农作物秸秆固定复合菌种协同产氢的研究

【作者】 马志红； 苏海佳；

【机构】 北京化工大学；

【摘要】 随着社会和经济的发展,人类对能源的需求越来越大,化石能源的不可持续性及其危害性导致能源危机和环境污染成为全球迫切需要解决的问题。因此,生物能源以其可再生性和清洁性成为全球能源发展的热点。目前生物能源主要包括:沼气、生物柴油、生物制氢和燃料乙醇。氢能以其高热值（142.351kJ/kg）,燃烧产物只有水的特性脱颖而出。生物制氢是指利用微生物自身新陈代谢释放氢气的一种技术,它是可持续不断地从自然界获取氢气的重要途径之一。目前的生物制氢技术主要包括光解水制氢技术、光发酵制氢技术、暗发酵制氢技术以及耦合制氢技术。本研究采用了暗发酵制氢技术,该方法是异养型厌氧细菌利用碳水化合物等有机物通过暗发酵进行产氢,该技术不仅可以提高产氢效率,还可以以工业含糖废水、农业废水等为底物,达到保护环境的目的。但是,目前的技术普遍存在产氢效率低、体系不稳定的问题,所以,本文采用固定化技术和混合培养的方法对该问题进行改进。固定化技术是采用一些物理或化学手段将菌体在载体上,不仅可以提高体系中菌体浓度,使之保持较高的生物活性,而且固定好的菌体还可以反复使用,缩短发酵周期。而混合培养通过混菌的协同作用提高体系的产氢能力^[1～2],它在底物消耗速度以及产氢得率上都比纯菌培养要好很多。本文在实验室之前的研究基础上^[3],选用农作物秸秆对从活性污泥中筛选出的两株高效产氢菌进行共固定化,考察了载体投放量对产氢效果的影响。研究结果表明,随着载体投放量的增加,发酵迟滞期延长,产氢得率和累积产氢量都呈现出一个先提升后下降的趋势。此外,农作物秸秆中富含纤维素、半纤维素和木质素,这些物质形成致密复杂的结构,这使得秸秆成为一种孔洞结构丰富、比表面积大的优势吸附材料。而通过一些预处理方式,可以破坏细胞壁结构,降低纤维素结晶度和聚合度。因此本文选用酸和碱对秸秆进行预处理,SEM图表明农作物秸秆经预处理后,整齐有序的孔洞结构被打乱,纤维表面被破坏;而且与未处理的空白组相比,两者的累积产氢量都有所降低,说明预处理后孔洞结构被打开,反而不利于菌体的附着。pH是影响固定化细胞酶活性的重要因素之一,该复合菌生长的pH范围为3.5～6.5之间,因此我们选取了不同的pH值调控发酵。研究结果表明,产氢过程中pH控制在一定范围内有助于提高产氢,此时的产氢得率也有所提高,高于或低于这个范围都会一定程度上抑制产氢,产氢得率降低。分批发酵存在工序繁琐、周期长、效率低的问题,为解决该问题,半连续发酵和连续发酵的进一步研究正在进行中。更多还原