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产氢梭菌T2利用五碳糖与六碳糖发酵产氢特性研究

唐晓雪  
【摘要】: 厌氧发酵制氢技术有着广阔的应用前景,然而在其实现工业化的进程中面临着如何提高系统的产氢效率和运行稳定性,降低生产成本等问题。针对高效率低成本的产氢底物,之前已经开展了大量研究。木质纤维素类物质来源广泛,储量巨大并且价格低廉,但直接利用产氢效率较低,需对其进行物理、化学或生物等方式的预处理,将木质纤维素转化为五碳糖与六碳糖而后发酵,这样便可大幅提高产氢效率。本文对产氢菌株T2利用五碳糖六碳糖的产氢特性进行了相应的试验研究,对有效地利用木质纤维素产氢,降低产氢成本,实现发酵法生物制氢工业化具有重要的理论与现实意义。 产氢效率与菌种质量直接相关,Clostridium hydrogeniproducens T2是梭菌属下的一个新种,是一株典型的中温产氢菌,本文以之作为产氢菌株,分析了在批式培养条件下,底物浓度与接种量对产氢菌株T2产氢能力的影响,通过对产氢菌株T2的批式、补料与连续培养,考察了产氢菌株T2对葡萄糖与木糖的利用规律、生长情况及产氢特性。以玉米芯为产氢底物,对其进行三种方式的预处理,对预处理过滤物进一步分步酶解,探究了产氢菌株T2利用玉米芯预处理液及酶解液的产氢特性。 以最佳的底物浓度60mmol/L,接种量10%为初始条件,通过对产氢菌株T2的批式培养,研究了分别以纯葡萄糖、混合糖(葡萄糖与木糖比例为3:1、1:1、1:3)、纯木糖为底物时的产氢特性。结果表明,产氢菌株T2可同步利用葡萄糖与木糖,但在以混合糖(葡萄糖与木糖比例分别为3:1与1:1)为底物时,葡萄糖对菌株利用木糖产生了明显的抑制作用,木糖的利用率仅为30%左右。 鉴于前人对酵母菌混合糖发酵的研究,补料培养可以解除酵母菌发酵时的葡萄糖抑制,本文进一步研究了在补料与连续培养条件下菌株T2的产氢特性。结果表明,在补料培养条件下,产氢菌株T2对混合糖的利用更为彻底,总糖利用率为79.5% ,较批式培养提高了27.7%。产氢菌株T2在连续培养条件下也具有同步代谢五碳糖与六碳糖的能力,且与批式培养相比获得了更高的比产氢速率与平均产氢速率,其比产氢速率分别为2.79mol-H_2/mol-葡萄糖,2.7mol-H_2/mol-混合糖,2.09mol-H_2/mol-混合糖,1.79mol-H_2/mol-木糖。对玉米芯发酵产氢进行了相应的试验研究,首先测定了玉米芯的组成成分,而后采用酸化气爆、水溶液气爆及碱液浸泡三种方式对玉米芯进行预处理,对预处理液与过滤物的酶解液进行产氢发酵。结果表明,产氢菌株T2具有高效利用玉米芯预处理液及酶解液的产氢的能力,采用酸化气爆预处理获得的糖化率最高为72%,相应的产氢量为124ml-H_2/g-玉米芯,173.6ml-H_2/g-还原糖;采用碱液浸泡预处理,糖化率为67%,但其产氢迟滞期长达11h,产氢速率较低。水溶液气爆预处理后,玉米芯的糖化率为59%,但其产氢量却很高,达到了159.3ml-H_2/g-还原糖,采用这种处理方式,预处理及处理液的脱毒成本比较低,也是一种较好的预处理方式。


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