混合菌群厭氧發(fā)酵的代謝模型及其過程控制.pdf

1、厭氧生物處理能夠直接利用多種有機(jī)廢棄物，所需要的運(yùn)行成本較低，并且能夠生產(chǎn)包括甲烷、氫氣、乙酸、乙醇和生物塑料等多種有用化學(xué)品和生物能源，已被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)有機(jī)廢水和污泥的處理。但是由于該技術(shù)是復(fù)雜菌群的共同代謝過程，并且代謝產(chǎn)品的利用也需要與分離純化技術(shù)相結(jié)合，我們?nèi)匀恍枰钊胙芯俊?br>　　 本論文以混合菌群厭氧發(fā)酵過程為研究對象，在代謝模型、氫氣過飽和現(xiàn)象、菌群和代謝產(chǎn)物控制、氣體發(fā)酵、生物氣純化等方面開展了相關(guān)研究:在Ro

2、driguez模型的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行了大量的修正，使得厭氧發(fā)酵代謝模型的模擬結(jié)果更加接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果;通過溶解氣質(zhì)譜儀在線測定氫氣在液相中的濃度，首次報道并解釋了高溫產(chǎn)氫反應(yīng)器中的氫氣過飽和現(xiàn)象;利用強(qiáng)高溫(70℃)條件控制混合菌群中古菌的分布，實(shí)現(xiàn)了利用葡萄糖生產(chǎn)甲烷和乙酸的目的;在中空纖維膜生物膜反應(yīng)器中，混合菌群原位利用合成氣（氫氣和二氧化碳）生產(chǎn)中長鏈脂肪酸;通過微生物燃料電池(MFC)產(chǎn)電可以驅(qū)動雙極膜(BPM)解離水生產(chǎn)堿液，并用

3、于生物氣的純化，從而使得厭氧發(fā)酵生產(chǎn)的合成氣具有實(shí)際應(yīng)用價值。主要內(nèi)容和結(jié)果包括:
　　 1.通過引入電子歧化反應(yīng)的概念，以及在氧化還原電對(NADH/NAD+和Fdred/Fdox)，代謝產(chǎn)物的跨膜傳質(zhì)過程，丁酸、氫氣、丙酸等生化反應(yīng)的計量關(guān)系等方面對Rodriguez模型的修正，使得混合菌群厭氧發(fā)酵模型的模擬結(jié)果更加接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。即:在酸性條件下，代謝產(chǎn)物主要是丁酸、乙酸和乙醇，而在中性和堿性條件下，代謝產(chǎn)物主要是乙酸和丙酸

4、，并且氫氣產(chǎn)量低于2.2mol/mol-glucose;當(dāng)?shù)孜餄舛雀哂?.13 mol/L時，代謝產(chǎn)物主要是乙醇和少量的氫氣;氫氣分壓增加導(dǎo)致乙酸產(chǎn)量降低，而使得丁酸產(chǎn)量增加。由于本模型提供了代謝產(chǎn)物分布與環(huán)境條件的計算關(guān)系，通過進(jìn)一步修正，本模型也可以用于其它類型發(fā)酵系統(tǒng)的模擬，如間歇式反應(yīng)器和上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)等。
　　 2.通過溶解氣質(zhì)譜儀在線測定氫氣在液相中的濃度，我們首次報道了高溫產(chǎn)氫反應(yīng)器中的氫氣過飽

5、和現(xiàn)象。結(jié)果表明，雖然反應(yīng)器頂空氫氣分壓沒有明顯變化，但是液相中氫氣濃度隨著底物負(fù)荷增加而增加，隨著雷諾數(shù)的增加而降低，氫氣過飽和比在1.7和3.0之間。同時，液相中氫氣濃度增加導(dǎo)致氫氣產(chǎn)量和底物降解速率降低，乙醇/（乙酸+丁酸）的比值升高。因此，與頂空氫氣分壓相比，液相中氫氣濃度對混菌厭氧發(fā)酵過程的影響更為顯著。并且，通過氣液傳質(zhì)系數(shù)的計算說明氫氣過飽和現(xiàn)象在厭氧發(fā)酵過程中是不可避免的，必須給予考慮。
　　 3.在強(qiáng)高溫(70

6、℃)混合菌群厭氧發(fā)酵的連續(xù)攪拌式反應(yīng)器(CSTR)中，以葡萄糖為底物，經(jīng)過100天的連續(xù)運(yùn)行表明，反應(yīng)器運(yùn)行較為穩(wěn)定，項(xiàng)空中的產(chǎn)物主要是甲烷，其產(chǎn)量為0.89-1.22 mol/mol-glucose;而液相產(chǎn)物主要是乙酸，其產(chǎn)量為1.45-1.60 mol/mol-glucose，含量高于90％。在間歇實(shí)驗(yàn)中也存在相似的結(jié)果，乙酸的濃度達(dá)到34.4 g/L。CSTR反應(yīng)器中的菌群分析表明，產(chǎn)甲烷古菌主要是嗜氫產(chǎn)甲烷菌Methanoth

7、ermobacter thermautotrophicus和Methanobacterium thermoaggregans，總含量達(dá)到古菌總量的98％以上。這說明利用強(qiáng)高溫條件可以控制混合菌群中古菌的分布，即抑制嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌的活性并富集嗜氫產(chǎn)甲烷菌。
　　 4.將有機(jī)污染物和生物質(zhì)直接氣化為合成氣，是微生物利用難降解底物的重要途徑之一。利用合成氣生產(chǎn)脂肪酸，尤其是中長鏈脂肪酸，是實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物再利用的重要方式。我們通過中空纖

8、維膜生物膜反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了混合菌群原位利用合成氣（氫氣和二氧化碳）生產(chǎn)脂肪酸。氫氣的利用率達(dá)到100％，而代謝產(chǎn)物包括乙酸、丁酸、已酸和辛酸，最高濃度分別是7.4，1.8，0.7和0.42 g/L。生物膜生產(chǎn)已酸的速率與文獻(xiàn)報道相似，約為31.4 mmol-C/g-VSS/d，而辛酸的生產(chǎn)速率則比文獻(xiàn)報道的結(jié)果高6倍，約為19.1 mmol-C/g-VSS/d。此外，菌群分析表明，生物膜中的微生物以Clostridium ljungdahl

9、ii和Clostridium kluyveri為主，約占61.7％。由于具有環(huán)境的耐受能力強(qiáng)和單位體積反應(yīng)器的比表面積高等優(yōu)勢，與懸浮生長反應(yīng)器相比，中空纖維膜生物膜反應(yīng)器具有較高的反應(yīng)活性，從而十分利于其在合成氣發(fā)酵方面的應(yīng)用。
　　 5.生物氣中CO2的去除是利用生物氣的前提，而堿液的價格和運(yùn)輸成本是限制其應(yīng)用的因素之一。通過MFC產(chǎn)電可以驅(qū)動雙極膜解離水生產(chǎn)堿液:在沒有外加電壓的條件下，堿液的pH值最高為9.8;而當(dāng)外加0