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

1、目前，化石能源能源短缺，石油價(jià)格日益攀升，亟需尋求可再生、高效、清潔能源來(lái)替代。氫氣作為清潔能源的首選，是未來(lái)理想的燃料之一。光發(fā)酵生物制氫技術(shù)能將有機(jī)廢水凈化處理、氫能開(kāi)發(fā)和太陽(yáng)能利用三者有機(jī)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(xì)菌耦合生物制氫技術(shù)能夠提高底物轉(zhuǎn)化效率，實(shí)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(duì)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(yú)塘底泥中分離獲得一

2、株產(chǎn)氫光發(fā)酵細(xì)菌菌株RLD-53，經(jīng)細(xì)胞形態(tài)學(xué)、生理生化特征以及系統(tǒng)進(jìn)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(yàn)確定了其最佳生長(zhǎng)和產(chǎn)氫條件。菌株RLD-53對(duì)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(dá)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(jìn)行產(chǎn)氫，而丁酸和乙醇分別是丁酸型發(fā)酵細(xì)菌和乙醇型發(fā)酵細(xì)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(shí)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(duì)菌株的生長(zhǎng)和產(chǎn)氫影響顯著，高濃度的丁酸鈉抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)氫，同時(shí)確定了二者最佳產(chǎn)氫的比例關(guān)系。當(dāng)丁酸鈉對(duì)乙酸鈉比例1：2時(shí)，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(dá)84.27%。乙醇的添加對(duì)細(xì)菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)氫有微弱促進(jìn)作用。
　　Ni2+、Fe2+和Mg2+三種金屬離子對(duì)光發(fā)酵細(xì)菌的產(chǎn)氫和生長(zhǎng)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(jìn)細(xì)菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)氫，過(guò)高或過(guò)低的濃度對(duì)產(chǎn)氫和生長(zhǎng)有抑制作用。Mg2+對(duì)產(chǎn)氫無(wú)明顯影響，但在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)卻明顯的促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)，是培養(yǎng)基中不可或缺的成分。不同的氣體作為氣相對(duì)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(xì)菌的生長(zhǎng)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(yàn)方法，成功的促進(jìn)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(bǔ)料的方法進(jìn)行光發(fā)酵產(chǎn)氫試驗(yàn)，通過(guò)控制補(bǔ)料濃度和pH實(shí)現(xiàn)高效產(chǎn)氫，平均氫氣產(chǎn)量達(dá)3.17 mol H2/mol乙酸鈉，同間歇試驗(yàn)產(chǎn)氫能力相比有較大的優(yōu)越性。為了增加R. faecalis RLD-53對(duì)酸性環(huán)境的耐受力，提高基質(zhì)的

6、氫轉(zhuǎn)化率，試驗(yàn)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(qiáng)度等方面展開(kāi)固定化光發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫研究，結(jié)果表明：固定化細(xì)菌能夠明顯促進(jìn)氫氣生產(chǎn)，延長(zhǎng)產(chǎn)氫時(shí)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(shí)也有氫氣產(chǎn)生。
　　在暗光發(fā)酵細(xì)菌耦合產(chǎn)氫過(guò)程中，首次使用了游離的暗發(fā)酵細(xì)菌和固定化的光發(fā)酵細(xì)菌，更重要的是利用磷酸緩沖液來(lái)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(shí)使用瓊脂包埋RLD-53，增加了其對(duì)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(guò)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(xì)菌對(duì)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(yàn)中，控制系統(tǒng)的初始pH和暗光細(xì)菌的比例也是一個(gè)關(guān)鍵因素。初始pH控制在7.5時(shí)，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中pH在6.5-7.5，并適當(dāng)?shù)脑黾庸獍l(fā)酵細(xì)菌的數(shù)量，以尋求暗光細(xì)菌在生長(zhǎng)和產(chǎn)氫速率上的相對(duì)匹配，有