连续产氢过程稀释率对光合细菌产氢的影响
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摘要：本文在7L的光合生物反应器中，进行光合细菌产氢放大实验，研究了连续产氢过程稀释率对光合细菌产氢各因素的影响。
关键词：光合细菌；产氢；稀释率
生物制氢是利用某些微生物代谢过程来生产氢气的一项生物工程技术。光合细菌简称PSB，是一群能在厌氧光照或好氧黑暗条件下利用有机物作供氢体兼碳源，进行光合作用的细菌。目前光合细菌产氢研究多集中在影响产氢因素方面的局部研究，而1L以上的放大实验对实现光合细菌产氢的工业化尤为重要。本文在7L的光合生物反应器中，进行产氢放大实验，研究了连续产氢过程稀释率对光合细菌产氢各因素的影响。
1 材料与方法
1.1菌种
本文实验采用的光合细菌红螺菌科由郑州市各养殖场（猪、牛、鱼场）以及污水处理厂的活性污泥中富集而来。
1.1.1培养基
天然混合红螺菌生长培养基：NH4Cl 1g/L，MgCl20.2g/L，酵母膏0.1g/L，K2HPO40.5g/L，NaCl 2g/L，pH值为7。
产氢培养基：0.1%葡萄糖，预处理过的猪粪污水，pH值为7。
微量元素：FeCL3・6H2O，5mg；CuSO4・6H2O，0.05mg；H3BO4，1mg；MnCL24H2O，0.05mg；ZnSO4・7H2O，1mg；Co（NO3）・6H2O，0.5mg；蒸馏水，1000ml，过滤除菌。
生长因子：维生素B1，0.001mg；尼克酸，0.1mg；对氨基苯甲酸，0.1mg；生物素，0.001mg；蒸馏水，10ml，过滤除菌。
1.1.2培养工艺
50ml三角瓶内，加入生长培养基，接种10%生长至对数生长期的高效产氢光合菌群菌液，塞上橡皮塞，放置于距150W钨丝灯20厘米处，于36℃的恒温箱中厌氧培养，定期测菌液浓度。一般处于稳定生长期的菌体悬液细胞干重为1.1～1.5mg/ml，即采用培养工艺处于稳定生长期的光合细菌细胞悬液。
1.2产氢基质
根据光合细菌只能利用小分子有机物产氢的原理，实验所用底物为消化后的猪粪。黑暗好氧处理猪粪是光合细菌产氢的最佳预处理途径。新鲜猪粪取自郑州市东郊的新大牧业种猪场，其主要理化性质如表1所示。
在25℃、自然pH、3cm猪粪污水深度、50%接种量（体积百分含量）置于振荡器中，离心固体菌种、120rpm转速下，黑暗好氧处理4天左右，实验用猪粪污水原料中有机物含量测定结果列于表，见表2。
把消化后的猪粪以一定量的自来水稀释、浸泡，然后用40目的筛子过滤，除去稻草、泥沙等杂质，使所得污水浓度为COD为5500mg/L左右，接近猪场从二级沉淀池出来的污水。配制时，为使接入菌液的生长不受其他杂茵的干扰，产氢实验之前将猪粪污水在灭菌锅中进行高温灭菌，灭菌温度为121℃，时间为1/2h，灭菌后冷却到25℃，备用。预备实验表明，所有处理的猪粪在不加葡萄糖的情况下均不产氢气，所以在设计产氢基质时，加入0.1%的葡萄糖作为产氢的引物。
因此，实验用产氢基质为：含0.1%葡萄糖黑暗耗氧消化后猪粪处理液。产气为H2和CO2的混合气体。
1.3氢气产量测定
带刻度的氢气贮柜
1.4连续产氢装置
采用图1所示的产氢装置，经过黑暗好氧预处理的猪粪，经增压泵送入预先装有固定化光合细菌颗粒的光合生物反应器中。反应器总装料体积为7L，其中菌液占1L，料液体积为6L。
反应器中心夹层中两盏40W白炽灯维持反应器料层内基本均匀的2000Lux的光照度，反应器温度由白炽灯和反应器恒温水浴夹层调在30℃左右，料液和菌液在电磁搅拌搅拌器的作用下，在反应器内均匀分布，混合气体（H2和CO2）经装有0.1moL・L-1NaOH
溶液的洗瓶除去CO2后，进入带刻度的氢气贮柜，产氢后的猪粪由液体排放口排出。
2 连续产氢过程研究分析
稀释率（D）是连续产氢过程的主要操作参数，其定义为进料流量（mL/h）与反应器内料液体积（mL）之比，单位为h-1。即每1/D小时内使反应器内培养液更换一次。稀释率是影响连续产氢系统稳定性的重要参数。按照上述的条件和方法进行连续产氢实验，每间隔12小时进料、排料一次，每次进排料液体积分别为1.0L，1.5L，2.0L，2.5L，3.0L，3.5L，4.0L，对应稀释率为0.014，0.021，0.028，0 035，0.042，0.056。研究稀释率与产氢量、光合产氢反应器内料液pH值、COD值、COD去除率以及COD产氢量的关系，实验结果见表3。测定数据表明，稀释率对光合细菌利用预处理过的猪粪污水产氢有较大的影响。
由表3中数据可知游离态光合细菌连续产氢过程中，随着稀释率增大产氢量减少，稀释率D在0.01至0.03之间产氢总量都大于3000ml，稀释率D=0.014时有最大氢气产量3986ml，稀释率不能太大，D以不超过0.02为宜；连续实验中氢气总产量稍小，要想达到较高的产氢量，还需要延长进排料间隔时间。
反应终点得到pH值，在5.0到6.5之间，仍在光合细菌利用猪粪污水产氢的最佳pH值范围内，稳定性较好。
对不同的稀释率连续产氢实验结束时测定其COD值，可见稀释率大，产氢结束时料液COD值也大，说明对猪粪污水中有机物的利用不够好，导致产氢量低，这在COD去除率的结果中被清楚地反映出来；并可知稀释率与产氢结束COD之间的关系和稀释率与产氢量之间的变化规律基本一致。
根据表3不同稀释率对应产氢总量和COD值，得到COD产氢量。可知，在稀释率D
3 结论
可见光合细菌利用猪粪污水连续产氢过程中，随着稀释率增大产氢量减少，稀释率D在0.01至0.03之间产氢总量都大于3000ml，稀释率D=0.014时有最大氢气产量3986ml，可见，稀释率不能太大，D以不超过0.02为宜。为提高连续产氢过程对实现光合细菌产氢的工业化意义，还需与间歇产氢过程进行比较或是利用固定化细胞技术实现连续的产氢过程。