生物质微生物电解池强化产氢及阳极群落结构环境响应
发布时间：2022-12-06 06:50
发酵法生物制氢是真正意义上可持续和碳中性的制氢方式。然而光发酵产氢很难获取连续的自然光源，暗发酵产氢的氢回收率有待进一步提高，且发酵产氢细菌常常受到底物代谢障碍和生长条件障碍的限制。微生物电解池（microbialelectrolysis cell，MEC）是最前沿的生物制氢技术，其结合了生物和电化学反应的优点，理论上可突破许多发酵法产氢的热力学壁垒。针对发酵法制氢存在的问题，本文考察了利用MEC转化发酵产物和不可发酵产氢底物为氢气的可行性。考察了MEC是否具有比发酵法更强的环境适应性。同时，采用最新的电化学和分子生物学手段，研究了MEC阳极生物膜微生物群落结构对环境条件（温度、底物）变化的响应及种群互作机制，用于解析复杂底物的代谢过程。探明了反应器中电子、氢气和能量的具体归宿，并据此提出了提高MEC氢气回收率的调控策略。 开展了利用糖蜜废水的乙醇型发酵连续搅拌釜式反应器（CSTR）耦合单室MEC梯级产氢。经MEC强化产氢后，产氢速率和氢气回收率从单独发酵时的0.7m~3-H2/m~3/d和14%提高至耦合系统的2.11m~3-H2/...
【文章页数】：211 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题来源
1.2 研究背景和意义
1.2.1 碳中性可持续制氢的重要性
1.2.2 发酵法生物制氢的局限
1.3 微生物电解池（MEC）的工作原理和构型
1.4 MEC 突破发酵产氢局限的可行性分析
1.4.1 MEC 继续转化发酵产物为氢气
1.4.2 MEC 突破发酵产氢底物代谢局限
1.4.3 MEC 突破发酵产氢温度限制
1.5 MEC 阳极生物膜群落结构的研究意义及进展
1.5.1 增加对阳极微生物的认识
1.5.2 揭示阳极微生物在降解复杂底物过程中的互养关系
1.5.3 揭示阳极微生物对氢气的竞争关系
1.6 MEC 产氢面临的主要问题
1.6.1 缺乏利用廉价生物质产氢研究
1.6.2 存在多条氢损失途径
1.6.3 复杂底物下阳极微生物群落结构尚待揭示
1.7 研究内容和技术路线
1.7.1 研究内容
1.7.2 研究技术路线
第2章 实验材料与方法
2.1 MEC 及暗发酵制氢反应器构型
2.1.1 单室 MEC 反应器
2.1.2 双室 MEC 反应器
2.1.3 暗发酵制氢反应器
2.2 MEC 的启动与运行
2.3 MEC 性能的评价方法
2.3.1 氢气产率
2.3.2 氢回收率
2.3.3 产氢速率
2.3.4 能量转化效率
2.4 暗发酵制氢反应器运行与产氢菌种培养
2.5 分析检测方法
2.5.1 气体的测量与分析
2.5.2 相关化学分析
2.5.3 三维荧光光谱分析
2.5.4 激光共聚焦显微镜分析
2.6 微生物群落结构分析方法
2.6.1 基因组 DNA 提取
2.6.2 16S rRNA 基因扩增
2.6.3 16S rRNA 基因克隆文库构建
2.6.4 16S rRNA 基因变性梯度凝胶电泳（DGGE）
2.6.5 实时定量 PCR 分析
2.6.6 高通量 16S rRNA 基因焦磷酸测序
2.6.7 生物信息学和统计学分析
第3章 发酵系统耦合 MEC 梯级产氢及阳极生物膜群落结构响应
3.1 引言
3.2 乙醇型暗发酵产氢
3.2.1 利用糖蜜废水的混菌发酵产氢
3.2.2 利用葡萄糖的纯菌发酵产氢
3.3 MEC 利用糖蜜废水发酵液产氢
3.3.1 产氢速率及气体成分
3.3.2 氢及能量收益
3.3.3 电极极化研究
3.3.4 MEC 对有机物的降解
3.3.5 MEC 及耦合系统效能分析
3.4 MEC 利用纯菌发酵液产氢及生物膜群落结构响应
3.4.1 MEC 及耦合系统的产氢效能
3.4.2 生物膜群落结构对不同发酵产物的响应
3.5 本章小结
第4章 MEC 突破发酵产氢局限直接利用蛋白质产氢
4.1 引言
4.2 降解蛋白阳极生物膜的富集
4.3 MEC 直接利用蛋白产氢的效能
4.3.1 单室 MEC 的电流密度
4.3.2 单室 MEC 中氢气和甲烷的产率
4.3.3 单室 MEC 的产氢速率
4.3.4 单室 MEC 中氢及能量收益
4.3.5 单室 MEC 对有机物的去除
4.3.6 双室 MEC 利用蛋白产氢的效能
4.4 蛋白降解过程中的氮平衡分析
4.5 MEC 利用蛋白产氢的特性研究
4.5.1 蛋白和其它有机物在 MEC 中产氢的差异
4.5.2 蛋白在 MEC 中的产电和产氢差异
4.5.3 MEC 利用蛋白产氢过程中的电子内循环
4.6 阳极生物膜群落结构对蛋白底物的响应
4.7 本章小结
第5章 MEC 利用剩余污泥产氢及阳极生物膜群落结构响应
5.1 引言
5.2 MEC 利用剩余污泥产氢
5.2.1 剩余污泥的碱预处理
5.2.2 MEC 的富集和电流产生
5.2.3 氢气产率
5.2.4 氢及能量收益
5.2.5 污泥中有机物的变化
5.2.6 污泥组分的 EEM 光谱分析
5.2.7 MEC 利用剩余污泥产氢的优势及问题分析
5.3 阳极生物膜群落结构响应
5.3.1 微生物种群丰度和多样性
5.3.2 微生物群落差异性分析
5.3.3 微生物群落结构
5.3.4 复杂底物下的微生物种群互作
5.4 本章小结
第6章 MEC 低温产氢及阳极生物膜群落结构响应
6.1 引言
6.2 低温下 MEC 利用乙酸钠产氢及生物膜群落结构响应
6.2.1 低温下 MEC 的富集启动
6.2.2 MEC 的产氢过程
6.2.3 产氢速率和氢气产率
6.2.4 氢及能量收益
6.2.5 低温对甲烷菌生长的抑制
6.2.6 细菌群落结构对低温的响应
6.2.7 MEC 低温产氢效能分析及生物学意义
6.3 低温下 MEC 利用葡萄糖产氢及生物膜群落结构响应
6.3.1 低温下 MEC 的启动和产氢
6.3.2 反应过程中的产物积累
6.3.3 生物膜的 CV 特性
6.3.4 生物膜的微生物群落结构
6.3.5 低温下的微生物种群互作
6.4 温度交替变化时生物膜中的甲烷菌群落动态
6.4.1 甲烷菌种类分析
6.4.2 在 4°C 与 30°C 间变化时的甲烷菌群落动态
6.4.3 在 9°C 与 30°C 间变化时的甲烷菌群落动态
6.4.4 恒定 15 °C 和 20 °C 时的甲烷菌群落动态
6.4.5 甲烷菌群落对温度的响应机制
6.5 温度交替变化时生物膜中的细菌群落动态
6.6 本章小结
结论
参考文献
攻读学位期间发表的学术论文及其它成果
致谢
个人简历
【参考文献】：
期刊论文
[1]无介体微生物燃料电池的研究进展[J]. 黄霞,梁鹏,曹效鑫,范明志. 中国给水排水. 2007(04)
[2]嗜冷产甲烷菌及其在废水厌氧处理中的应用[J]. 左剑恶,邢薇. 应用生态学报. 2007(09)
[3]缺氧嗜甲烷古菌研究进展[J]. 李江,刘晓风,廖银章,袁月祥,闫志英. 应用与环境生物学报. 2011(05)
博士论文
[1]有机废水微生物电解产氢研究及电极微生物功能解析[D]. 刘文宗.哈尔滨工业大学 2011
[2]微生物燃料电池中多元生物质产电特性与关键技术研究[D]. 王鑫.哈尔滨工业大学 2010
[3]微生物燃料电池中产电菌与电极的作用机制及其应用[D]. 曹效鑫.清华大学 2009
[4]微生物燃料电池处理有机废水过程中的产电特性研究[D]. 尤世界.哈尔滨工业大学 2008
[5]废水生物处理过程的紫外与荧光光谱解析[D]. 李卫华.中国科学技术大学 2008
[6]产氢—产乙醇细菌群落结构与功能研究[D]. 邢德峰.哈尔滨工业大学 2006
硕士论文
[1]应用454测序技术分析菌群结构的方法学研究[D]. 华蔚颖.上海交通大学 2010
本文编号：3711287
【文章页数】：211 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题来源
1.2 研究背景和意义
1.2.1 碳中性可持续制氢的重要性
1.2.2 发酵法生物制氢的局限
1.3 微生物电解池（MEC）的工作原理和构型
1.4 MEC 突破发酵产氢局限的可行性分析
1.4.1 MEC 继续转化发酵产物为氢气
1.4.2 MEC 突破发酵产氢底物代谢局限
1.4.3 MEC 突破发酵产氢温度限制
1.5 MEC 阳极生物膜群落结构的研究意义及进展
1.5.1 增加对阳极微生物的认识
1.5.2 揭示阳极微生物在降解复杂底物过程中的互养关系
1.5.3 揭示阳极微生物对氢气的竞争关系
1.6 MEC 产氢面临的主要问题
1.6.1 缺乏利用廉价生物质产氢研究
1.6.2 存在多条氢损失途径
1.6.3 复杂底物下阳极微生物群落结构尚待揭示
1.7 研究内容和技术路线
1.7.1 研究内容
1.7.2 研究技术路线
第2章 实验材料与方法
2.1 MEC 及暗发酵制氢反应器构型
2.1.1 单室 MEC 反应器
2.1.2 双室 MEC 反应器
2.1.3 暗发酵制氢反应器
2.2 MEC 的启动与运行
2.3 MEC 性能的评价方法
2.3.1 氢气产率
2.3.2 氢回收率
2.3.3 产氢速率
2.3.4 能量转化效率
2.4 暗发酵制氢反应器运行与产氢菌种培养
2.5 分析检测方法
2.5.1 气体的测量与分析
2.5.2 相关化学分析
2.5.3 三维荧光光谱分析
2.5.4 激光共聚焦显微镜分析
2.6 微生物群落结构分析方法
2.6.1 基因组 DNA 提取
2.6.2 16S rRNA 基因扩增
2.6.3 16S rRNA 基因克隆文库构建
2.6.4 16S rRNA 基因变性梯度凝胶电泳（DGGE）
2.6.5 实时定量 PCR 分析
2.6.6 高通量 16S rRNA 基因焦磷酸测序
2.6.7 生物信息学和统计学分析
第3章 发酵系统耦合 MEC 梯级产氢及阳极生物膜群落结构响应
3.1 引言
3.2 乙醇型暗发酵产氢
3.2.1 利用糖蜜废水的混菌发酵产氢
3.2.2 利用葡萄糖的纯菌发酵产氢
3.3 MEC 利用糖蜜废水发酵液产氢
3.3.1 产氢速率及气体成分
3.3.2 氢及能量收益
3.3.3 电极极化研究
3.3.4 MEC 对有机物的降解
3.3.5 MEC 及耦合系统效能分析
3.4 MEC 利用纯菌发酵液产氢及生物膜群落结构响应
3.4.1 MEC 及耦合系统的产氢效能
3.4.2 生物膜群落结构对不同发酵产物的响应
3.5 本章小结
第4章 MEC 突破发酵产氢局限直接利用蛋白质产氢
4.1 引言
4.2 降解蛋白阳极生物膜的富集
4.3 MEC 直接利用蛋白产氢的效能
4.3.1 单室 MEC 的电流密度
4.3.2 单室 MEC 中氢气和甲烷的产率
4.3.3 单室 MEC 的产氢速率
4.3.4 单室 MEC 中氢及能量收益
4.3.5 单室 MEC 对有机物的去除
4.3.6 双室 MEC 利用蛋白产氢的效能
4.4 蛋白降解过程中的氮平衡分析
4.5 MEC 利用蛋白产氢的特性研究
4.5.1 蛋白和其它有机物在 MEC 中产氢的差异
4.5.2 蛋白在 MEC 中的产电和产氢差异
4.5.3 MEC 利用蛋白产氢过程中的电子内循环
4.6 阳极生物膜群落结构对蛋白底物的响应
4.7 本章小结
第5章 MEC 利用剩余污泥产氢及阳极生物膜群落结构响应
5.1 引言
5.2 MEC 利用剩余污泥产氢
5.2.1 剩余污泥的碱预处理
5.2.2 MEC 的富集和电流产生
5.2.3 氢气产率
5.2.4 氢及能量收益
5.2.5 污泥中有机物的变化
5.2.6 污泥组分的 EEM 光谱分析
5.2.7 MEC 利用剩余污泥产氢的优势及问题分析
5.3 阳极生物膜群落结构响应
5.3.1 微生物种群丰度和多样性
5.3.2 微生物群落差异性分析
5.3.3 微生物群落结构
5.3.4 复杂底物下的微生物种群互作
5.4 本章小结
第6章 MEC 低温产氢及阳极生物膜群落结构响应
6.1 引言
6.2 低温下 MEC 利用乙酸钠产氢及生物膜群落结构响应
6.2.1 低温下 MEC 的富集启动
6.2.2 MEC 的产氢过程
6.2.3 产氢速率和氢气产率
6.2.4 氢及能量收益
6.2.5 低温对甲烷菌生长的抑制
6.2.6 细菌群落结构对低温的响应
6.2.7 MEC 低温产氢效能分析及生物学意义
6.3 低温下 MEC 利用葡萄糖产氢及生物膜群落结构响应
6.3.1 低温下 MEC 的启动和产氢
6.3.2 反应过程中的产物积累
6.3.3 生物膜的 CV 特性
6.3.4 生物膜的微生物群落结构
6.3.5 低温下的微生物种群互作
6.4 温度交替变化时生物膜中的甲烷菌群落动态
6.4.1 甲烷菌种类分析
6.4.2 在 4°C 与 30°C 间变化时的甲烷菌群落动态
6.4.3 在 9°C 与 30°C 间变化时的甲烷菌群落动态
6.4.4 恒定 15 °C 和 20 °C 时的甲烷菌群落动态
6.4.5 甲烷菌群落对温度的响应机制
6.5 温度交替变化时生物膜中的细菌群落动态
6.6 本章小结
结论
参考文献
攻读学位期间发表的学术论文及其它成果
致谢
个人简历
【参考文献】：
期刊论文
[1]无介体微生物燃料电池的研究进展[J]. 黄霞,梁鹏,曹效鑫,范明志. 中国给水排水. 2007(04)
[2]嗜冷产甲烷菌及其在废水厌氧处理中的应用[J]. 左剑恶,邢薇. 应用生态学报. 2007(09)
[3]缺氧嗜甲烷古菌研究进展[J]. 李江,刘晓风,廖银章,袁月祥,闫志英. 应用与环境生物学报. 2011(05)
博士论文
[1]有机废水微生物电解产氢研究及电极微生物功能解析[D]. 刘文宗.哈尔滨工业大学 2011
[2]微生物燃料电池中多元生物质产电特性与关键技术研究[D]. 王鑫.哈尔滨工业大学 2010
[3]微生物燃料电池中产电菌与电极的作用机制及其应用[D]. 曹效鑫.清华大学 2009
[4]微生物燃料电池处理有机废水过程中的产电特性研究[D]. 尤世界.哈尔滨工业大学 2008
[5]废水生物处理过程的紫外与荧光光谱解析[D]. 李卫华.中国科学技术大学 2008
[6]产氢—产乙醇细菌群落结构与功能研究[D]. 邢德峰.哈尔滨工业大学 2006
硕士论文
[1]应用454测序技术分析菌群结构的方法学研究[D]. 华蔚颖.上海交通大学 2010
本文编号：3711287
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