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《西安建筑科技大学》 2017年
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高效光合产氢菌的筛选及连续生物制氢试验研究

刘文辉  
【摘要】:可再生清洁新能源的研究有助于解决当前环境污染和能源短缺问题,近年来绿色氢能被人们视为最有发展前景的能源之一。生物制氢因其是利用微生物通过转化有机物来产氢,所以具有产氢原料广泛、能耗低、无污染等诸多优点;光合细菌制氢技术,还很好的将光能利用、氢能生产和环境污染治理这三个社会热点问题相结合,既解决了能源短缺问题,同时也减少了环境的污染问题。光合细菌制氢技术的起步较晚,许多研究还处于初期探索性阶段。光合细菌种类繁多、代谢途径多样、影响产氢的因素广泛,导致目前光发酵生物制氢的生产率较低。已有的报道大都是实验室的分批产氢研究,有关连续性产氢的研究较少;光合制氢反应器受光照传输过程中光强衰减和光合细菌生长特性限制,反应器难以实现容积扩大、产氢模式难以进行连续性生产,这些都严重阻碍了光合菌生物制氢技术在实际生产中的实施。本研究先进行了光合细菌产氢菌种的筛选,对比研究了该菌株利用不同分子结构有机基质进行光合产氢的特性;在总结现有光合制氢反应器发展现状的基础上设计出了新型大容积内置光源反应器,结合光合细菌生物固定化技术改善了连续产氢的稳定性;最后,对光合细菌的一段连续高效产氢模式进行了实验研究。论文获得的主要研究结果如下:(1)通过富集培养,从城市污水厂活性污泥中分离出六种纯光合细菌菌株,依据产氢对比实验选出高产氢菌株PS-6。最后根据细菌形态特征、生理生化实验特性等常规分析,结合16S rDNA序列测定结构鉴定出所分离到的产氢菌株为沼泽红假单胞菌属菌Rps.Palustris PS-6。(2)光合细菌Rps.Palustris PS-6分别以葡萄糖和有机酸为基质进行了分批产氢试验。实验显示,利用葡萄糖为基质进行分批产氢时,产氢启动快、周期短、产氢速率高,无机氨氮和谷氨酸钠均可作为氮源,但产氢残留液中存在大量有机酸未能充分利用;最佳产氢条件是葡萄糖浓度为45.0mmol/L、谷氨酸钠投加量为3.0mmol/L时,实际产氢率为0.893 mol H_2/mol葡萄糖。光合细菌利用有机酸进行分批产氢时,产氢启动慢、周期长、产氢速率低,只能利用有机氮谷氨酸钠为氮源,反应液中大量NH_4~+的存在会抑制氢气的产生。最佳产氢条件是乙酸浓度为40.0mmol/L,谷氨酸钠浓度应为7.0mmol/L、光合菌接种量比例为15%,实际产氢率为1.632mol H_2/mol乙酸。(3)本文设计了一种新型内置光纤反应器,主要解决光合菌在产氢过程中经常遇到的,因反应器尺寸过大而导致的,反应器内部各位置光强分布不均及光照强度随传输距离逐渐衰减的问题。新型反应器外形为圆柱体,反应器内沿轴线方向平行设置了多根侧面发光光纤作为传输光源。在外接光源机情况下,检测出反应器内各处光强均匀,光强达到4000Lux。Rps.Palustris PS-6利用葡萄糖溶液进行产氢的对比实验显示,新型内置光纤反应器相对于传统的外置光源反应器在生物制氢性能上有了明显提高,最大产氢速率和实际产氢率分别提升了11.3ml/L/h和22.3%。此外,试验在新型光合制氢反应器内采用了细菌固定化技术,以粉末活性炭为载体,在制氢反应器出水口通过设置过滤器拦截吸附于活性炭表面的光合细菌菌体使其重新返回到反应器内的办法,增加反应器内光合细菌浓度,从而有效改善了光合细菌连续制氢过程中的菌种流失问题,强化了连续制氢工艺的稳定性。(4)本研究提出将光合细菌利用葡萄糖为基质产氢时的二阶段产氢模式合并为高效的一段产氢。实验通过光合产氢菌株的活化培养、优化了产氢反应条件,实现了Rps.Palustris PS-6以葡萄糖为基质时的一段连续产氢。当谷氨酸钠的投加量为0.7g/L(约4mmol/L),葡萄糖含量为9g/L(50mmol/L),在HRT为84 h的条件下,一段连续产氢的最大实际产氢率达到4.6mol H_2/mol葡萄糖。
【学位授予单位】:西安建筑科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ116.2;X703;X172

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