丁酸梭菌的培养基优化及发酵甘蔗渣和小桐子果壳产氢气的研究

发布时间：2018-11-28 16:37

【摘要】：氢气作为一种清洁和可再生的能源,正日益受到人们的关注。与其它方法相比,生物制氢技术具有无污染、成本低和可再生等优点。暗发酵制氢不需要光照和氧气,可利用的原料来源广,可连续产氢,系统易于实现规模化扩大。然而,暗发酵制氢的效率低,原料成本高,限制了技术的后续发展和推广。基于此背景,本论文开展了以下四个方面的研究：(1)用响应面法优化丁酸梭菌以葡萄糖为底物的条件下发酵产氢的培养基最适合于菌种生长的培养基组成并不一定最适合于发酵制氢。为了提高氢气的产率和产量,应用单因素试验、Plackett-Burman设计、最陡爬坡实验和中心组合设计等多种试验评估和数学统计方法,研究几个关键变量对丁酸梭菌利用葡萄糖发酵产氢的影响。结果表明,丁酸梭菌发酵产氢的最佳培养基组成是：葡萄糖15.66g/L,酵母提取物6.04g/L,胰蛋白胨4g/L, K2HPO4 3g/L, KH2PO4 3g/L,L-半胱氨酸盐0.05 g/L, MgSO4·7H2O 0.05 g/L和FeSO4·7H2O 0.3g/L。葡萄糖和酵母粉的浓度对氢的产率具有显著影响。在最优条件下,氢气的产率高达2.15mol H2/mol葡萄糖。(2)两步稀酸水解甘蔗渣和小桐子果壳并用于制备氢气利用云南本地特色的两种热带亚热带植物的废弃物甘蔗渣和小桐子果壳,经两步酸水解后,作为丁酸梭菌发酵的原料制备氢气。结果表明：第一步水解的条件为1.5%的稀H2SO4, LSR为1g:10mL,130℃水解60 min；第二步水解的条件为3%的稀H2SO4, LSR为1 g:10mL,150 ℃水解60 min,水解率达到最优(69.3%)。以甘蔗渣和小桐子果壳水解液(还原糖初始浓度为15.66g/L)作为碳源产氢,氢气产率达到2.06 mol H2/mol总还原糖(甘蔗渣)和1.95 mol H2/mol总还原糖(果壳)。两步法水解有效地避免了苛刻反应条件下的半纤维素损失和温和条件下纤维素水解的不完全,充分有效地利用纤维素和半纤维素以获得较高得率的还原糖。(3)路易斯酸辅助稀H28O4水解小桐子果壳并用于制备氢气使用热水和中性、酸性、碱性洗涤剂预处理小桐子果壳,除去木质纤维素以外的可萃取杂质,降低其对果壳水解发酵的影响。中性洗涤剂对可萃取杂质的脱除程度最高,给木质纤维素带来的损失较小。中性洗涤剂不仅提高了纤维素和半纤维素的含量,还破坏了木质纤维素的无定形结构,提高了纤维素结晶度。然后研究了稀H25O4在多种路易斯酸辅助下水解小桐子果壳,以降低单一H2SO4催化条件下的反应苛刻程度,提高水解反应的效率和选择性。结果表明,FeCl3在果壳的水解反应中与H2SO4产生了最好的协同。FeCl3不仅水解了果壳中大部分的半纤维素,暴露出纤维素结构,而且进一步促进纤维素水解获得高收率的葡萄糖。对水解反应的条件进行优化,在0.11 mol/L FeCl3、1%稀H28O4、温度132.5℃、时间58min、LSR为1g:12 mL的条件下获得了最高的还原糖产率56.9%和还原糖浓度12.07±0.12g/L。水解液通过丁酸梭菌发酵得到氢气的产率为1.78±0.01 mol H2/还原糖,(4)小桐子果壳水解液固体残渣制备活性炭用于水解液脱毒果壳的水解液固体残渣在500℃炭化1h得到生物炭。水解液固体残渣所得的生物炭的炭收率和物理吸附性能要优于果壳制备的生物炭。用响应面优化生物炭的活化过程,并在KOH:C的质量比为3：1、活化温度为743℃和活化时间为107 min时获得了最高的活性炭收率,预测值为63.02%。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ920.6;TQ116.2

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