微藻生物質暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產氫氣以及聯(lián)產甲烷的機理研究.pdf

1、化石燃料的過度利用導致了日趨嚴重的能源危機和環(huán)境污染。氫氣的能量密度高、燃燒產物清潔，是一種理想的二次能源載體。利用可再生的生物質為原料通過發(fā)酵的方法制取氫氣已經(jīng)成為國內外制氫領域的研究熱點。微藻具有光合作用效率高、生長迅速、分布廣泛等特點，是一種具有大規(guī)模能源化應用潛力的生物質原料。本文以微藻生物質為研究對象，對其暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產氫氣以及聯(lián)產甲烷進行機理研究，實現(xiàn)生物質成分的高效分級利用，大幅度提高氫氣產率和能量轉化效率。

2、　　本文以微藻生物質中的典型蛋白質組分谷氨酸為原料，對谷氨酸的暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產氫氣聯(lián)產甲烷的可行性進行了實驗研究。在暗發(fā)酵、光發(fā)酵和甲烷發(fā)酵中使用的菌種均分離和富集于厭氧消化污泥，分別為混合產氫細菌、混合光合細菌和混合產甲烷細菌。在暗發(fā)酵階段，谷氨酸可以被產氫細菌有效的利用和發(fā)酵產生大量的可溶代謝產物但是卻很難產生氫氣。暗發(fā)酵尾液中的主要代謝產物為乙酸、丁酸以及銨離子，由于高濃度的銨離子會顯著抑制后續(xù)的光發(fā)酵產氫氣，需要在光發(fā)酵之前

3、去除尾液中的銨離子。沸石是一種廉價、可再生的天然資源，可以通過高效的離子交換去除溶液中的銨離子。經(jīng)過沸石處理之后，尾液中的銨離子濃度由處理之前的36.7mM顯著降低至3.2mM，銨離子去除率為91.1％。處理后的尾液接種光合細菌進行光發(fā)酵，得到最大氫氣產率為292.9mlH2/g谷氨酸。光發(fā)酵尾液接種產甲烷細菌進行甲烷發(fā)酵，得到最大甲烷產率為102.7mlCH4/g谷氨酸。通過暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產氫氣聯(lián)產甲烷，谷氨酸的能量轉化效率由單純

4、產氫氣的18.9％顯著提高至氫氣和甲烷聯(lián)產的40.9％。
　　本文以微藻生物質中的典型碳水化合物成分海藻糖為原料，對海藻糖的暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產氫氣聯(lián)產甲烷的可行性進行了實驗研究。海藻糖是一種非還原性二糖，性質穩(wěn)定很難水解，只有經(jīng)過預處理水解為單糖以后才能高效的發(fā)酵產氫氣。海藻糖經(jīng)過微波加熱輔助稀酸預處理之后接種產氫細菌進行暗發(fā)酵，得到最大氫氣產率為396.2mlH2/g海藻糖。暗發(fā)酵尾液接種光合細菌進行光發(fā)酵，得到最大氫氣產率為

5、335.1mlH2/g海藻糖。光發(fā)酵的尾液接種產甲烷細菌進行甲烷發(fā)酵，得到最大甲烷產率為116.9mlH2/g海藻糖。通過暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產氫氣聯(lián)產甲烷，海藻糖的能量轉化效率由單純產氫氣的47.2％顯著提高至氫氣和甲烷聯(lián)產的72.2％。
　　本文以鈍頂節(jié)旋藻為原料，討論和比較了微藻的兩種暗發(fā)酵產氫氣模式:利用外加產氫細菌的[FeFe]氫酶通過異相暗發(fā)酵產氫氣和利用節(jié)旋藻的[NiFe]氫酶通過自相暗發(fā)酵產氫氣。在異相暗發(fā)酵中，經(jīng)過

6、超聲波破碎和酶水解之后的節(jié)旋藻可以被產氫細菌高效利用，在節(jié)旋藻濃度為20g/l得到最大的氫氣產率為92.0mlH2/g DW。在自相暗發(fā)酵中，當節(jié)旋藻濃度由1g/l提高到20g/l時，最大氫氣產率由51.4mlH2/g DW大幅度降低至11.0mlH2/g DW。在較高的節(jié)旋藻濃度條件下(20g/l)，異相暗發(fā)酵的產氫峰值速率和最大氫氣產率是自相暗發(fā)酵的110.0倍和8.4倍。因此在后續(xù)的實驗中，微藻生物質應選用異相暗發(fā)酵產氫氣的模式。

7、節(jié)旋藻經(jīng)過微波加熱輔助稀酸預處理和酶水解可以有效的促進生物質的水解和強化暗發(fā)酵產氫氣，隨后利用沸石去除暗發(fā)酵尾液中的銨離子可以實現(xiàn)高效的光發(fā)酵產氫氣。通過暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產氫氣，節(jié)旋藻的最大氫氣產率大幅度提高至337.0mlH2/g DW。
　　本文以海洋微擬球藻為原料，討論和比較了三種微藻生物質發(fā)酵產氫氣和甲烷的方法:
　　(1)暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產氫氣聯(lián)產甲烷;
　　(2)暗發(fā)酵產氫氣聯(lián)產甲烷;
　　(3)

8、直接發(fā)酵產甲烷。
　　微擬球藻通過微波加熱輔助稀硫酸預處理之后接種產氫細菌進行暗發(fā)酵產氫氣。在暗發(fā)酵中產氫細菌對大部分經(jīng)過預處理水解生成的氨基酸的消耗時間大約是還原糖消耗時間的兩倍。微擬球藻通過暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產氫氣聯(lián)產甲烷得到的最大氫氣產率為161.3mlH2/g TVS，最大甲烷產率為183.9mlCH4/g TVS，整體能量轉化效率為暗發(fā)酵產氫氣聯(lián)產甲烷的1.7倍、直接產甲烷的1.3倍。
　　本文以蛋白核小、球藻為原

9、料，研究了多種預處理方式對微藻生物質暗發(fā)酵產氫氣的影響。經(jīng)過蒸汽加熱輔助稀酸和微波加熱輔助稀酸預處理能夠顯著促進小球藻的水解和暗發(fā)酵產氫氣。通過暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產氫氣聯(lián)產甲烷，小球藻的最大氫氣產率為198.3mlH2/g TVS，最大甲烷產率為186.2mlCH4/g TVS，整體能量轉化效率為34.0％。在批次實驗的基礎之上，進行了小球藻的半連續(xù)流發(fā)酵產氫氣的實驗研究。通過長時間小球藻馴化得到的復雜產氫細菌菌群比之前通過葡萄糖馴化得

10、到的簡單菌群更能適應和高效利用小球藻生物質的各個成分，可以實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的發(fā)酵產氫氣。為了進一步提高生物質發(fā)酵的能量轉化效率，以小球藻和木薯淀粉為混合原料，研究了碳氮摩爾比對發(fā)酵產氫氣的影響?；旌仙镔|在碳氮摩爾比為25.3的條件下得到的最大暗發(fā)酵氫氣產率為276.2mlH2/g TVS，分別是單純用小球藻和木薯淀粉為原料最大氫氣產率的3.7倍和1.8倍。通過暗發(fā)酵和光發(fā)酵耦合產氫氣聯(lián)產甲烷，混合生物質的最大氫氣產率和甲烷產率分別為664