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蓝藻发酵联产氢气和甲烷的机理研究

作　者: 张明辉
导　师: 程军；岑可法
学　校: 浙江大学
专　业: 工程热物理
关键词: 蓝藻发酵氢气甲烷
分类号: TQ116.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

化石能源短缺以及环境污染严重是当今世界面临的两大难题,氢能具有代替化石能源成为未来清洁能源载体的巨大潜力,而利用生物质能制氢是一条节省能源和环境友好的有效途径。海洋蓝藻具有光能转化效率高、生长速度快等优点,通过生物发酵过程能高效转化为氢气新能源。本文在国际上首次对蓝藻(以螺旋藻为代表)发酵联产氢气和甲烷的最大潜力进行了理论分析和试验研究。首先以蓝藻中的聚球藻Miami为例分析pH、NaCl以及NaNO3浓度等因素对聚球藻培养以及自身氢酶发酵产氢的影响。实验发现pH为9.5时最适合聚球藻生长以及自发酵产氢；聚球藻的耐盐性不强,适合在0.154mM NaCl浓度下生长；而外加氮源虽能提高聚球藻生物质的积累,但会降低螺旋藻自身氢酶的活性。对极大螺旋藻生物质的发酵产氢能力进行了理论分析,表明单纯发酵产氢的最大能源转化效率理论值仅为16.6%。为了增加能源转化效率以及净化处理产氢废液,在第一阶段产氢结束后加入产甲烷菌在第二阶段继续发酵产生甲烷,通过联产氢气和甲烷使能源转化效率的理论值显著提高到61.9%。对螺旋藻生物质生长调控以及发酵联产氢气和甲烷进行了试验研究。通过优化培养时间、光照、以及培养基成分,使螺旋藻中碳水化合物含量从14.5%提高到41.0%。利用缺氮和加钠条件下收获的螺旋藻生物质作为发酵原料,通过以丁酸梭菌为主的产氢菌群落进行暗发酵,使产氢量从21ml/g提高到58ml/g。利用产氢废液添加产甲烷菌继续联产甲烷,使整体能源转化效率达到24.3%。利用菌种驯化和生物质酶水解方法进一步提高发酵产氢量。直接利用螺旋藻代替葡萄糖对产氢菌群落进行驯化,使主要菌种由5种增加到12种更加适应螺旋藻原料,使发酵产氢量由49.7ml/g提高到64.3ml/g,产氢速率由120.4 ml/(L·h)提高到198.1 ml/(L·h).对螺旋藻生物质进行酶水解生成更多的小分子还原糖,使发酵产氢量进一步提高到78.7ml/g,则单纯的产氢效率达到4.1%。利用产氢废液继续联产甲烷使整体能源转化效率显著提高到27.7%。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第一章绪论  10-27
  1.1 氢能的现状及发展  10-12
    氢气的制取  11
    储氢技术  11
    氢能利用技术  11-12
  1.2 生物质制氢  12-14
  1.3 生物质发酵制氢  14-23
    1.3.1 微生物发酵产氢机理  14-15
    1.3.2 产氢菌  15-17
    1.3.3 产氢发酵底物的研究  17-19
    1.3.4 发酵反应器  19-21
    1.3.5 产氢发酵影响因素  21-23
  1.4 生物质发酵联产氢气和甲烷  23-24
  1.5 海藻制氢  24-25
  1.6 本文研究目的及意义  25-27
第二章实验装置和方法  27-40
  2.1 藻类培养以及装置  27-30
    2.1.1 实验用藻种  27
    2.1.2 藻类培养装置  27-28
    2.1.3 微藻浓度的测量  28-29
    2.1.4 微藻含糖量的测定  29
    2.1.5 微藻的干燥以及干重测定  29-30
  2.2 产氢菌与产甲烷菌的富集  30-34
    2.2.1 产氢菌  30-33
    2.2.2 产甲烷菌  33-34
  2.3 发酵产气方法以及装置  34-40
    2.3.1 气相成分的测量  35-36
    2.3.2 液相成分的分析测量  36-40
第三章聚球藻利用自身氢酶的自发酵产氢  40-49
  3.1 聚球藻的培养及自发酵  41
  3.2 pH对聚球藻生长以及发酵的影响  41-43
  3.3 NaCl浓度的影响  43-45
  3.4 NaNO_3浓度的影响  45-47
  3.5 结论  47-49
第四章螺旋藻生长调控及发酵联产氢气和甲烷  49-60
  4.1 极大螺旋藻产氢理论潜力分析  50-52
  4.2 光照方式对极大螺旋藻发酵产气的影响  52-53
  4.3 培养时间对螺旋藻发酵产气的影响  53-54
  4.4 盐度对极大螺旋藻成分以及后续产氢的影响  54-59
  4.5 小结  59-60
第五章螺旋藻酶水解和产氢菌驯化提高发酵产氢量  60-75
  5.1 产氢菌的优化  60-68
    5.1.1 混菌与纯菌的发酵产氢比较  60-62
    5.1.2 产氢混菌的驯化  62-68
  5.2 极大螺旋藻的酶解预处理  68-74
    5.2.1 螺旋藻的成分  68-69
    5.2.2 糖化酶  69-70
    5.2.3 极大螺旋藻糖化酶处理后的产气结果分析  70-74
  5.3 总结  74-75
第六章全文总结与展望  75-77
  6.1 全文总结  75-76
  6.2 今后的工作展望  76-77
参考文献  77-88
作者简历  88

蓝藻发酵联产氢气和甲烷的机理研究

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