基因改造和驯化细菌利用水葫芦发酵联产氢气和甲烷的机理研究
发布时间：2021-08-15 14:46
随着化石能源的日益短缺和环保要求的逐渐提高,氢能作为清洁、高效的可再生能源载体越来越受到人们的重视。利用生物质原料通过细菌发酵方法制取氢气新能源具有很强的应用前景,而通过基因工程和代谢调控手段改造产氢细菌是生物制氢领域的研究热点。本文在国际上首次测得阴沟肠杆菌在过表达产氢增强基因后的氢酶活性提高了97.4%,利用混合菌群驯化和微波稀酸水解联合活性炭脱毒使水葫芦发酵产氢量提高了111.1%；500升半连续中试得到水葫芦发酵联产氢气和甲烷的能源转化效率达到51.3%。本文首先以高效产氢细菌阴沟肠杆菌Enterobacter cloacae CICC10017和产气肠杆菌Enterobacter aerogenes ATCC13408为主要研究对象,对其过表达外源产氢增强基因后的氢酶活性、利用葡萄糖的产氢能力和代谢途径进行了研究。阴沟肠杆菌E. cloacae CICC10017在过表达了一种产氢增强基因后,氢酶活性由原来的270.93ml-H2/（g-DW·h）提高到了534.78ml-H2/（g-DW-h）,单位底物产氢量也由1.29mol-H2/mol-葡萄糖提高到了2.54mol-H...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：151 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
前言
摘要
Abstract
目录
1 绪论
1.1 氢能的研究意义
1.2 微生物制氢的国内外研究现状
1.2.1 产氢微生物的种类
1.2.2 微生物的产氢机制
1.2.3 氢酶的特点分类
1.2.4 生物制氢的关键技术
1.2.5 生物制氢的限制瓶颈
1.3 本文研究目的和内容
1.3.1 研究目的
1.3.2 研究内容
2 实验材料和方法
2.1 产氢菌种基因改造实验
2.1.1 材料和试剂
2.1.2 基因改造方法
2.1.3 实验设备
2.2 细菌氢酶活性测定
2.2.1 材料和试剂
2.2.2 实验装置
2.2.3 氢酶活性测定方法
2.3 混合产氢菌和产甲烷菌的培养富集
2.3.1 培养基的配制
2.3.2 混合菌群富集方法
2.4 发酵产氢及联产甲烷系统
2.4.1 实验室小试发酵系统
2.4.2 中试发酵系统
2.4.3 附属设备
2.5 发酵原料与产物的分析测定
2.5.1 发酵原料的TVS测定方法
2.5.2 还原糖的测定方法
2.5.3 有机物化学成分的测定方法
2.5.4 生物气成分与浓度测定方法
2.5.5 发酵液相副产物的测定方法
3 基因改造细菌的氢酶活性分析
3.1 引言
3.2 阴沟肠杆菌基因改造前后的氢酶活性
3.2.1 促进产氢蛋白HPP基因的过表达
3.2.2 E.cloacae CICC10017/HPP的氢酶活性
3.3 产气肠杆菌基因改造前后的氢酶活性
3.3.1 E.aerogenes氢酶操纵子大小亚基基因hycE和hycG的表达
3.3.2 E.aerogenes/HycE和E.aerogenes/HycG的氢酶活性
3.3.3 蓝藻Synechocystis sp.PCC 6803氢酶hoxUYH基因的表达
3.3.4 E.aerogenes/HoxUYH的氢酶活性
3.4 本章小结
4 基因改造细菌的发酵产氢能力和代谢分析
4.1 引言
4.2 阴沟肠杆菌基因改造后的产氢特性和代谢分析
4.2.1 E.cloacae CICC10017/HPP的产氢特性
4.2.2 氮源对发酵产氢的影响
4.2.3 发酵液相副产物及代谢途径分析
4.3 产气肠杆菌过表达氢酶大小亚基基因后的产氢特性及代谢分析
4.3.1 E.aerogenes/HycE和E.aerogenes/HycG的产氢特性
4.3.2 发酵液相副产物及代谢途径分析
4.4 产气肠杆菌过表达蓝藻氢酶后的产氢特性及代谢分析
4.4.1 E.aerogenes/HoxUYH的产氢特性
4.4.2 发酵液相副产物及代谢途径分析
4.5 本章小结
5 基因改造细菌利用水葫芦的发酵产氢特性
5.1 实验方案
5.2 阴沟肠杆菌基因改造后利用预处理水葫芦的产氢结果
5.3 产气肠杆菌过表达氢酶大小亚基基因后利用预处理水葫芦的产氢结果
5.4 产气肠杆菌过表达蓝藻氢酶后利用预处理水葫芦的产氢结果
5.5 本章小结
6 三大类有机物发酵联产氢气和甲烷的研究
6.1 引言
6.2 木糖发酵联产氢气和甲烷
6.2.1 实验方案
6.2.2 产氢菌的培养与驯化
6.2.3 产氢菌群落的16S rDNA基因分析
6.2.4 木糖发酵产氢结果
6.2.5 联产甲烷结果及液相成分分析
6.2.6 联产能源转化效率
6.3 蛋白质发酵联产氢气和甲烷
6.3.1 实验方案
6.3.2 脱脂奶粉和乳糖发酵产氢结果
6.3.3 产氢废液联产甲烷结果
6.3.4 乳蛋白发酵联产氢气和甲烷的分析
6.3.5 联产能源转化效率
6.4 油脂发酵联产氢气和甲烷
6.4.1 实验方案
6.4.2 产氢菌的培养与驯化
6.4.3 油脂发酵产氢的影响因素
6.4.4 联产甲烷结果及液相成分分析
6.4.5 联产能源转化效率
6.5 本章小结
7 水葫芦经稀酸/微波/酶预处理发酵联产氢气和甲烷的研究
7.1 引言
7.2 实验方法
7.2.1 水葫芦的预处理
7.2.2 产氢菌的驯化培养
7.2.3 实验方案
7.2.4 测试方法
7.3 水葫芦的水解糖化率
7.4 活性炭脱毒对水葫芦发酵产氢的影响
7.5 产氢废液发酵联产甲烷结果
7.6 联产能源转化效率
7.7 理论计算及讨论
7.8 本章小结
8 水葫芦发酵联产氢气和甲烷的500L中试研究
8.1 引言
8.2 500L中试实验装置
8.3 水葫芦的预处理方法
8.4 500L中试联产工艺流程
8.5 中试实验结果和讨论
8.5.1 水葫芦水解糖化率及利用率
8.5.2 水葫芦中试半连续联产氢气甲烷结果
8.5.3 中试联产实验的能源转化效率
8.6 本章小结
9 全文总结
9.1 全文总结
9.2 主要创新点
9.3 工作不足与展望
参考文献
攻读博士学位期间参加科研项目和发表学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]污泥发酵制氢技术的现状和前景展望[J]. 郭婉茜,郭泽冲,任南琪. 中国科技论文在线. 2010(05)
[2]可再生生物质资源制氢技术的研究进展[J]. 李全新,袁丽霞. 石油化工. 2010(02)
[3]光生物制氢技术研究进展与经济分析[J]. 孙绍晖,孙培勤,陈俊武. 现代化工. 2010(01)
[4]中国秸秆资源数量估算[J]. 毕于运,高春雨,王亚静,李宝玉. 农业工程学报. 2009(12)
[5]微波碱化预处理对水葫芦酶水解的影响规律[J]. 程军,俞聪,葛婷婷,宋文路,周俊虎,岑可法. 中国电机工程学报. 2009(32)
[6]Effect of hydraulic retention time on the hydrogen yield and population of Clostridium in hydrogen fermentation of glucose[J]. EBIE Yoshitaka,INAMORI Yuhei. Journal of Environmental Sciences. 2009(04)
[7]氢能制取和储存技术研究发展综述[J]. 欧训民. 能源研究与信息. 2009(01)
[8]氢能及其应用前景分析[J]. 蔡炽柳. 能源与环境. 2008(05)
[9]氢能源研究现状[J]. 穆亚玲,王香爱. 化工时刊. 2008(10)
[10]氢能的重要性和制氢方法浅析[J]. 潘健民,魏运洋,李永峰,徐菁利. 环境保护. 2008(18)
博士论文
[1]重组产气肠杆菌提高产氢效率的研究[D]. 赵锦芳.浙江大学 2009
[2]淀粉/纤维素类生物质发酵联产氢气和甲烷的机理研究[D]. 谢斌飞.浙江大学 2009
硕士论文
[1]水葫芦微波水解和发酵制取燃料酒精的机理研究[D]. 俞聪.浙江大学 2010
本文编号：3344749
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：151 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
前言
摘要
Abstract
目录
1 绪论
1.1 氢能的研究意义
1.2 微生物制氢的国内外研究现状
1.2.1 产氢微生物的种类
1.2.2 微生物的产氢机制
1.2.3 氢酶的特点分类
1.2.4 生物制氢的关键技术
1.2.5 生物制氢的限制瓶颈
1.3 本文研究目的和内容
1.3.1 研究目的
1.3.2 研究内容
2 实验材料和方法
2.1 产氢菌种基因改造实验
2.1.1 材料和试剂
2.1.2 基因改造方法
2.1.3 实验设备
2.2 细菌氢酶活性测定
2.2.1 材料和试剂
2.2.2 实验装置
2.2.3 氢酶活性测定方法
2.3 混合产氢菌和产甲烷菌的培养富集
2.3.1 培养基的配制
2.3.2 混合菌群富集方法
2.4 发酵产氢及联产甲烷系统
2.4.1 实验室小试发酵系统
2.4.2 中试发酵系统
2.4.3 附属设备
2.5 发酵原料与产物的分析测定
2.5.1 发酵原料的TVS测定方法
2.5.2 还原糖的测定方法
2.5.3 有机物化学成分的测定方法
2.5.4 生物气成分与浓度测定方法
2.5.5 发酵液相副产物的测定方法
3 基因改造细菌的氢酶活性分析
3.1 引言
3.2 阴沟肠杆菌基因改造前后的氢酶活性
3.2.1 促进产氢蛋白HPP基因的过表达
3.2.2 E.cloacae CICC10017/HPP的氢酶活性
3.3 产气肠杆菌基因改造前后的氢酶活性
3.3.1 E.aerogenes氢酶操纵子大小亚基基因hycE和hycG的表达
3.3.2 E.aerogenes/HycE和E.aerogenes/HycG的氢酶活性
3.3.3 蓝藻Synechocystis sp.PCC 6803氢酶hoxUYH基因的表达
3.3.4 E.aerogenes/HoxUYH的氢酶活性
3.4 本章小结
4 基因改造细菌的发酵产氢能力和代谢分析
4.1 引言
4.2 阴沟肠杆菌基因改造后的产氢特性和代谢分析
4.2.1 E.cloacae CICC10017/HPP的产氢特性
4.2.2 氮源对发酵产氢的影响
4.2.3 发酵液相副产物及代谢途径分析
4.3 产气肠杆菌过表达氢酶大小亚基基因后的产氢特性及代谢分析
4.3.1 E.aerogenes/HycE和E.aerogenes/HycG的产氢特性
4.3.2 发酵液相副产物及代谢途径分析
4.4 产气肠杆菌过表达蓝藻氢酶后的产氢特性及代谢分析
4.4.1 E.aerogenes/HoxUYH的产氢特性
4.4.2 发酵液相副产物及代谢途径分析
4.5 本章小结
5 基因改造细菌利用水葫芦的发酵产氢特性
5.1 实验方案
5.2 阴沟肠杆菌基因改造后利用预处理水葫芦的产氢结果
5.3 产气肠杆菌过表达氢酶大小亚基基因后利用预处理水葫芦的产氢结果
5.4 产气肠杆菌过表达蓝藻氢酶后利用预处理水葫芦的产氢结果
5.5 本章小结
6 三大类有机物发酵联产氢气和甲烷的研究
6.1 引言
6.2 木糖发酵联产氢气和甲烷
6.2.1 实验方案
6.2.2 产氢菌的培养与驯化
6.2.3 产氢菌群落的16S rDNA基因分析
6.2.4 木糖发酵产氢结果
6.2.5 联产甲烷结果及液相成分分析
6.2.6 联产能源转化效率
6.3 蛋白质发酵联产氢气和甲烷
6.3.1 实验方案
6.3.2 脱脂奶粉和乳糖发酵产氢结果
6.3.3 产氢废液联产甲烷结果
6.3.4 乳蛋白发酵联产氢气和甲烷的分析
6.3.5 联产能源转化效率
6.4 油脂发酵联产氢气和甲烷
6.4.1 实验方案
6.4.2 产氢菌的培养与驯化
6.4.3 油脂发酵产氢的影响因素
6.4.4 联产甲烷结果及液相成分分析
6.4.5 联产能源转化效率
6.5 本章小结
7 水葫芦经稀酸/微波/酶预处理发酵联产氢气和甲烷的研究
7.1 引言
7.2 实验方法
7.2.1 水葫芦的预处理
7.2.2 产氢菌的驯化培养
7.2.3 实验方案
7.2.4 测试方法
7.3 水葫芦的水解糖化率
7.4 活性炭脱毒对水葫芦发酵产氢的影响
7.5 产氢废液发酵联产甲烷结果
7.6 联产能源转化效率
7.7 理论计算及讨论
7.8 本章小结
8 水葫芦发酵联产氢气和甲烷的500L中试研究
8.1 引言
8.2 500L中试实验装置
8.3 水葫芦的预处理方法
8.4 500L中试联产工艺流程
8.5 中试实验结果和讨论
8.5.1 水葫芦水解糖化率及利用率
8.5.2 水葫芦中试半连续联产氢气甲烷结果
8.5.3 中试联产实验的能源转化效率
8.6 本章小结
9 全文总结
9.1 全文总结
9.2 主要创新点
9.3 工作不足与展望
参考文献
攻读博士学位期间参加科研项目和发表学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]污泥发酵制氢技术的现状和前景展望[J]. 郭婉茜,郭泽冲,任南琪. 中国科技论文在线. 2010(05)
[2]可再生生物质资源制氢技术的研究进展[J]. 李全新,袁丽霞. 石油化工. 2010(02)
[3]光生物制氢技术研究进展与经济分析[J]. 孙绍晖,孙培勤,陈俊武. 现代化工. 2010(01)
[4]中国秸秆资源数量估算[J]. 毕于运,高春雨,王亚静,李宝玉. 农业工程学报. 2009(12)
[5]微波碱化预处理对水葫芦酶水解的影响规律[J]. 程军,俞聪,葛婷婷,宋文路,周俊虎,岑可法. 中国电机工程学报. 2009(32)
[6]Effect of hydraulic retention time on the hydrogen yield and population of Clostridium in hydrogen fermentation of glucose[J]. EBIE Yoshitaka,INAMORI Yuhei. Journal of Environmental Sciences. 2009(04)
[7]氢能制取和储存技术研究发展综述[J]. 欧训民. 能源研究与信息. 2009(01)
[8]氢能及其应用前景分析[J]. 蔡炽柳. 能源与环境. 2008(05)
[9]氢能源研究现状[J]. 穆亚玲,王香爱. 化工时刊. 2008(10)
[10]氢能的重要性和制氢方法浅析[J]. 潘健民,魏运洋,李永峰,徐菁利. 环境保护. 2008(18)
博士论文
[1]重组产气肠杆菌提高产氢效率的研究[D]. 赵锦芳.浙江大学 2009
[2]淀粉/纤维素类生物质发酵联产氢气和甲烷的机理研究[D]. 谢斌飞.浙江大学 2009
硕士论文
[1]水葫芦微波水解和发酵制取燃料酒精的机理研究[D]. 俞聪.浙江大学 2010
本文编号：3344749
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