暗发酵细菌B49与光合细菌RLD-53联合产氢影响因素研究

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微生物的多样性为生物氢的产生提供了多种途径,联合制氢通过结合具有不同功能的微生物,协调他们之间的关系,实现优势互补,对于提高底物转化效率和产氢速率有重要的意义。其中,光合细菌能利用暗发酵细菌产生的挥发酸,这样既降低了小分子挥发酸对暗发酵细菌抑制,同时大大提高产氢能力,是较为理想的持续产能模式。本文立足于微生物协同产氢的观点,在研究光合细菌RLD-53生长与产氢特性的基础上,使之与暗发酵乙醇型发酵代表菌株B49联合,以期获得更高的产氢能力和底物转化率,进一步探讨影响菌种协同产氢的关键因素,为产业化点奠定基础。RLD-53的产氢现象主要发生在细胞生长的对数期的中后期和稳定期的前期;乙酸、苹果酸、乳酸、丙酸都是RLD-53产氢的良好碳源和氢供体;氮源种类对产氢也有重要的影响,其中牛肉膏对RLD-53产氢有很大促进作用,蛋白胨次之,谷氨酸钠为氮源时生长与产氢过程平缓。RLD-53在光照强度3000 lux~3500 lux,乙酸钠浓度50 mmol/l,谷氨酸钠10 mmol/l,接种量10%,接种菌龄17 h,pH 7.0时产氢能力最高,达到2.55mol H2/mol乙酸。采用琼脂包埋固定化RLD-53技术,通过限制菌体的自由增殖,降低生长消耗,可以提高产氢量21%。混合培养体系适宜在低初始底物浓度条件下产氢,混合培养体系的产氢量和末端pH随着磷酸盐缓冲液浓度的增加迅速的升高,pH更加稳定,混合培养体系产氢的最适pH为7.5,低的末端pH或较高的初始pH,这对于B49和RLD-53的协作是不利的。通过B49和固定化RLD-53混合培养联合产氢,在葡萄糖6/l,磷酸盐50 mmol/l,达到最大产氢能力为3.1 molH2/mol葡萄糖。B49发酵末端液相产物的浓度和组成比例直接影响光合细菌RLD-53的产氢过程。B49发酵液中剩余的葡萄糖被RLD-53降解主要生成乙酸,导致末端pH下降,产氢能力降低。B49发酵液中乙醇和乙酸的比例低于1.0高于1.25时,B49产生的乙醇对RLD-53的生长与产氢有促进作用。发酵液中NH4+在4 mmol/l以上完全抑制了光合细菌的产氢活动。初始底物浓度和发酵体系pH缓冲能力对B49发酵产物的浓度和组成比例有着重要的影响。发酵产物中乙醇和乙酸的累积量随着葡萄糖浓度的增加而增加,但乙酸占末端液相产物的比例降低。发酵产物中乙酸浓度随着磷酸盐缓冲液浓度的增加而升高,乙醇浓度随着磷酸盐缓冲液浓度的增加而降低,乙酸成为主要的末端产物,这对于后续的光发酵产氢是有利的。采用B49和固定化RLD-53两步法联合产氢,在葡萄糖9/l,磷酸盐30 mmol/l,获得最大产氢能力为6.32 molH2/mol葡萄糖。
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