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《河南农业大学》 2008年
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光合细菌连续制氢工艺及相关机理研究

师玉忠  
【摘要】: 能源短缺以及能源生产、消费引起的环境污染问题已经成为21世纪人类面临的最严重的两大难题。从能源安全和环境保护角度考虑,开发可再生的绿色能源,构筑新的能源体系是实现人类可持续发展目标的必然选择,积极发展可再生能源也已成为全世界共识。用可再生能源全面取代化石能源,进行一场新的工业革命,才能从根本上解决世界经济可持续发展的问题。 生物法制氢,以其清洁、不需要消耗矿物资源等突出优点,受到许多国家的重视。光合细菌产氢过程将氢气的生成与有机物的转化、光能的利用结合在一起,具备将太阳能和可再生的生物质转化为氢能的功能。光合细菌产氢(特别是混合光合细菌菌群产氢)的生化反应机理和代谢途径相当复杂,有待于长期、深入的研究,但对宏观过程的表达和实验数据的研究,对于光合微生物制氢工业化进程的推进,具有一定的实际意义。 本文从光合细菌混合菌种的有关特性研究入手,进行了生物制氢系统和工艺方法的探索,为光合生物制氢技术走向工业化提供理论依据和思路。 主要研究结果: 1.本文系统地研究了光合细菌混合菌种的相关特性,得到如下结论: 混合菌种为兼性厌氧菌群,单纯的生长培养无需刻意考虑气体环境,不需进行通气操作;产氢过程对氧气敏感,需要严格厌氧条件,应在产氢培养之初用CO_2气体吹脱除去反应器内的空气。 无论在生长还是在产氢阶段,混合菌种对光照度变化的敏感性都不是特别强,光照度1000Lux左右比较合适。光照度越高,细菌或色素物质“贴壁”现象出现得越快且严重,形成浓重的红色遮光层,阻挡光线的穿透,不利于光合细菌对光的获取。 混合菌种具有良好的环境适性和稳定性,非常有利于工业化的应用。混合菌种既可耐受温度、光照较大幅度变化,又能耐受杂菌污染的干扰,产氢和生长活性稳定。 混合菌种在本实验设定的培养条件下,生长曲线接近直线,生长方式特别。初始浓度越高,光合细菌的增殖速率越快,但是,接种量小的培养液中,细胞的比增殖率高于接种量大的培养液。 光合细菌产氢属于非生长关联型发酵,产氢开始后,细胞逐渐衰亡。需采用专门进行光合细菌生长培养的光生物反应器,为专门进行产氢发酵的光生物反应器提供生产菌种。 光合细菌利用葡萄糖产氢的过程中,存在着产酸代谢途径,pH最低可达5.0以下;产氢现象开始后,培养液由红色变为灰白色,其特征峰也逐渐消失,可能是代谢过程中还原作用或氢气的直接作用,改变了光合细菌色素物质的结构,这些色素物质的变化与培养液pH的改变无直接关系。 以葡萄糖为产氢底物、接种量为10%~20%时,产氢培养液的产氢效果比较理想。3%的葡萄糖浓度是光合细菌混合菌种产氢的最佳浓度。分批添加葡萄糖,能改善培养液中的光合细菌增殖作用,其细胞增殖幅度较大且维持时间长,但产氢量明显低于对照组。 2.自行研制了一套适合光合细菌连续培养的新型光生物反应器——活塞流循环连续培养系统。反应器采用了柱状罐体,其直径240mm,高800mm,罐体内部加装一个(底端封闭,顶端开口)透明有机玻璃管,并与反应器的上端盖固定在一起,用于布置照明光纤并使反应罐内形成环形结构;分别在反应罐底部和顶部的筒壁上切向开口,加装管道。光合细菌在连续倍增培养过程中,生长特性稳定(细胞浓度波动小于4%),适合进行回流连续培养,回流连续培养方法具有可行性。 3.进行了光合细菌连续培养过程运行参数的探讨。活塞流循环连续培养系统的最佳运行模式为:新鲜培养基流量等于回流培养液的流量(相当于50%的菌种),培养时间为特定初始浓度下的倍增时间,产量即为培养基的流量。 4.对连续制氢反应器及制氢系统进行了分析探讨,设计了活塞流式光生物反应器,并就其连续产氢生产工艺相关问题进行初步研究。 确定了小型活塞流连续制氢系统的主要运行参数:菌种培养阶段的初始OD660值为0.56,生长培养基、菌种回流和产出生产菌种的流量均为0.21L/h,菌种循环连续培养反应器的水力滞留时间为56小时;产氢阶段的接种比例为1:1,即产氢培养基的流量为0.21L/h。 连续产氢系统的平均产氢量为2.68L/L,达到分批制氢的86.5%,系统的平均产氢速率为1.1506L/h,产氢速率的波动幅度在2.2%以内。 5.在光合细菌产氢产氢过程中,气体生成物H_2和CO_2对反应进程具有明显的反馈抑制作用,降低反应器顶空压力,可以有效地降低各种气体成分的分压,进而降低它们在反应液中的溶解度,降低或消除反馈抑制作用,达到缩短生产周期、提高效率和氢气产量的目的。反应器顶空压力处于较低的负压(真空)条件时,可明显缩短光合细菌产氢延滞期、提高产氢速率和产氢量。
【学位授予单位】:河南农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TQ116.2

【引证文献】
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【同被引文献】
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【二级引证文献】
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1 岳建芝;超微化秸秆粉体物性微观结构及光合生物产氢实验研究[D];河南农业大学;2011年
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中国硕士学位论文全文数据库 前8条
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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7 屈晓凡;微小空间内光合细菌产氢行为及鼓泡强化产氢实验研究[D];重庆大学;2011年
8 荆艳艳;超微秸秆光合生物产氢体系多相流数值模拟与流变特性实验研究[D];河南农业大学;2011年
9 夏奡;微藻生物质暗发酵和光发酵耦合产氢气以及联产甲烷的机理研究[D];浙江大学;2013年
10 谢斌飞;淀粉/纤维素类生物质发酵联产氢气和甲烷的机理研究[D];浙江大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 马生华;发酵产氢菌的分离及其产氢研究[D];西北大学;2011年
2 李兆雯;乙醇产氢发酵特性及其与微生物电解池耦合梯级产氢[D];哈尔滨工业大学;2012年
3 秦丹;厌氧发酵产氢反应器连续运行及产氢菌的分离鉴定[D];哈尔滨理工大学;2011年
4 吴黎阳;暗发酵生物产氢系统的参数优化[D];郑州大学;2012年
5 于文燕;Klebsiella sp.HQ-3产氢代谢调控及其发酵制氢的条件优化[D];华中科技大学;2012年
6 冯宜鹏;秸秆与粪便预混处理技术及产氢实验研究[D];河南农业大学;2012年
7 邴薇;高温产氢微生物的分离筛选与鉴定[D];吉林大学;2013年
8 刘合钦;高效产氢菌株筛选及厌氧发酵条件优化[D];华中科技大学;2009年
9 刘合钦;高效产氢菌株筛选及厌氧发酵条件优化[D];华中科技大学;2009年
10 邓慧;活性污泥中产氢细菌的筛选及其产氢特性研究[D];广西大学;2011年
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