（工程热物理专业论文）固体有机废弃物发酵产氢特性研究.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 随着环保要求的日益严格和化石能源的日益短缺，氢能作为清洁高效的可再生能源受到 人们的普遍重视。本文针对固体有机废弃物进行了厌氧发酵产氢实验研究，利用t r a c e g c 色谱仪分析发酵过程中产生的气相及液相成分及含量，以研究微生物发酵产氢的特性 本文首先选用西湖底的厌氧活性污泥、产气肠杆菌、污水处理厂的淤泥、沼气池发酵液 以及猪粪等不同菌群对废弃食物马铃薯进行厌氧发酵产氢特性实验研究，得到马铃薯在 各不同菌群及工况下的发酵产氢能力，同时发现产氢菌间的协同作用很重要，在控制好发酵 条件的情况下。产氢菌群发酵通常会好于单一产氢菌的发酵。 其次从不同废弃食物发酵产氢特性研究的角度，采用厌氧活性污泥为接种物，以马铃薯、 青菜和米饭3 种富含不溶解碳水化合物的废弃食物作为培养基料，对其发酵产氢特性进行了 试验研究发现马铃薯，青菜和米饭的发酵降解率分别为4 5 7 、8 9 2 和3 0 5 ，每克己 降解干物质的产氢量分别为：8 2 4d g 1 、6 2 6m l f 1 和3 7 7m l g - 气相样品中均没有a 函 产生，说明将厌氧活性污泥预先煮沸3 0 分钟能有效抑制产甲烷菌同时保持产氢菌的话性 反应过程中控制发酵液p h 值为4 5 左右发酵液相产物中乙醇一直占主导地位，其浓度远 大于其它挥发性脂肪酸的浓度，但是在发酵后期，随着丙酸含量有所增加产氢量逐渐减少 最后采用厌氧活性污泥为接种物，以水葫芦为发酵底物进行产氢实验研究。试验结果分 析表明：h 2 含量在1 0 - 2 0 之间，气相样品中均投有c h 4 产生。在本实验的发酵条件和所 取淤泥发酵产氢时。p h 值为5 5 时的发酵产氢要优于p h 为4 5 时的发酵产氢能力：5 5 ( 2 的 发酵温度要优于3 5 c 的发酵温度；1 ：1 的底物接种物比例发酵要优于3 ：7 的底物接种物比例 发酵。在发酵底物经水解酶预处理，底物与接种物比例为l ：l ，发酵温度为5 5 ( 2 、初始p h 值为5 5 的条件下获得最大产氢量，实验得到每克己降解干物质的最大产氢量为1 2 2 3m l g 一 液相色谱分析表明：各底物的发酵液产物中富含乙醇，乙酸、丙酸和丁酸等挥发性有机酸， 且含量以乙酸居多，没有发现戊酸的生成 关键词：发酵，产氢，微生物，固体有机废弃物，水葫芦，碳水化合物 浙江大学硕士论文摘要 a b s t r a c t b i o g a si 。ap o t e n t i a la l t e r n a t i v ef u e lt h a ti sr e n e w a b l ei nn a t u x ca n dt h e r e b yd o e sn o t n m b u t e t o t h e n e t a t m o s p h e r i cc o n c e n t r a t i o n o f t h e g r e e n h o u s e g a s i t i sa c o l o r l e s s c o m b e s u b l e g a sp r o d u c e d b yt h ef e r m e n t a t i o no fb i o m a s sa n do t h e rw a s 懈t h r e et i n se x p e r i m c n ( sh a v eb e e n s t u d i e da i m i n ga tt h es o l i do r g a n i cw a s t eh y d r o g e nf e r m e n t a t i o n t oi n v e s t i g a t et h em e c h a n i s m so f b i o h y d r o g e np r o d u c t i o nb ya n e r o b i cf e r m e n t a t i o no fs o l i do r g a n i cw a s t e ，g a sc h r o m a t o g r a p h yi s u s e dt oa n a l y s i st h eb i o g a sa n dv o l a t i l ef a t r ya c i di na n a e r o b i cb i o - r e a c t o r f i r s t l y , t h ea b i l i t yo fh y d r o g e np r o d u e = t i o nb yd i g e s t e ds l u d g ef r o mt h ew e s tl a l c c e n t c o b a c t e ra e r o g e n c e s 。d i g e s t e ds l u d g ef r o ms e w a g ef a r m , t h ef l u i do fm e t h a n ep o o la n dd c j e c 诅 ( p i g ) h a v eb e e ns t u d i e d 1 kr u l eo ft h ea b i l i t yo fh y d r o g e np r o d u c t i o nb yd i f f e r e n tb a c t e r i au n d e r d i f f e r e n tc o n t r o lc o n d i t i o n s i m u l t a n e i t y , t h ei r a p o r t a n c eo ft h es y n e r g i s t i cd f f e c to f fh y d r o g e n p r o d u c t i o nh a sb e e np r o v e d u n d e r t h es a g i ts u i t e dc o n t r o lc o n d i t i o n , t h eh y d r o g p r o d u e t i o no f t h em i x e dc u d c ri sh i g h e rt h a nt h es i n g l eo n e s e c o n d l y t h eb i o h y d r o g e np r n d u e t i o nf r o md 啾f o o dw a s t e sm a i n l yc o m p o s e do f u n d i s s o l v e dc a r b o h y d r a t e sb ya n a e r o b i cf e n m m a t i o no fd i g e s t e ds l u d g ei ss t u d i e d i ti sf o u n db y e x p e n r n e m st h a tt h ed e g r a d a t i o nr a t e so fp o t a t o , f n 暑卵o c f ya n dr i c ei nt h ef e r m e n t a t i o n 批 r e s p e c t i v e l y4 5 7 8 9 2 a n d3 0 5 1 1 b i o h y d r o g e ny i e l do fp e rg r a mo f 血把dp o t a t o , g r e e n g r o c e r ya n dr i c ea r er e s p e c t i v e l y8 2 4m l g - 1 6 2 6m i 。g a n d3 7 7m l g - 。n om e t h a n ei s d e u 蚍di nt h eb i o g a s ，b e c a u s et h em e t h a n e - p r n d u e i n ga c t i v i t yi sr e s t r a i n e da n dt h e h y d r o g e n - p r n d u c i n ga c t i v i t yi ss i m u l t a n e o u s l yk e p tw h e nt h ed i g e s t e ds l u d g ei sp r e h e a t e di nt h e b o i f i n gw a t e rf o r3 0m i n e t h a n o lc o u c e n 帆t i o ui sm u c ht 虹g h e rt h a no t h e rv o l a u l ef a t t ya c i 出i n t h ef e r r m n m t i o ns o l u t i o nw h e nt h ep hv a l u ei sc o n t r o l l e da r o u n d4 5 n tb i o h y d r o g e np r o d u c t i o n r a t ef i r s t l yi n c r e a s e st oap e a ka n dt h e nd e c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s eo fp r o p i o m ca c n lc o n c e n t r a t i o n i nt h ef e r m e n t a t i o ns o l u t i o n f i n a l l y , t h ee x t r a c u o uo fh y d r o g e nf r o m t h ef e r m e n t a t i o no fe i c h h o r n i ac r a s s i p e sb yd i g e s t e d s l u d g ei sd c m o n s t r a t e d n 坼r e s u i t ss h o wt h a t ：n 坼c o u t e n t so fh 2a n dc 0 2a r c1 0 - 2 0 ， 7 5 - 9 0 a n dn oc h r e s p e c t i v e l y e t h a n o l 。a c e t a t e ，p r o p i o n e t ea n db u t y r a t ea x ed e t e c t e d , a n dt h e t r a c eo fv a l e d a n a t ei sn o tf o u n di nt h ef i q u i do ff e r m e n t a t i o n a s s o c i a t e dw i t ht h eh y d r o g e n p r o d u c t i o np o t e n u a l t h ep hv a l u eo f5 5i sh e r e rt h a nt h a to f 4 5 t h ef e r t n e n t a t i o nt e m p e r a t u r eo f 5 5 i sb e t t e rt h a nt h a to f3 5 a n dt h ef o o d - t o - n a c r o o r g a n i s mr a t i oo fl ：l i sb e t t e rt h a nt h a to f 3 ：7 mh i g hh y d r o g e np r o d u c t i o np o t e n t i a lo f1 2 2 3m l g - 1o c c u r r e dw h e nt h ep hv a l u eo f f e r m c n ( a t i o nl i q u i di s5 5 t h ef e r m e n t a t i o nt e 删t x l r ei s5 5 a n dt h ef o u d - t o - n c r o o r g a n i s m r a t i oi sl ：1 k e yw o r d s ：f e r n * n t a t i o n , h y d r o g e np r o d u c t i o n , b a c t e r i u m , s o l i dm 苫l i c _ a s i e e k h h o r n i a , c a r b o h y d r a t e 学号望和鲫肛 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝堑太堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：射爿扯签字日期：猡g 年5 月7 日 学位论文版权使用授权书 , 9 6 1 l 沦文作者完全了解浙堑太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝堑太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 榭菇卜 导师签名： f 签字f | 期：力彤年5 月7 目 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 签字日期：抄以年3 月7 日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一毒绪论 i 绪论 1 1 研究意义 能源是人类赖以生存的物质基础，它与社会经济的发展和人类的生活息息相关，开发和 利用能源资源始终贯穿于社会文明发展的整个过程能源不仅是人民生活的必需品，也是现 代工业的重要支柱，为国民经济发展提供动力能源的人均占有量、能源构成、能源使用效 率和对环境的影响等，是衡量一个国家现代化程度的重要标准之一，因此世界各国都把能源 的开发和利用作为发展经济的前提从能源构成情况来看，包括我国在内的世界绝大多数国 家都把石油和煤炭等矿物性燃料作为基本能源，把发展石油和煤炭工业作为能源开发和利用 的基础”j 诚然。石油和煤炭具有含能量高，易于规模化开发和利用等多方面的优点，但它们是不 可再生的一次性能源。而且由于大规模开发和广泛应用，已经严重影响了人类生存环境的质 量，破坏了生态平衡 1 1 1 氢能意义 化石燃料资源的日趋匮乏以及化石燃料的使用对环境产生的巨大危害要求人类加速研 发洁净、高效、可再生的能源，改善能源结构，实现可持续发展由于氢气具有很高的能量 密度，燃烧产物是水，并且没有污染性，放是一种理想的清洁能源 发达国家在加世纪7 0 年代起就已将氢能的开发利用列为战略技术研究领域各国对该 资源的开发及应用进行了研究并取得了许多成果o 日本和德国已研制出以氢气为燃料动力 的新型汽车日本能源部制定了建立世界型能源网络的氢行动计划“我国属缺油少气的国 家，石油进口量增长较快，从环境与国家能源安全角度考虑，开发新的能源以保障可持续发 展已迫在眉捷，并于1 9 9 9 年制定了针对氢能开发与利用研究的国家级。9 7 3 ”研究项目 现在氢气的制取主要有两种方法：利用化石燃料制取氢气的化石燃料法和利用可再生能 源制取氢气的方法化石燃料法消耗石油、煤、天然气等不可再生能源，并且在生产过程中 捧放出有害物质，污染环境。利用可再生能源制氢的方法主要有四种：( 1 ) 电解法；( 2 ) 热 化学法：( 3 ) 辐射分解法；( 4 ) 微生物法蝴电解法由于耗电量大得惊人，因此只有可能在 电价便宜的地区应用热化学法虽然经过了4 0 多年的研究，发现了许多反应循环，但是至 今还缺乏详细的热力学计算及存在反应循环效率低费用高一系列问题嘲而微生物制氢是一 项利用微生物的生理代谢作用分解有机物从而产生氧气的生物工程技术，它是一种符合可持 续发展战略的可再生能源发展生物质的微生物制氢对我国能源结构调整和可持续发展具有 非常迫切和重要的意义，对于解决未来能源的可持续发展问题也具有十分重要的普遍意义 睁升。 1 1 2 固体废弃物的危害 许多城市都会产生大量的工业和生活垃圾，造成严重的环境污染据1 9 9 9 年统计，我 国造纸业、纺织业、食品、饮料和烟草业产生的固体废弃物历年累计堆积量己达到6 5 4 万吨， 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 占地面积1 4 2 万多平方米，年产量达到8 0 万吨左右2 0 0 0 年我国有近7 0 0 个城市的生活垃 圾历年堆存量达到6 0 多亿吨，占地面积5 亿多平方米，垃圾年产量达到i 5 亿吨左右，并 且每年以8 - 1 0 的速率增长。目前全国已有2 0 0 多座城市陷入了垃圾包围城市的严重局面， 如何对固体废弃物进行减量化、无害化和资源化利用成为我国经济社会可持续发展的迫切需 求我国一般城市生活垃圾中厨余等有机成分占3 0 - 5 5 ，水分占4 0 - 6 0 。灰土占1 0 - 5 0 ， 热值普遍低于4 0 0 0 k j k g 1 近年来随着经济发展，其构成在总体上呈现出含水率降低而纸类、 织物、木材和塑料等有机成分增加的特点目前许多城市实现了垃圾分拣回收，许多粮食， 蔬菜、肉类加工厂及销售市场等每天都会对大量废弃食物进行规模化收集处理，而各类宾馆、 饭店、食堂以及居民楼等一般也都有专门的厨余垃圾收集箱，将这些可降解的有机废弃物集 中处理，无疑为其大规模资源化利用刨造了有利条件。传统的城市垃圾填埋场可以在微生物 作用下产生大量沼气，活跃的填埋场产生的沼气中9 0 以上为甲烷和c 0 2 ，但是甲烷用于 燃烧时仍会产生温室气体c 0 2 ，造成一定的大气污染 1 2 国内外研究现状 国内外许多学者关于发酵法制氢的研究范围主要局限于反应机理相对简单的富含可溶 碳水化合物( 尤其是葡萄稽) 的有机废水，对于固体有机废弃物的发酵制氢问题很少研究 如我国哈尔滨工业大学任南琪教授是利用塘厂有机废水以厌氧活性污泥为接种体进行发酵 产氢，在发酵产氧代谢类型、高效产氢菌株及其生理生态学、连续流废水制氢设备等方面取 得了许多卓有成效的研究成果，1 9 9 9 年率先在国际上完成中试研究，最高稳定产氢速度达 到5 t m 3 ( m 3 反应器d ) 伊埘 目前国外对城市固体有机废弃物发酵制氢的研究刚刚起步1 1 5 - 1 6 ，少数学者曾对城市固 体有机废弃物发酵产氢的可行性进行了韧步研究，日本东北大学l a y 等”曾将餐厅剩菜与 粪便污泥和污水处理厂的污泥混合配成培养基料，利用两种菌株( 预热处理的话性污泥和制 氢菌) 在3 7 1 2 下进行发酵制氢，发现在这两种产氢菌作用下固体有机废弃物的产氢潜力分别 高达 4 0m l g t v s 和l $ o m l g t v s 1 b ；本的o k a m o t o 等n 6 i 对米饭、卷心菜，胡萝h 、鸡蛋， 瘦肉、脂肪和鸡皮进行发酵产氢试验，结果为胡萝h 是4 4 9 - 7 0 7 m l g v s ，卷心菜为2 6 3 - 6 1 7 i i l l g v f ，米饭为1 9 3 9 6 0m l g v s 一，其余各种产氢比较少胡萝h ，卷心菜和米饭发酵产 气中氢气含量分别为2 7 7 4 6 8 ，3 3 9 - 5 5 1 和4 4 0 - 4 5 6 而国内尚未见到相关的文献报道 云南师范大学的张无敌，卢怡等1 1 7 - i $ 1 研究了农村固体废弃物如猪粪、稻草和秸秆的发酵产 氢的潜力结果发现这些固体废弃物发酵产氢的能源转化率仅为发酵产甲烷的4 0 左右，经 济性不够高，而且研究中也未涉及种类繁多、成分复杂且含有一定杂质的城市固体有机废弃 物的发酵制氢问题 生物产氢的研究虽然在机理及实用系统的开发方面有很大的进展，但基本上仍处于开发 阶段上而国内外目前对城市固体有机废弃物发酵制氢的研究刚刚起步，很多问题尚有待深 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 入研究，特别是关于各种不同固体底料的产氢能力、高效产氢菌株的筛选、高效产氢反应器 的设计、产氢代谢机理的研究以及如何克服目前生物质发酵产氢中存在的三大难点：能源 转化率太低，农村固体有机废弃物的发酵产氢研究发现其能源转化率仅为发酵产甲烷的4 0 左右；有机酸累积问题，据文献报道，美国城市生活垃圾发酵过程中有机脂肪酸累积到 1 3 0 0 0 - 2 ( x x ) ( h n g l 1 时酸化反应就会停止，而此时固体物料的气化率尚不到4 ，所以如何解 决有机酸问题是提高能源转化率的一个关键问题；如何抑制产甲烷菌同时激活产氢菌 1 3 微生物产氢的代谢机理 1 3 1 生物制氢方法 生物制氢有3 种方法：( 1 ) 光合生物产氢；( 2 ) 发酵细菌产氢；( 3 ) 光合生物与发酵 细菌的混合培养产氢 1 3 1 1 光合生物产氢 能够产氢的光合生物包括光合细菌和藻类目前研究较多的产氢光合细菌主要有深红红 螺菌、红假单胞菌、液胞外硫红螺菌、类球红细菌、夹膜红假单胞菌等光合细菌属于原核 生物，催化光合细菌产氢的酶主要是固氮酶光合细菌只含有光合系统p s i ，一般认为光合 细茁产氯的机制是光子被捕获到光合作用单位后，其能量被送到光合反应中心，进行电荷分 离，产生高能电子，并造成质子梯度，从而合成a t p - 产生的高能电子从f d 通过f d - - n a d p * 还原酶传至n i u p 形成n d 硎。固氮酶利用a t p 和n a d p h 进行h + 还原，生成心失去电子的 光合反应中心必须得到电子以回到基态，继续进行光合作用光合细菌以还原型硫化物或有 机物作为电子供体，并且在光合成过程中不产生如一般而言，光台细菌产氢需要充足的光 照和严格的厌氧条件 许多藻类( 如绿藻，红藻，褐藻等) 能进行氢代谢，目前研究较多的主要是绿藻这些藻 类属真核生物，含光合系统p s i 和p s i i ，不含固氮酶，代谢全部由氧酶调节放氢反应可 由两条途径进行一条途径是葡萄糖等底物经分解代谢产生还原剂作为电子供体，电子传递 途径是：电子供体一p s i f d 一氢酶，同时伴随着c 如放出；另一条是生物光解水产| k ，电子 传递途径是：h 2 0 p s i i p s i f d 一氢酶一心，同时伴随着0 2 的生成。生物光水解产氢牵涉 到太阳能转化系统的利用，其原料水和太阳能来源十分丰富且价格低廉，是一种理想的制氢 方法但是，水分解产生的如会抑制氢酶的活性，并促进吸氢反应，这是生物光解水制氢中 必须解决的问题 1 3 1 2 发酵细菌产氢 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、丈肠 埃希式杆菌、产气肠杆菌、褐球固氮菌、白色瘤胃球菌、根瘪菌等与光合细菌一样，发酵 型细菌也能够利用多种底物在固氮酶或氢酶的作用下将底物分解制取氢气，这些底物包括： 甲酸、乳酸、丙酮酸及各种短链脂肪酸，葡萄糖、淀粉、纤维索二糖，硫化物等一般认为 3 浙江大学硕士学位论文第一蕈绪论 发酵细菌的发酵类型是丁酸型和丙酸型，如葡萄塘经丙酮丁醇梭苗( c l o s t r i d i u u a c e t o b u t y i c u ) 和丁酸梭菌( c l o s t r i d i u mb u t y l i c m ) 进行的丁酸一丙酮发酵，可伴随生成 产甲烷菌也可被用来制氢这类菌在利用有机物产甲烷的过程中，首先生成中间物比， c 如和乙酸，最终被产甲烷菌利用生成甲烷有些产甲烷菌可利用这一反应的逆反应在氢酶 的催化下生成l k d a v i dl 等利用产甲烷菌m e t h a o t h e r m o b a c t e rm a r b u r g e n s i s 、 m e t h a n o s a e t nt h e r m o p h i l a ，m e t h a n o s a r c i n ab a r k e r i 和| l e t h a n o s a e t ac o n c i l i i 在代谢 过程中产生大量的还原力在低的比分压下制得了大量 1 2 0 1 3 1 3 光合生物与发酵细菌的混合培养产氢 光合生物与发酵型细菌可利用的底物在工业有机废水和城市垃圾中大量存在，因此，生 物制氢技术的发展对废物的利用以及环境建设都会有很大的促进作用由于不同菌体利用底 物的高度特异性，其所能分解的底物成分是不同的要实现底物的彻底分解处理并制取大量 如，应考虑不同菌种的共同培养” 与光合法生物制氯技术相比，发酵法生物制氢技术在许多方面表现出更多的优越性：( 1 ) 目前的研究表明，发酵产氢菌种的产氢能力要高于光合产氢菌种，而目发酵产氢细菌的生长 速率一般比光合产氢生物要快；( 2 ) 发酵法生物制氢无需光源。不但可以实现持续稳定产氢， 而且反应装置的设计、操作及管理简单方便：( 3 ) 制氢设备的反应容积可达到足够大，从而 可以从规模上提高单台设备的产氢量；( 4 ) 可生物降解的工农业有机废料都可能成为发酵法 生物制氢生产的原料，来源广且成本低廉；( 5 ) 兼性的发酵产氢细菌更易于保存和运输所 以，发酵法生物制氢技术较光合法生物制氢技术更容易实现规模化的工业性生产嘲 1 3 2 产氢细菌的种类及产氢机理【2 1 1 l j 五l 厌氧菌 迄今用于生物产氢研究的厌氧菌已有不少，它们的生理特征及其产氢机制大致可以分成 以下5 种类型： ( i ) 援菌( c l o s t r i d i a )专性厌氧的梭菌缺乏参与氧化磷酸化的细胞色素系统，只能 通过基质水平磷酸化产生a t p 葡萄糖通过糖酵解途径形成丙酮酸同时产生a t p 和n a d h 在丙酮酸铁氧还原酶和氧酶( h y d r o g e n a s e 。简称h d ) 的作用下丙酮酸产生乙酰辅酶 c 如、 和氧气n a d h 可通过磷酸丁酸酶和丁酸激酶催化乙酰辅酶a 生成丁酸，并产生 t p 乙酰辅 酶a 也通过乙酰激酶催化产生a t p 而n a d h 也可以在铁氧还蛋白一氧化还原酶、铁氧还蛋白 和h o 的作用下被氧化产生氢气反应式如下： g l u c o s e 一2 比+ b u t y r a t e + 2 c 如 1 1 1 ) g 1 u c o s e + 2 h 2 0 4 h 2 + 2 a c e t a t e + 2 c 如 ( 卜2 ) 发酵过程中产生的丁酸和乙酸的比例决定了从葡萄糖发酵产 k 的量。早在6 0 年代初 m a g n a 公司就以c b u t y r i c u i n 和c w e l c h i i 用i o l 发酵罐生产出了 1 2 r o h r b a c k 等1 试图 通过固定在琼脂中的c b u t y r i c u m 细胞以酒厂的废水为原料生产的如审5 造成燃料电池该 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 电池反应持续了2 0 d 并产生了1 5 m a 的电流 ( 2 ) 甲基营养型细菌( m e t h yl o t r o p h s )1 9 7 9 年e g o r o v 等田首先从一种甲基营养型 细菌中分离了n a d 依赖型甲酸脱氢酶( f o r m a t ed e h y d r o g e n a s e - 简称p d h ) ，并揭示了可以用 这个系统从甲烷产生n a d h 或该系统是由n a d 依赖型f d h 和帅参与催化的。它们在这个 菌株中是组成型表达的可溶性酶。 ( 3 ) 产甲烷细菌( m e t h a n o g e n i cb a c t e r i a ) z e h n d e r 等阱分离了一株产甲烷细菌，它 能降解甲酸形成c 侥和这个菌株的基本特征是能够在以乙酸为有机基质的矿物盐培养基 上生长。 ( 4 ) 瘤胃细菌( r u m e nb a c t e r i a )白色瘤胃球菌( r n - i n o c o c c u sa l b u s ) 是一种能够水 解纤维紊的厌氧瘤胃细菌它通过分解碳水化含物生成乙酸、乙醇、甲酸、他和c 嘎i n n o t t i 等2 5 1 以葡萄糖为原料连续培养r a l b u s 产生培养过程中。每1 0 0 o l 的葡萄糖生成了6 5 m o l 乙醇、7 4 m o l 乙酸和2 3 7 m o l l t 2 ( 5 ) 古细菌( a r c h a e a )嗜热古细菌中的激烈热球菌( p y r o c o c c u s f u s i o s u s ) 含有种 可溶性的含镍邮，能从碳水化合物和蛋白质生成叱嘲 1 3 工2 薰性厌氯菌 ( 1 ) 大肠杆菌( e s c h e r i c h i a c o l i )s t i c k l a n d 和y u d k i n 于1 9 2 9 年至1 9 3 3 年对b c o l i 将甲酸降解成吃和c 啦做了许多的研究e c o l i 中有一种甲酸氢懈酶( f i l l ) 的催化活性是可诱 导的静止细胞悬浮液将甲酸厌氧分解为等分子的比和c o , 当嘎或甲基蓝存在时。甲酸的分 解不再释放比也对诱导f 眦的形成有抑制作用，但不影响f h l 系统的催化活性。随后发现 f h l 系统是一个包含f d h 和h d 的膜结合多酶体系，这两种酶是通过未知的电子载体连接起来 的。其中与产掩相关的f 聊对电子染料苯基紫( b y ) 有催化活性，这与其它能够还原甲基蓝f m b ) 的f 嗍不同。这种f 蹦( b v ) 催化的不产能的反应受如，n 酽和蛐抑制f 阴( 船) 可以在不产生 i k 的情况下氧化甲酸，这一反应可以与多个厌氧还原酶系统耦联( n d 4 一n 酽和延胡索酸一琥 珀酸) 并产生能量a t p k 1 i b a n o v 等发现e c o l i 中f h l 可以催化可逆反应( h c o o - + t 1 2 0 一一 1 2 + h c o ) 此反应可利用甲酸产心，也可用于催化逆反应。n a n d i 等i m w 定化t 的e c o l i 的f h l 系统，并且用它持续地将甲酸转化为f 2 和c 0 2 ( 2 ) 肠细菌( e n t e r o b a c t e r ) t a n i s h o 等例分离到一株产气肠杆菌 ( e n t e r o b a c t e r a e r o g e s e s ) 。在3 8 4 0 下该茁能够在含葡萄糖、酪蛋白和盐的培养基上 产 1 2 最大产能力是每小时每l 培养基产h 2 0 0 0 8 9 m 0 1 0 0 0 9 3 - 0 1 后来经过优化，达到 在2 3 h 内每小时每l 培养基产 1 2 0 0 2 3 2 m o i 1 3 2 3 好氧菌 ( 1 ) 产碱菌( a l c a l i g e n e s ) 好氧氢细菌能够利用心和c 如作为唯一能源和碳源自养生 长它们含有一种可溶性的能还原n a o 的h 0 这类菌也能异养生长k u h n 等御发现了自养 产碱菌( a l c a l i g e n e s e u t r o p h u s ) 在厌氧条件下利用葡萄糖或果糖异养生长并分解有机物放 。a e u t r o p h u s 含有一种还原n a d 的h d ，它能够在厌氧条件下利用多余的还原力释放 k 有 机底物产生的电子流并不进入呼吸链。k l i b a n o v 等将a e u t r o p h u s 固定化后对可逆反应h c o o t l 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 h ：+ c 如进行了研究当甲酸降解时，高浓度的甲酸抑制产氧虽然固定化细胞具有很高的稳 定性但并未表明固定化细胞可以持续降解甲酸 ( 2 ) 杆菌( b a c i l l u s )从产氢细菌培养基中。k a l i a 等i 期分离出一种产比的地衣芽孢 杆菌( b a c i l l u s l ic h e n i f o r n i s ) b l i c h e n i f o r m i s 在3 9 6 的葡萄糖培养基中批量培养，在2 4 h 内利用每m o l 葡萄糖可以产生0 5 8 m o i 1 3 2 4 光合细菌( p h o t y n t h e t i cb a e t e r i a ) 光合细菌是类厌氧白养微生物，它可以利用多种有机或无机来源的还原力还原c 如唧1 在光合细菌中，紫色硫细菌( 荚硫菌属t h i o c a p s a 和着色菌属c h r o n a t i n u m ) 能够利用 1 2 s 和元 素硫而紫色非硫细菌红螺菌属( r h o d o s p i r i l l u n ) 和红细菌属( r h o d o b a c t e r ) 不能够利用硫 但能在暗条件下利用有机物好氧生长g e s t 及其同事1 3 2 1 广泛地研究了深红红螺菌 ( r h o d o s p i r i l l u mr u b r u m ) 在许多化合物上光合生长时的放氢试验表明在限制铵的培养基 中。铵耗尽后才开始放氢而菌体并无明显生长而以谷氨酸为氮源时有明显的放氢静止的 细胞在光照条件下以三羧酸循环中的有机酸为底物放氢r r u b r u m 静止细胞利用每m o l 以 下底物放氢量分别是：乙酸( 4 m o l 如) ，琥珀酸( 7 n o l y e ) ，延胡索酸( 6 = o l k ) ，和苹果酸( 6 m o l p n ) 他们进而证明了光合细菌的放1 1 2 是由于固氮酶具有依赖于a t p 催化质子( i 十) 的放氢活性 光合细菌可以利用的碳源( 三羧酸循环的酸) 和氮源( 如谷氨酸天冬氨酸) ，在细胞产生了多 余的a t p 而还原力也超过了需要时，细胞开始放氢光合细菌中的能利用i k 为还原力固 定c o b 。它与固氮酶显著不同二者之间的功能联系十分复杂据推测。在嗜酸红细菌 ( r h o d o b a c t e r a c i d o p h i l l a ) 中。编码同氨酶的基因与编码h d 的基因在遗传上是连锁的荚膜 红细菌( r h o d o b a c t e r c a p s u l a t u s ) 中h d 是组成型表达的红螺菌科( r h o d o s p i r i l l a c e a e ) 中 的几个种。能够利用葡萄塘，有机酸( 包括甲酸) 在暗处生长，放出比和o 鸥，也表现出无固氮 酶介导的放氢后来发现。非硫细菌在暗生长时具有与e c o l i 相似的丙酮酸：甲酸分解酶( 批 阅r u b a t e ；f o r m a t e l y a s e ) 和f h l 活性田1 这两种h d 的同功酶到底是参与l k 的氧化反应， 还是象e c o l i 中一样参与产，目前尚不清楚与e c o l i 一样，r c a p s u l a t u s ，i k u b r u m ，和桃 红荚硫菌( t h i o c a p s a r o s e o p e r s i c i n a ) 中的膜结合吸氢酶都是镍铁氢酶在r r u b r u m 中发现 几种h d 能被c o 、c 仉 k ，丙酮酸所诱导，也能在固氮条件下被诱导能被c 0 诱导的肋是镍 铁氢酶性质与e c o l i 的同功酶十分相似g e s t 和k a l l e l l 报道了r r u b r u m 以谷氨酸或天冬 氨酸代替铵离子在光合生长时，从苹果酸，延胡索酸或乙二酸以一定比例产生坞h i l l m e r 和g e s t 最先研究了r c a p s u l a t u s 在谷氨酸上的放氢除赖氨酸和半胱氮酸以外的氨基酸都 支持放氢。最高产氢效率达到了每n ll 培养基每小时5 8 0 um 0 1 k e l l y 等也研究了 r c a p s u l a t u s 的产氢发现在底物浓度较低时固氮酶产生的 k 可被岫完全回收z u r r e r 和 b a c h o f e n 在光照条件下用r r u b r u m 从乳塘、乳清、酸乳酪废料连续产氢8 0d ，中间阶段性添 加乳糖碳源转化效率为6 7 9 9 而产i k 能力是每克干细胞每小时6 m 1 而用连续培养可 使产也能力达到每克干细胞每小时2 0 m l ，并且转化效率保持在7 0 7 5 。m a c l e r 等从浑球 红细菌r b o d o b a c t e r s p b a e r o i d e s 分离了一株突变株，能够定量地将葡萄糖转化为比和c 而不会象野生型那样积累葡萄糖酸持续产吃长达6 0h ，而在2 0h 3 0h 生长期内转化效 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 率最高。k i n 等分离的数株红细菌r h o d o b a c t e r s p ，能从葡萄糖酸培养基中产生更多的i k ( 每 mg 细胞每小时5 8 0 m 0 1 ) o d o m 和w a l l 报道了甩纤维单胞菌c e l l u l o n o n a s s p t c c 2 1 3 9 9 和r c a p s u l a t u s 混合培养可利用纤维索产氢他们比较了纤维单胞菌和光合菌的野生型混合 培养物与纤维单胞菌和光合菌吸氢酶缺失突变株混合培养物的产i k 效率在光照厌氧条件 下持续观察了2 0 0 h 结果表明，每利用1 = o l 葡萄糖，c e l l u l m m n a s 与突变株的混合培养物 产生4 3 n 0 1 46 m o l k ，而同等条件下与野生型的混合培养物只产生1 2 m o i 4 3 m o l 1 2 由此 可见，吸氢酶缺失突变株有利于 1 2 的积累在生物产氢时。由于光合细菌有诸多优点，如可应 用工业废水、转化效率高等，目前大多数人倾向于应用光合细菌科学家们通过设计的各种 光合细菌产氢反应器，在一定程度上解决了光合细菌产氢的光照、控温，气体捧放等问题。 从而为进一步扩大规模、进行工业化生产做了有益的探索。 1 3 2 5 蓝细菌( c y a m a o b a c t e r i a ) 蓝细菌( 蓝绿藻) 是一种好氧的光养细菌绝大多数蓝细菌含有一个产氧的固氮酶系统 由固氮酶催化放 k 而固氮酶系统的表达需要一定的生长条件和缺乏固定态的氮源的环境 蓝细菌与高等植物类似，以光合系统i 和光合系统i i 进行光合作用，产生氧气1 k 与氇的混 合物是易爆气体在考虑利用蓝细菌产h 时需同时解决除氧问题 各种产氢生物的种类及其产氢效率见表1 - ! 囊1 - 1 产氢生钧种类及其产氢效率i 搠 7 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 3 微生物发酵产氢的反应原理 由1 1 我们可以知道，现在固体废弃物的堆积问题严重，然而固体废弃物的组成和性质 是固体废弃物资源化的重要依据，决定着周体废弃物资源化的途径通过了解固体废弃物的 组成和性质，我们可以选择用于实验的发酵产氢的底物 1 3 3 1 固体废弃物的组成和性质 固体废弃物主要来自居民生活消费、商业活动、市政建设与维护、市区的园林及耕种生 产、医疗和娱乐场所等方面产生的一般性质以及人畜粪便、厨房垃圾、污水处理厂污泥、垃 圾处理收集的残渣和粉尘等固体废物 ( 1 ) 固体废弃物的分类 固体废弃物种类很多，可根据其组成、性质等进行不同的分类 根据固体废弃物的组成分类 可分为可回收废品、易堆腐物，可燃物及其他无机 废物等四大类也可简易分为有机物、无机物、可回收废品三大类其中有机物为可堆腐物， 包括动物、植物两类，可作为堆肥原科使用：无机物作为填埋废物处理；而可回收物质主要 包括纸张、塑料、破布，金属和玻璃等。可直接回收使用 根据固体废弃物的性质分类 是根据固体废弃物的化学成分、可燃性、燃烧热值、 堆腐性等指标来进行分类按固体废弃物的化学成分分为有机固体废弃物和无机固体废弃 物：按可燃性分为可燃性固体废弃物和不可燃性固体废弃物两类；按热值分为高热值和低热 值固体废弃物；按堆腐性分为可堆腐和不可堆腐固体废弃物通常。可燃性、燃烧热值的高 低可作为固体废弃物是否可进行焚烧处理的参考指标，而化学成分和堆腐性可作为选择固体 废弃物处理方式的重要指标特别是选择堆肥化及其他生物处理方法时的主要参考依据 按垃圾产生及收集来源分类 人们常用的分类方法，可分成表l 2 所示几大类 食品垃圾和普通垃圾统称为家庭垃圾，是固体废弃物中可回收利用的主要对象 衰1 - 2按垃圾产生分类l ” 垃圾分类 垃敏产生及收集来舞 食品垃圾 普通垃圾 庭院垃圾 滴扫垃圾 商业垃圾 建筑垃圾 危险垃圾 其他垃圾 也称厨房垃圾，指居名住户捧出的主要成分 也称零散垃圾，指纸类、废旧塑料，罐头盒、玻璃，陶瓷，术片等日用废物 包括植物残余、树叶、树梗及庭院其他溥扫杂物 指城市道路、广场，公园及其他露天公共场所由环卫系统清扫收集的垃圾 指城市商业，备共商业性服务孵点或专业性营业场所等产生的垃圾 指城市建筑物、构筑物进行维修或兴建的施工现场产生的垃圾 包括医院传染扁、放射治疗系统、核试验室等场所棒放的各种废物 除以上各