《微生物電解池強化生物質暗發酵制氫的過程機理研究》是依託中國農業大學，由劉志丹擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：微生物電解池強化生物質暗發酵制氫的過程機理研究
- 依託單位：中國農業大學
- 項目負責人：劉志丹
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
生物轉化制氫是解決纖維素類生物質能量轉化和環境問題的有效途徑之一。暗發酵因具有產氫速率高、可利用底物廣等特點，是研究最廣泛的生物制氫方法。相對於暗發酵，基於微生物燃料電池（MFC）概念的微生物電解池（MEC）因具有氫氣轉化率高的優點，近年來在生物轉化制氫研究中備受青睞。針對暗發酵氫氣轉化率低等問題，本項目擬結合暗發酵和MEC途徑，探索不加外電源的MFC-MEC與聯合生物加工工藝（CBP）耦合制氫的方法。首先構建具有纖維素降解和發酵產氫功能的CBP體系，建立CBP發酵液驅動的MFC；在此基礎上構建MFC-MEC/CBP制氫體系，解析MFC-MEC的電子/質子傳遞機理，揭示其對暗發酵和MEC兩種制氫途徑的影響規律；最後，從分子水平解析體系內纖維素降解菌、產氫菌、產電菌間的作用關係。本項目將為生物電化學法強化生物質暗發酵制氫提供科學依據，具有重要的理論意義和套用價值。
結題摘要
生物轉化制氫是解決纖維素類生物質能量轉化的有效途徑之一。本項目圍繞微生物電解池強化生物質暗發酵制氫的主體，以玉米秸稈為主要原料，首先開展了木質纖維生物質解聚的研究，研究了生物轉化與熱化學轉化兩種方法解聚和水解秸稈的規律，並分析了水解液的特性。生物質生物轉化的研究表明解纖維梭菌(Clostridium cellulolyticum)對粉碎秸稈的降解率為20%；解纖維梭菌與污泥的混菌體系對粉碎秸稈的降解率為28%。熱水解研究表明秸稈降解率最高為80%，所獲得的還原糖及有機酸含量分別可達13.31%和26.68%。兩種預處理方法表明熱水解方法具有速度快、液化效率高等特點，因此本課題採用熱水解法預處理玉米秸稈，為下一步秸稈CBP產氫提供基礎；其次構建了以秸稈水解液為目標底物的高效制氫和生物燃氣的反應器與系統，研究表明經過300餘天的菌種馴化，在以秸稈熱水解液為底物條件下，UASB和PBR兩種高效反應器的產氫速率約為1 L/L/d，在兩階段氫氣和甲烷發酵條件下COD去除率為65%。通過Illumina MiSeq測序分析菌群微生物多樣性，結果表明產氫反應器中的微生物主要以Clostridiaceae為主，在UASB和PBR中分別占到96.1%和38.2%；最後，以秸稈水解液為底物，構建了MFC-MEC微生物電化學系統與裝置，集成了厭氧反應器和電化學裝置的特點，陽極採用碳納米管同時用做微生物載體和電極，碳納米管顆粒堆積在陽極室內形成填充床反應器。在有機負荷率（OLR）為2 g/L/d的秸稈水解液作為底物時，系統最大的COD去除率為80.8%，而且MEC對2,4二甲基苯酚、二苯胺等難降解物質去除率均大於50%。同時，氫氣含量高達55.5%，氫氣產率為25.5 mL/L/d。與暗發酵產氫相比，微生物電化學系統能夠有效去除難降解物質，氫氣產率有待進一步最佳化，但與暗發酵結合可提高整體產氫效率。本項目共發表SCI論文10篇，申報專利6項，為微生物電化學法強化纖維類生物質暗發酵制氫提供了科學依據，具有重要的理論意義和套用價值。
