菌源处理方式对发酵产氢微生物菌群及产氢性能的影响

菌源预处理方式是影响和制约发酵生物制氢效率的关键因素之一。本文以牛粪堆肥为产氢菌源,在20 L连续流搅拌槽式反应器(CSTR)反应器中,考察了红外烘干、浸泡、红外烘干结合曝气、红外烘干结合加糖曝气四种菌源预处理方式对发酵产氢微生物菌落及产氢性能的影响。结果表明,在T为36±1℃、pH为5.0±0.1、C：N：P=500：5：1、底物浓度为10 g/L、HRT为11 h的条件下,牛粪堆肥经红外烘干处理4 h后进一步加糖曝气3天,获得最大产气速率和最大氢浓度分别为0.5089 L H₂·L·h) ^-1和55.5%。通过PCR-DGGE指纹图谱分析对不同菌源预处理条件下发酵产氢系统中微生物群落结构的变化信息进行了比较分析。产氢验证实验表明：在最佳产氢条件下,以红外烘干结合加糖曝气预处理的牛粪堆肥为产氢菌源,以蔗糖为底物,得到的最大氢产量、氢浓度、产氢速率分别为：387.6 ml H2/g-sucrose、55.5%和0.5089 L H₂·L·h) ^-1.液相末端发酵产物中丁酸和乙酸占VFAs总量的75%以上。     

生物发酵制氢菌种富集优化与产氢的关联研究

本实验在不同溶液介质中用加热、曝气及二者联合并用的方法处理牛粪,富集厌氧发酵产氢菌。以4.4 g蔗糖为底物,用不同方法富集的产氢菌进行厌氧发酵制氢,考察不同方法处理过的菌源的累积产氢量。结果表明在0.25%NaOH溶液中加热处理牛粪的效果最好,再与曝气联合富集优化,能进一步提高产氢量,累积产氢量为1345.5 mL,是直接曝气富集菌源产氢量的2.0倍,直接在水溶液加热处理过的1.8倍。而且经过碱加热处理过的菌源,最佳曝气时间缩短至30 min,为直接曝气时间的1/4,最佳发酵初始pH值为6.0~7.0。     

产酸相发酵类型的制氢转化规律及比较

以葡萄糖为唯一碳源,通过调节进水基质碱度提高反应器内部pH值,使生物制氢反应器内的发酵类型发生连续转化,重点考察了发酵菌群从乙醇型发酵演替为丁酸型发酵的转化规律,并对液相末端产物、产氢速率、氧化还原电位(ORP)以及生物量的变化进行了比较分析。在进水有机负荷恒定的情况下,乙醇型发酵经15d转化为丁酸型发酵,转化顺序为乙醇型-丙酸型-混合酸型-丁酸型。乙醇型发酵在稳定运行的情况下比产氢速率平均为22mol·kg~(-1)·d~(-1),明显高于丁酸型的12mol·kg~(-1)·d~(-1),丙酸型和混合酸型比产氢速率较低,但酸化率高于乙醇型和丁酸型,酸化率在混合酸发酵时达到最高,为85．6%。从投碱量上看,丁酸型发酵对碱的需求量(NaOH)为乙醇型的7．5倍。反应体系pH和ORP呈现负相关性,由最初的4．2、-476mV转为6．8、-562mV。     

高浓度有机废水发酵法制取氢气技术

利用两相厌氧高浓度有机废水处理的产酸相制取氢气技术引起世界的普遍关注。介绍了厌氧发酵生物制氢系统的产氢机理、工艺流程与设计、工程控制参数等许多技术问题。认为发酵产氢微生物有丁酸型发酵、乙醇型发酵和甲酸裂解等3种产氢代谢途径。工艺设计以活性污泥的混合培养为主要形式,也发展了细菌的纯培养或辅之细胞固定化工艺。目前已经分离出肠杆菌属(Enterobacter)、梭状芽孢杆菌属(Clostridium)、柠檬酸菌属(Citrobacter)和新型乙醇型发酵产氢细菌等菌属的发酵产氢细菌,这些菌种除了可以纯培养制氢外,还可以进行投入反应系统进行生物强化和细胞固定化技术应用。乙醇型发酵生物制氢理论(双碳发酵产氢学说或理论)指导下发酵法混合培养生物制氢工艺已分别进行了小试和中试,并将进入生产示范工程阶段。     

基于Actinomyces ruminicola的微生态制剂对瘤胃发酵的影响

目的探讨基于Actinomyces ruminicola的微生态制剂对瘤胃发酵的影响。方法将分离得到的能生成挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)的瘤胃厌氧菌Actinomyces ruminicola(命名为NY2,以下简写为Ar)与痤疮丙酸杆菌(以下简写为Pa)按3种比例混合制成微生态制剂(M1:Ar∶Pa=2∶3;M2:Ar∶Pa=1∶1;M3:Ar∶Pa=3∶2),进行羊体内发酵试验,分别于饲喂后0、2、4、6、8、10、12和24 h无菌采集各组羊的瘤胃液,用精密p H检测仪测定瘤胃液的酸碱度;Waters2695液相色谱仪测定瘤胃液中VFA(主要是乙酸、丙酸和丁酸)的含量。结果各组瘤胃液的p H值均呈先下降后升高的趋势;M2组瘤胃液的p H值与M1和M3组差异有统计学意义(P均0.05)。当微生态制剂中Ar∶Pa=1∶1,饲喂4~6 h后,瘤胃液中乙酸、丙酸、丁酸和总VFA的浓度均达最高,分别为(82.49±2.51)、(35.12±1.69)、(22.92±1.02)和(139.81±5.61)mmol/L,该比例的微生态制剂可保持瘤胃内容物p H在6.0~7.0之间波动。结论本实验制备的微生态制剂有利于瘤胃微生物发酵,能促进乙酸、丙酸等VFA的生成,为今后该瘤胃微生态制剂的应用奠定了基础。     

不同厌氧发酵工艺对煤制氢的影响

以沙曲矿焦煤为发酵底物,以同矿区矿井水中的菌种及实验室保存的白腐菌为投加菌种,研究在35℃,初始pH为6.5,无光照和厌氧条件下不同发酵工艺对煤发酵制氢的影响.结果表明,在所设条件下,H2的体积分数最高可达73.7%,产率可达23.56mL/g;未添加白腐菌液样品的H2产率是添加了白腐菌液样品的1.5～6倍;其他条件相同,提前4d富集矿井水中的发酵产氢菌可以将H2产量从0.44mL提高到466.34mL;在富集矿井水中发酵产氢菌时添加EDTA二钠要比富集完之后再补加的H2产率高2～10倍.可见煤通过微生物作用完全可以制取更加洁净的能源——氢.     

煤制生物氢放大模拟实验研究

在5L厌氧发酵罐内,控制温度为30℃,pH值为6.5,进行为期10d的厌氧发酵产氢实验,对实验过程中液相的pH值、VFA(挥发性脂肪酸)摩尔浓度和COD值进行实时监控分析,并进行纤维素酶活性和氢化酶活性的检测.结果表明,氢气最大体积分数可达到52.3%,氢气最终产率为13.7mL/g.pH值一直下降,最低降至5.46;VFA摩尔浓度基本呈上升趋势,与pH值变化相对应,发酵类型属于丁酸型发酵.COD值呈现先上升后下降的趋势,最高值为4 368mg/L,且最终COD降解率为51.10%.纤维素酶活性在反应第4天出现最高值0.016 9mg/(mL·h),氢化酶活性最高值出现在反应第6天,为0.568mmol H_2/(min·mg).     

嗜烃乳化菌SL-1与内源菌协同驱油的菌群作用关系研究

为了探究稠油开采过程内-外源菌的协同驱油机理,以嗜烃乳化菌Geobacillus stearothermophilus SL-1作为外源菌,考察了该菌与内源菌群的协同降黏、降烃性能。通过16S rDNA扩增子测序,探讨了内-外源菌的协同作用关系。研究结果表明,添加菌株SL-1后,稠油中的长链烷烃被显著降解,原油黏度降低约79.5%。菌群结构分析表明,菌株SL-1的加入有效激活了烃降解菌、产氢菌等采油功能菌,产气量及甲烷含量升高,同时增强了菌群结构的稳定性,进而有利于采油功能菌代谢性能的发挥。物种相关性分析表明,菌株SL-1与Pseudothermotoga、Coprothermobacter、Gelria等产氢菌呈正相关性,这些物种间的相互协同可推动烃降解及产甲烷等进程,进而有利于提高稠油的采收率。本研究为菌株SL-1在稠油开采中的现场应用提供了理论支撑。     

嗜烃乳化菌SL-1与内源菌协同驱油的菌群作用关系研究

为了探究稠油开采过程内-外源菌的协同驱油机理,以嗜烃乳化菌Geobacillus stearothermophilus SL-1作为外源菌,考察了该菌与内源菌群的协同降黏、降烃性能。通过16S rDNA扩增子测序,探讨了内-外源菌的协同作用关系。研究结果表明,添加菌株SL-1后,稠油中的长链烷烃被显著降解,原油黏度降低约79.5%。菌群结构分析表明,菌株SL-1的加入有效激活了烃降解菌、产氢菌等采油功能菌,产气量及甲烷含量升高,同时增强了菌群结构的稳定性,进而有利于采油功能菌代谢性能的发挥。物种相关性分析表明,菌株SL-1与Pseudothermotoga、Coprothermobacter、Gelria等产氢菌呈正相关性,这些物种间的相互协同可推动烃降解及产甲烷等进程,进而有利于提高稠油的采收率。本研究为菌株SL-1在稠油开采中的现场应用提供了理论支撑。     

厌氧活性污泥中混合产氢菌群的构建

为了富集产氢菌、去除耗氢菌,用热、酸、碱、三氯甲烷4种方法处理厌氧活性污泥,构建了高效的混合产氢菌群.结果表明,三氯甲烷处理去除耗氢菌的同时不可逆地杀灭了大量产氢菌;而不同程度的热处理、酸处理和碱处理可有效调整菌群结构,富集产氢菌群.经121℃、8 min热处理、pH=4酸处理、pH=10碱处理后,厌氧活性污泥中混合产...     

有机废弃物厌氧共发酵制氢研究进展

化石燃料的消耗和有机废弃物的大量排放带来了严重的环境问题,而利用有机废弃物进行厌氧发酵制氢是可持续且环境友好的。为了克服单一底物厌氧发酵制氢存在的因营养元素不均衡、毒性抑制和微生物种类较少等导致氢气产率较低的局限性,不同类型的底物厌氧共发酵制氢技术得以开发,然而现阶段仍然存在过程机理不清楚和关键工艺参数不明确等问题。本文综述了有机废弃物厌氧共发酵制氢的必要性、优点及主要影响因素,归纳了不同有机废弃物混合比、有机负荷、发酵温度、水力停留时间、初始pH以及固液比、搅拌方式和反应器类型等关键工艺参数特征及其范围,分析比较了不同有机废弃物厌氧共发酵体系的氢气浓度及产率、发酵液pH、氨氮和挥发性脂肪酸及其组成等工艺特性,总结了产氢功能菌群及其产氢特性及不稳定系统特征微生物。随后指出了目前研究存在的一些不足,并对其在底物利用范围及其预处理、过程机理、技术完善及其综合评估等方面的研究与应用前景进行了展望,为有机废弃物厌氧共发酵制氢技术的研发与应用提供依据。     

微生物共利用木糖和葡萄糖生产化学品研究进展

木质纤维素生物质是储量丰富的可再生资源，在能源、化工及医药领域具有广阔的应用前景。木质纤维素各组分因氢键和共价键的存在而结合紧密，需经酸、碱、高温、有机溶剂等预处理后才能高效酶解利用，其水解产物的主要成分为己糖（60%～70%，葡萄糖为主）和戊糖（30%～40%，木糖为主）的混合物。本文主要针对水解液中木糖和葡萄糖的共利用效率相关问题，以基因工程改造微生物利用木糖和葡萄糖共发酵生产醇类、生物油脂、γ-聚谷氨酸及有机酸等生物基化学品为主线，从代谢途径重构、基因水平调控及发酵技术优化等方面综述了近年来的研究进展。最后，从菌株筛选、基因与代谢工程调控、细胞固定化、产物处理及发酵工艺等层面总结了该领域目前的研究特点、技术瓶颈和未来的研究方向与思路。     

有序介孔CuCoZr催化剂的制备及其催化合成气制乙醇及高级醇性能

改性费托合成催化剂(尤其是CuCo催化剂)在合成气制乙醇及高级醇反应中具有高的催化活性和总醇选择性,被认为是潜在的工业催化剂。采用蒸发诱导自组装(EISA)法和共沉淀(CP)法制备了一系列CuCoZr催化剂,考察了制备方法及EISA法制备的催化剂Cu/Co原子比对合成气制乙醇及高级醇性能的影响。采用N₂物理吸附-脱附、小角X射线衍射(XRD)、原位XRD、透射电镜(TEM)、H₂-程序升温还原(TPR)、CO-程序升温脱附(TPD)和原位红外漫反射光谱(DRIFT)对催化剂进行表征,分析了合成气在Cu/Co原子比为3∶1的Cu₃Co₁Zr催化剂表面的反应路径。结果表明,EISA法制备的Cu Co Zr催化剂为有序介孔结构,比表面积随Cu/Co原子比的增加先增大后减小,其中Cu₃Co₁Zr催化剂比表面积和CO吸附量均为最大,分别为143m²/g和0.33mmol/g,催化剂的Cu晶粒尺寸仅为9.1nm。在催化合成气制醇的反应中CO转化率...     

赤泥/木质素共热解制备复合吸附材料及其性能

炼铝工业产生的赤泥废渣以不合理的方式处置,会造成严重的环境污染和资源浪费。赤泥中富含的铁元素以Fe₂O₃的形式存在,不利于铁资源回收,可通过还原方式制取磁性材料用于重金属离子的去除。基于此,本研究采用碳热还原法耦合赤泥与木质素制备一种复合吸附材料。系统探究还原温度、还原时间、还原剂用量对还原效果的影响,并开展铅离子吸附实验。研究表明,通过与烟煤还原赤泥对比得出木质素还原赤泥最佳工艺参数：还原温度625℃、还原时间30min、木质素与赤泥质量比为1∶1;GC对共热解气体产物进行分析得出赤泥的引入能够提高氢气产量;GC-MS对共热解液体产物进行分析得出木质素/赤泥共热解能够提升芳烃类化合物产量;吸附实验得出制备的复合材料能够有效去除水溶液中的铅离子。通过耦合赤泥、木质素残渣两种废弃物制备复合吸附材料,能够响应国家环保政策,具备潜在的经济、能源、环境效益。     

工业废弃合成气厌氧发酵产己醇研究进展

己醇作为高附加值中链醇,其生物合成越来越受到研究人员的广泛关注。利用工业废弃合成气制备生物己醇能够降低原料成本,然而,生物己醇的低产率严重限制了其广泛应用。本文基于生物己醇发酵的新近报道,首次对合成气发酵制备生物己醇的研究进展进行了分析与综述。文中指出目前能够直接利用合成气合成生物己醇的菌株仅有Clostridium carboxidivorans一例,但其更倾向合成乙酸、乙醇、丁酸和丁醇等,其最高己醇产量仅为1.06g/L。己醇发酵性能受合成气组分、抑制物浓度、气液传质效率、温度和pH等影响,优化并调控关键环境因子有利于提高己醇产量。采用混菌发酵是生物己醇合成的另一种可替代途径,其关键三步反应为：①合成气向乙酸乙醇转化;②乙酸乙醇链延伸向己酸转化;③己酸还原为己醇,相关菌株包括C. ljungdahlii、A. bacchi和C. kluyveri等,然而混合发酵的经济性能有待进一步研究。文中指出未来生物己醇的研究将重点解决己醇产量低的“瓶颈”问题,通过合成生物学或基因工程手段改造并获得高产己醇菌未来可期。     

厌氧水解的新解读：快速水解和慢速水解

挥发性脂肪酸（VFA）具有可生化性好、附加价值高等优点而得到广泛应用,厌氧消化产VFA是目前学术界的研究热点,但对有机物经过水解后的生物降解性能则少有论及,厌氧发酵过程中的水解产物存在“数量”和“质量”之间的权衡问题。为了进一步提高厌氧发酵过程中微生物对有机物的利用效率,突破水解对厌氧消化的限制性作用,从基质碳源释放快慢及厌氧发酵过程中碳源降解性能不同,本文将厌氧水解分为快速水解和慢速水解,分别阐述了两种水解方式的含义、分类以及优缺点,指出细胞内外碳源的释放速率和释放方式的不同是影响厌氧产酸和生物降解性能的决定性因素。最后指出快速水解与慢速水解相结合的分阶段联合处理方式,是今后厌氧消化产VFA的主要研究方向。     

生物法制造丁二酸研究进展

丁二酸因其C₄分子结构在化工领域的潜在价值,被认为是一种具有广阔应用前景的生物基平台化合物。结合生物基丁二酸的产业现状,综合分析了丁二酸生产菌种及菌株改造、生物过程优化和丁二酸分离纯化这三个方面的研究现状。重点介绍以大肠杆菌、产琥珀酸放线杆菌、解脂耶氏酵母为代表的主要生产菌株及其改造策略;低值生物质利用及控制发酵过程中CO₂ 供给和pH 调节等生物过程优化策略;包括钙盐法、电渗析法、直接分离法等方法在内的丁二酸分离工艺。同时指出未来的研究重点将综合考虑经济性与能耗问题,将菌株与发酵和分离全过程整合,提高丁二酸产量,降低发酵及分离成本,进一步拓展生物基丁二酸市场应用领域。     

In situ carbon dioxide fixation in the process of natural astaxanthin production by a mixed culture of Haematococcus pluvialis and Phaffia rhodozyma

In order to fix CO₂ generated by microbial fermentation, two astaxanthin over-producing microorganisms, the green alga Haematococcus pluvialis and the red yeast Phaffia rhodozyma, were mix-cultivated in the same media. CO₂ from P. rhodozyma fermentation was fixed by H. pluvialis simultaneously in the process of photosynthesis, while O₂ produced by H. pluvialis in photosynthesis stimulated astaxanthin formation in P. rhodozyma. As a result, both concentrations of biomass and astaxanthin increased significantly compared to the pure cultures of the two species. The maximum concentrations of biomass and astaxanthin, 5.70 g/l and 12.95 mg/l, were obtained by the mixed culture. This culture strategy provides a novel way for improving the yield of higher valued bio-product with in situ CO₂ fixation.     

农业生物质与塑料共热解技术进展

共热解技术是将多种原料通过热化学方法转化为清洁能源的重要手段。本文综述了以农业生物质为主要原料与塑料(聚丙烯PP、高密度聚乙烯HDPE、低密度聚乙烯LDPE、聚氯乙烯PVC、聚苯乙烯PS、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET等)共热解技术的发展现状和研究进展。分析农业生物质与塑料共热解的动力学模型以及各组分之间的协同效应,阐述农业生物质与塑料的共热解机理;总结了温度、升温速率、滞留时间、原料混配比等因素对共热解协同作用的影响规律;探究生物质与塑料共热解固、液、气三相产物特性及分布规律,总结共热解技术优势及存在问题,展望未来发展方向,可为生物质与塑料共热解制备高附加值产品提供参考,同时也为农业生物质和农膜处理问题提供新方法、新思路。     

Co-Bi-B三元复合材料的制备及其在NaBH4水解制氢中的应用

通过液相共还原法制备了一种新型Co-Bi-B三元复合催化剂材料,并采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱分析（XPS）等表征手段对材料的结构、形貌和元素分布进行了分析。系统考察了Co-Bi-B不同掺杂摩尔比和不同温度对催化NaBH₄水解制氢速率的影响。结果表明：掺杂Bi得到的三元合金催化剂呈晶体结构,且能够显著减小催化剂的粒径、减轻团聚现象。当化学还原温度为0℃、掺杂摩尔比Bi∶Co=1∶9时,Co-Bi-B三元催化剂展示了最佳的催化性能,并通过阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程计算得到该催化剂的活化能为38.97kJ/mol。