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光合生物制氢过程中的固定化细胞技术实验研究

李鹏鹏

  当今时代,随着地球上化石燃料的日趋枯竭,能源短缺成为世界共同关注的首要问题。开发清洁可再生能源便成了缓解这一问题的突破口。许多以生物质为原料的清洁能源,如氢能、生物柴油等不断地被开发出来。氢能作为一种可再生而无污染的新型清洁能源正受到人们更多的青睐。氢气具有高燃烧热值,燃烧产物为水,是一种清洁、高效的绿色能源,是最理想的能源。氢是主要的工业原料,目前世界对氢的需求日益增大。目前制氢的方法很多,但这些方法要消耗大量的电能或化工燃料,生物制氢技术具有废弃物资源化利用和减少环境污染的双重功效,成为国内外研究开发环保、高效的产氢技术一个主要方向,是目前研究进展最快并很有希望进行规模化生产的一种制氢方法。在生物制氢技术的研究与开发中,由于光合细菌(PSB)产氢的速度比其他光解细菌和发酵细菌快,可利用多种小分子酸,原料的氢转化效率高,且能将产氢与光能利用、有机物的去除有机地耦合在一起,因此利用光合细菌产氢是生物制氢技术中最有前途的方法。特别是固定化细胞技术的应用,为工业化生产清洁、无污染的生物能源提供了具有竞争力的技术方法。本论文是国家“十五”863计划资助项目的主要研究内容,依据固定化细胞技术原理和光合细菌制氢的特点,研究光合生物制氢过程中的固定化细胞技术。本文以畜禽粪便污水为产氢基质,选取包埋材料琼脂、海藻酸钠、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇(PVA)-硼酸与吸附材料陶粒、沙砾和大孔树脂等材料进行固定化光合细菌的产氢实验。得到产氢效果较好的海藻酸钠和陶粒固定化光合细菌的产氢能力,对比游离态产氢分别使产氢量提高15%—40%和70—110%,体积产氢速率分别约是游离态产氢速率的1.37倍和2.0倍。用海藻酸钠包埋法对固定化过程各因素的影响分析表明,固定化光合细菌10ml颗粒中适宜生物量为4.0—6.0mg;污水浓度为猪场粪水二次沉淀池的污水浓度是产氢实验适宜的低物浓度;不同固定化细胞颗粒大小(直径)对产氢量影响不明显,但有所区别,颗粒直径以1.5mm—3.0mm为宜;产氢实验采用培养72h左右的光合细菌为宜;光照强度对光合细菌产氢的影响表明,在8.0Klux左右的光照强度下有最高的产氢量;固定化细胞颗粒的动力学分析则对于开发适合固定化光合细菌产氢的生物反应器具有很重要的意义。同时,本文还在生物反应器中选取固定化材料陶粒和海藻酸钠做放大实验。间歇过程产氢放大实验中,二者对应最大产氢速率分别是11.21ml/L·h和7.49ml/L·h,COD去除率为82.23%和COD去除率为76.64%,取得了很好的产氢效果。并证明猪粪污水是很好的光合细菌产氢的原料,固定化光合细菌产氢也可使pH值保持稳定。选取固定化材料陶粒做连续产氢实验,产氢量随着稀释率的增大逐渐减少,下降趋势近似直线,连续产氢过程系统的pH值稳定性较好,在5.0到6.5之间,仍在光合细菌利用猪粪污水产氢的最佳pH值范围内,再次表明猪粪污水是适合光合细菌光合产氢的底物原料。产氢效果不如间歇产氢,可知连续产氢过程中存在少量产氢基质的流失现象,一部分COD没有来得及被完全利用。这是连续反应普遍的存在问题,有望通过合理设计进料间隔时间得到缓解。实验还发现,固定化产氢过……   
[关键词]:光合细菌;固定化细胞技术;猪粪污水;产氢
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:河南农业大学2006年