紫花苜蓿酶解光合生物制氢工艺正交优化实验

为了研究紫花苜蓿酶解液作为光合制氢原料时的最佳产氢工艺条件,对产氢影响较为显著的温度、光照强度、初始pH值三种因素设计了三因素三水平L9(33)正交实验,并对实验结果进行直观分析与方差分析,以获取最佳产氢工艺条件。实验结果表明:在所选水平范围内,各因素对能源草产氢的影响主次顺序为温度→光照强度→初始pH值;由方差分析可知,温度和光照强度对能源草光合产氢性能影响为显著;初始pH值为不显著;由各因素水平值的均值可见,能源草光合生物制氢的最佳工艺水平为30℃、pH=7、光照度为3 000 lx。     

基于BBD模型的玉米秸秆光合生物制氢优化实验研究

以产氢量为主要实验指标,基于响应面法BBD模型研究不同影响因素对生物质秸秆酶解光合产氢的影响,考察光合产氢过程中不同影响因素间交互作用的显著性,并对玉米秸秆酶解光合生物制氢工艺进行优化。研究结果表明:p H值、温度和纤维素酶量三因素中,p H值对玉米秸秆酶解光合产氢的影响最大;多因素交互作用中,p H值和温度的交互作用最为显著;采用BBD模型获得的最佳产氢条件为:p H值5.43,温度30.8℃,纤维素酶量70 mg/g,最大产氢量149.39 m L,最大产氢率29.88 m L/g。通过实验对模型进行验证,实际最大产氢量达155.52 m L,产氢率31.11 m L/g,和预测值的误差为4.1%,说明该模型具有较好的拟合性。     

底物质量浓度对玉米秸秆同步糖化生物制氢的影响

利用HAU-M1光合细菌对玉米秸秆同步糖化生物制氢工艺进行实验研究,提出了同步糖化生物制氢工艺中玉米秸秆底物质量浓度与pH值、还原糖质量浓度、氢气体积分数和累积产氢量等因素之间的相关关系,探讨了底物质量浓度对玉米秸秆同步糖化生物制氢工艺的影响规律。实验结果表明:当玉米秸秆底物质量浓度为25g/L时,玉米秸秆同步糖化生物制氢工艺的累积产氢量达到最高,为186mL;当玉米秸秆底物质量浓度为15g/L时,玉米秸秆同步糖化生物制氢工艺的氢气体积分数达到最高,为48%;玉米秸秆同步糖化制氢工艺的产氢高峰期为12~48h,48h后逐渐停止产氢,可为进一步优化和完善以生物质为基质的同步糖化生物制氢工艺理论与技术提供科学参考。     

光合生物制氢过程中系统温度变化实验研究

以高效产氢细菌群为实验用菌种,采用单因子试验方法,主要研究光合菌群在不同条件下生长制氢过程中由于放热所引起系统温度的变化规律。结果表明:在不同的产氢条件下系统温度随着产氢时间的延长均有明显的变化规律,即光合生物制氢过程中系统温度均有不同幅度的升高。初始温度、接种量和光照强度对系统温度变化有显著影响,从其对温度变化影响看,光合制氢过程中选用初始温度30℃、光照强度2000lux、接种量40%较适宜。     

光合生物制氢系统菌种连续培养装置的设计及实验研究

根据光合生物制氢系统连续运行的菌种要求以及光合产氢菌种HAU-M1的生长特性,设计一套针对大中型光合生物制氢系统的光合细菌菌种培养装置,研究该装置对菌种的连续培养和菌种稳定供应的影响因素,优化其初始接种量、水力停留时间等工艺参数并进行连续性培养及运行实验。研究表明:在初始接种量15%,水力停留时间48 h,温度30℃,光照强度2080 Lux,p H值6.8的条件下,菌种培养装置出口培养液浓度可稳定在10%~20%,出口流量维持在约28.96 L/h,可满足光合生物制氢系统对菌种稳定供应的实际需要,验证了光合细菌菌种培养装置应用于光合生物制氢系统连续性运行的技术可行性。     

暗间歇时长对光合生物制氢的影响

通过改变暗间歇时长,考察HAU-M1光合产氢细菌的生长及pH值和底物浓度的变化情况,研究暗间歇时长与光合细菌产氢量及其工艺参数之间的相关关系。实验结果表明:暗间歇时长为0(持续光照)、6、12、18h时,累计产氢量分别为351、380、275和181mL;反应器内的光合细菌浓度最大值分别为0.547、0.632、0.665和0.449g/L;反应残液的p H值分别为5.58、5.17、4.98和4.71。表明适宜的暗间歇时长可促进光合生物制氢反应过程中光合细菌的生长,同时有利于光合生物产氢过程的进行,可为光合生物制氢工艺技术的进一步优化和产业化发展提供科学参考。     

餐厨垃圾与市政污泥协同厌氧制氢影响因素研究

以餐厨垃圾和市政污泥为研究对象,采用协同厌氧制氢工艺研究不同温度、物料配比对厌氧产氢潜力和中间代谢产物变化规律的影响。结果表明,55℃高温发酵时,餐厨垃圾单独厌氧发酵产氢效果最佳,产氢潜力、最大产氢速率分别为342.49 mL、41.48 mL/h,是35℃中温发酵的1.2倍。35℃中温发酵,餐厨垃圾与市政污泥配比为5∶1时氢气含量最高为56.4%。相关性分析表明,pH值与氨氮浓度呈正相关,与还原糖含量、累积产氢量呈显著负相关;还原糖含量与累积产氢量呈正相关,氨氮浓度与累积产氢量呈显著负相关。温度、物料配比和pH值的优化调控对协同厌氧制氢工艺的高效稳定运行具有重要意义。     

生物产酸对木薯酒精废水发酵联产氢气和甲烷的影响

在温度为36.0±0.5℃,初始pH值为4.5,5.5,6.5和7.5条件下进行生物产酸过程,当初始pH值为6.5,获得最大生物产酸率为53.13%,产酸过程进行168 h后再进行厌氧消化过程。用修改的Modified Gompertz模型处理两级厌氧消化与直接厌氧消化的实验数据,获得最大比产气量、最大比产气速率和滞留时间等厌氧消化动力学参数。拟合结果表明,初始pH值为7.5,6.5和5.5实验组的两级厌氧消化比直接厌氧消化的产气效果好,初始pH值为4.5的两级厌氧消化产气效果相对较差。初始pH值6.5的实验组产气效果最优,以单位质量MLVSS计的最大比产氢量和最大比产甲烷量分别为90.63 mL/g和199.33 mL/g。以单位质量MLVSS计的最大比产氢速率和产甲烷速率分别为13.00 mL/(g·h)和1.37 mL/(g·h)。两级厌氧消化比直接厌氧消化处理木薯酒精废水的能源转化率提高了19.01%。     

光照波长对HAU-M1光合菌群产氢影响的研究

以菌体干重、比产氢速率、pH值和葡萄糖浓度等为主要实验指标,研究不同波长光源对HAU-M1光合菌群生长及光发酵产氢的影响,并用产氢动力学对光合菌群产氢进行分析。结果表明:相同光照强度下,相对于连续全光谱,492～622 nm波长光照能促进光合菌群生长及产氢;492～577 nm波长下菌群生长及产氢效果最佳,菌体干重达到0.72 g/L,比产氢速率达到11.16 mL/(g DCW·h),相比对照组提高25%。     

基于人工鱼群算法的生物制氢工艺优化研究

在部分实验获得的样本数据基础上,引入全局寻优人工鱼群优化算法(AFSA),通过AFSA优化神经网络结构,获得影响制氢的最相关因素,建立了光合细菌产氢特性模型;再用AFSA对已确定的主要工艺条件进行优化,寻到了最大产氢量的最佳工艺条件组合。实验证明优化结果具有实际指导意义,为太阳能光合细菌制氢工艺优化探索了一条新途径。     

超微玉米秸秆光合产氢响应面法优化研究

为了优化超微生物质秸秆产氢工艺,提高产氢能力,对影响超微生物质秸秆光合产氢的主要因素进行正交试验研究,获得温度、光照、底物浓度、接种量四因素与产氢量的数学模型,并进行两因素的交互效应分析,发现各因素的边际产量均减小,温度对边际产量的影响最大,温度越大,边际产量越低;在交互作用中,温度、光照的交互作用最大,其次是温度和底物浓度;采用Matlab软件编程计算得出产氢量最高时各因素最优组合为温度33℃,光照强度3500lx,接种量25%,底物浓度55g/L。     

海洋光合菌群利用乙酸产氢的实验研究

通过富集获得产氢海洋光合菌群,该菌群可以有效利用发酵产氢的关键副产物乙酸作为产氢碳源.温度、光照强度、起始pH和乙酸浓度都对该菌群产氢和生长有明显影响.当在30℃、4000lx光照和起始pH=8.0的条件下培养时,此光合菌群产氢量和底物转化效率较高.乙酸浓度对产氢影响巨大,低浓度乙酸的底物转化效率较高,但总产氢量不高;高浓度乙酸的底物转化效率不高,但总产氢量较高.此实验结果为海洋光合细菌与海洋发酵细菌偶联产氢提供科学参考.     

温度和pH值对餐厨垃圾和牛粪混合厌氧发酵的影响

通过序批式厌氧发酵,以产气量、产甲烷量、厌氧发酵过程中pH值以及有机物降解程度为指标,研究了不同温度、不同初始pH值对餐厨垃圾和牛粪混合厌氧发酵的影响。试验结果表明,温度为50℃时,厌氧发酵效果最佳,其单位产气量(以VS计)为722.98 mL/g,甲烷体积分数最高达62.73%.,有机物去除率为67.5%;初始pH值为7时,厌氧发酵效果最佳,其单位产气量(以VS计)为618.23 mL/g,甲烷体积分数最高达62.4%,有机物去除率为66%。     

折流型光纤束生物膜制氢反应器的产氢特性

针对连续流光合细菌生物膜制氢反应器研究中遇到的难以同时实现细胞固定化和保持反应器高透光性的问题,采用使光合细菌生物膜直接附着生长在具有高导光性的弥散光纤表面的方法,构造了新型折流型光纤束生物膜制氢反应器。在以葡萄糖作为有机底物,模拟太阳光光工况的条件下,对该反应器的连续产氢特性进行实验研究。结果表明该反应器具有较高的产氢速率和光能转化效率。当反应器进口底物浓度为11g/L,流速为100mL/h,光照强度为5.10W/m2时,反应器的产氢速率和光能转化效率分别达到0.6mmol/(L.h)和3.64%。本研究成果可为规模化光生物制氢反应器的结构探索提供参考。     

丁酸型产氢细菌WN9利用谷糠发酵的产氢特征

该研究从牡丹江江滨公园的河道底泥样中筛选获得1株丁酸型发酵产氢细菌的新菌株Clostridium butyricum WN9,并分别以葡萄糖和小米内、外壳谷糠为底物进行发酵产氢实验。实验结果表明:以葡萄糖为底物时,最大比产氢率为1.89 mol/mol;以小米内、外壳谷糠为底物时,内壳谷糠更易被利用,最适宜的内、外壳谷糠浓度分别为50,30 g/L,最大比产氢率分别为20.1,12.7 mL/g;低初始pH值条件(pH6.0)有利于提高谷糠转化效率,当内、外壳谷糠浓度均为50 g/L,初始pH值为6.0时,最大比产氢率分别提高至21.5,15.5 mL/g。     

猪粪预处理方法对光合菌群生物产氢的影响

通过实验研究了猪粪的不同预处理方法对光合菌群产氢效果的影响,介绍了采用不同方法预处理的猪粪与高效产氢光合菌群产氢量的相关关系、预处理前后猪粪污水中小分子有机酸含量的变化规律以及猪粪的最佳预处理工艺条件等。指出对养殖厂猪粪污水进行光合产氢的最佳预处理方法为光合细菌黑暗好氧处理4d,最佳工艺条件为温度20～35℃、接种量50%、装料厚度小于4cm,对开发以畜禽粪便为原料的高效光合生物制氢技术和畜禽粪便污水洁净化处理技术具有重要的科学意义和实用参考价值。     

序批式光合制氢反应器中光衰减特性及其对产氢性能的影响

研究了不同入射光波长及光照强度条件下含不同浓度沼泽红假单胞菌CQK-01的序批式光合制氢反应器中的光强衰减特性,同时分析了在光波长为590nm照射下光路长度和光照强度对产氢速率的影响.实验结果表明:在可见光波段范围内,反应器中光衰减系数随光波长的增加而减小,随细菌浓度的增加而增加;反应器中光合细菌在短光路长度、高光照强度下可较快达到最大产氢速率,并获得较大的平均产氢速率.同时在实验结果的基础上,拟合得到光衰减系数与光波长和细菌浓度的实验关联式,并将不同光波长、细菌浓度和入射光强影响下光衰减关联式计算值与实验测量值进行比较,结果表明两者吻合较好.     

维生素B4对秸秆类生物质光发酵产氢的影响

以玉米秸秆类生物质为产氢原料,研究维生素B4对HAU-M1光合细菌生长和产氢过程的影响规律。结果表明,当维生素B4浓度为75 mg/L时,光合细菌生长情况最好,细菌干重最大值为0.934 g/L;维生素B4浓度为100 mg/L时,氢气累积产量达178 mL,比对照组显著提高了43.8%,对光合细菌产氢的促进效果最好;添加维生素B4对HAU-M1光合细菌发酵产氢过程的pH值影响显著,可减弱发酵液酸化,有利于光合细菌发酵产氢。显见,维生素B4对HAU-M1光合细菌生长及秸秆类生物质光合产氢具有明显的促进作用,可为进一步研究开发秸秆类生物质光合细菌发酵产氢工艺技术提供科学参考。     

厌氧高效产氢细菌的筛选及其耐酸性研究

采用厌氧Hungate技术 ,从生物制氢反应器厌氧活性污泥中分离到 18株发酵产氢细菌 ,并从中优选出 1株高效产氢细菌B4 9。通过间歇试验 ,B4 9获得最大比产氢速率QH2 为 2 5 .0mmol/g·h ,单位体积产氢量YH2 为 1813.8mL/L ,氢气含量为 6 4 .15 %。B4 9菌株为乙醇型发酵产氢细菌 ,具有良好的耐酸性 ,在 pH3.3仍能生长。发酵产氢和细菌生长的最适 pH值约为 3.9～ 4 .2。     

生物制氢反应器产氢产乙酸菌群对挥发酸的转化

采用间歇培养的方式,利用取自生物制氢反应器的厌氧活性污泥考察了活性污泥中产氢产乙酸菌群对乙醇、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和乳酸的转化和产氢。结果表明,培养时间为44h时,厌氧活性污泥发酵葡萄糖的累计产气量为356mL,累计产氢量为209mL,氢气含量为58.7%。发酵产物的组成成分乙醇为427.1mg/L、乙酸为716.5mg/L、丙酸为172.5mg/L、丁酸为689.4mg/L、戊酸为123.6mg/L。发酵生物制氢反应器厌氧活性污泥中产氢产乙酸菌群能够对乙醇和乳酸进行产氢产乙酸转化,厌氧污泥转化乙醇形成的乙酸含量约为270mg/L,累计产氢量为15mL;转化乳酸形成的乙酸含量约为190mg/L,累计产氢量为7mL。厌氧污泥不能对乙酸、丙酸、丁酸和戊酸进行产氢产乙酸转化,培养过程中也没有气体生成,分析认为产氢产乙酸菌群对挥发酸的转化不是发酵生物制氢反应器产氢的主要途径。