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基于生物电化学技术利用薯类淀粉废渣产电产氢的研究

作　者: 田雨时
导　师: 邢德峰
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 微生物学
关键词: 薯类废渣生物电化学系统生物制氢焦磷酸测序微生物群落
分类号: TS239
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

目前，随着环境保护的挑战越发的严峻，在我们日常生活中淀粉扮演着不可或缺的角色，同时淀粉质量的优劣，也影响着我们的身体健康。作为生产淀粉的原料，在我国北方以马铃薯作为主要的农作物，而在南方大部分地区则以木薯作为生产淀粉的来源。在利用它们生产淀粉的同时，也伴随着大量的富含营养物质的附属产物，其中最主要的则是马铃薯废渣和木薯废渣，这些废渣不仅仅污染周边环境，在腐烂的过程中，形成的废水污染土壤影响植被的生长，产生的腐臭的气味对空气环境造成污染，影响着人类和动物的健康。当前利用这类废渣进行再利用的方式主要通过发酵法利用其制作家畜的饲料和或者食品和饲料的添加剂，或者是作为有机肥料，但是在这个过程中不仅消耗的人力物力较大，而且只得到了差强人意的成果。通过无污染的降解将这类富含营养的有机物再利用，进行有效的资源化，将其变废为宝。实验采用体积为27cm³，容积为25mL的单室空气阴极反应器，分别研究这两种薯类废渣不同有机物浓度对生物电化学系统产能的影响，从而有效地对其进行能源化的利用和降解处理，通过处理和产能效果的对比，确定相对合适的有机物浓度最大化的这类有机废弃物。实验使用50mM的磷酸盐缓冲溶液（PBS）将马铃薯渣稀释成不同的浓度，分别为1g/L、5g/L、10g/L、20g/L，将木薯渣稀释为1g/L、5g/L、10g/L，先分别以其作为微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）的底物，当反应器稳定运行后，进行电化学性能的测试和分析并提取阳极生物膜的DNA进行高通量测序确定微生物群落之间的关系。接下来将反应器转入微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell，MEC）状态，进行气体收集和气体成分分析，计算反应器产生氢气和甲烷的速率和回收率，从而确定相对合适的有机物浓度，更好的利用和降解薯类废渣。通过分析发现，以马铃薯废渣为底物的微生物燃料电池（MFC），当有机物浓度为10g/L时，其产电性能和降解效果最佳，最大功率密度为32.1W/m³。454焦磷酸测序揭示了阳极生物膜微生物种群的多样性，通过高通量测序分析，其优势菌属是能分解利用淀粉的Bacterioide和Flavobacterium，而产电菌群则是Geobacter和Dysgonamonas,在该浓度下，两种优势菌群在反应器中相互作用并形成了协同关系，在降解能力最大的条件下输出最高的电能。以木薯为底物的微生物燃料电池（MFC）则是5g/L浓度条件下产电效果较好最大功率密度为18W/m³，但是相比较马铃薯淀粉废渣而言，在电化学方面的性能表现都稍逊一筹，这也是由于它们所含有营养物质的成分类似，但是各种营养物质的含量不同而影响的。由于木薯废渣的淀粉含量相对马铃薯淀粉废渣较低，纤维素含量较高，导致实验过程中，整体表现为实验周期较长，反应周期短，固含物降解效率较低，最大电压持续时间短的特点。实验后期选择产电效果较好的反应器，将两种底物有机物浓度条件为5g/L、10g/L的MFC分别由转换成MEC状态，进行生物产氢，通过实验的产氢效果分析，将薯类淀粉废渣利用生物电化学系统的资源化利用进一步深化研究。以马铃薯淀粉废渣和木薯淀粉废渣为底物的MEC，5g/L的有机物浓度条件更适合进行氢气的生产，以马铃薯淀粉废渣为底物的MEC的最大氢气产量为0..42mL-H₂/g-COD，最大产氢速率是0.278mL-H₂/g-COD/d，以木薯淀粉废渣为底物的MEC的最大氢气产量为1.277mL-H₂/g-COD，最大产氢速率是0.851mL-H₂/g-COD/d。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-22
  1.1 课题研究背景及研究目的和意义  10-13
    1.1.1 课题研究背景  10-12
    1.1.2 研究目的及意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-19
    1.2.1 微生物燃料电池(MFC)的基本原理  13-14
    1.2.3 生物群落对微生物燃料电池(MFC)的影响  14
    1.2.4 微生物电解电池(MEC)的基本原理  14-15
    1.2.5 微生物燃料电池（MFC）的研究进展  15-16
    1.2.6 微生物电解池(MEC)的研究进展  16-18
    1.2.7 薯类废渣以及生物电化学处理固体生物质的研究进展  18-19
  1.3 课题来源和研究内容  19-22
    1.3.1 课题来源  19
    1.3.2 研究内容  19-20
    1.3.3 研究技术路线  20-22
第2章材料与方法  22-31
  2.1 实验材料  22-25
    2.1.1 底物及接种菌源的选择  22
    2.1.2 反应器的建立  22-24
    2.1.3 50 mM 磷酸盐缓冲溶液的配制  24
    2.1.4 实验仪器  24-25
  2.2 实验方法  25-29
    2.2.1 反应器的建立和运行  25
    2.2.2 数据采集  25-26
    2.2.3 测量方法  26-27
    2.2.4 能量的计算  27-28
    2.2.5 气体的收集和检测  28-29
  2.3 MEC 能量的计算方法  29
  2.4 阳极微生物 DNA 的提取  29-30
  2.5 数据的处理  30-31
第3章生物电化学系统处理马铃薯废渣及 MFC 阳极微生物群落分析  31-48
  3.1 MFC 反应器的接种与启动  31-33
  3.2 反应器的产电性能及处理效果  33-37
    3.2.1 功率密度及极化曲线  33-34
    3.2.2 库伦效率及 TCOD 的去除效果  34-36
    3.2.3 固体物质的去除  36-37
    3.2.4 反应器进、出水挥发酸的变化情况  37
  3.3 MFC 阳极微生物群落的分布  37-42
    3.3.1 门水平上的群落分析  39-40
    3.3.2 纲水平上的群落分析  40-41
    3.3.3 属水平上的群落分析  41-42
  3.4 以马铃薯淀粉废渣为底物的 MEC  42-47
    3.4.1 反应器的启动和运行  43-44
    3.4.2 MEC 的库伦效率  44-45
    3.4.3 比产氢量及比产氢速率  45-47
  3.5 本章小结  47-48
第四章木薯废渣为底物的生物电化学系统  48-60
  4.1 反应器的接种与启动  48-50
  4.2 MFC 反应器的产电性能及处理效果  50-55
    4.2.1 功率密度及极化曲线  50-51
    4.2.2 库伦效率及去除效果  51-53
    4.2.3 固体物质的去除  53-54
    4.2.4 反应器进、出水挥发酸的变化情况  54-55
  4.3 以木薯淀粉废渣为底物的 MEC  55-59
    4.3.1 反应器的启动及运行  55-56
    4.3.2 MEC 的库伦效率  56-57
    4.3.3 比产氢量及比产氢速率  57-59
  4.4 本章小结  59-60
结论  60-62
建议与展望  62-63
参考文献  63-72
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  72-74
致谢  74-75

基于生物电化学技术利用薯类淀粉废渣产电产氢的研究

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