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光合细菌连续制氢工艺及相关机理研究

作　者: 师玉忠
导　师: 张全国
学　校: 河南农业大学
专　业: 农业生物环境与能源工程
关键词: 光合细菌混合菌种生产菌种活塞流光生物反应器连续培养连续制氢顶空压力
分类号: TQ116.2
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

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。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-11
第1章绪论  11-39
  1.1 研究背景  11-14
  1.2 光合细菌生物制氢的研究现状  14-23
    1.2.1 历史回顾  14
    1.2.2 光合细菌产氢机理  14-19
    1.2.3 产氢光合细菌的选育  19-20
    1.2.4 光合细菌产氢影响因素  20-23
  1.3 光生物反应器及其研究进展  23-29
    1.3.1 历史回顾  23
    1.3.2 光生物反应器的主要类型和特点  23-24
    1.3.3 光生物反应器研究现状  24-29
  1.4 微生物的生长和培养方式  29-36
    1.4.1 分批培养  30
    1.4.2 补料分批培养  30-32
    1.4.3 连续培养  32-36
  1.5 本文的研究目的和内容  36-39
    1.5.1 基于连续制氢的产氢光合细菌相关特性  37
    1.5.2 光合细菌连续培养装置及连续培养模式的构建  37
    1.5.3 光合细菌连续制氢试运行实验  37
    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  37-39
第2章基于连续制氢的产氢光合细菌相关特性研究  39-55
  2.1 引言  39
  2.2 光合细菌的基本特性  39-42
    2.2.1 光合细菌形态和分类  39-40
    2.2.2 光合细菌的生理特性  40-42
  2.3 材料与方法  42-45
    2.3.1 实验菌种  42
    2.3.2 培养基  42-43
    2.3.3 实验装置  43-44
    2.3.4 实验方法  44-45
  2.4 结果与讨论  45-53
    2.4.1 光合细菌混合菌种的运动性  45
    2.4.2 光合细菌混合菌种的稳定性及环境适性  45-46
    2.4.3 葡萄糖对混合菌种生长及产氢的影响  46-51
    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  51-53
    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  53
  2.5 本章小结  53-55
第3章光合细菌生产菌种的连续培养模式构建  55-73
  3.1 引言  55-56
  3.2 光合细菌生产菌种连续培养系统  56-60
    3.2.1 连续培养系统的设计思路  56-57
    3.2.2 连续培养系统的整体设计  57
    3.2.3 反应器的结构  57-58
    3.2.4 供光方式  58
    3.2.5 培养基输送和培养液循环  58
    3.2.6 系统的温度控制  58
    3.2.7 系统的启动  58-59
    3.2.8 活塞流循环连续培养系统的特点  59-60
  3.3 光合细菌连续培养实验研究  60-66
    3.3.1 材料与方法  60-66
  3.4 循环连续培养过程的主要运行参数选择  66-71
    3.4.1 循环连续培养过程的相关描述  67
    3.4.2 假设与简化  67
    3.4.3 基本模型的选择  67-69
    3.4.4 模型求解  69-70
    3.4.5 模型改进  70-71
  3.5 本章小结  71-73
第4章光合细菌连续制氢试运行实验  73-83
  4.1 引言  73
  4.2 材料与方法  73-75
    4.2.1 菌种  73
    4.2.2 培养基  73-74
    4.2.3 工艺流程  74
    4.2.4 实验装置  74-75
    4.2.5 测定方法  75
  4.3 结果与讨论  75-81
    4.3.1 菌种循环连续培养的运行参数确定  75-76
    4.3.2 连续运行过程中生产菌种的稳定性  76-77
    4.3.3 光纤内部供光产氢反应器的光照条件初步选择  77-78
    4.3.4 光合细菌连续制氢装置的运行条件选择  78-81
    4.3.5 连续产氢过程中反应液pH 值的变化  81
  4.4 本章小结  81-83
第5章反应器顶空压力及气体组成对光合细菌的影响  83-93
  5.1 引言  83
  5.2 材料与方法  83-86
    5.2.1 实验材料  83-84
    5.2.2 实验方法  84-86
  5.3 结果与讨论  86-91
    5.3.1 顶空压力对光合细菌产氢延滞期的影响  86
    5.3.2 顶空压力对光合细菌产氢的影响  86-89
    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  89-90
    5.3.4 顶空气体组成对光合细菌产氢过程的影响  90-91
  5.4 本章小结  91-93
第6章全文总结  93-97
参考文献  97-109
ABSTRACT  109-112
博士研究生在读期间发表的论文  112

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