基于木质纤维同步酶解的微生物电解池产氢过程中传输与反应特性

当前，传统的氢气制取方式主要以电解水为主，其能耗巨大，必会引起化石燃料的过渡消耗以及环境污染等问题。而木质纤维素是自然界中最为丰富的、可再生的生物质原材料，利用木质纤维素进行生物制氢具有燃烧热值高、清洁无污染、可再生等优点。目前，利用微生物电解池系统产氢已成为当前的研究热点之一，特别是通过构建一种微生物电解池产氢系统，可以实现木质纤维素等农林废弃物的同步酶解发酵产氢，达到资源综合利用和清洁能源开发的目的，极大地提高纤维素基质酶解糖化和发酵产氢的效率。本课题针对木质纤维素的组成和结构特点，重点开展了木质纤维素酶解糖化的性能强化以及微生物电解池耦合产氢体系内木质纤维素同步酶解发酵产氢过程中的传热传质等问题研究，研究内容涉及反应体系内的能质传递、生化反应和电化学特性等交叉学科的知识。课题首先开展了外加电场促进纤维素酶解糖化效率的研究，主要的研究工作包括电场强度、含水量、酶添加量、pH、电极切换时间等参数对纤维素基质酶解糖化效率的影响；研究了外加电场协同外源添加物（Tween-80、PEG6000、BSA、[BMIM]Cl）对木质纤维素基质酶解糖化效率影响；最后开展了电压、基质类型、初始pH、反应温度等操作参数影响下微生物电解池利用木质纤维素同步酶解发酵耦合产氢性能研究。课题工作主要得到以下成果：①设计了外加平行平板电场强化木质纤维素酶解糖化的一种新型装置，在该装置下，可以促进纤维素酶的吸附及迁移运动，达到提高纤维素酶解糖化效率的目的。课题主要研究了在外加电场作用下电场强度、基质含水量、酶的添加量、pH值、电极切换时间等因素对木质纤维素糖化效率的影响，研究发现在平行平板电场作用下最佳的操作条件：电场强度为12V/m、基质含水量为5mL/（g基质）、酶的添加量为26.68mg/（g基质）、pH值为4.5、电极切换时间为6小时，还原糖的产量在最佳条件下分别为：426.6、422.7、446.2、434.5、456.8mg。②实验研究了在电场协同作用下4种外源添加剂Tween-80、PEG6000、BSA和[BMIM]Cl对木质纤维素酶解糖化性能的影响。实验结果表明：在外加电场协同作用下，随着Tween-80、PEG6000、BSA的添加量增加，基质酶解糖化效率逐渐升高，但继续提高其添加量，基质酶解效率反而下降。在外加电场作用下，Tween-80、PEG6000、BSA的添加量分别为200μL g-1(基质)、40和20mg g-1(基质)时获得最高的酶解糖化效率。在外加电场条件下，BSA对酶解糖化的效率影响最大，其次依次为PEG6000和Tween-80，而[BMIM]Cl对酶解糖化表现为负作用。③课题设计了利用木质纤维素同步酶解发酵耦合产氢的双室微生物电解池系统，在该系统中H2与CO2分别在阴极室和阳极室产生，从而有效提高了系统的产氢性能和氢气纯度，降低了生产成本。课题主要研究了外加电压、基质类型、初始pH、反应温度等因素对微生物电解池耦合系统产氢性能的影响，实验结果发现：随着MEC系统输入电能的增加，系统中酶和质子迁移速率可能加快，导致氢气的产率、基质消减量呈逐渐上升的趋势，而能量回收效率呈逐渐下降的趋势；不同的纤维素类物质作为MEC耦合系统的底物，氢气产率和基质消减量有所不同；随着初始pH增加MEC耦合系统的产氢速率、能量回收效率呈先增加后减少的趋势；随着反应温度增加，MEC耦合系统的产氢速率、能量回收效率呈先增加后减少的趋势，这表明系统中质子及相关分子的传递过程及酶活性受温度条件的显著影响。分别在下列条件下MEC利用木质纤维素进行同步酶解发酵产氢时可得到相对大的产氢性能：输入电压为0.8V，底物为混合基质，初始pH为6.5，反应温度35°C，并且对应的最大产氢速率分别为：1.84、2.46、2.46、2.51mmol/L/D。