光合细菌连续制氢工艺及相关机理研究

论文摘要

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CO2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H2和CO2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。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 光合细菌生物制氢的研究现状
• 1.2.1 历史回顾
• 1.2.2 光合细菌产氢机理
• 1.2.3 产氢光合细菌的选育
• 1.2.4 光合细菌产氢影响因素
• 1.3 光生物反应器及其研究进展
• 1.3.1 历史回顾
• 1.3.2 光生物反应器的主要类型和特点
• 1.3.3 光生物反应器研究现状
• 1.4 微生物的生长和培养方式
• 1.4.1 分批培养
• 1.4.2 补料分批培养
• 1.4.3 连续培养
• 1.5 本文的研究目的和内容
• 1.5.1 基于连续制氢的产氢光合细菌相关特性
• 1.5.2 光合细菌连续培养装置及连续培养模式的构建
• 1.5.3 光合细菌连续制氢试运行实验
• 1.5.4 顶空压力及气体组成对光合细菌生长和产氢的影响
• 第2章 基于连续制氢的产氢光合细菌相关特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 光合细菌的基本特性
• 2.2.1 光合细菌形态和分类
• 2.2.2 光合细菌的生理特性
• 2.3 材料与方法
• 2.3.1 实验菌种
• 2.3.2 培养基
• 2.3.3 实验装置
• 2.3.4 实验方法
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 光合细菌混合菌种的运动性
• 2.4.2 光合细菌混合菌种的稳定性及环境适性
• 2.4.3 葡萄糖对混合菌种生长及产氢的影响
• 2.4.4 产氢培养基中硫酸铵添加量对光合细菌产氢量的影响
• 2.4.5 葡萄糖为唯一产氢底物时，接种量对混合菌种生长及产氢的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 光合细菌生产菌种的连续培养模式构建
• 3.1 引言
• 3.2 光合细菌生产菌种连续培养系统
• 3.2.1 连续培养系统的设计思路
• 3.2.2 连续培养系统的整体设计
• 3.2.3 反应器的结构
• 3.2.4 供光方式
• 3.2.5 培养基输送和培养液循环
• 3.2.6 系统的温度控制
• 3.2.7 系统的启动
• 3.2.8 活塞流循环连续培养系统的特点
• 3.3 光合细菌连续培养实验研究
• 3.3.1 材料与方法
• 3.4 循环连续培养过程的主要运行参数选择
• 3.4.1 循环连续培养过程的相关描述
• 3.4.2 假设与简化
• 3.4.3 基本模型的选择
• 3.4.4 模型求解
• 3.4.5 模型改进
• 3.5 本章小结
• 第4章 光合细菌连续制氢试运行实验
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 菌种
• 4.2.2 培养基
• 4.2.3 工艺流程
• 4.2.4 实验装置
• 4.2.5 测定方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 菌种循环连续培养的运行参数确定
• 4.3.2 连续运行过程中生产菌种的稳定性
• 4.3.3 光纤内部供光产氢反应器的光照条件初步选择
• 4.3.4 光合细菌连续制氢装置的运行条件选择
• 4.3.5 连续产氢过程中反应液pH 值的变化
• 4.4 本章小结
• 第5章 反应器顶空压力及气体组成对光合细菌的影响
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 实验方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 顶空压力对光合细菌产氢延滞期的影响
• 5.3.2 顶空压力对光合细菌产氢的影响
• 5.3.3 顶空气体组成对光合细菌生长及其产氢活性的影响
• 5.3.4 顶空气体组成对光合细菌产氢过程的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 全文总结
• 参考文献
• ABSTRACT
• 博士研究生在读期间发表的论文