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微藻生物质暗发酵和光发酵耦合产氢气以及联产甲烷的机理研究

作　者: 夏奡
导　师: 岑可法
学　校: 浙江大学
专　业: 工程热物理
关键词: 氢气甲烷微藻生物质暗发酵光发酵谷氨酸海藻糖
分类号: TQ116.2
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

化石燃料的过度利用导致了日趋严重的能源危机和环境污染。氢气的能量密度高、燃烧产物清洁,是一’种理想的二次能源载体。利用可再生的生物质为原料通过发酵的方法制取氢气已经成为国内外制氢领域的研究热点。微藻具有光合作用效率高、生长迅速、分布广泛等特点,是一种具有大规模能源化应用潜力的生物质原料。本文以微藻生物质为研究对象,对其暗发酵和光发酵耦合产氢气以及联产甲烷进行机理研究,实现生物质成分的高效分级利用,大幅度提高氢气产率和能量转化效率。本文以微藻生物质中的典型蛋白质组分谷氨酸为原料,对谷氨酸的暗发酵和光发酵耦合产氢气联产甲烷的可行性进行了实验研究。在暗发酵、光发酵和甲烷发酵中使用的菌种均分离和富集于厌氧消化污泥,分别为混合产氢细菌、混合光合细菌和混合产甲烷细菌。在暗发酵阶段,谷氨酸可以被产氢细菌有效的利用和发酵产生大量的可溶代谢产物但是却很难产生氢气。暗发酵尾液中的主要代谢产物为乙酸、丁酸以及铵离子,由于高浓度的铵离子会显著抑制后续的光发酵产氢气,需要在光发酵之前去除尾液中的铵离子。沸石是一种廉价、可再生的天然资源,可以通过高效的离子交换去除溶液中的铵离子。经过沸石处理之后,尾液中的铵离子浓度由处理之前的36.7mM显著降低至3.2mM,铵离子去除率为91.1%。处理后的尾液接种光合细菌进行光发酵,得到最大氢气产率为292.9ml H2/g谷氨酸。光发酵尾液接种产甲烷细菌进行甲烷发酵,得到最大甲烷产率为102.7ml CH4/g谷氨酸。通过暗发酵和光发酵耦合产氢气联产甲烷,谷氨酸的能量转化效率由单纯产氢气的18.9%显著提高至氢气和甲烷联产的40.9%。本文以微藻生物质中的典型碳水化合物成分海藻糖为原料,对海藻糖的暗发酵和光发酵耦合产氢气联产甲烷的可行性进行了实验研究。海藻糖是一种非还原性二糖,性质稳定很难水解,只有经过预处理水解为单糖以后才能高效的发酵产氢气。海藻糖经过微波加热辅助稀酸预处理之后接种产氢细菌进行暗发酵,得到最大氢气产率为396.2ml H2/g海藻糖。暗发酵尾液接种光合细菌进行光发酵,得到最大氢气产率为335.1ml H2/g海藻糖。光发酵的尾液接种产甲烷细菌进行甲烷发酵,得到最大甲烷产率为116.9ml H2/g海藻糖。通过暗发酵和光发酵耦合产氢气联产甲烷,海藻糖的能量转化效率由单纯产氢气的47.2%显著提高至氢气和甲烷联产的72.2%。本文以钝顶节旋藻为原料,讨论和比较了微藻的两种暗发酵产氢气模式：利用外加产氢细菌的[FeFe]氢酶通过异相暗发酵产氢气和利用节旋藻的[NiFe]氢酶通过自相暗发酵产氢气。在异相暗发酵中,经过超声波破碎和酶水解之后的节旋藻可以被产氢细菌高效利用,在节旋藻浓度为20g/l得到最大的氢气产率为92.0ml H2/g DW。在自相暗发酵中,当节旋藻浓度由1g/l提高到20g/l时,最大氢气产率由51.4ml H2/g DW大幅度降低至11.0ml H2/gDW。在较高的节旋藻浓度条件下(20g/l),异相暗发酵的产氢峰值速率和最大氢气产率是自相暗发酵的110.0倍和8.4倍。因此在后续的实验中,微藻生物质应选用异相暗发酵产氢气的模式。节旋藻经过微波加热辅助稀酸预处理和酶水解可以有效的促进生物质的水解和强化暗发酵产氢气,随后利用沸石去除暗发酵尾液中的铵离子可以实现高效的光发酵产氢气。通过暗发酵和光发酵耦合产氢气,节旋藻的最大氢气产率大幅度提高至337.0mlH2/g DW。本文以海洋微拟球藻为原料,讨论和比较了三种微藻生物质发酵产氢气和甲烷的方法：(1)暗发酵和光发酵耦合产氢气联产甲烷；(2)暗发酵产氢气联产甲烷；(3)直接发酵产甲烷。微拟球藻通过微波加热辅助稀硫酸预处理之后接种产氢细菌进行暗发酵产氢气。在暗发酵中产氢细菌对大部分经过预处理水解生成的氨基酸的消耗时间大约是还原糖消耗时间的两倍。微拟球藻通过暗发酵和光发酵耦合产氢气联产甲烷得到的最大氢气产率为161.3ml H2/g TVS,最大甲烷产率为183.9ml CH4/g TVS,整体能量转化效率为暗发酵产氢气联产甲烷的1.7倍、直接产甲烷的1.3倍。本文以蛋白核小球藻为原料,研究了多种预处理方式对微藻生物质暗发酵产氢气的影响。经过蒸汽加热辅助稀酸和微波加热辅助稀酸预处理能够显著促进小球藻的水解和暗发酵产氢气。通过暗发酵和光发酵耦合产氢气联产甲烷,小球藻的最大氢气产率为198.3ml H2/g TVS,最大甲烷产率为186.2ml CH4/g TVS,整体能量转化效率为34.0%。在批次实验的基础之上,进行了小球藻的半连续流发酵产氢气的实验研究。通过长时间小球藻驯化得到的复杂产氢细菌菌群比之前通过葡萄糖驯化得到的简单菌群更能适应和高效利用小球藻生物质的各个成分,可以实现连续稳定的发酵产氢气。为了进一步提高生物质发酵的能量转化效率,以小球藻和木薯淀粉为混合原料,研究了碳氮摩尔比对发酵产氢气的影响。混合生物质在碳氮摩尔比为25.3的条件下得到的最大暗发酵氢气产率为276.2ml H2/gTVS,分别是单纯用小球藻和木薯淀粉为原料最大氢气产率的3.7倍和1.8倍。通过暗发酵和光发酵耦合产氢气联产甲烷,混合生物质的最大氢气产率和甲烷产率分别为664.2ml H2/g TVS和126.0ml CH4/g TVS,整体能量转化效率达到67.2%。

全文目录

致谢  5-7
前言  7-8
摘要  8-10
Abstract  10-18
1 绪论  18-34
  1.1 能源  18-20
    1.1.1 能源与环境  18-19
    1.1.2 氢能的特点  19-20
  1.2 氢能的制取技术  20-21
  1.3 微生物制氢  21-31
    1.3.1 暗发酵  21-24
    1.3.2 光发酵  24-25
    1.3.3 光解水  25-26
    1.3.4 不同制氢方法的比较  26-27
    1.3.5 发酵制氢工艺的进展  27-30
    1.3.6 发酵制氢的原料  30-31
  1.4 微藻生物质发酵制氢的技术难点  31
  1.5 本文研究目的和内容  31-34
    1.5.1 本文的研究目的  31-32
    1.5.2 本文的研究内容  32-34
2 实验仪器与方法  34-56
  2.1 菌种的分离和培养  34-37
    2.1.1 微生物培养基的配制  34-35
    2.1.2 微生物培养基的成分  35-36
    2.1.3 微生物的分离和培养  36-37
  2.2 发酵系统及实验设备  37-41
    2.2.1 发酵系统  37-38
    2.2.2 实验设备  38-41
  2.3 分析测试  41-54
    2.3.1 水分、TVS以及灰分的测试方法  41-42
    2.3.2 蒽酮硫酸法测试总糖水化合物和还原糖  42-43
    2.3.3 DNS法测试还原糖  43-45
    2.3.4 Lowry法测试蛋白质  45-46
    2.3.5 生物质其他成分的测试方法  46-47
    2.3.6 气相成分的测试方法  47-49
    2.3.7 液相成分的测试方法  49-54
  2.4 数据的分析与计算  54-56
3 谷氨酸暗发酵和光发酵耦合产氢气联产甲烷的机理研究  56-65
  3.1 引言  56-57
  3.2 实验方案  57-59
    3.2.1 菌种  57
    3.2.2 沸石  57-58
    3.2.3 发酵  58-59
    3.2.4 沸石吸附铵离子的再利用  59
  3.3 谷氨酸暗发酵产酸及沸石除铵处理  59-61
  3.4 经过沸石处理的谷氨酸暗发酵尾液光发酵产氢气的特性  61-62
  3.5 谷氨酸光发酵尾液联产甲烷的特性  62-63
  3.6 谷氨酸发酵联产氢气和甲烷的能量转化效率  63-64
  3.7 本章小结  64-65
4 海藻糖暗发酵和光发酵耦合产氢气联产甲烷的机理研究  65-78
  4.1 引言  65-66
  4.2 实验方案  66-67
    4.2.1 菌种  66
    4.2.2 预处理和发酵  66-67
  4.3 海藻糖的预处理和水解  67-71
    4.3.1 微波加热辅助稀酸预处理  67-70
    4.3.2 酶水解  70-71
  4.4 海藻糖的暗发酵产氢气的特性  71-73
  4.5 海藻糖暗发酵尾液光发酵产氢气的特性  73-74
  4.6 海藻糖光发酵尾液联产甲烷的特性  74-75
  4.7 海藻糖发酵联产氢气和甲烷的能量转化效率  75-77
  4.8 本章小结  77-78
5 节旋藻暗发酵产氢气模式的比较  78-91
  5.1 引言  78-79
  5.2 实验方法  79-80
    5.2.1 微藻和菌种  79
    5.2.2 预处理和发酵  79-80
  5.3 节旋藻的生物质成分和理论分析  80-81
  5.4 节旋藻异相暗发酵产氢气的特性  81-85
    5.4.1 不同预处理方法对节旋藻异相暗发酵产氢气的影响  81-82
    5.4.2 节旋藻驯化后的产氢细菌对异相暗发酵产氢气的影响  82-83
    5.4.3 节旋藻浓度对异相暗发酵产氢气的影响  83-84
    5.4.4 异相暗发酵尾液中的液相可溶代谢产物  84-85
  5.5 节旋藻自相暗发酵产氢气的特性  85-87
  5.6 节旋藻异相暗发酵和自相暗发酵产氢气的比较  87-89
  5.7 本章小结  89-91
6 节旋藻暗发酵和光发酵耦合产氢气的特性  91-99
  6.1 引言  91
  6.2 实验方法  91-92
    6.2.1 微藻和菌种  91
    6.2.2 预处理和发酵  91-92
  6.3 微波加热辅助稀酸预处理对节旋藻还原糖产率的影响  92-93
  6.4 节旋藻暗发酵产氢气的特性  93-94
  6.5 节旋藻暗发酵尾液的沸石处理以及光发酵产氢气的特性  94-96
  6.6 文献比较和理论计算  96-98
  6.7 本章小结  98-99
7 微拟球藻发酵联产氢气和甲烷的特性  99-120
  7.1 引言  99-100
  7.2 实验方法  100-102
    7.2.1 微藻和菌种  100
    7.2.2 预处理和发酵  100-102
  7.3 微波加热辅助稀酸预处理对微拟球藻还原糖产率的影响  102-106
  7.4 微拟球藻暗发酵产氢气的特性  106-111
  7.5 微拟球藻暗发酵尾液光发酵产氢气的特性  111-112
  7.6 微拟球藻联产甲烷的特性  112-116
  7.7 微拟球藻发酵联产氢气和甲烷的能量转化效率  116-118
  7.8 本章小结  118-120
8 小球藻发酵联产氢气和甲烷的特性  120-133
  8.1 引言  120-121
  8.2 实验方法  121-122
    8.2.1 微藻和菌种  121
    8.2.2 预处理和发酵  121-122
  8.3 小球藻的预处理和暗发酵产氢气的特性  122-126
    8.3.1 小球藻的成分和预处理  122-123
    8.3.2 小球藻的暗发酵产氢气的特性  123-126
  8.4 小球藻暗发酵尾液光发酵产氢气的特性  126-128
  8.5 小球藻联产甲烷的特性  128-130
  8.6 小球藻发酵联产氢气和甲烷的能量转化效率  130-132
  8.7 本章小结  132-133
9 小球藻半连续流发酵中细菌菌群变化对代谢产物的影响  133-145
  9.1 引言  133
  9.2 实验方法  133-134
    9.2.1 微藻和菌种  133
    9.2.2 半连续流发酵实验  133-134
    9.2.3 细菌菌群的16S rRNA测试  134
  9.3 半连续流发酵中细菌菌群的分析和比较  134-139
  9.4 半连续流发酵中细菌菌群变化对产氢气的影响  139-140
  9.5 半连续流发酵液中细菌菌群变化对可溶液相代谢产物的影响  140-144
  9.6 本章小结  144-145
10 小球藻和木薯淀粉混合发酵联产氢气和甲烷的特性  145-159
  10.1 引言  145
  10.2 实验方法  145-147
    10.2.1 生物质原料和菌种  145-146
    10.2.2 预处理和发酵  146-147
  10.3 预处理对混合生物质暗发酵产氢气的影响  147-150
  10.4 碳氮摩尔比对混合生物质暗发酵产氢气的影响  150-153
  10.5 混合生物质暗发酵尾液光发酵产氢气的特性  153
  10.6 混合生物质联产甲烷的特性  153-156
  10.7 混合生物质发酵联产氢气和甲烷的能量转化效率  156-158
  10.8 本章小结  158-159
11 全文总结  159-164
  11.1 主要研究成果  159-161
  11.2 主要创新点  161-162
  11.3 研究展望  162-164
参考文献  164-183
作者简历  183-186

微藻生物质暗发酵和光发酵耦合产氢气以及联产甲烷的机理研究

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