光发酵细菌Rhodopseudomonas faecalis RLD-53产氢效能与强化机制研究

发布时间：2020-08-28 05:04

【摘要】：环境污染和能源短缺促使人类寻找和使用清洁可再生能源。氢气是一种高效环保的能源载体，在降低环境污染和减少温室气体排放过程中发挥重要作用。光发酵生物制氢利用太阳能处理有机废水，生产理想可再生的清洁能源，是最具应用前景的产氢工艺。虽然光发酵产氢具有较高的产氢理论值，但是在连续流产氢反应器尤其是大规模的连续流产氢反应器中，产氢效率较低，是实现光发酵生物制氢产业化过程中面临的瓶颈问题。光发酵连续流产氢物质流分析表明，光发酵细菌Rhodopseudomonas faecalis RLD-53凝集性能差，不能与出水有效分离，生物量不断流失，在连续流稳态运行过程中，大量的有机碳源不断被用于细胞生长以补充流失的生物量维持反应器中的细胞浓度，而不是用于产氢，导致光发酵产氢反应器最大氢气产率仅为1.89mol H2/mol乙酸。因此，光发酵细菌R. faecalis RLD-53凝集性能差造成大量的有机碳源用于细胞生长，是光发酵连续流产氢效能低下的关键节点。利用膜分离技术将处于高效产氢阶段的光发酵细菌R. faecalis RLD-53完全截留在光发酵膜生物产氢反应器中，在前四个周期的运行过程中，平均氢气产率达到3.02mol H2/mol乙酸。然而，菌种衰亡导致产氢效率迅速下降。此外，膜生物产氢反应器需要消耗相当一部分的能源用于膜分离，降低了体系净产能，随着膜污染的发生，能源消耗进一步升高。针对传统细胞固定化技术的缺点和光发酵产氢对固定化载体的特殊要求，采用活性碳纤维作为适用于光发酵细菌固定化的流化载体。在活性碳纤维比表面积1500m2/g，长度为1mm，用量为0.8g/L时，固定化产氢效果最佳到达3.05mol H2/mol乙酸。与传统载体相比，活性碳纤维处于流化状态，每个固定化在活性碳纤维上的细菌都可以接收到光照并利用底物产氢。根据活性碳纤维载体的流化和沉淀特性，设计运行了光发酵序批式产氢反应器，优化并确定反应器运行的主控参数。在水力停留时间为144h，进水底物浓度为60mmol/L时获得最佳的产氢效果，氢气产率和产氢速率分别达到690mL/L/d和3.12mol H2/mol乙酸。为了进一步增强载体的固定化产氢效果，通过硝酸-汽爆联合对活性碳纤维进行表面改性。改性后的活性碳纤维表面布满了突起粗糙度增加，表面含氧官能团增多，光发酵细菌R. faecalis RLD-53固定化容量升高，在连续流产氢过程中产氢速率和氢气产率明显提高，分别达到722mL/L/d和3.24mol/mol乙酸。微生物的凝集性能在微生物与出水分离过程中发挥关键作用，为增强光发酵细菌的凝集性能，依据影响微生物凝集性能的各种因素筛选得到选促使R.faecalis RLD-53凝集的关键因子：L-半胱氨酸和Ca2+。以L-半胱氨酸作为主凝集因子，考察了光发酵细菌R. faecalis RLD-53在不同碳源、氮源、底物浓度和碳氮比条件下的凝集强化产氢特性，实现光发酵细菌R. faecalis RLD-53在凝集状态下的最佳产氢效果。在光发酵细菌R. faecalis RLD-53凝集形成过程中，L-半胱氨酸主要通过形成二硫键促进蛋白的分泌，进而增加胞外聚合物产生；胞外聚合物的增多改变细胞表面元素和官能团，尤其是带电官能团的变化，进而降低了光发酵细菌R. faecalis RLD-53Zeta电位；光发酵细菌R. faecalis RLD-53接触势垒随着L-半胱氨酸浓度的增加而降低，在1.0g/L时达到最小值，凝集性能最佳达到40.86%。钙离子浓度增加使得体系的离子强度升高，压缩扩散双电层厚度，使得Zeta电位电负性减少，导致静电排斥作用力显著降低，光发酵细菌R. faecalis RLD-53接触势能的能垒大大降低，凝集性能在Ca2+浓度为6mmol/L时达到28.85%。随着搅拌速率的增加，细菌细胞之间有效的碰撞增加，有利于光发酵细菌R. faecalis RLD-53形成絮体，过度的搅拌将产生剧烈的水力剪切作用，将破坏光发酵絮体的结构，凝集性能降低。根据光发酵细菌R. faecalis RLD-53凝集强化产氢特性，考察了光发酵细菌R. faecalis RLD-53絮体在序批式产氢反应器中的产氢效能。在最佳产氢条件HRT为96h，有机负荷为15mmol/L/d，光照强度为200W/m2时，光发酵凝集强化产氢速率达到1043mL/L/d，氢气产率达到3.35mol H2/mol乙酸。为强化光发酵细菌R. faecalis RLD-53对复杂有机质的利用和转化，针对传统耦合产氢模式操作繁琐和两类细菌生长代谢速率不匹配的问题，依据暗发酵细菌Ethanoligenens harbinense B49与光发酵细菌R. faecalis RLD-53的生长与产氢动力学特征设计了暗-光发酵一体式产氢反应器，使得暗发酵细菌与光发酵细菌在空间生态位上相对分离，而代谢底物自由联通。在暗光发酵的最佳体积配比为1:4，磷酸盐浓度为20mmol/L，底物浓度为8g/L和暗光发酵细菌接种比例为1:20时，反应器中挥发酸的积累量明显降低，氢气产率达到4.96mol H2/mol葡萄糖。通过新型暗-光发酵一体式产氢反应器设计运行，优化和调控系统运行参数，建立有效的耦合产氢调控对策，为进一步提高生物产氢能力和生物质梯级利用效率的进一步工程化应用提供理论依据和科学指导。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ116.2;X703
【图文】：

发酵细菌,产氢,机理,光合系统

倍[19]。(4)、通过降低 NH4+对固氮酶的抑制，增强光发酵。通过组成型表达固氮酶基因，Rhodopseudomonas p效的利用富含 NH4+的废水进行产氢[20]。酵产氢机制细菌产氢是在光合系统为磷酸化提供能量产生 ATP，有力，在固氮酶催化条件下完成的厌氧电子传递过程。光或餐厨等有机废物发酵的小分子末端产物，部分光发酵糖类为底物。利用光合系统吸收太阳能，光发酵细菌将气和二氧化碳，因此，光发酵产氢能力接近理论值。产氢机理如图 1-1 所示[21]。有机底物被光发酵细菌氧化产生的电子通过泛醌(UQ)转移到光合系统(PS)，在光合子反复激活，并通过光合电子传递链的循环，产生一生的 ATP 用于将来自光合电子传递链的电子传输给铁R)。然后，通过固氮（N2ase）催化作用，生成氢气。

发酵细菌,固氮酶,产氢

图 1-2 光发酵细菌的固氮酶Fig. 1-2 Nitrogenase of photofermentative bacteria氢酶也是影响光发酵菌细菌产氢过程的另一类关键酶，基本在所有的细菌中都发现了这类酶(图 1-3)。按结构或所含金属种类的不同，氢酶Fe 氢酶、NiFe 氢酶、NiFeSe 氢酶以及不含任何金属的氢酶。按氢酶催的特性不同可分为催化吸氢的氢酶和催化产氢的氢酶。光发酵细菌的氢氢过程不起主要作用。氢酶的作用是吸收固氮酶在固氮或产氢过程中释气，回收因产氢而消耗的能量。光发酵细菌固氮或产氢作用都需要消耗

发酵细菌,产氢,固氮酶,固氮

图 1-2 光发酵细菌的固氮酶Fig. 1-2 Nitrogenase of photofermentative bacteria影响光发酵菌细菌产氢过程的另一类关键酶，基现了这类酶(图 1-3)。按结构或所含金属种类的iFe 氢酶、NiFeSe 氢酶以及不含任何金属的氢酶可分为催化吸氢的氢酶和催化产氢的氢酶。光发主要作用。氢酶的作用是吸收固氮酶在固氮或产产氢而消耗的能量。光发酵细菌固氮或产氢作用

【参考文献】