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蓝藻发酵联产氢气和甲烷的机理研究

张明辉  
【摘要】:化石能源短缺以及环境污染严重是当今世界面临的两大难题,氢能具有代替化石能源成为未来清洁能源载体的巨大潜力,而利用生物质能制氢是一条节省能源和环境友好的有效途径。海洋蓝藻具有光能转化效率高、生长速度快等优点,通过生物发酵过程能高效转化为氢气新能源。本文在国际上首次对蓝藻(以螺旋藻为代表)发酵联产氢气和甲烷的最大潜力进行了理论分析和试验研究。 首先以蓝藻中的聚球藻Miami为例分析pH、NaCl以及NaNO3浓度等因素对聚球藻培养以及自身氢酶发酵产氢的影响。实验发现pH为9.5时最适合聚球藻生长以及自发酵产氢;聚球藻的耐盐性不强,适合在0.154mM NaCl浓度下生长;而外加氮源虽能提高聚球藻生物质的积累,但会降低螺旋藻自身氢酶的活性。 对极大螺旋藻生物质的发酵产氢能力进行了理论分析,表明单纯发酵产氢的最大能源转化效率理论值仅为16.6%。为了增加能源转化效率以及净化处理产氢废液,在第一阶段产氢结束后加入产甲烷菌在第二阶段继续发酵产生甲烷,通过联产氢气和甲烷使能源转化效率的理论值显著提高到61.9%。 对螺旋藻生物质生长调控以及发酵联产氢气和甲烷进行了试验研究。通过优化培养时间、光照、以及培养基成分,使螺旋藻中碳水化合物含量从14.5%提高到41.0%。利用缺氮和加钠条件下收获的螺旋藻生物质作为发酵原料,通过以丁酸梭菌为主的产氢菌群落进行暗发酵,使产氢量从21ml/g提高到58ml/g。利用产氢废液添加产甲烷菌继续联产甲烷,使整体能源转化效率达到24.3%。 利用菌种驯化和生物质酶水解方法进一步提高发酵产氢量。直接利用螺旋藻代替葡萄糖对产氢菌群落进行驯化,使主要菌种由5种增加到12种更加适应螺旋藻原料,使发酵产氢量由49.7ml/g提高到64.3ml/g,产氢速率由120.4 ml/(L·h)提高到198.1 ml/(L·h).对螺旋藻生物质进行酶水解生成更多的小分子还原糖,使发酵产氢量进一步提高到78.7ml/g,则单纯的产氢效率达到4.1%。利用产氢废液继续联产甲烷使整体能源转化效率显著提高到27.7%。


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