微生物厌氧转化生物质产氢产电研究

发布时间：2020-05-24 05:16

【摘要】：木质纤维素类、有机固体废弃物、有机废水等废弃有机物中蕴含着巨大的能量,随着有机废弃物不合理处理带来的资源浪费和环境污染问题的加剧,绿色、清洁的生物技术为解决上述难题提供了契机。氢气和电能是清洁能源,而且能够通过有机物的微生物发酵产生,过程反应条件温和。本研究以氢气及电能为目标产物,利用生物质为底物,通过微生物转化的方法开展研究,主要研究内容为:(1)玉米秸秆厌氧发酵产氢和可溶性有机物过程研究:以厌氧常温菌株Clostridium cellulolyticum DSM 5812为出发菌株,调控其厌氧发酵过程中关键发酵条件pH,以玉米秸秆为底物,厌氧发酵获得大量氢气及有机酸产物。当玉米秸秆浓度分别为10 g/L、20 g/L、30 g/L时,氢气最终产量分别为571 mL/L、901 mL/L、1163 mL/L。C.cellulolyticum降解玉米秸秆主要有机产物为乙酸、乳酸、少量乙醇和木质素降解产生的4-羟基-3-甲基苯乙酮等芳香化合物;发酵前期主要有机产物为乙酸,当乙酸产量达到1.6 g/L后,乳酸开始积累,乳酸浓度最终达到1.6 g/L左右,乙醇在第10天之后积累速度增加,但最终产量低于0.4 g/L。(2)产电菌希瓦氏菌(Shewanella.putrefaciens)催化秸秆厌氧发酵有机物产电和氢气研究;以S.putrefaciens发酵为产电菌株,利用厌氧处理玉米秸秆产生的含有大量有机物的发酵液为底物,构建微生物燃料电池与微生物电解池。S.putrefaciens能够利用发酵液生长,气相色谱质谱(Gas chromatography and mass spectrometry,GC/MS)分析发现该菌能够利用乙酸、乳酸、乙醇等有机物,还能够利用多种木素厌氧消化产生的芳香化合物,其中2,3二羟甲基呋喃、4-羟基-3-甲基苯乙酮、2,6-二甲氧基苯酚、2,4-双(1,1-二甲乙基、4-甲基-2,5-二甲氧基苯甲醛降解率分别为100%、74.9%、65.8%、85%、70.5%;以S.putrefaciens为产电微生物,利用灭活C.cellulolyticum后的玉米秸秆发酵液为底物构建了微生物燃料电池,分别以玉米秸秆浓度分别为10 g/L、20 g/L、30 g/L发酵液为底物时,最大功率密度分别为16.9 mW/m2、15.7 mW/m2、15.1 mW/m2;在微生物燃料电池构建的基础上,构建了微生物电解池,在外接0.7V电压Pt电极催化下情况下,每克VFAs可产氢气11.5-12.9 mL。(3)产电复合微生物厌氧处理有机污泥过程及微生物群落分析:以厌氧活性污泥为接种液,构建了性能良好的微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC),输出功率达到1247 mW/m2,内阻为143Ω,库伦效率为9.9%,MFC运行后阳极室COD去除率达到64%。厌氧活性污泥有大量CH4及极少量H2产生,未有电子输出;而通过MFC处理,只有电子输出但未有CH4和H2产生,实现了以电能为唯一产物的厌氧污泥MFC处理方式,从而避免沼气发酵过程中分离、储存、运输难等问题。利用高通量测序对MFC运行前后细菌及古菌菌群变化分析发现,古菌菌群相对稳定,而细菌菌群变化显著。与原始厌氧污泥相比MFC菌群多样性指数有所降低,但优势菌群更加明显,与MFC产电能力直接相关的克雷伯氏菌属(Klebsiella)富集并成为优势菌属,相对丰度达到16.73%,此外氢噬胞菌属(Hydrogenophaga)也大量富集,该菌可能是新型产电微生物。综上所述,本研究提出了一种以厌氧微生物处理为核心,利用废弃生物质生产氢气和电能的清洁新工艺,为生物质的清洁生物转化提供了新思路和和理论支持。
【图文】：

木质纤维素,纤维素生物质,微生物燃料电池,小分子有机物

电池己应用于纤维素生物质转化过程，，但其小分子有机物含量而相对较低，预处逡逑理过程中是必不可少的［２７］。微生物燃料电池（ＭＦＣ）可将复杂的生物质化学能直逡逑接转化为电能，并且实现有机废水的处理［３Ｑ］。其反应原理见图１．２，在阳极室有逡逑６逡逑

原理图,微生物燃料电池,原理,生物质

逦邋－々逡逑图１．邋１逦Ｃ．逦木质纤维素代谢图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ邋ｍｅｔａｂｏｌｉｃ邋ｐａｔｈｗａｙ邋ｂｙ邋Ｃ．邋ｃｅｌｌｕｌｏｌｙｔｉｃｕｍ逡逑但是无论哪种暗发酵途径都存在各种小分子酸类和醇类的产生，这也限制了逡逑氢气的产生［２ａ２１２２］，故底物的有效利用对提高生物质的降解率有非常大的作用。逡逑１．４生物质产电逡逑传统生物质产电模式是利用生物质发电，包括直接燃烧发电、与煤炭混燃逡逑发电以及气化生物质燃烧产电。燃烧发电生物质能量利用率较低，一般在逡逑２０％－３０％。利用微生物的方法将生物质降解可获得一系列的能量。生物质燃烧产逡逑电也由生物降解生物质产能的氢和甲烷燃烧获得，此外微生物可直接利用生物质逡逑产生电能。逡逑１．４．１微生物利用生物质产电现状逡逑微生物利用生物质产电常需要构建微生物燃料电池（ＭＦＣ），ＭＦＣ可在低逡逑温条件下将废物转化为能源，从含碳底物生产清洁电力能源［２６，２７］。ＭＦＣ阳极一逡逑般保持厌氧状态
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ116.2;TQ920.6

【参考文献】