秸秆类生物质暗发酵产氢关键参数优化及其机理研究.pdf

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1、(AthesissubmittedtoZhengzhouUniversityforPh．DDegree)KeyParameterOptimizationandMechanismofHydrogenProductionfromLignocellulosicBiomassbyDarkFermentationByZhaoxiaSongSupervisor：Prof．YaotingFanAppliedChemistry一一一CollegeofChemistryandMolecularEngineeringMay，2014学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，

2、是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者：像翻霰日期：2014年5月30日学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印

3、或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者：昧锄嚷日期：2014年5月30日摘要摘要氢能因其具有高效、清洁、无污染的特点被公认为最具发展前景的能源之一。在诸多的制氢方法中，生物制氢因其能够在常温常压下操作而备受关注。与光合制氢相比，暗发酵制氢具有产氢速率高、不依赖光照、设备简单、易操作、能够实现废弃生物质资源化等特点而最具产业化前景。目前，该技术普遍存在产氢率低、发酵底物成本高等问题，成为制约暗发酵制氢产业化的主要技术瓶颈。

4、基于此，本文在探寻天然菌源预处理方法的基础上，从高效生物制氢反应器中分离、筛选得到一株底物利用范围广的高效兼性厌氧菌，对其产氢特性进行了研究，并从生化工程的角度对其中的NADH产氢途径进行调控；之后，从降低运行成本的角度，筛选分离在中温条件下能够直接利用未经过预处理的秸秆类生物质高效发酵产氢的微生物，进行菌种鉴定及相关的产氢特性研究。具体内容如下：1．探寻新的菌源预处理方式。系统考察了微波辐射预处理对混合菌源产氢性能的综合影响。结果显示：采用微波辐射对牛粪堆肥进行预处理，能够有效抑制或杀灭嗜氢茵，而保留产氢菌的活性。以20g／L酸解玉米秸秆为底物，利用微波辐射1

5、．5min预处理的牛粪堆肥为菌源，在Na2C03添加量800mg／L，Fe添加量400mg／L时，产氢量最大，达到144．3ml／g。与其它菌源预处理方式相比，该方法操作安全简单，能耗低，耗时少，且菌源产氢能力更高。通过AFM，蛋白浓度测定和PCR-DGGE技术研究了微波辐射作用机理在于：微波辐射能够对茵源中微生物细胞壁造成不同程度的损伤和破坏，进而影响微生物细胞的通透性；此外，微波还能对微生物的基因组DNA造成不同程度的损伤，由此导致对微波辐射敏感的嗜氢菌的失活或杀灭；而主要的产氢菌形成的芽孢具有极强的耐辐射和耐热能力，短时的微波辐射不会对其造成损伤，产氢菌的

6、活性得以保持。2．从生物制氢反应器中分离得到一株高效兼性厌氧产氢菌。首先对其进行形态学特征及生理生化特性研究，结合菌株16SrDNA序列分析，确定该菌株的种属分类。对菌株产氢特性进行研究：菌株Bacillussp．FS2011能利用多种碳、氮源产氢。以葡萄糖为底物时，最大产氢量为2．26mol／mol。发酵液的初始pH和摘要培养温度对菌株产氢活性有影响，初始pH6．98、35"C为该菌种发酵产氢较为适宜的条件。在单因素实验的基础上，采用Plackett-Burman试验设计法及响应面分析法对菌株,Bacillussp．FS2011发酵产氢条件进行优化。首先采用P

7、laekett—Burman试验设计法筛选出影响菌株产氢的主要因素：葡萄糖浓度、牛肉膏浓度和磷酸缓冲液浓度。在此基础上，利用最陡爬坡路径大致确定最大响应区域，最后利用BoX-Behk胁试验设计及响应面法进行回归分析。结果表明，三个主要因素的浓度变化显著影响氢气产量。通过求解回归方程，确定最优产氢条件：当葡萄糖浓度13．52eeL，牛肉膏浓度1．95g／L，磷酸缓冲液浓度19．36mmol／L时，氢气产量达到理论最大值3079．0ml／L，实际产氢量达到3081．2ml／L。3．对Bacillussp．FS2011中NADH产氢途径进行强化。首先，在培养基中使用与

8、葡萄糖结构类似，氧化还原