生物质暗发酵和光发酵耦合产氢的机理研究

发布时间：2022-02-18 09:33

　　氢能是一种新型高能量密度的清洁能源,利用可以循环再生的生物质进行发酵制氢,是当前国内外制氢领域的研究热点和新能源技术的竞争焦点。本文以富含糖类、淀粉和纤维素的生物质为对象,对暗发酵和光发酵耦合产氢进行了机理研究。研究中采用高温高压微波加热结合酸碱溶液的预处理方法,促进了纤维素类生物质高效水解；在暗发酵和光发酵耦合产氢工艺中采用混菌技术,极大地提高了产氢效率,使水葫芦和稻秆等纤维素类生物质的产氢量达到国际领先水平。本文利用葡萄糖作为底物、丁酸梭菌（Clostridium butyricum）和沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）分别作为暗发酵和光发酵的产氢菌种,进行两阶段分批式发酵产氢的可行性实验研究。在暗发酵阶段,葡萄糖为20g/1时得到最大产氢率为1.72mol H2/mol葡萄糖,最大产氢速率为100ml H2/h,主要液相副产物是乙酸和丁酸等小分子有机酸；在光发酵阶段,暗发酵尾液被沼泽红假单胞菌利用继续产氢,最大产氢率为4.16mol H2/mol葡萄糖（10g/l时得到）,最大产氢速率为118ml H2/l/h,暗发酵副产物中90%以上的有机酸... 

【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】：202 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 氢能与氢能经济
        1.1.1 能源、环境与社会发展
        1.1.2 国际能源利用现状
        1.1.3 氢能的优点
        1.1.4 氢能经济的发展
    1.2 氢能的利用
        1.2.1 氢能的制备
        1.2.2 氢能的储存
        1.2.3 氢能的应用
    1.3 微生物制氢技术
        1.3.1 微生物制氢方法
        1.3.2 不同制氢技术的特点
        1.3.3 国内外研究现状
        1.3.4 发酵制氢技术的难点
    1.4 本论文研究目的和内容
        1.4.1 本课题的提出和研究目的
        1.4.2 本课题研究内容
2 暗发酵和光发酵耦合产氢实验系统
    2.1 耦合产氢实验装置
        2.1.1 产氢工艺流程
        2.1.2 产氢发酵系统
        2.1.3 实验设备
    2.2 实验参数的测量与控制
        2.2.1 温度
        2.2.2 pH值
        2.2.3 光照
    2.3 产氢菌种的分离富集和培养驯化
        2.3.1 产氢培养基
        2.3.2 产氢菌种的分离富集
        2.3.3 产氢菌种的培养和驯化
    2.4 原料和产物的分析检测
        2.4.1 原料的测定
        2.4.2 产物的测定
    2.5 实验数据分析方法
3 葡萄糖暗发酵和光发酵耦合产氢的机理研究
    3.1 引言
    3.2 暗发酵和光发酵耦合产氢机理
        3.2.1 葡萄糖发酵代谢途径
        3.2.2 耦合产氢机理
    3.3 产氢实验方案
        3.3.1 产氢菌和培养基
        3.3.2 暗发酵培养基成分的优化
        3.3.3 光发酵产氢方案
    3.4 丁酸梭菌暗发酵产氢
        3.4.1 培养基最佳成分的筛选
        3.4.2 最佳培养基的验证
        3.4.3 无机盐对产氢的影响
        3.4.4 葡萄糖对产氢的影响
        3.4.5 暗发酵尾液成分分析
    3.5 沼泽红假单胞菌光发酵产氢
        3.5.1 R.palustris的产氢特性
        3.5.2 R.palustris利用暗发酵尾液产氢
        3.5.3 有机酸的去除
    3.6 热值转化效率的分析和计算
    3.7 本章小结
4 木薯淀粉暗发酵和光发酵耦合产氢特性研究
    4.1 引言
    4.2 产氢实验方案
        4.2.1 菌种和培养基
        4.2.2 底物预处理
        4.2.3 产氢实验过程
    4.3 暗发酵产氢特性
        4.3.1 预处理对暗发酵产氢的影响
        4.3.2 暗发酵尾液成分分析
    4.4 光发酵产氢特性
        4.4.1 R.palustris光发酵产氢
        4.4.2 光发酵中有机酸的利用
        4.4.3 暗发酵和光发酵耦合产氢结果
    4.5 热值转化效率的分析和计算
    4.6 本章小结
5 混合菌种优化暗发酵和光发酵耦合产氢的研究
    5.1 引言
    5.2 产氢实验方案
        5.2.1 菌种和培养基
        5.2.2 产氢实验过程
        5.2.3 细胞固定化
        5.2.4 响应曲面法设计实验方案
    5.3 暗发酵产氢优化
        5.3.1 响应曲面法优化产氢条件
        5.3.2 优化结果验证
        5.3.3 暗发酵尾液成分
    5.4 光发酵产氢优化
        5.4.1 固定化和游离态菌种的产氢特性
        5.4.2 固定化光合混菌光发酵产氢
    5.5 暗发酵和光发酵耦合产氢优化结果
    5.6 热值转化效率的分析和计算
    5.7 本章小结
6 稻秆经微波/碱/酶水解的暗发酵和光发酵耦合产氢特性
    6.1 引言
    6.2 微波加热
        6.2.1 微波加热原理
        6.2.2 微波加热特点
    6.3 产氢实验方案
        6.3.1 菌种和培养基
        6.3.2 底物预处理
        6.3.3 产氢实验过程
    6.4 微波/碱预处理对稻秆糖化的影响
        6.4.1 稻秆的理论还原糖产率
        6.4.2 NaOH浓度对还原糖产量的影响
        6.4.3 预处理时间对还原糖产量的影响
        6.4.4 预处理温度对还原糖产量的影响
        6.4.5 稻秆浓度对还原糖产量的影响
    6.5 预处理稻秆的暗发酵产氢特性
    6.6 稻秆暗发酵尾液的光发酵产氢特性
    6.7 稻秆产氢潜力和热值转化效率
    6.8 本章小结
7 水葫芦经微波/碱/酶水解的暗发酵和光发酵耦合产氢特性
    7.1 引言
    7.2 产氢实验方案
        7.2.1 菌种和培养基
        7.2.2 底物预处理
        7.2.3 产氢实验过程
    7.3 水葫芦降解成还原糖
        7.3.1 水葫芦成分和理论还原糖产率
        7.3.2 预处理方法对还原糖产量的影响
        7.3.3 还原糖的成分
    7.4 水葫芦的暗发酵产氢特性
        7.4.1 预处理方法对暗发酵产氢的影响
        7.4.2 暗发酵尾液成分分析
    7.5 水葫芦暗发酵尾液的光发酵产氢特性
        7.5.1 R.palustris利用乙酸产氢
        7.5.2 固定化R.palustris利用暗发酵尾液产氢
    7.6 水葫芦产氢潜力和热值转化效率
    7.7 本章小结
8 高温高压微波/酸/酶水解水葫芦的耦合产氢特性研究
    8.1 前言
    8.2 产氢实验方案
        8.2.1 菌种和培养基
        8.2.2 底物预处理
        8.2.3 产氢实验过程
    8.3 微波加热/酸/酶水解对还原糖产量的影响
        8.3.1 水葫芦理论和实验还原糖产率
        8.3.2 水葫芦还原糖成分分析
        8.3.3 水葫芦预处理的副产物
    8.4 预处理水葫芦的暗发酵产氢特性
        8.4.1 暗发酵产氢动力学
        8.4.2 暗发酵中还原糖的利用
        8.4.3 暗发酵中副产物的特性
    8.5 水葫芦暗发酵尾液的光发酵产氢特性
    8.6 热值转化效率分析和计算
    8.7 本章小结
9 水葫芦耦合产氢的5升半连续发酵实验研究
    9.1 微生物培养方式
        9.1.1 分批培养
        9.1.2 连续培养
        9.1.3 补料分批培养
    9.2 产氢实验方案
        9.2.1 工艺流程
        9.2.2 菌种和培养基
        9.2.3 底物预处理
        9.2.4 产氢实验过程
    9.3 水葫芦半连续发酵的产糖和产氢特性
        9.3.1 水葫芦降解成还原糖
        9.3.2 水葫芦半连续暗发酵产氢特性
        9.3.3 暗发酵尾液进行半连续光发酵产氢
        9.3.4 热值转化效率的分析和计算
    9.4 半连续发酵放大实验的影响因素分析
    9.5 本章小结
10 全文总结
    10.1 主要研究成果
    10.2 本文创新点
    10.3 研究展望
参考文献
作者简历


【参考文献】：
期刊论文
[1]生物制氢技术的发展及应用前景[J]. 任南琪,郭婉茜,刘冰峰.  哈尔滨工业大学学报. 2010(06)
[2]生物制氢技术发展历程及其特征[J]. 申翔伟,周雪花,杜金宇,荆艳艳.  太阳能. 2010(01)
[3]Dynamic changes of microbial community diversity in a photohydrogen producing reactor monitored by PCR-DGGE[J]. YING Yanling1, LV Zhenmei1, MIN Hang1, CHENG Jun2 1. Institution of Microbiology, College of Life Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China. 2. State Key Lab of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China.  Journal of Environmental Sciences. 2008(09)
[4]绿藻光合生物制氢技术进展[J]. 徐斐,何定兵,胥义.  工业微生物. 2007(04)
[5]绿藻高效制氢影响因素的研究[J]. 潘丽霞,杨登峰,梁智群.  中国生物工程杂志. 2007(04)
[6]生物质制氢技术的研究现状与展望[J]. 陈冠益,高文学,马文超.  太阳能学报. 2006(12)
[7]生物制氢研究进展（Ⅱ） 应用与前景[J]. 柯水洲,马晶伟.  化工进展. 2006(09)
[8]生物制氢研究进展（Ⅰ） 产氢机理与研究动态[J]. 柯水洲,马晶伟.  化工进展. 2006(09)
[9]焦炉煤气制氢系统的优化[J]. 任培兵,张振广,解红梅,吴淑军,哈恩平.  燃料与化工. 2006(02)
[10]储氢研究进展[J]. 许炜,陶占良,陈军.  化学进展. 2006(Z1)

博士论文
[1]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
[2]光合细菌利用低分子有机酸产氢的试验研究[D]. 陈明.浙江大学 2008

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：3630594