收藏本站
《大连理工大学》 2011年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

CO厌氧发酵制氢工艺基础及反应器性能研究

赵亚  
【摘要】:能源枯竭和环境污染是21世纪人类面临的两大难题,开发可再生的绿色能源,构建新的能源体系对实现人类可持续发展的目标具有战略性意义。生物制氢技术具有反应条件温和(常温常压)、节能环保和利用可再生生物废弃物资源等优点,因此备受关注。本文研究生物发酵制氢技术,以一氧化碳(CO)作为发酵底物,利用纯菌种Carboxydothermus hydrogenformans作菌源,分别在间歇进料和连续进料的培养条件下,通过厌氧发酵反应产生氢气(H2)。对菌株的发酵制氢机理、生长特性、底物消耗速率以及CO抑制浓度等因素进行深入研究,并考察在中空纤维膜反应器(HFMBR)内进行连续操作条件下,不同操作参数对产氢性能的影响。论文的主要内容如下: 1. C.hydrogenformans菌能够以CO作为生长碳源和代谢能源,在厌氧环境中发酵制氢,通过CO脱氢酶(CODH)将底物中的H+还原为H2,同时将CO氧化为二氧化碳(CO2)。C.hydrogenformans菌发酵反应的氢气比生产速率(SHPR)和氢气得率(yield)均较高,Yield能达到96%。此外,该菌株能以丙酮酸盐作为碳源代谢发酵制氢,主要代谢产物为挥发性脂肪酸(VFA)和乙醇,但氢气Yield仅有17%;通过SEM和EDS等手段对菌群进行分析,发现其聚结培养基中的Ca和P等无机物质形成了晶体羟基磷灰石(Ca5 (PO4) 3OH) 2.利用正交实验确定C.hydrogenformans生长培养基的最优组分配比,得出了P043,HCO3-,Ca2+和Mg2+四个离子浓度对各个实验目标的影响主次顺序以及最优化浓度,最终优化的溶液组成分别为PO43=1 mM, HCO3-=5 mM, Ca2+=0.1 mM和Mg2+=0.5 mM。最优化的营养液组成能够减少菌群中无机物质的积累,并保持菌株的最佳生物活性,得到了较高的SHPR和Yield。 3.研究了C.hydrogenform ance发酵制氢的反应动力学,得到菌株的衰减系数和微生物比生长速率分别为0.022h-1和0.017h-1。在菌株初始浓度为5mg-VSS/L和8 mg-VSS/L时,分别得到最大Yield为97%和和最大SHPR为3.0mol/g-VSS.d。通过研究食微比(F/M)对SHPR的影响,对CO发酵制氢过程中的气液传质规律进行分析,得出了最佳的F/M为6.3mol-CO/g-VSS,即为了避免CO传质阻力对SHPR的影响,溶液上方空间的气相CO浓度应保持在176 g-CO(gas)/g-VSS以上(1atm,70℃,100 r/min)。此外,在CO的抑制动力学实验基础上,绘制了C.hydrogenformans发酵制氢的抑制动力学曲线,得出CO抑制浓度为0.55mmol/L。利用Monod扩展方程,建立CO抑制动力学模型,通过非线性拟合方法,得出最大底物消耗速率、底物抑制浓度和半饱和常数等反应动力学模型参数。 4.本文结合了生物制氢和膜生物反应器两项内容,对膜生物反应制氢新技术进行研究,证实了HFMBR中利用CO气体连续高效发酵制氢的可行性。以提高反应器中产氢速率(HPR)和CO转化率(η)为目的,考察了操作压力(PCO)、CO进料载荷(Qg)、液相循环流量(Ql)和温度(T)对反应器制氢性能的影响。研究表明,通过气体渗透而产生的Qg是Pco的函数,在Qg为0.22mol/d和1.15mol/d时,分别得到反应器内最高η为97.6%和最大HPR为0.46mol/d。提高Ql,可以改善CO与H2O间的气液传质效果,进而提高反应器内的HPR。当Ql增大到1500ml/min时,得到最高气液传质系数为1.72h-1,但生物膜表面剪切力过大,造成了部分生物膜脱落,影响反应器制氢性能的稳定性。降低反应温度可以提高CO在液相中的溶解度,提高气液传质速率,但反应温度的降低抑制了菌株的最佳生物活性,从而限制了反应器内的生物制氢能力。HMBR系统长周期运行的稳定性较好,连续运行4个月,未发现膜污染问题;微生物挂膜能力强,纤维膜上固定的微生物细胞在反应器中的比例为84.5±1.6%,而且生物膜有机活性成分也较高,VSS/SS保持在86+5.9%。通过EDS分析得知,菌群中不再含有富含Ca和P的无机晶体,进一步验证了正交实验对培养基成分优化的有效性。膜生物反应器中的最高氢气比生产速率最高能达到0.85 mol/g-VSS.d,与传统反应器中最高的氢气比生产速率0.47 mol/g-VSS.d相比,提高了0.8倍。 本文对厌氧嗜热菌C.hydrogenformans的发酵制氢反应进行理论研究、实验测试分析和模型计算,得出不同操作参数对HFMBR内传质和制氢效果的影响及过程强化途径,为膜反应器制氢新技术的理论研究和应用奠定了基础。
【学位授予单位】:

知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 高卫红;;生物制氢的发展[J];科技创新导报;2009年28期
2 豪彦;;生物制氢新技术[J];汽车与配件;2008年26期
3 邢德峰,任南琪,宫曼丽,李建政,李秋波;DGGE技术监测生物制氢反应器微生物群落结构和演替[J];中国科学C辑;2004年06期
4 任南琪,宫曼丽,邢德峰;连续流生物制氢反应器乙醇型发酵的运行特性[J];环境科学;2004年06期
5 邢德峰,任南琪,宫曼丽;PCR-DGGE技术解析生物制氢反应器微生物多样性[J];环境科学;2005年02期
6 任保增,唐大惠,李扬,胡庆丽,樊耀亭;厌氧发酵生物制氢试验研究[J];郑州大学学报(工学版);2004年04期
7 穆亚玲;王香爱;;氢能源研究现状[J];化工时刊;2008年10期
8 郑耀通,闵航;共固定光合和发酵性细菌处理有机废水生物制氢技术[J];污染防治技术;1998年03期
9 李永峰,任南琪,杨传平,胡立杰,郑国香;一株高效产氢产酸细菌的鉴定与产氢特性[J];中国环境科学;2005年02期
10 ;环境与清洁生产(无污染技术)[J];环境科学文摘;2006年01期
11 郑国香;任南琪;孟哲;李建政;;废蜜的化学组成与生物制氢[J];中国甜菜糖业;2006年01期
12 卢文玉;刘铭辉;陈宇;闻建平;;厌氧发酵法生物制氢的研究现状和发展前景[J];中国生物工程杂志;2006年07期
13 孙佳;王涛;;利用农业废弃资源发酵制氢的研究进展[J];现代化农业;2011年08期
14 ;国内外化工简讯[J];河南化工;2002年11期
15 郑先君;张占晓;魏丽芳;谢冰;魏明宝;张凯;;利用乙酸光合细菌产氢的研究[J];太阳能学报;2007年12期
16 左宜,左剑恶,张薇;利用有机物厌氧发酵生物制氢的研究进展[J];环境科学与技术;2004年01期
17 王娜;杨涛;韩静;王红;肇莹;肖伟;;厌氧发酵生物制氢的研究进展及应用前景[J];中国农学通报;2008年07期
18 陆伟东;周少奇;;有机固体废物厌氧发酵生物制氢研究进展[J];环境卫生工程;2008年04期
19 崔永志;袁林江;王晓昌;;模拟生活污水的厌氧发酵生物制氢研究[J];中国给水排水;2008年19期
20 才金玲;王广策;;提高生物制氢产量的研究进展[J];海洋科学;2009年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 陈红;李永峰;徐菁利;邓婕璇;郜爽;;高效产氢菌种Biohydrogenbacterium R3 sp.nov.连续流厌氧发酵生物制氢的研究[A];2010中国环境科学学会学术年会论文集(第四卷)[C];2010年
2 任南琪;;有机废水发酵法生物制氢中试研究与开发[A];新世纪 新机遇 新挑战——知识创新和高新技术产业发展(下册)[C];2001年
3 王兴祖;任南琪;李永峰;魏利;张妮;;有机废水生物制氢的连续流发酵工艺[A];2004年中国生物质能技术与可持续发展研讨会论文集[C];2004年
4 任南琪;;我国发酵法生物制氢研究现状与发展趋势[A];2008中国生物质能源技术路线标准体系建设论坛论文集[C];2008年
5 李永峰;任南琪;李建政;;中国发酵法生物制氢技术研究进展[A];2004年中国生物质能技术与可持续发展研讨会论文集[C];2004年
6 任保增;唐大惠;樊耀亭;;厌氧发酵生物制氢放大试验研究[A];第一届全国化学工程与生物化工年会论文摘要集(下)[C];2004年
7 李永峰;任南琪;李建政;陈瑛;朱葛夫;刘敏;邢德峰;刘蕾;王文静;;发酵产氢细菌厌氧分离培养技术的改良[A];21世纪太阳能新技术——2003年中国太阳能学会学术年会论文集[C];2003年
8 宫曼丽;任南琪;邢德峰;李建政;;生物制氢反应系统初始容积负荷对乙醇型发酵形成的影响[A];21世纪太阳能新技术——2003年中国太阳能学会学术年会论文集[C];2003年
9 潘欣语;熊伟;郑梦圆;庄蓓岚;袁瑛;杨睿;韩伟;李永峰;;生物制氢反应器启动的工程参数及其控制对策[A];中国化工学会2009年年会暨第三届全国石油和化工行业节能节水减排技术论坛会议论文集(上)[C];2009年
10 孙学凯;李清华;马溪平;山丹;;制氢技术的研究进展[A];中国环境保护优秀论文集(2005)(下册)[C];2005年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 商艳凯 记者 赵宇清;哈工大生物制氢突破温度限制[N];黑龙江日报;2011年
2 记者王喜霖;“生物制氢”工程在哈奠基[N];科技日报;2002年
3 赵岩;哈工大“生物制氢”工程进入产业化[N];中国信息报;2002年
4 记者 张丽辉 郭伟 通讯员 傅春秘 王东琦;光合生物制氢有望实现产业化[N];河北日报;2007年
5 邢新会;林章凛;曹竹安;应用前景广阔 瓶颈亟待突破[N];中国化工报;2002年
6 吉星 本报记者 赵宇清;废水制氢拓出能源宝藏[N];黑龙江日报;2009年
7 本版编辑张晓鹏 本报记者 彭溢 唐立新 刘柏森;生物产业 龙江大地期待升起的“朝阳”[N];黑龙江日报;2008年
8 本报记者 高博张佳星 管晶晶;探前沿 空白填 科技跨越无极限[N];科技日报;2008年
9 刘瑞峰 记者  高天赋;哈工大学研制新型絮凝剂[N];黑龙江日报;2006年
10 闫佳;智者乐水 护卫生命之源[N];科技日报;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 岳莉然;以赤糖为基质的生物制氢生态系统与工艺[D];东北林业大学;2011年
2 陈鸣岐;基于能值理论的发酵法生物制氢技术环境—资源—经济综合效率评价[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 陈鸣岐;基于能值理论的发酵法生物制氢技术环境—资源—经济综合效率评价[D];哈尔滨工业大学;2010年
4 陈红;B.R3菌株生物制氢系统发酵条件与化学增强技术研究[D];东北林业大学;2013年
5 李旭;光合细菌(Rhodobacter sphaeroides)生物制氢及其光生物反应器研究[D];华东理工大学;2011年
6 韩伟;“活性污泥—生物膜”一体式复合生物制氢工艺的运行与控制[D];东北林业大学;2012年
7 焦安英;甘蔗压榨汁制氢系统的工程控制对策及其微生物群落研究[D];东北林业大学;2011年
8 才金玲;海洋发酵菌和光合细菌耦联制氢研究[D];中国科学院研究生院(海洋研究所);2008年
9 张梅凤;人工鱼群智能优化算法的改进及应用研究[D];大连理工大学;2008年
10 邢德峰;产氢—产乙醇细菌群落结构与功能研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 陈蕾;金属离子对光合生物制氢的影响研究[D];河南农业大学;2012年
2 支泽仑;白腐菌预处理麦秆生物制氢的实验研究[D];西北大学;2013年
3 邓洁璇;以水果加工废弃物为底物纯培养发酵生物制氢研究[D];东北林业大学;2011年
4 徐辉;气候变化对厌氧发酵生物制氢影响规律的研究[D];西北大学;2012年
5 张百慧;两种食品废水冲击下的生物制氢系统稳定工程技术研究[D];东北林业大学;2012年
6 回永铭;以甜菜和红糖为底物的EGSB生物制氢反应器的启动与运行[D];东北林业大学;2010年
7 朱艳艳;光合生物制氢过程中微生物菌群特性研究[D];河南农业大学;2013年
8 姚欣;连续流厌氧发酵制氢反应系统的建立及稳定运行[D];东北林业大学;2011年
9 曹逸坤;生物制氢系统固定化载体的选择与应用研究[D];东北林业大学;2013年
10 王占青;生物制氢系统的负荷冲击与活性污泥强化恢复作用[D];东北林业大学;2012年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978