不同发酵制氢工艺控制条件优化及产氢效能

发布时间：2017-11-01 13:17

  本文关键词：不同发酵制氢工艺控制条件优化及产氢效能

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【摘要】：面对矿质能源过度开采利用和木质纤维素生物质资源严重浪费所引发的能源危机和日益严重的环境污染问题,木质纤维素生物转化产氢研究逐渐成为生物和能源领域的热点方向。然而,传统的木质纤维素生物转化产氢技术有着工艺流程复杂、发酵周期长和水解过程产生抑制物较多等缺点。菌株Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum M18能直接利用包含在木质纤维素里的半纤维素和纤维素,而不需要任何的水解过程,可极大地简化工艺流程,节省水解糖化过程的成本,同时也避免了水解抑制物的产生。因此,本课题以T.thermosaccharolyticum M18为高效菌株,对两种不同的纤维素发酵制氢工艺进行研究。首先,通过对菌株M18利用纤维素发酵产氢条件的优化,确定分批发酵工艺的最佳操作参数,提高底物转化效率和产氢效能;然后,在厌氧序批式反应器(ASBR)中,对菌株M18直接降解纤维素产氢(CBP)的半连续流发酵工艺进行初步地探索和研究,得到反应器运行的最优控制条件。最后,通过对比两种发酵的工艺的产氢效能,提出木质纤维素生物转化产氢的最佳工艺策略。根据分批发酵工艺参数优化的实验结果,菌株T.thermosaccharolyticum M18降解纤维素产氢的最佳接种量为8.0%、初始pH为7.5,Mg2+浓度0.4g/L。在碳源和氮源的优化实验中,采用修正的Gompertz方程对M18在不同纤维素底物和酵母浸粉浓度时的产氢动力学进行分析。结果表明,当碳源和氮源浓度过低时,M18产氢延滞期较长,发酵延续时间短,产氢量低;但是浓度过高,生长代谢过快,产生大量末端副产物,对产氢过程造成抑制。由响应曲面法分析结果可知,最佳的微晶纤维素和酵母浸粉浓度分别为6.2g/L和2.8g/L。经优化后,菌株M18降解纤维素产氢的能力得到了提高。经72h的发酵,累积产氢量达到42.21mmol/L,平均产氢速率为0.589mmol·L~(-1)·h~(-1)(14.40 mL·L~(-1)·h~(-1)),比未优化前分别提高了16.47%和17.1%。在ASBR-半连续流发酵工艺中,反应器运行的最佳参数为:搅拌速率120rpm/min、进料量1000mL(投料比2/3)、HRT为54h(进料15min,反应35h,沉淀30min,排料15min)、进料pH8.5。在最优条件下,每一周期(36h)平均氢气产量为755.56mL H2/L,纤维素底物的利用率为74.72%。其相应的平均氢气产生速率为20.99mL·L~(-1)·h~(-1),要比分批发酵工艺高出45.74%,说明ASBR-半连续流发酵工艺可以有效提高产氢速率,缩短发酵时间。
【关键词】：发酵工艺 条件优化 生物氢 T.thermosaccharolyticum M18
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ116.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 课题来源及研究背景10-11
• 1.1.1 课题来源10
• 1.1.2 课题研究背景10-11
• 1.2 木质纤维素利用现状分析11-12
• 1.2.1 直接燃烧11
• 1.2.2 热化学转化11-12
• 1.2.3 生化转化12
• 1.3 木质纤维素生物转化产氢研究12-22
• 1.3.1 纤维素降解产氢微生物研究13-14
• 1.3.2 纤维素降解产氢影响因子14-16
• 1.3.3 木质纤维素预处理16-18
• 1.3.4 木质纤维素发酵产氢工艺18-22
• 1.4 课题研究的目的和意义22
• 1.5 课题主要研究内容和技术路线22-24
• 1.5.1 课题研究的主要内容22-23
• 1.5.2 课题研究的技术路线23-24
• 第2章 实验材料与方法24-30
• 2.1 实验材料24-27
• 2.1.1 菌株来源24
• 2.1.2 微晶纤维素24
• 2.1.3 实验装置24-26
• 2.1.4 培养基配制26
• 2.1.5 主要实验仪器和设备26-27
• 2.2 分析方法27
• 2.2.1 发酵产物分析27
• 2.2.2 蛋白质浓度测定27
• 2.3 实验方法27-30
• 2.3.1 响应曲面法优化与设计27-28
• 2.3.2 产氢动力学分析模型28-29
• 2.3.3 氢气产量计算方法29-30
• 第3章 嗜热厌氧菌株M18利用纤维素分批发酵产氢条件的优化30-50
• 3.1 引言30
• 3.2 接种量对菌株M18降解纤维素产氢的影响30-32
• 3.3 初始pH值对菌株M18降解纤维素产氢的影响32-34
• 3.4 Mg~(2+)浓度对菌株M18降解纤维素产氢的影响34-36
• 3.5 底物和氮源浓度对纤维素降解和氢气产生的影响36-46
• 3.5.1 底物浓度对菌株M18降解纤维素产氢的影响36-39
• 3.5.2 氮源浓度对菌株M18降解纤维素产氢的影响39-43
• 3.5.3 响应曲面法优化底物和氮源浓度43-46
• 3.6 优化前后产氢效能对比分析46-48
• 3.7 本章小结48-50
• 第4章 ASBR工艺降解纤维素产氢效能研究50-68
• 4.1 引言50
• 4.2 厌氧序批式反应器ASBR50-52
• 4.2.1 搅拌速率50-51
• 4.2.2 运行与操作51-52
• 4.3 进料量对ASBR反应器产氢的影响52-56
• 4.3.1 进料量对生物气体产量的影响52-53
• 4.3.2 进料量对初始和末端pH的影响53-54
• 4.3.3 进料量对纤维素底物利用率和比产氢率的影响54-55
• 4.3.4 不同进料量条件下液相末端产物分析55-56
• 4.4 水力停留时间对ASBR反应器产氢的影响56-60
• 4.4.1 HRT对气体产量的影响57-58
• 4.4.2 HRT对纤维素底物利用率和的末端p H的影响58
• 4.4.3 HRT对产氢速率和比产氢率的影响58-59
• 4.4.4 不同HRT条件下液相末端产物分析59-60
• 4.5 进料pH对ASBR反应器产氢的影响60-64
• 4.5.1 进料pH对气体产量的影响61-62
• 4.5.2 进料pH对发酵初始和末端pH的影响62-63
• 4.5.3 进料pH对纤维素利用率和比产氢率的影响63-64
• 4.5.4 不同进料pH条件下液相末端产物分析64
• 4.6 ASBR工艺降解纤维素产氢特性分析64-66
• 4.7 本章小结66-68
• 结论68-69
• 参考文献69-76
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及专利76-78
• 致谢78

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本文编号：1126990