光發(fā)酵細菌的選育及其與暗發(fā)酵細菌耦合產(chǎn)氫研究.pdf

1、目前，化石能源能源短缺，石油價格日益攀升，亟需尋求可再生、高效、清潔能源來替代。氫氣作為清潔能源的首選，是未來理想的燃料之一。光發(fā)酵生物制氫技術(shù)能將有機廢水凈化處理、氫能開發(fā)和太陽能利用三者有機耦合，是一種低成本、低能耗的綠色能源生產(chǎn)技術(shù)。暗-光發(fā)酵細菌耦合生物制氫技術(shù)能夠提高底物轉(zhuǎn)化效率，實現(xiàn)氫氣產(chǎn)量的最大化，深度產(chǎn)氫，具有更為廣闊的應(yīng)用前景，對于加快生物制氫技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化步伐也具有重要的意義。
　　本文從淡水魚塘底泥中分離獲得一

2、株產(chǎn)氫光發(fā)酵細菌菌株RLD-53，經(jīng)細胞形態(tài)學(xué)、生理生化特征以及系統(tǒng)進化發(fā)育分析，將其鑒定為 Rhodopseudomonas faecalis的新菌株RLD-53，并采用間歇培養(yǎng)試驗確定了其最佳生長和產(chǎn)氫條件。菌株RLD-53對乙酸具有高效的氫轉(zhuǎn)化率，其比產(chǎn)氫量為2.64-2.835 mol H2/mol乙酸鈉，底物轉(zhuǎn)化效率為66％-71%，最大產(chǎn)氫速率可達32.62 ml H2/l/h，平均氫氣含量約81%。
　　菌株RLD-

3、53不能利用丁酸和乙醇進行產(chǎn)氫，而丁酸和乙醇分別是丁酸型發(fā)酵細菌和乙醇型發(fā)酵細菌代謝物的主要成分，它們和乙酸的濃度比決定著耦合系統(tǒng)的產(chǎn)氫能力。因此，本文研究了雙碳源作為底物時光發(fā)酵的氫氣生產(chǎn)效能，結(jié)果表明丁酸鈉添加到乙酸鈉培養(yǎng)基中對菌株的生長和產(chǎn)氫影響顯著，高濃度的丁酸鈉抑制細菌的生長和產(chǎn)氫，同時確定了二者最佳產(chǎn)氫的比例關(guān)系。當丁酸鈉對乙酸鈉比例1：2時，比產(chǎn)氫量為3.425 mol H2/mol乙酸鈉，最大氫氣產(chǎn)率32.53 ml H

4、2/l/h，氫氣含量高達84.27%。乙醇的添加對細菌的生長和產(chǎn)氫有微弱促進作用。
　　Ni2+、Fe2+和Mg2+三種金屬離子對光發(fā)酵細菌的產(chǎn)氫和生長有明顯的影響。其中Ni2+和Fe2+是構(gòu)成產(chǎn)氫關(guān)鍵酶的主要成分，在一定的濃度范圍內(nèi)能夠促進細菌的生長和產(chǎn)氫，過高或過低的濃度對產(chǎn)氫和生長有抑制作用。Mg2+對產(chǎn)氫無明顯影響，但在試驗濃度范圍內(nèi)卻明顯的促進細胞的生長，是培養(yǎng)基中不可或缺的成分。不同的氣體作為氣相對產(chǎn)氫有顯著影響，其中

5、高濃度的二氧化碳作為氣相明顯抑制光發(fā)酵細菌的生長和產(chǎn)氫。據(jù)此，提出了二氧化碳和反應(yīng)體系分離的試驗方法，成功的促進了R.faecalis RLD-53的氫氣生產(chǎn)，降低了二氧化碳的抑制作用。
　　采用間歇重復(fù)補料的方法進行光發(fā)酵產(chǎn)氫試驗，通過控制補料濃度和pH實現(xiàn)高效產(chǎn)氫，平均氫氣產(chǎn)量達3.17 mol H2/mol乙酸鈉，同間歇試驗產(chǎn)氫能力相比有較大的優(yōu)越性。為了增加R. faecalis RLD-53對酸性環(huán)境的耐受力，提高基質(zhì)的

6、氫轉(zhuǎn)化率，試驗采用瓊脂固定化RLD-53，從瓊脂顆粒粒徑、菌齡、瓊脂顆粒濃度、包埋生物量、耐酸性和光照強度等方面展開固定化光發(fā)酵細菌產(chǎn)氫研究，結(jié)果表明：固定化細菌能夠明顯促進氫氣生產(chǎn)，延長產(chǎn)氫時間，增加底物利用率和轉(zhuǎn)化效率，而且能夠耐受一定程度的酸性環(huán)境，甚至在 pH5.0時也有氫氣產(chǎn)生。
　　在暗光發(fā)酵細菌耦合產(chǎn)氫過程中，首次使用了游離的暗發(fā)酵細菌和固定化的光發(fā)酵細菌，更重要的是利用磷酸緩沖液來維持反應(yīng)體系不同的pH，使暗發(fā)酵代

7、謝物成分發(fā)生了轉(zhuǎn)變，成功的增加了乙酸在代謝物中的含量，同時使用瓊脂包埋RLD-53，增加了其對酸的耐受力和氫氣產(chǎn)量。研究發(fā)現(xiàn)，在暗光兩步法產(chǎn)氫過程中暗發(fā)酵代謝物的稀釋率扮演著重要角色，影響著光發(fā)酵細菌對代謝物的有效轉(zhuǎn)化和利用；在混合培養(yǎng)間歇產(chǎn)氫試驗中，控制系統(tǒng)的初始pH和暗光細菌的比例也是一個關(guān)鍵因素。初始pH控制在7.5時，整個反應(yīng)過程中pH在6.5-7.5，并適當?shù)脑黾庸獍l(fā)酵細菌的數(shù)量，以尋求暗光細菌在生長和產(chǎn)氫速率上的相對匹配，有