论文部分内容阅读
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%以上的有机酸被利用去除。葡萄糖的最大产氢率从暗发酵阶段的1.72mol H2/mol葡萄糖显著提高到暗发酵和光发酵耦合的5.48mol H2/mol葡萄糖(10g/l时得到)。本文以木薯淀粉为对象,对淀粉类生物质暗发酵和光发酵耦合产氢的效果进行了实验研究。在暗发酵阶段,由活性污泥富集培养混合产氢菌种,原木薯淀粉经过α-淀粉酶/糖化酶水解后,最大产氢率由240.4ml H2/g淀粉提高至276.1ml H2/g淀粉(25g/l时得到),最大总产氢速率Roverall由72.5ml H2/l/h提高至229.3ml H2/l/h。在光发酵阶段,沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)作为产氢菌种,最大产氢率和产氢速率分别为131.9ml H2/g淀粉(10g/l时得到)和16.4ml H2/l/h。通过暗发酵和光发酵耦合,木薯淀粉的最大产氢率从单纯暗发酵的240.4ml H2/g淀粉显著提高到402.3ml H2/g淀粉(25g/l时得到)。通过响应面设计优化暗发酵阶段的反应条件、利用固定化光合混菌提高光发酵阶段的产氢效率,淀粉暗发酵和光发酵耦合的产氢率可以提高到840ml H2/g淀粉。本文研究了微波加热/碱碱预处理方法对稻秆酶水解糖化的影响,以及稻秆水解糖化后进行暗发酵和光发酵耦合的产氢特性。50g/l稻秆在0.5%NaOH溶液中经微波140℃加热15分钟后,再经过纤维素酶水解96小时,还原糖产率为69.3g/100g TVS,为理论值的96.7%。将稻秆水解溶液用于暗发酵产氢,60g/l时得到最大产氢率为155ml H2/gTVS.暗发酵尾液主要成分是乙酸和丁酸等小分子有机酸,在光发酵中被固定化光合混菌进一步利用产氢,最大产氢率为328ml H2/g TVS(稻秆为50g/l时得到)。经过暗发酵和光发酵耦合,稻秆为50g/l时得到最大产氢率463mlH2/g TVS.本文以水葫芦为底物,对不同预处理方法的水解糖化效果进行对比,然后对水葫芦进行暗发酵和光发酵耦合产氢进行了理论分析和实验研究。(1)20g/l水葫芦经112℃蒸汽加热15分钟和420W微波常压加热1分钟后,再用1.0%NaOH溶液于45℃处理24小时,然后利用纤维素酶水解48小时,还原糖产率为30.57g/100g TVS.在暗发酵产氢阶段,水葫芦最大产氢率和产氢速率分别为76.7ml H2/g TVS(20g/l时得到)和223.1ml/l/h(40g/l时得到)。光发酵阶段最大产氢率为522.6ml H2/g TVS (水葫芦为10g/l时得到)。经过暗发酵和光发酵耦合,水葫芦的产氢率由暗发酵阶段的76.7ml H2/g TVS显著提高到596.1ml H2/g TVS(10g/l时得到)。(2)20g/l水葫芦置于1.0%硫酸溶液中用微波于140℃(压力为0.2-0.6MPa)加热15分钟,然后用纤维素酶水解72小时,水葫芦的还原糖产量为64.4g/100g TVS为理论值的96.1%。将预处理后的水葫芦进行暗发酵,得到的产氢率为112.3ml H2/g TVS.光发酵产氢率可达639.3ml H2/g TVS.暗发酵和光发酵耦合后,水葫芦的产氢率最高可达751.5ml H2/g TVS.(3)最后,利用两台串联的5升发酵罐对水葫芦进行了暗发酵和光发酵耦合产氢的半连续流中间试验,两段总产氢率达到335.7ml H2/g TVS,为水葫芦发酵产氢的工业化应用奠定了基础。