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乙醇产氢发酵特性及其与微生物电解池耦合梯级产氢

作　者: 李兆雯
导　师: 邢德峰
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 微生物学
关键词: 生物制氢 乙醇型发酵 微生物电解池 产乙醇杆菌
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


发酵法生物制氢技术在处理有机废水和废弃物同时产氢，具有改善环境和实现能源再生的双重功效，是一项具有良好应用前景的技术。然而发酵产氢细菌不能转化小分子有机酸和醇，由于存在代谢障碍降低了氢气转化率。微生物电解池（MEC）是一项新兴的废水处理与产氢技术，在电化学辅助作用下可实现碳水化合物和小分子有机酸产氢。然而微生物电解池产氢技术在高浓度碳水化合物条件下，容易产生酸化，产氢效能降低。可见，如何实现碳水化合物高效转化产氢是生物制氢技术的难点。本文主要探讨环境因素对乙醇型发酵产氢及凝集的影响，将乙醇型发酵产氢技术与MEC产氢技术偶联，实现碳源梯级利用，提高底物利用率和产氢能力，这一研究具有重要的现实和理论意义。以乙醇发酵产氢细菌Ethanoligenens harbinense YUAN-3（哈尔滨产乙醇杆菌）进行产氢发酵时，Ca2+浓度为0.5g/L时菌株YUAN-3的凝集系数为90%以上，产氢量随Ca2+浓度增加而下降。在0.1g/L Ca2+浓度时，菌株X-29的产氢量为1400ml-H2/L-培养基；产氢菌X-29的自凝集效果较差，其凝集系数在10%左右，Ca2+的投加对菌株X-29的凝集影响不大。培养基中Fe2+浓度为0.1g/L，L-半胱氨酸浓度为0.8g/L时，YUAN-3的凝集和产氢能达到较好效果。对产氢菌YUAN-3和X-29的蛋白表达图谱分析，发现了可能与凝集相关的差异蛋白，其结构与苜蓿根瘤菌1021的转录调控蛋白家族的Putative GntR蛋白相似。分析不同二糖对产氢菌YUAN-3产氢量和底物利用率的影响。菌株YUAN-3在以蔗糖作为底物时具有较高产氢量和底物利用率。35g/L-蔗糖时，氢气产量为1936ml-H2/L-培养基，底物利用率在20g/L时为100%；24g/L-乳糖时，氢气产量为1387ml-H2/L-培养基，乳糖浓度低于10g/L时的底物利用率高于90%；以麦芽糖作为底物时的底物利用率和产氢效率都相对较低。利用产氢产乙醇发酵与MEC耦合实现了蔗糖梯级产氢。将菌株YUAN-3与产电细菌Shewanella sp. NH41复配进行一步法产氢，氢气产率为2.82mol-H2/mol-底物；菌株YUAN-3和Shewanella sp. NH41、 Geobactersulfurreducens PCA这两种产电菌复配产氢时，氢气产率为2.95mol-H2/mol-底物。以蔗糖为底物进行两步法产氢时， MEC段的氢气产率为55.37mmol-H2/g-COD，相较于单纯发酵氢气转化率提高了83%，底物转化率提高了56%。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-25
  1.1 课题研究背景  10-12
  1.2 发酵法生物制氢技术  12-16
    1.2.1 产氢发酵途径和发酵类型  12-13
    1.2.2 影响发酵产氢因素  13
    1.2.3 高效菌株的筛选与分离  13-14
    1.2.4 发酵产氢工艺的改良及规模化  14-15
    1.2.5 发酵法产氢面临的问题及展望  15-16
  1.3 环境因子扰动条件下产氢细菌的产氢与凝集  16-17
    1.3.1 凝集细菌粘附能力的研究  16
    1.3.2 影响细菌凝集的因素  16-17
    1.3.3 细菌形成凝集对制氢影响的研究  17
  1.4 微生物电解池法制氢技术  17-22
    1.4.1 MEC 的工作原理  17-18
    1.4.2 MEC 的研究现状  18-20
    1.4.3 MEC 产氢面临的问题及展望  20-22
  1.5 发酵法与 MEC 偶联强化产氢  22-23
    1.5.1 发酵法与 MEC 偶联实现梯级产氢  22
    1.5.2 发酵法与 MEC 偶联强化产氢面临的问题  22-23
  1.6 研究内容和技术路线  23-25
    1.6.1 研究内容  23
    1.6.2 研究技术路线  23-25
第2章 实验材料与方法  25-37
  2.1 试验装置  25-27
    2.1.1 发酵法制氢反应器  25-26
    2.1.2 单室 MEC 反应器  26-27
  2.2 检测项目与方法  27-30
    2.2.1 氢气含量测定  27-28
    2.2.2 细菌生物量测定  28
    2.2.3 发酵产物分析  28
    2.2.4 底物利用率的测定  28
    2.2.5 pH 值的测定  28
    2.2.6 凝集系数的测定  28-29
    2.2.7 蛋白质双向凝胶电泳（2-DE）  29-30
  2.3 实验试剂与仪器  30-34
    2.3.1 实验试剂  30
    2.3.2 仪器设备  30-31
    2.3.3 实验菌株与培养基配方  31-34
  2.4 发酵法制氢数据的计算方法  34-35
    2.4.1 氢气含量的计算  34-35
    2.4.2 凝集系数的计算  35
  2.5 MEC 产氢的计算方法  35-37
    2.5.1 氢气产率  35-36
    2.5.2 氢气回收率  36
    2.5.3 产氢速率  36-37
第3章 影响产氢产乙醇细菌发酵产氢及凝集的因素  37-54
  3.1 Ca~(2+)扰动对产氢细菌凝集与产氢效能的影响  37-43
    3.1.1 Ca~(2+)对自凝集细菌 YUAN-3 产氢及凝集性的影响  37-39
    3.1.2 Ca~(2+)对产氢菌 X-29 产氢及凝集性的影响  39-41
    3.1.3 Ca~(2+)对产氢菌 YUAN-3 和 X-29 凝集性影响比较  41-43
  3.2 Fe~(2+)与 L-半胱氨酸对 YUAN-3 凝集性及产氢的影响  43-45
  3.3 产氢产乙醇细菌利用不同碳源发酵产氢  45-53
    3.3.1 不同浓度蔗糖对产氢的影响  45-48
    3.3.2 不同浓度乳糖对产氢的影响  48-50
    3.3.3 不同浓度麦芽糖对产氢的影响  50-53
  3.4 本章小结  53-54
第4章 乙醇型发酵与 MEC 耦合梯级产氢  54-66
  4.1 发酵细菌与产电菌一步法复配产氢  54-60
    4.1.1 不同菌种复配对系统产氢影响  55-58
    4.1.2 一步法复配产氢的其他参数  58-60
  4.2 发酵法-MEC 两步法产氢  60-64
    4.2.1 利用蔗糖的纯菌发酵产氢  60-61
    4.2.2 MEC 系统有机物降解  61-62
    4.2.3 两步法的产氢效能分析  62-64
  4.3 发酵与 MEC 耦合梯级产氢性能比较  64-65
  4.4 本章小结  65-66
结论  66-67
参考文献  67-75
攻读学位期间发表的学术论文  75-77
致谢  77-78

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 废物处理与综合利用 > 一般性问题 > 废水的处理与利用
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