光合细菌利用低分子有机酸产氢的试验研究

论文摘要

氢能由于高效、可再生以及无污染的特性,被认为是最具发展潜力的未来能源。同传统产氢方法相比,生物制氢方法对发展清洁高效的可再生能源和减少环境污染具有重要意义,符合可持续发展战略。目前,生物产氢的研究主要分为发酵和光合两种方法。由于发酵产氢过程中产生的低分子有机酸（VFAs）不能进一步有效的分解,而且这些低分子有机酸的累积在一定程度上阻碍了产氢底物的充分有效地利用。光合细菌能够利用这些低分子有机酸产氢。因而将光合细菌和发酵细菌耦合产氢是理想的产氢选择。其中,光合细菌利用低分子有机酸产氢是耦合法产氢的关键步骤。本文主要研究光合细菌沼泽红假单胞菌Rh.Palustris Z02利用这些低分子有机酸,如乙酸、丙酸、丁酸和乳酸等,进行光合产氢的试验研究。由于菌体是生物产氢过程中的关键因素,因而本文对光合细菌利用低分子有机酸的生长特性进行了研究。通过对比确定了修正的Gompertz模型作为光合细菌利用低分子有机酸生长的动力学模型。并对影响光合细菌的生长因素进行了试验研究。结果表明在pH7.0、温度30℃和光强2300 lux是光合细菌Rh.Palustris Z02最适宜的生长条件。微生物反应动力学是研究各种环境因素与微生物代谢活动之间相互作用随时间变化的规律。因而反应过程的参数对产氢研究是很重要的。本文建立了利用VFAs产氢过程中的菌体生长、产物形成、有机酸消耗、反应液pH变化以及有机酸降解等反应动力学模型,并进行了试验验证。同时通过试验发现有机酸为产氢抑制性底物,所以在Monod方程基础上进行修正,得到有机酸抑制的反应动力学方程（Andrew底物抑制模型）,并通过试验验证了模型的可靠性。利用响应曲面法确定出适合光合细菌利用低分子有机酸的产氢条件。结果得到最佳产氢条件为pH7.0、温度30℃和光强6700 lux,菌体有最大的产氢率1.90 mol H2/mol乙酸、2.38 mol H2/mol丙酸、3.02 mol H2/mol丁酸和1.75 mol H2/mol乳酸。同时通过ANOVA分析发现,温度和pH具有相关性,而光强与pH和温度不偶联,所以光强可以作为产氢的独立影响因子进行单独研究。由于碳酸盐的缺乏会限制有机酸的利用和产氢,所以针对不同浓度NaHCO3对Rh.Palustris Z02利用有机酸产氢的影响进行了研究。结果发现光合细菌Rh.Palustris Z02利用丙酸和丁酸产氢时需要NaHCO3作为电子受体。本文还研究了抑制光合细菌产氢的两大因素:氧以及氨氮,结果表明NH4+古对于光合细菌利用低分子有机酸产氢的抑制是一贯的;大量O2的存在抑制光合产氢,而微量的O2可以促进产氢。当以氩气和微量的氧混合时达到最大产氢率。进一步研究了有机酸浓度对光合细菌Rh.Palustris Z02产氢的影响,主要对累积产氢量、产氢率和氢转化率几个指标进行探讨,并对这几个指标进行了试验研究和分析,分别建立以有机酸浓度为变量的累积产氢量、产氢率和氢转化率的数学模型,同时通过数学模型和试验数据的分析确定了氢转化率适合作为衡量不同有机酸不同浓度时菌体产氢能力的指标。结果表明试验范围内有机酸浓度对光合产氢的影响很大,过高浓度的有机酸对产氢有明显的抑制作用,产氢过程中这几种低分子有机酸均各自存在着一个最佳的产氢浓度值。并通过对数学模型的优化,发现三种低分子有机酸达到各自产氢时最佳有机酸浓度值的大小顺序分别为:乙酸＞丙酸＞丁酸。这说明丁酸浓度对产氢的影响作用要大于乙酸和丙酸。本文除对单一有机酸产氢的研究外,同时还进行了混合酸产氢的研究。由于乙酸和丁酸是发酵法产氢能力的指标也是发酵产氢的主要液相产物,所以本文对混合有机酸产氢的研究主要是集中在乙酸和丁酸混合的光合细菌产氢。而乙酸和丁酸的浓度比直接影响着光合产氢效果,通过响应曲面法（RSM）确定最佳的乙酸和丁酸浓度比为3.792,乙酸浓度为0.0383 mol/L时,达到最大的氢转化率43.88%。为了提高光合细菌利用低分子有机酸产氢以及抗环境因素干扰的能力,对这些低分子有机酸进行了固定化菌体光合产氢特性的试验研究。结果表明固定化能提高产氢率,以海藻酸钠为固定化载体的产氢效果最佳。同时发现固定化菌体利用有机酸产氢也存在最佳有机酸浓度,固定化菌体产氢的最佳有机酸浓度要高于游离态的最佳有机酸浓度。对于乙酸、丙酸和丁酸这三种小分子羧酸,其最佳有机酸浓度的大小同样随着有机酸碳原子数的增加而减小,即乙酸（0.043 mol/1）＞丙酸（0.029 mol/1）＞丁酸（0.022 mol/1）。其中乙酸的氢转化率最高,达到65.3%。在利用低分子有机酸所产生气相成分中,氢气含量因有机酸类型的不同而不同,并不受有机酸浓度,以及菌体固定化与否的影响。对于乙酸、丙酸和丁酸,氢气含量随着有机酸碳原子数的增加而增大。本文最后基于光合细菌利用VFAs产氢特性的研究结果,通过三种耦合方式产氢试验的对比,确定了两级串联生物产氢反应系统为最佳的耦合方式。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 氢能的研究
• 1.2.1 氢能的特点
• 1.2.2 制氢方法
• 1.2.2.1 化学法制氢
• 1.2.2.2 水解制氢
• 1.2.2.3 生物质制氢
• 1.2.3 微生物产氢的意义
• 1.3 生物产氢机制
• 1.3.1 生物产氢的分子生物学基础
• 1.3.2 产氢微生物的种类
• 1.3.3 生物产氢机理
• 1.3.3.1 绿藻产氢系统
• 1.3.3.2 蓝细菌产氢系统
• 1.3.3.3 光合细菌产氢系统
• 1.3.3.4 厌氧发酵生物制氢系统（也称暗发酵生物制氢系统）
• 1.3.4 催化生物产氢的酶
• 1.4 生物产氢的研究现状及不足
• 1.4.1 发酵产氢技术文献综述
• 1.4.2 光合生物产氢技术文献综述
• 1.4.3 目前各种生物产氢方法研究状况的特点及不足
• 1.4.4 光合-发酵耦合法生物制氢系统
• 1.4.5 光合细菌利用低分子有机酸（VFAs）产氢研究的意义
• 1.5 光合细菌利用VFAs产氢的技术文献综述
• 1.5.1 发酵法产氢尾液中的VFAs含量（VFAs的来源）
• 1.5.2 光合细菌利用VFAs产氢的机理
• 1.5.3 利用VFAs产氢的研究现状及不足
• 1.6 本课题的研究意义、目的及所要研究的主要内容
• 1.6.1 研究意义
• 1.6.2 研究目的及内容
• 第2章 光合细菌利用低分子有机酸生长特性
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 菌种来源
• 2.2.2 生长培养基
• 2.2.3 生长系统
• 2.2.4 菌体的生长曲线测定方法
• 2.2.5 VFAs浓度的测定方法
• 2.3 光合细菌利用VFAs的生长动力学
• 2.3.1 利用VFAs的生长模型的选择
• 2.3.2 生长速率随时间变化的动力学模型
• 2.3.3 比生长速率随底物浓度变化的动力学模型
• 2.4 生长培养基的确定
• max的影响'>2.4.1 培养基成份对菌体最大菌浊度OD_max的影响
• 2.4.2 不同培养基下的生长动力学
• 2.5 光合细菌在低分子有机酸中的生长特性
• 2.5.1 不同低分子有机酸的生长曲线
• 2.5.2 不同低分子有机酸中的生长速率
• 2.5.3 不同VFAs中的生长最佳pH的选择
• 2.5.4 不同VFAs中的生长适宜温度的选择
• 2.5.5 菌体在VFAs中生长光强的确定
• 2.5.6 生长接种量的确定
• 2.6 其它生长影响因素的分析
• 2.6.1 不同氮源对利用VFAs生长的影响
• 2.6.1.1 利用VFAs生长的氮源的选择
• 4⁺浓度对利用VFAs生长的影响'>2.6.1.2 不同NH₄⁺浓度对利用VFAs生长的影响
• 2.6.2 气相条件对生长的影响
• 2+对光合细菌生长的影响'>2.6.3 Co²⁺对光合细菌生长的影响
• 2.6.4 有机酸浓度对生长的影响
• 2.7 本章小结
• 第3章 光合细菌产氢过程的反应动力学模型
• 3.1 引言
• 3.2 建立模型的要求
• 3.2.1 动力学模型的分类
• 3.2.2 微生物反应动力学模型建立的条件
• 3.2.3 建立数学模型的主要目标
• 3.3 材料和方法
• 3.3.1 菌种
• 3.3.2 产氢培养基（g/L）
• 3.3.3 产氢试验系统
• 3.3.4 分析方法
• 3.4 产物生成动力学模型
• 3.4.1 产物累积生成量动力学模型
• 3.4.2 产物生成速率的动力学模型
• 3.5 反应液pH变化的数学模型
• 3.5.1 反应液pH变化的数学模型
• 3.5.2 反应液pH的变化速率模型
• 3.6 生长动力学模型
• 3.6.1 产氢过程中最大生物量随时间变化的动力学模型
• 3.6.2 产氢过程中Rh.Palustris Z02利用低分子有机酸的生长速率模型
• 3.6.3 产氢过程中比生长速率模型
• 3.7 产物生成比速率模型（SPR）
• 3.8 有机酸降解模型
• 3.8.1 有机酸降解动力学模型
• 3.8.2 有机酸降解速率和降解比速率模型
• 3.8.3 底物抑制模型
• 3.8.4 有机酸的利用率
• 3.9 本章小结
• 第4章 光合细菌利用有机酸的产氢特性
• 4.1 引言
• 4.2 试验装置及材料、方法
• 4.2.1 菌种
• 4.2.2 培养基
• 4.2.3 碳源
• 4.2.4 试验系统
• 4.2.5 分析方法
• 4.3 产氢基本条件的优化选择
• 4.3.1 响应曲面的实验设计和方法
• 4.3.2 光合产氢条件的RSM数学模型的建立
• 4.3.3 光合产氢条件的RSM曲面分析
• 4.3.4 光合产氢条件的RSM模型的数学优化
• 4.3.5 试验模型的可靠性分析
• 4.3.6 本节小结
• 4.4 利用不同低分子有机酸的产氢特性
• 4.4.1 产氢机理
• 4.4.2 动态产氢特性
• 4.4.2.1 以乙酸为氢供体的产氢特性
• 4.4.2.2 以丙酸为氢供体的产氢特性
• 4.4.2.3 以丁酸为氢供体的产氢特性
• 4.4.2.4 以乳酸为氢供体的产氢特性
• 4.4.3 产氢率、氢气含量和产氢延迟期
• 4.4.4 产氢过程的底物降解及pH的变化
• 4.4.5 有机酸利用率和有机酸的氢转化率
• 4.5 固氮酶调控因素对产氢影响分析
• 4.5.1 气相条件对利用VFAs产氢动力学的影响分析
• 4⁺对利用有机酸产氢的影响'>4.5.2 NH₄⁺对利用有机酸产氢的影响
• 4.5.3 本节小结
• 3对光合细菌利用VFAs产氢的影响分析'>4.6 NAHCO₃对光合细菌利用VFAs产氢的影响分析
• 4.6.1 动态产氢特性
• 4.6.2 氢转化率
• 4.6.3 pH变化
• 4.6.4 对生长的影响
• 4.6.5 本节小结
• 4.7 其他低分子有机酸以及乙醇的产氢特性
• 4.7.1 产氢动态特性
• 4.7.2 产氢过程中反应液的pH变化
• 4.7.3 氢转化率和氢气含量
• 4.7.4 本节小结
• 4.8 本章小结
• 第5章 低分子有机酸浓度对光合细菌产氢的影响
• 5.1 引言
• 5.2 单一有机酸的浓度对产氢的影响
• 5.2.1 不同浓度低分子有机酸的产氢动态特性
• 5.2.2 有机酸浓度变化的产氢率、产氢量以及氢转化率的动力学模型
• 5.2.2.1 有机酸浓度变化对产氢指标影响的数学模型的建立
• 5.2.2.2 有机酸浓度的数学优化
• 5.2.2.3 产氢率、累积产氢量、氢转化率三个产氢指标的对比
• 5.2.3 不同有机酸浓度时的比产氢速率随有机酸浓度的变化
• 5.2.4 不同有机酸浓度时,Rh.Palustris Z02产氢过程pH的变化
• 5.2.5 本节小结
• 5.3 混合有机酸产氢过程中乙酸和丁酸的浓度比对产氢的影响
• 5.3.1 试验系统和试验设计
• 5.3.2 相对于氢转化率的响应曲面模型
• 5.3.3 累积产氢量的响应曲面模型
• 5.3.4 数学优化
• 5.3.5 乙、丁酸浓度比一定时,有机酸浓度对产氢的影响以及模型的验证
• 5.3.6 5L反应器的验证
• 5.3.7 本节小结
• 5.4 本章小结
• 第6章 固定化光合细菌利用低分子有机酸的产氢特性
• 6.1 引言
• 6.2 固定化技术
• 6.2.1 固定化方法
• 6.2.2 固定化产氢技术的研究现状
• 6.3 响应曲面法（RSM）对固定化产氢条件的优化
• 6.3.1 材料与方法
• 6.3.2 响应曲面的实验设计和方法
• 6.3.3 产氢的固定化条件的RSM数学模型的建立
• 6.3.4 产氢固定化条件的RSM模型的数学优化
• 6.3.5 产氢的固定化条件的RSM曲面分析
• 6.3.6 试验模型的可靠性分析
• 6.3.7 5L反应器的验证
• 6.3.8 本节小结
• 6.4 固定化RH.PALUSTRIS Z02利用不同有机酸的动态产氢特性
• 6.4.1 固定化Rh.Palustris Z02利用不同有机酸的动态产氢特性
• 6.4.2 产氢过程的pH变化
• 6.4.3 有机酸初始浓度对产氢特性的影响
• 6.4.4 有机酸的氢转化率
• 6.4.5 不同有机酸产氢的氢气含量
• 6.4.6 本节小结
• 6.5 本章小结
• 第7章 光合发酵耦合产氢的试验研究
• 7.1 耦合法产氢的机理
• 7.1.1 发酵产氢
• 7.1.2 光合细菌产氢
• 7.1.3 耦合法产氢机理
• 7.2 耦合方式对产氢的影响
• 7.2.1 试验系统及分析方法
• 7.2.2 不同耦合方式生物产氢系统
• 7.2.2.1 单床混合法产氢系统
• 7.2.2.2 单床两步法产氢系统
• 7.2.2.3 两极串联法产氢系统（两床法）
• 7.2.3 不同耦合方式产氢两种菌体状态的确定
• 7.2.4 不同耦合方式的产氢过程有机酸的累积和葡萄糖的降解
• 7.2.5 不同耦合方式的累积产氢量
• 7.2.6 不同耦合方式的产氢速率
• 7.3 本章小结
• 第8章 全文总结及下一步工作展望
• 8.1 本文的主要研究成果
• 8.2 本文的创新之处
• 8.3 对未来工作的展望及进一步研究的方向
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 参加的项目
• 致谢