纤维素降解产氢菌种选育及木薯渣产氢工艺研究

论文摘要

将废弃物进行能源化处理既能解决因废弃造成的资源浪费和环境污染问题,也能为可再生清洁能源的开发提供新途径。木薯渣是木薯提取淀粉后的农产品加工废弃物,供应量充足且价格低廉。若利用木薯渣进行发酵产氢,使其变废为宝,具有较好的应用前景。然而,目前能够降解木质纤维素等复杂底物直接发酵产氢的菌种资源相对匮乏。此外,以木薯渣为基质开展的发酵产氢特性及连续流发酵产氢工艺建立等相关研究鲜有报道。针对木薯渣发酵产氢领域有待解决的关键问题,本研究围绕纤维素降解产氢菌种资源的开发、降解木薯渣发酵产氢性能及机制的解析及木薯渣发酵产氢工艺的构建等方面开展研究,不仅为生物质废弃物资源的开发利用和能源化技术开辟新途径,同时也为生物制氢技术产业化进程提供理论依据和技术支撑。从熊猫粪便中分离获得一株降解纤维素产氢菌缓纤维梭菌（Clostridium lentocellum）Cel-10。该菌株在培养温度37℃,初始pH 7.0,羧甲基纤维素钠（CMC-Na）浓度5.0 g/L条件下发酵产氢的最大产氢量为5.42±0.22 mmol H2/g CMC-Na,纤维素降解产氢能力在已报道的中温菌中属于前列。利用亚硝基胍诱变选育获得一株性能优良的突变株CMU-7,其内切型葡聚糖苷酶、外切型葡聚糖苷酶及β-1,4-葡萄糖苷酶三种纤维素酶较原始菌株Cel-10分别提高了123.33%、98.10%和38.98%。菌株CMU-7在降解纤维素发酵产氢的最佳条件下进行发酵产氢,纤维素降解率和产氢量分别为75.13±1.21%和6.77±0.08 mmol H2/g-CMC-Na,分别比菌株Cel-10提高了47.86%和24.91%。菌株的产氢性能得到了进一步提升,为降解纤维素发酵产氢菌种提供新的菌种资源。考察了菌株CMU-7直接利用木质纤维素类原料发酵产氢的能力,当以浓度为5.0 g/L的木薯渣为底物发酵产氢时,菌株CMU-7对木薯渣的降解率、产氢量分别为52.27±0.21%和4.51±0.12 mmol H2/g-木薯渣,产氢能力高于已报道的部分中温菌及高温菌,说明其具有较高的木质纤维素发酵产氢性能,为利用其直接生物转化木质纤维素类原料发酵产氢的设想提供了可能。通过对比发酵前后木薯渣的组成成分、形态特征、物理及化学结构及发酵过程中纤维素酶的变化,阐明了菌株CMU-7分泌的酶系可将木薯渣中纤维素及半纤维素水解成小分子物质后被菌株用于生长及代谢,但对木质素无明显降解效果。揭示了菌株CMU-7利用木薯渣发酵产氢过程中对木薯渣的降解机制,为缓纤维梭菌对木质纤维素中纤维素和半纤维素具有降解能力提供依据。通过NaOH溶液预处理木薯渣有效脱除木质素后,菌株CMU-7利用浓度为5.0 g/L的预处理后木薯渣残渣发酵产氢时,木薯渣的降解率和产氢量分别为70.31±0.26%和5.65±0.18 mmol H2/g-木薯渣,比利用未经预处理的木薯渣发酵产氢时分别提高了34.51%和25.22%,发酵结束所需时间比利用未经预处理的木薯渣发酵产氢时缩短8 h,提高了木薯渣中纤维素及半纤维素的生物转化效率。建立了以自主设计的CSHR反应器为基础的木薯渣补料分批发酵产氢工艺,提出了补料分批发酵方式的调控策略。该工艺经过关键运行参数优化后,在搅拌速率20 rpm,运行温度37℃,进料量80%（NaOH预处理后的木薯渣,浓度5.0 g/L）,HRT为48 h（进料15 min,发酵47.5 h,排料15 min）,初始pH为7.0的条件下稳定运行14个周期,木薯渣降解率及产氢量的平均值分别为63.50%和3.66 mmol H2/g-木薯渣,实现了以木薯渣为原料的反应器水平上的放大化发酵产氢。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 能源现状及发展趋势

1.1.3 研究的目的及意义

1.2 木质纤维素生物质资源发酵产氢研究现状

1.2.1 发酵法生物制氢研究进展

1.2.2 木质纤维素资源发酵产氢研究

1.2.3 降解纤维素产氢细菌

1.2.4 木质纤维素发酵产氢工艺

1.2.5 木质纤维素资源连续流发酵产氢

1.2.6 木质纤维素原料的预处理

1.3 木薯渣资源及其应用

1.3.1 木薯渣产量及性质

1.3.2 木薯渣资源化利用

1.3.3 木薯渣厌氧发酵研究现状

1.4 木薯渣发酵产氢研究中存在的问题

1.5 本文的主要研究内容及技术路线

1.5.1 主要研究内容

1.5.2 技术路线

第2章试验材料与方法

2.1 试验材料

2.1.1 菌种来源

2.1.2 木薯渣来源

2.1.3 试验装置

2.1.4 仪器设备

2.1.5 培养基

2.2 试验方法

2.2.1 纤维素降解产氢细菌的富集驯化

2.2.2 纤维素降解产氢细菌的分离筛选

2.2.3 纤维素降解产氢细菌的鉴定

2.2.4 静态发酵产氢试验研究

2.2.5 熊猫粪便微生物群落结构分析

2.2.6 亚硝基胍诱变处理方法

2.2.7 木薯渣氢氧化钠预处理方法

2.3 分析方法

2.3.1 木薯渣成分分析

2.3.2 木薯渣降解过程中的形态观察

2.3.3 木薯渣降解过程中的结构分析

2.3.4 蛋白质浓度的测定

2.3.5 纤维素酶活的测定

2.3.6 发酵产物的分析

2.3.7 产氢动力学研究

第3章纤维素降解产氢新菌种的多相分类及选育

3.1 引言

3.2 熊猫粪便微生物群落结构分析

3.3 纤维素降解产氢细菌的富集及分离筛选

3.4 纤维素降解产氢细菌的鉴定

3.4.1 菌株的形态学特征

3.4.2 菌株的生理生化特征

3.4.3 菌株的分子生物学鉴定

3.5 菌株Cel-10 降解纤维素产氢的影响因子

3.5.1 温度对生长及产氢性能的影响

3.5.2 pH对生长及产氢性能的影响

3.5.3 底物浓度对生长及产氢性能的影响

3.6 菌株Cel-10 降解纤维素产氢特性

3.7 菌株Cel-10 与其他纤维素产氢菌产氢能力比较

3.8 亚硝基胍诱变选育降解纤维素产氢突变株

3.8.1 诱变条件的选择

3.8.2 诱变选育纤维素降解产氢菌突变株

3.8.3 突变株CMU-7 遗传稳定性分析

3.8.4 突变株CMU-7 降解纤维素产氢特性

3.9 本章小结

第4章纤维素降解产氢菌利用木薯渣发酵产氢性能研究

4.1 引言

4.2 菌株CMU-7 直接利用木薯渣发酵产氢

4.2.1 木薯渣成分分析

4.2.2 菌株CMU-7 直接利用木薯渣发酵产氢特性

4.3 发酵过程中木薯渣的降解变化

4.3.1 木薯渣组成成分变化

4.3.2 木薯渣形态特征变化

4.3.3 木薯渣物理结构变化

4.3.4 木薯渣化学结构变化

4.3.5 菌株CMU-7 发酵产氢过程中对木薯渣的降解机制

4.4 菌株CMU-7 利用木质纤维素类物质发酵产氢特性

4.5 预处理强化木薯渣发酵产氢

4.5.1 木薯渣NaOH预处理关键因子的优化

4.5.2 菌株CMU-7 利用预处理后木薯渣残渣发酵产氢

4.6 本章小结

第5章木薯渣发酵产氢工艺及产氢效能研究

5.1 引言

5.2 搅拌速率对CSHR反应器产氢效能的影响研究

5.2.1 搅拌速率对产氢量的影响

5.2.2 搅拌速率对木薯渣降解率的影响

5.2.3 不同搅拌速率条件下pH及液相末端产物分析

5.3 进料量对CSHR反应器产氢效能的影响研究

5.3.1 进料量对产氢量的影响

5.3.2 进料量对木薯渣降解率的影响

5.3.3 不同进料量条件下pH及液相末端产物分析

5.4 水力停留时间对CSHR反应器产氢效能的影响研究

5.4.1 水力停留时间对产氢量的影响

5.4.2 水力停留时间对木薯渣降解率的影响

5.4.3 不同水力停留时间条件下pH及液相末端产物分析

5.5 初始pH对 CSHR反应器产氢效能的影响研究

5.5.1 初始pH对产氢量的影响

5.5.2 初始pH对木薯渣降解率的影响

5.5.3 不同初始pH条件下pH及液相末端产物分析

5.6 CSHR工艺降解木薯渣发酵发酵产氢

5.6.1 CSHR工艺降解木薯渣产氢效能分析

5.6.2 CSHR工艺降解木薯渣产氢能源回收率分析

5.6.3 CSHR工艺降解木薯渣产氢过程中微生物活性分析

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

致谢

个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张麓岩

导师: 任南琪,丁杰

关键词: 生物制氢,木薯渣,纤维素降解,缓纤维梭菌,诱变育种,补料分批发酵

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,轻工业手工业,轻工业手工业,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 城市水资源与水环境国家重点实验室自主课题 “基于多元生物质木薯渣发酵制氢的高效产氢菌种分离及其产氢策略研究”(项目编号2012DX04),国家高新技术研究发展计划“有机污水梯级利用规模化生物产氢及系统耦合关键技术(项目编号 2011AA060905)

分类号: X172;X792

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.000004

总页数: 138

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