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简谈生物发酵制氢法

作者:微彩票 发布日期:2020-06-15 21:01



  简谈生物发酵制氢法_工学_高等教育_教育专区。辽大研究生 环境工程 生物制氢

  简谈生物发酵制氢法 目 录 / contents 01 氢能源的应用背景 02 生物制氢相关机理 生物制氢研究现状 不同发酵类型产氢能力的比较 03 04 Chapter 1 第一部分 氢能源的应用背景 ? 能源和一个国家的经济发展密切相关 ,也是国家战略安全 保障基础之一。目前应用比较广泛的依然是化石能源 (煤、石油、天然气)。 ? 相较于其它的能源,化石能源的获得较为容易,应用技 术比较成熟。但目前其存在着两个主要问题: 1 化石能源属于不可再生能源,储量有限,日渐枯 竭; 使用过程中,化石能源对环境的污染较为严重。 2 以石油为例,目前液体燃料(汽油、柴油等)主要来源于石 油资源。 ? 从目前探明的石油储量上看,世界石油的开采期乐观的估计 有100年左右,悲观的讲只有30~50年左右。 ? 我国 2010 原油加工量 2.1 亿吨 , 原油生产量 1.65 亿吨。预计 2015 年我国的原油加工量将达到 2.7 亿吨 , 而原油产量不会 超过 2.0亿吨,所以我国的能源问题还是相当严重的 ,每年原 油进口量相当大。 ? 化石燃料燃烧会产生大量的污染物,据美国多年统计,空气中 主要污染物和颗粒悬浮物约 70% 来自各种燃料的燃烧排放 物。由燃料燃烧产生的 C02 引起的温室效应也正越来越大 的影响着我们的正常生活。 化石燃料燃烧 CO、SO2、氮 氧化物等污染 气体 颗粒悬浮物 温室效应 ? 当今世界,人们越来越重视环境问题,重视我们的家园。 人们更看重从资源、能源和经济一体化协调考虑的社会 可持续发展的模式。 ? 正是在这一形势下,近年各国竞相开发经济的大规模制氢 和储氢技术。 ? 相较于传统能源,氢能源具有以下几方面的优点: 氢能源的优点: 1 2 3 4 它是宇宙间最简单同时也是最为丰富的元素,在地球上分布 及其广泛; 它的燃烧热值高,为118.4kJ/g,是甲烷的2.3倍; 它的能量密度大,为普通汽油的3倍;它的热效率高,比常规 化石能源高30~60%,作为燃料电池的燃料,效率高出1倍; 氢是一种清洁能源,燃烧时只生成水,没有任何其它污染物 ,不造成环境污染;氢适于管道运输; 在各种能源中,氢的输送成本最低,损失最小,甚至优于输电。 5 氢气的应用方式: 作为燃料。由于氢气的高热值,低燃料自重。氢气作 为燃料在航天、交通、运输等领域有着非常巨大的 应用前景。 氢气是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料 和物料。用于石油和其他石化燃料的精炼,如烃的增 氢、煤的气化、重油的精炼等;化工生产中作为氨、 甲醇的原料;还用来还原铁矿石等。 用于发电。用氢制成燃料电池可直接发电,也可采 用燃料电池和氢气-蒸汽联合循环发电,其能量转换 效率大大高于现有的火力发电。 1 2 3 Chapter 2 第2部分 生物制氢相关机理 矿物燃料制氢 水电解制氢 理化法制 氢 太阳能制氢 制氢技术 热化学循环制氢 光合细菌制氢 生物法制 氢 发酵制氢 发酵产氢机理: ? 菌种:能够发酵有机物产氢的细菌包括专性厌氧菌和兼性 厌氧菌,如丁酸梭状芽抱杆菌、大肠埃希式杆菌、产气肠 杆菌、褐球固氮菌、白色瘤胃球菌、根瘤菌等。 ? 底物 : 可以用于厌氧发酵产氢的底物主要有甲酸、乳酸、 丙酮酸及各种短链脂肪酸、葡萄糖、淀粉、纤维素二糖,硫 化物等。 ? 酶:发酵型细菌也能利用多种底物在固氮酶或氢化酶的作 用下将底物分解制取氢气。 发酵产氢机理: ? 发酵类型 :一般认为发酵细菌的发酵类型是 丁酸型 和丙酸 型,如葡萄糖经丙酮丁醇梭菌和丁酸梭菌进行的丁酸一丙酮发 酵,可伴随生成H2。 ? 任南琪等采用其研制的生物制氢反应器,以碳水化合物为供氢 体,产生出一种新型生物发酵类型—乙醇型发酵。 ? 该生物制氢反应器末端发酵产物主要为乙醇,乙酸、H2、C02 及 少 量 丁 酸 和 丙 酸 。 发 酵 气 体 中 含 H2(40%~49%) 和 C02(51%~60%) 。 C02 经碱液洗脱塔吸收后 , 可制取 99.5% 以 上的纯H2 。 发酵产氢机理: ? 有机发酵过程:有机物发酵过程大致分为三个阶段: Ⅰ水解阶段:厌氧菌胞外酶将复杂的有机底物分解为简单的 小分子有机物; Ⅱ产酸阶段:经水解后生成的单糖被酵解酸化,生成挥发性 脂肪酸、氢气和二氧化碳; Ⅲ产甲烷阶段:生成的氢气和二氧化碳被转化成甲烷,乙 酸脱羧也生成甲烷。 废水或污 泥中不溶 态大分子 有机物 蛋白质 多糖 脂肪 发酵菌 氨基酸 葡萄糖 甘油 脂肪酸 发酵菌 一类产物:甲 酸、甲醇甲胺、 乙酸等 二类产物:丙 酸、丁醇、乳 酸、乙醇等 产氢产乙酸菌 产甲烷菌 二氧化碳、 氢气、乙酸 二氧化碳、甲烷 Chapter 3 第三部分 生物制氢研究现状 目前,国内外发酵法生物制氢技术的主要研究成 果主要集中在以下几个方面: 0 1 分离和筛选高效产氢菌种; 0 2 生态因子对产氢能力的影响; 0 3 细胞固定化与非固定化技术; 0 4 混合菌种产氢技术。 0 1 分离和筛选高效产氢菌种; 目前,国际上对生物制氢技术的研究仍处于实验室 研究阶段,发酵产氢细菌的产氢能力不高成为限制生 物发酵制氢技术发展的重要因素。 为了解决这一问题,国内外的研究者纷纷进行产氢 细菌的分离和筛选工作,以期获得高效的产氢菌种。 研究成果: 1 2 3 Jung等(2002)从厌氧消化污泥中分离出一株化能异养菌, 最大产氢能力为27.1 mmolH2/gdrycell.h; Rachman等(1997)分离到的产气肠杆菌突变株A-1的产 氢能力为27mmolH2/gdrycell.h; 林明(2002)从生物制氢反应器的厌氧活性污泥中分离到了 一株高效产氢细菌,其产氢能力为25~28 mmolH2/gdrycell.h, 是目前国际上所发现的具有最高产氢能力的细菌之一,邢德 峰等对该菌株进行了生物化学和分子生物学鉴定,确认其为 一种至今尚未报道过的新菌种; Kumar(2000)从树叶榨出物中分离到一株阴沟肠杆菌,在 36℃和pH值6.0条件下,最大产氢效率可达29.63 mmolH2/ gdrycell.h,这是目前资料报道的产氢能力最高的产氢发酵细 菌。 4 0 2 生态因子对产氢能力的影响; 生态因子对产氢发酵细菌的生长和生理代谢有重要 作用,也会影响细菌的产氢能力。目前对生态因子的 研究主要集中在温度、pH值、氧化还原电位和金属离 子等几个方面。 请在这里输入您的标题 (1)温度 温度对微生物的生长和生理 代谢过程有重要影响,不同的微 生物的最适生长和产氢温度不 (2) pH值 pH值对发酵细菌的产氢代谢 活性和发酵产物组成均有重要 影响,因此对发酵细菌最适产氢 pH值的研究也很多。Fbaaino 等在研究中发现,产气肠杆菌 NCMIB10102的最适pH值为 6.1~6.0。 同。Jung等(2002)对ciortbacet: Sp.Y19的研究表明,其最适的细 胞生长和产氢温度为30~40℃。 Kum等证明该菌种在36℃时具 有最大的产氢速率。 (3)氧化还原电位 (4)金属离子 金属离子能对氢酶的结构 和功能产生影响,从而影响产氢 发酵细菌的产氢能力。也是影 任南琪教授等人经过系统 的研究提出,pH值和氧化还原电 位对产氢发酵微生物的发酵产 物组成有重要影响,是影响产酸 发酵类型的限制性生态因子。 响产酸发酵菌生长与发育的重 要的生态因子。 金属离子影响因子的研究: 1 2 Grya等指出,在缺铁的培养基上生长的肠杆菌和梭菌不能产 氢。但是,当金属离子的浓度超过一定范围时,会引起细菌中 毒。 林明对多种金属离子的研究表明,适宜浓度的Fe2+、Ni2+、Mg2+ 对产氢菌株B49的生长和产氢发酵有促进作用,在其适宜浓度 下,促进顺序为Fe2+ Ni2+ Mg2+ 。 王勇的研究表明,Fe参与了产氢一产酸代谢中相关酶系的作用 过程,可直接影响细菌的生物氧化及脱氢过程,并可诱导系统的 发酵过程向平衡程度较高的乙醇型发酵类型转变。他还发现, 单质Fe对产氢的促进作用要优于铁离子。 3 0 3 细胞固定化与非固定化技术; 研究目的 为了达到持续高效的生物产氢目标,实现生物制氢技术 的工业化生产,提高反应系统内的细胞持有量及其产氢速率 是有效措施之一。为了提高产氢细菌的生物量和产氢能力, 人们利用一些微生物载体,对产氢细菌的细胞固定化技术进 行了一系列的研究。 限制因素 细胞固定化技术的使用,使反应系统的产氢速率和运行稳定性 有了很大提高。但是,固定化技术的复杂性、巨大的工作量以及高 昂的制氢成本决定了该技术的应用只能局限于小型的实验室研究, 无法实现大规模的工业化生产,而且作为固定化载体的基质会占据 反应器内大量的有效空间,反应器产氢率的进一步提高会由于生物 持有量不足而受到限制。 解决方案 实际应用中,利用具有自絮凝作用的细菌或厌氧活性污泥 作为产氢菌种,既可以避免生物制氢反应器中游离微生物的 流失,保证系统内保持较大的生物量,又可以不必对细菌细胞 进行复杂的固定化处理而达到高效产氢的目的。 0 4 混合菌种产氢技术。 研究背景 目前对生物制氢技术的研究大多采用的是纯菌种,而利用混合 菌种,特别是利用厌氧活性污泥制取氢气的研究较少。实际上,利用 混合菌种具有一定的优越性。首先,它不存在纯菌种系统存在的杂 菌污染问题。若利用的混合菌种为厌氧活性污泥,则可以通过它的 培养形成沉降性能良好的絮体,避免菌体在连续流状态下的流失。 另外,它在运行中操作简单,便于管理,提高了生物制氢工业化生产 的可行性。 Chapter 4 第四部分 不同发酵类型产氢能力 的比较 实验原理: ? 产氢 —产酸发酵细菌(中温)从整体上讲,其适应性较强,具有较宽 的生态幅。如pH值的生态幅为3.0~7.0,温度为5~45℃。产酸发酵反应 器内的微生物,在不同的运行条件下,由不同的微生物群在竞争中占 据优势地位,从而表现出不同的发酵类型。 ? 根据实验结果的总结,影响产酸发酵细菌发酵类型的主要因子是 pH值 和OPR。故在发酵生物制氢模型反应器的启动和污泥驯化完成以后 ,通 过控制限制性生态因子pH值和ORP的方法,使反应器中的厌氧活性污泥 发生微生物菌群的演替,并控制达到特定的发酵类型。其它参数在不同 的运行时期保持一致性,以便对不同发酵菌群的产氢能力进行比较研究。 实验装置:主体设备为生物制氢模型反应器,反应器的有效容积9.6L, 沉淀区为5.4L,采用将电热丝缠绕在反应器外壁上的方式加热保温, 温度控制在35℃左右,上下浮动不超过1 ℃。 实验用底物:采用甜菜制糖厂的废糖蜜,反应器进水配置中添 加少量的N、P肥料,COD:N:P=500:5:1. ? 乙醇型发酵菌群的产氢能力 ? 本实验中,乙醇型发酵菌群发生并达到稳定的pH值在4.0~4.5之间,稳定 运行期的测试结果下图所示。 该图是对乙醇型发 酵菌群在稳定运行 期的液相末端发酵 产物分析情况。从 图中可以看出,液相 末端发酵产物以乙 醇和乙酸为主,占总 量的80%以上,其中 乙醇含量平均达到 40.19%,是典型的乙 醇型发酵。 该图是对乙醇型发酵 菌群产气能力和产氢 能力的测试结果。实 验结果表明,在实验条 件下,乙醇型发酵菌群 的产气能力平均为 5.78mol/kg vss· d,最 高产气能力为7.24 mol/kg vss· d。而产氢 能力平均为2.89 mol/kg vss· d,最高产 氢能力达到3.62 mol /kg vss· d。 ? 丁酸型发酵菌群的产氢能力 ? 本实验中,丁酸型发酵菌群发生并达到稳定的pH值在4.4~4.9之间,稳定 运行期的测试结果下图所示。 该图是对丁酸型发 酵菌群在稳定运行 期的液相末端发酵 产物分析情况。 从图中可以看出,液 相末端发酵产物以 丁酸和乙酸为主,占 总量的70%以上,其 中丁酸含量平均达 到48.94%,是典型的 丁酸型发酵。 如图是对丁酸型发酵 菌群产气能力和产氢 能力的测试结果。实 验结果表明,在实验条 件下,丁酸型发酵菌群 的产气能力和产氢能 力要比乙醇型发酵菌 群低,平均为2.19 mol/kg vss· d,最高产 气能力为2.74 mol/kg vss· d。而产氢能力平 均为0.57mol/kg vss· d,最高产氢能力 达到0.77mol/kg vss· d。 ? 丙酸型发酵菌群的产氢能力 ? 本实验中,丙酸型发酵菌群发生并达到稳定的pH值在4.8~5.2之间,稳定 运行期的测试结果下图所示。 如图是对丙酸型 发酵菌群在稳定 运行期的液相末 端发酵产物分析 情况。 从图中可以看出, 液相末端发酵产 物中以丙酸和乙 酸为主,占总量的 88%以上,其中丙 酸含量平均达到 61.44%,是典型的 丙酸型发酵。 如图是对丙酸型发酵 菌群产气能力和产氢 能力的测试结果。 实验结果表明,在实验 条件下,丙酸型发酵菌 群的产气能力很低,平 均仅为358.42 mmol/kgvss· d,最高产 气能力为597.2l mmol/kgvss· d。而产 氢能力平均为21.95 mmol/kgvss· d,最高产 氢能力只有31.65 mmol/kgvss· d。 不同发酵菌产氢能力的比较: 结论 ? 就最大产氢速率而言 , 乙醇型发酵菌群的产氢能 力是丁酸型发酵菌群的 5.2 倍 , 是丙酸型发酵菌群的 131.6倍。可见,有机废水的乙醇型发酵是发酵法生物 制氢最适宜的一种产氢发酵类型。 谢谢观看 相关问题: 1 2 3 目前氢气的主要应用方式(3种) 厌氧发酵产氢的发酵类型(3种) 不同发酵类型产氢能力比较的结果

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