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脱氢酶与产氢微生物之间关系的研究

作　者: 王秀菊
导　师: 张无敌；刘士清；尹芳
学　校: 云南师范大学
专　业: 农业生物环境与能源工程
关键词: 产氢细菌产氢量脱氢酶酶活筛选方法批量发酵产氢装置
分类号: TQ116.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

化石燃料的大量使用给人类带来巨大的资源和环境问题。如:化石燃料燃烧产生的CO₂是造成全球气候变暖的主要原因。据有关文献报道,如果要将全球的平均气温控制在2℃的上升幅度内,在2020年之前,非碳能源的消耗要上升到占总能的30%。为此各国开始寻找替代化石燃料的可持续发展的能源。氢作为最清洁的可再生能源,被认为是最具应用前景的可再生能源之一。利用生物本身的生理代谢特性制取氢气是未来一种很有潜力的能源生产技术。特别是生物质发酵法制氢,由于其具有发酵产氢潜力巨大,原料来源广泛且成本低廉,在获得氢能的同时,还可以处理有机污染物,变废为宝等优点,被能源界称为是可再生替代能源研究应用领域中最具发展前景、经济、无污染的重要技术之一,备受国内外能源界的关注。产氢的稳定性和持久性是发酵产氢中一直存在的问题,如何在稳定持续产氢的基础上提高产氢的速率和转化率是生物质发酵产氢研究中的重要内容,也是能否实现产业化应用的关键性因素。鉴于上述种种问题,本研究首次创造性地在微生物发酵产氢中引入脱氢酶理论,将其作为指标并证实了“脱氢酶与产氢微生物密切相关”的假设,获得以下结果:1、建立了一种简便、快捷且适用于不同发酵产氢体系的单菌株筛选方法;2、以脱氢酶活性为关键指标,筛选出产氢微生物,作为本实验的研究对象;3、以产氢微生物为接种物,通过生物质发酵产氢的动态过程表征:脱氢酶活性与产氢菌株产气随时间的变化呈现明显的规律性趋势,体现出脱氢酶在微生物产氢过程中起到的先导作用。这是对深入研究脱氢酶对其揭示生物质发酵产氢过程中自然规律研究的良好开端;4、依据脱氢酶理论与产氢的关系规律,采用正交实验L₂₇(3¹³)设计研究,极大地提高原料利用率和产氢得率。在优化的产氢菌种产氢的工艺条件下,发酵产气的启动时间比原始条件工艺提前了33h,发酵系统产氢能力达到45.3mmol/mol葡萄糖,比菌株在原始条件下的对照组提高了273%;5、针对试验研究所得的规律,对后续研究与发展提出了合理化的几点建议。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
1 引言  11-17
  1.1 氢能源的意义  11-14
    1.1.1 能源与环境问题  11-12
    1.1.2 氢能的特点与发展现状  12-14
  1.2 制氢的技术  14-15
  1.3 发展生物质发酵产氢的意义  15-17
2 生物质发酵产氢过程的研究进展  17-24
  2.1 发酵细菌产氢机理与途径  17-20
    2.1.1 严格厌氧菌产氢途径  17
    2.1.2 兼性厌氧菌的产氢途径  17-18
    2.1.3 产氢产乙酸菌的产氢途径  18-19
    2.1.4 固氮菌的产氢途径  19
    2.1.5 NADH+H~+的氧化还原平衡调节产氢  19-20
  2.2 发酵产氢的原料  20
  2.3 影响发酵产氢的因素  20-22
    2.3.1 pH值的影响  20-21
    2.3.2 氧化还原电位  21
    2.3.3 温度对产氢量的影响  21
    2.3.4 底物  21-22
    2.3.5 其它因素对产氢量的影响  22
  2.4 与发酵产氢有关的酶  22
    2.4.1 参与水解过程的水解酶  22
    2.4.2 参与EMP代谢过程的酶  22
    2.4.3 参与产氢过程的酶  22
  2.5 制约发酵产氢的关键问题  22-24
3 研究的总方案及流程设计  24-25
4 发酵菌株筛选方法的建立  25-31
  4.1 研究发酵菌株筛选方法的技术背景  25
  4.2 材料与方法  25-28
    4.2.1 材料  25-26
    4.2.2 方法  26-28
  4.3 结果与讨论  28-30
    4.3.1 指标的确定  28-30
    4.3.2 培养时间的确定  30
  4.4 小结  30-31
5 产氢菌株的筛选及其选育  31-36
  5.1 产氢菌株筛选的意义  31-32
  5.2 菌种和培养条件  32
    5.2.1 菌种的来源  32
    5.2.2 培养条件  32
  5.3 单菌株的筛选及其选育  32-33
    5.3.1 样液的选取  32-33
    5.3.2 菌种的粗筛  33
    5.3.3 目标菌株的筛选  33
    5.3.4 产氢菌株的筛选  33
    5.3.5 高效产氢菌株的优选  33
  5.4 分析检测指标  33-34
    5.4.1 产氢菌株产气量和产氢能力测定  33-34
    5.4.2 发酵原料和发酵结束后发酵样液残留的还原糖含量的测定  34
  5.5 结果与分析  34-35
  5.8 小结  35-36
    5.8.1 结论  35
    5.8.2 筛选产氢菌株的意义  35-36
6 金属离子对微生物发酵产氢体系的影响及关系研究  36-42
  6.1 研究背景及意义  36
  6.2 实验设计  36-37
  6.3 研究结果与分析  37-40
    6.3.1 金属离子对生物质发酵产氢的作用与原理  37-39
      6.3.1.1 正交实验的实验结果  37-38
      6.3.1.2 金属离子的作用原理  38-39
    6.3.2 优化后对纯菌种A5O批量发酵产氢的影响  39-40
      6.3.2.1 金属离子优化后,对照组与实验组启动期与发酵周期的比较  39-40
      6.3.2.2 金属离子优化后,对照组与实验组脱氢酶变化情况的比较  40
  6.4 结论  40-42
    6.4.1 小结  40-41
    6.4.2 本实验的意义  41-42
7 脱氢酶酶活在单菌株发酵产氢过程中的动态变化  42-47
  7.1 实验材料与方法  42-44
    7.1.1 材料  42-43
      7.1.1.1 菌种和原料  42
      7.1.1.2 发酵制氢过程中所添加的营养元素  42-43
    7.1.2 实验方法  43-44
    7.1.3 分析检测指标  44
  7.2 结果与讨论  44-46
  7.3 小结  46-47
    7.3.1 结论  46
    7.3.2 脱氢酶的重要意义  46-47
8 结论及建议  47-49
  8.1 结论  47-48
    8.1.1 建立了一种适合于发酵体系的菌株筛选方法  47
    8.1.2 高效产氢菌株的筛选及其选育  47
    8.1.3 微生物发酵产氢工艺及基础理论研究  47
    8.1.4 脱氢酶酶活在单菌株发酵产氢过程中的动态变化  47-48
  8.2 建议  48-49
参考文献  49-56
致谢  56-57
附录  57
  研究生期间论文发表情况  57
  参加研究的课题  57

脱氢酶与产氢微生物之间关系的研究

内容摘要

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