发酵产氢率提高了27.9%达到242.2mL/g，峰值产氢速率提高了38.0%达到14.9mL/g/h。 混合产氢菌群和甲烷菌群利用导电炭布增强了发酵联产氢气和甲烷。导电炭布促进了混合产氢菌群的乙酸型和丁酸型代谢路径，当添加1.2g/L炭布时葡萄糖发酵产氢量由198.4提高到261.5mL/g，峰值产氢速率由8.9提高到12.2mL/g/h。利用导电炭布促进了产甲烷菌群的发酵代谢过程，使产氢尾液的发酵产甲烷量提高了22.6%达到275.3mL/g，峰值产甲烷速率提高了18.2%。 离子液体预处理木薯渣促进了发酵联产氢烷气的能量转化效率。离子液体预处理的木薯渣表面出现4~5μm的孔洞沟槽，纤维素结晶度指数由40降低到34。经纤维素酶水解后的还原糖产量提高了16.7%达到42g/100g，发酵产氢量由92.3提高到126mL/g TVS，联产甲烷量由79.4提高到101.6mL/g TVS，从而使木薯渣发酵联产氢气和甲烷的能量转化效率由7.6%提高到28%。

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