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《我国科学技能大学》 2013年
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混合菌群厌氧发酵的代谢模型及其进程操控

张放  
【摘要】:厌氧生物处理能够直接使用多种有机废弃物,所需求的运转本钱较低,而且能够出产包含甲烷、氢气、乙酸、乙醇和生物塑料等多种有用化学品和生物动力,已被广泛的使用于工业有机废水和污泥的处理。可是因为该技能是复杂菌群的一起代谢进程,而且代谢产品的使用也需求与别离纯化技能相结合,咱们依然需求深入研讨。 本论文以混合菌群厌氧发酵进程为研讨目标,在代谢模型、氢气过饱和现象、菌群和代谢产品操控、气体发酵、生物气纯化等方面展开了相关研讨:在Rodriguez模型的根底之上,进行了很多的批改,使得厌氧发酵代谢模型的模仿成果愈加挨近试验成果;经过溶解气质谱仪在线测定氢气在液相中的浓度,初次报导并解说了高温产氢反响器中的氢气过饱和现象;使用强高温(70℃)条件操控混合菌群中古菌的散布,完成了使用葡萄糖出产甲烷和乙酸的意图;在中空纤维膜生物膜反响器中,混合菌群原位使用合成气(氢气和二氧化碳)出产中长链脂肪酸;经过微生物燃料电池(MFC)产电能够驱动双极膜(BPM)解离水出产碱液,并用于生物气的纯化,然后使得厌氧发酵出产的合成气具有实践使用价值。主要内容和成果包含: 1.经过引进电子歧化反响的概念,以及在氧化复原电对(NADH/NAD+.和Fdred/Fdox),代谢产品的跨膜传质进程,丁酸、氢气、丙酸等生化反响的计量联系等方面对Rodriguez模型的批改,使得混合菌群厌氧发酵模型的模仿成果愈加挨近试验成果。即:在酸性条件下,代谢产品主要是丁酸、乙酸和乙醇,而在中性和碱性条件下,代谢产品主要是乙酸和丙酸,而且氢气产值低于2.2mol/mol-glucose;当底物浓度高于0.13mol/L时,代谢产品主要是乙醇和少数的氢气;氢气分压添加导致乙酸产值下降,而使得丁酸产值添加。因为本模型供给了代谢产品散布与环境条件的核算联系,经过进一步批改,本模型也能够用于其它类型发酵体系的模仿,如间歇式反响器和上流式厌氧污泥床反响器(UASB)等。 2.经过溶解气质谱仪在线测定氢气在液相中的浓度,咱们初次报导了高温产氢反响器中的氢气过饱和现象。成果标明,尽管反响器顶空氢气分压没有明显改变,可是液相中氢气浓度跟着底物负荷添加而添加,跟着雷诺数的添加而下降,氢气过饱和比在1.7和3.0之间。一起,液相中氢气浓度添加导致氢气产值和底物降解速率下降,乙醇/(乙酸+丁酸)的比值升高。因而,与顶空氢气分压比较,液相中氢气浓度对混菌厌氧发酵进程的影响更为明显。而且,经过气液传质系数的核算阐明氢气过饱和现象在厌氧发酵进程中是不可避免的,有必要给予考虑。 3.在强高温(70℃)混合菌群厌氧发酵的接连拌和式反响器(CSTR)中,以葡萄糖为底物,经过100天的接连运转标明,反响器运转较为安稳,顶空中的产品主要是甲烷,其产值为0.89-1.22mol/mol-glucose;而液相产品主要是乙酸,其产值为1.45-1.60mol/mol-glucose,含量高于90%。在间歇试验中也存在类似的成果,乙酸的浓度到达34.4g/L。CSTR反响器中的菌群剖析标明,产甲烷古菌主要是嗜氢产甲烷菌Methanothermobacter thermautotrophicus和Methanobacterium thermoaggregans,总含量到达古菌总量的98%以上。这阐明使用强高温条件能够操控混合菌群中古菌的散布,即按捺嗜乙酸产甲烷菌的活性并富集嗜氢产甲烷菌。 4.将有机污染物和生物质直接气化为合成气,是微生物使用难降解底物的重要途径之一。使用合成气出产脂肪酸,尤其是中长链脂肪酸,是完成有机污染物再使用的重要办法。咱们经过中空纤维膜生物膜反响器完成了混合菌群原位使用合成气(氢气和二氧化碳)出产脂肪酸。氢气的使用率到达100%,而代谢产品包含乙酸、丁酸、己酸和痛苦,最高浓度分别是7.4,1.8,0.7和0.42g/L。生物膜出产己酸的速率与文献报导类似,约为31.4mmol-C/g-VSS/d,而痛苦的出产速率则比文献报导的成果高6倍,约为19.1mmol-C/g-VSS/d。此外,菌群剖析标明,生物膜中的微生物以Clostridium ljungdahlii和Clostridium kluyveri为主,约占61.7%。因为具有环境的耐受才能强和单位体积反响器的比表面积高级优势,与悬浮成长反响器比较,中空纤维膜生物膜反响器具有较高的反响活性,然后非常利于其在合成气发酵方面的使用。 5.生物气中C02的去除是使用生物气的条件,而碱液的价格和运输本钱是约束其使用的要素之一。经过MFC产电能够驱动双极膜解离水出产碱液:在没有外加电压的条件下,碱液的pH值最高为9.8;而当外加0.5V的电压时,pH值到达11.6。经过添加NaCl浓度,进步外加电压和下降外接电阻等办法均能够添加碱液的pH值。而且,上述碱液能够用于生物气的纯化,CH4的含量最高能够到达100%,然后使得厌氧发酵出产的合成气具有使用价值。
【学位颁发单位】:我国科学技能大学
【学位等级】:博士
【学位颁发年份】:2013
【分类号】:TQ920.1

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