固定化技术在促进光合细菌产氢中的应用-论文.pdf

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1、中国生物工程杂志ChinaBiotechnology，2014，34(7)：96-101DOI：10．13523／j．cb．20140715固定化技术在促进光合细菌产氢中的应用李扬李茹莹季民(天津大学环境科学与工程学院天津300072)摘要氢气是一种新型的清洁高效能源，制氢技术的创新是目前研究的热点。将新型的技术及材料应用到生物制氢工艺中，从而促进生物制氢技术的产氢效率和工程应用是研究的重点之一。该文阐述了光合细菌在固定化生长条件下发酵产氢的最新研究进展，从固定化技术的原理、固定化方法的应用进展及影响因素几个方面进行了综述，详细阐述了包括包埋、悬浮载体附着生长及固定生物膜法等几种固定化方法对

2、光发酵产氢的作用，介绍了国内外用于固定化的新型材料，并对今后的研究重点及方向进行了展望。关键词固定化光合细菌包埋载体中图分类号Q815近年来，由于不可再生的化石燃料的短缺，可再生化率，由此来提高产氢速率。但是，目前这方面的研究的替代能源的开发成为研究的热点。在众多的氢气制还处于起步探索阶段，新的理论和方法都在不断的提备方法中，由于生物法制氢具有能耗低、成本廉价等特出和验证中，本文对近年来发展较快的主要的光合细点，且产氢反应对环境无害，并对废水剖及固体废菌固定化产氢方法进行了综述。物等有较好的生物降解作用，因此逐渐被认可，并得l固定化方法的原理到了深入广泛的研究。生物制氢技术根据采用的细菌种类

3、和反应条件不同，可分为光发酵制氢和暗发酵制细胞的固定化生长最早应用在酒精发酵工艺方氢。暗发酵的氢气产率较高，可达到3～4toolH，／tool面，主要是为了提高培养基中细胞的浓度以及对外界CH：0H，但由于发酵过程伴随有副产物挥发性脂环境不利因素的抵抗能力而发明的方法。通常细胞的肪酸(VFA)的累积，使得有机物中的化学能只有不到固定化生长主要有四种形式：(1)包埋在多孔物质40％转化为氢气。光发酵过程中光合细菌可以很好中的生长；(2)附着在悬浮固体载体表面的生长；(3)附地利用VFA等有机物作为碳源产生H和CO[7-9]，因着在固定填料上的生长(4)菌体絮凝成团生长。由此可以更为充分地利用有

4、机物中的化学能。于光合细菌的生长以及产氢代谢过程需要充足的光相对于暗发酵制氢，光发酵制氢的研究还处在起照，所以前三种形式更适合于光合细菌的固定化，从而步阶段，悬浮生长的光发酵制氢系统产氢速率为1～75促进光发酵产氢反应。在前三种固定化方法中，第二ml／L／h⋯，还无法达到工程生产的要求，所以需要进一种和第三种均属于附着生长，而细菌的包埋生长与附步提高光合细菌产氢性能。关于提高光合细菌产氢速着生长的基本原理有所不同。率的方法，在早期的研究中已经探究了温度j、1．1包埋生长pH_l、光照“以及基质种类和浓度”，等条件，悬浮将光合细菌包埋，通常是用多孔性的凝胶将光合生长光合细菌产氢条件的优化已趋于

5、成熟。为了进一细菌固定在其内部，如琼脂胶、海藻酸钠、卡拉胶、胶原步提高产氢速率，近些年的研究开始尝试将光合细菌质等。通过这些多孔性物质把光合细菌包埋在内固定化，从而加大反应器中的菌体浓度以及提高光转部，可以在阻碍外界不利因素接近细胞的同时，使得培收稿日期：2014-04-28修回日期：2014-05．24养基中的碳源和营养物质通过包埋颗粒的微小孔隙进通讯作者，电子信箱：liruying@tju．edu．ca入的其内部，供给细胞生长及产氢所必需的基质，其传2014，34(7)李扬等：固定化技术在促进光合细菌产氢中的应用97质过程主要是扩散效应并基本符合Fick定律。但强度等性能。王永忠的实验研

6、究表明，在PVA中加是，包埋颗粒内的扩散传质阻力所引起的较低的生化入一定量海藻酸钠能有效改善包埋颗粒的传质效果，反应速率，使得该方法在推广应用上受到了限制，目在PVA与海藻酸钠之比为9：1时效果最好。Tian和前主要的改进方法是通过改变包埋材料的成分配比来Wang2在PVA一海藻酸钠中加入卡拉胶以提高包埋颗降低扩散传质阻力。粒的机械强度，减少在连续反应器的搅拌中，以及光合1．2附着生长细菌生长过程中体积的膨胀导致的颗粒破碎。Tian等光合细菌的附着生长是菌体以吸附、静电或共价的研究虽然氢气产率较低，但最大比产氢速率达到了结合的方式在固体载体表面生长“。这种方式与包埋80．6ml／g细胞干重／

7、h，均高于有关悬浮光合细菌产氢相比，由于没有了中间介质的阻隔，有更多的优势：(1)文献报道的产氢速率引。Xie等用琼脂包埋光合细培养基与细胞之间的传质阻力减小；(2)光照接受面积菌，是将悬浮的EthanoligenensharbinenseB49和包埋的增大。用于附着生长的载体大多具有较大的比表面积Rhodopseud0monasfaecalisRLD-53混合培养，最大产氢及孔隙率，这就使得载体具有较强的吸