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铁基纳米颗粒强化乙醇型发酵性细菌厌氧产氢研究

吴凯旋  
【摘要】:氢能因其高效、清洁、可再生等优点被誉为21世纪最具有潜力的清洁能源。而具有环境友好性、生产成本低和可持续性等特点的暗发酵制氢技术,其应用前景广阔,如何提高暗发酵制氢的产氢效率将是研究的重中之重。Fe作为暗发酵细菌产氢过程最重要的元素,可以通过提高氢化酶的活性来提高产氢量。本研究以乙醇型发酵性细菌Hydrogenispora ethanolica LX-B和Oligosphaera ethanolica8KG-4~T为研究对象,对其基本产氢特性进行了比较,重点探究了向发酵体系中投加铁基纳米颗粒,考察其对产氢过程的促进效应,其主要研究内容和结果如下:(1)建立了暗发酵制氢液相产物的检测方法。使用气相色谱,优化相关参数,采用1%浓度的甲酸作为吸附占据剂,解决了VFAs的残留问题,也解决了各组分酸易解离,感应值不稳定问题,此条件下测定的结果分离效果好、标准偏差小、方法精密度高、回收率好。该方法还可以对其他厌氧发酵液中VFAs进行准确、快速的测定。(2)对H.ethanolica LX-B和O.ethanolica 8KG-4~T的产氢特性进行了比较。研究发现H.ethanolica LX-B和O.ethanolica 8KG-4~T在葡萄糖低于5 g/L时产氢效率较高,葡萄糖为10 g/L时分别获得17.7 mM和21.1 mM最大产氢量,O.ethanolica 8KG-4~T对高于30 g/L的葡萄糖不耐受,产氢受到完全抑制,而H.ethanolica LX-B即使葡萄糖为40 g/L时,氢气产量也能达到14.1 mM;产氢过程pH的调整对H.ethanolica LX-B的产氢量无影响,但能稍稍提高O.ethanolica8KG-4~T的产氢量;H.ethanolica LX-B能够耐受较高浓度的乙醇和乙酸,表现出在高浓度产物抑制作用下,产氢效果依然很佳的特征;酵母提取物能促进两株菌的产氢量,当添加0.05%酵母提取物,H.ethanolica LX-B产氢量提高17.8%;而酵母提取物对O.ethanolica 8KG-4~T产氢的促进效果较弱,蛋白胨对两株菌产氢均没有促进作用;与O.ethanolica 8KG-4~T相比,H.ethanolica LX-B能够利用多种糖类产氢,且产氢能力较强,对于实际的工程应用方面,具有良好的产氢优势,是一株非常具有产氢潜能的候选菌株。(3)重点评价了铁基纳米颗粒对H.ethanolica LX-B和O.ethanolica 8KG-4~T产氢的促进效应。研究发现Fe_3O_4纳米颗粒和Fe_2O_3纳米颗均能提高H.ethanolica LX-B以葡萄糖为发酵底物的产氢量,其中添加400 mg/L的Fe_3O_4纳米颗粒分别对含有5 g/L和10 g/L葡萄糖发酵液的产氢量提高了28.3%和23.4%;当添加300mg/L的Fe_2O_3纳米颗粒时,分别对含有5 g/L和10 g/L葡萄糖发酵液的产氢量提高了22.8%和18.9%,同时葡萄糖利用率、发酵液的最终pH有所上升。在铁基纳米颗粒强化O.ethanolica 8KG-4~T产氢试验的研究中发现添加300 mg/L的Fe_3O_4纳米颗粒,分别对含有5 g/L和10 g/L葡萄糖发酵液的产氢量提高了16.7%和20.5%,而Fe_2O_3纳米颗粒对O.ethanolica 8KG-4~T以葡萄糖为发酵底物的产氢体系没有促进作用,反而高浓度的Fe_2O_3纳米颗粒产生了明显的抑制作用,当添加浓度为600 mg/L时,分别对含有5 g/L和10 g/L葡萄糖发酵液的产氢量减少了8.4%和5.3%。


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