C_N对细菌产氢发酵类型及产氢能力的影响
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收稿日期:2002 12 26基金项目:国家 973 科技攻关项目(G2000026402)文章编号:0254 0096(2004)03 0375 04C/N 对细菌产氢发酵类型及产氢能力的影响王 勇,孙寓姣,任南琪,李建政(哈尔滨工业大学环境生物技术研究中心,哈尔滨150090)摘 要:反应基质中的C/N 比作为影响因子,参与细菌的产能代谢过程,主要作用于微生物的自身合成代谢过程和有机物在微生物体内的生物氧化过程。
乙醇型发酵过程中由于物质和能量转化间高度平衡细胞合成代谢处于较低的水平,而丁酸型发酵过程中,由于N ADH+H +参与细胞合成代谢。
所以发酵基质内C/N 比过低,过剩的N 源物质进一步促进了微生物细胞的合成代谢。
并且导致的发酵类型向丁酸型发酵转变的现象,是微生物种群维持 内平衡 的适应性结果。
分析认为反应基质中的C/N 比作为影响因子,是作用于系统发酵产氢过程稳定性的主要因素之一。
在试验及生产过程中,为了得到最佳产氢发酵类型!乙醇型发醇,应严格控制反应系统底物环境内C/N ∀200,将微生物细胞合成代谢过程控制在较低的水平,在提高系统产氢能力及其稳定性的同时,降低系统剩余污泥的产生量。
关键词:丁酸型发酵;乙醇型发酵;影响因子;内平衡;剩余污泥中图分类号:T K 6 文献标识码:A0 前 言在发酵法生物制氢技术研究中,对发酵细菌的利用已经进行了20多年的深入研究,但是氢产率较低[1-5]。
我们对有机废水发酵法生物制氢理论进行逐步深入的研究,提出乙醇型发酵类型和丁酸型发酵类型为厌氧发酵过程中的两条主要产氢途径[6]。
理论研究认为,一些化合物降解反应过程中需要向基质中添加某些化合物以诱导、辅助降解或作为营养来源,缺乏这些营养可能会减慢或限制性改变微生物对化合物的降解过程。
这些营养主要是氮、磷等营养盐类。
微生物将废水中C 、N 、P 等元素作为自身增殖的基本成分摄取,除碳源物质外,最重要的物质是N 源物质[7]。
有机物在生物体细胞内的氧化称为生物氧化。
而这种生物氧化过程需要一定的环境因素的支持[8]。
在产氢一产酸发酵系统内,多种限制性生态因子发挥作用,本文将对该系统微生物群落研究中主要可控生态因子!C/N 对细菌产氢发酵过程的影响进行研究。
1 实验装置与方法我们所利用的动态连续流试验底物为人工配制的糖蜜废水(成分见表1所示),在不同试验阶段内发酵底物中选择性添加的氮源营养的摩尔浓度相同。
基本试验装置及流程如图1所示,各试验阶段H RT 均为8h,进水pH 值为6 2~6 9之间,COD 测定在6000~8000m g/L 之间。
两项试验反应器内温度均控制在37#;纯菌静态试验底物为人工配制而成(成分见表2所示)。
反应方式为间歇式静态厌氧发酵,基本试验装置如图2所示,单位发酵底物100ml,初始发酵底物pH 值为6 2~6 5之间。
在整个试验指标分析测定过程中,主要采用的方法均参照相关国家标准[9]。
1 配水箱;2 发酵制氢反应器;3 计量泵;4 搅拌机;5 水封;6 湿式气体计量表;7 加热及温控装置图1 连续流试验装置及流程示意图F ig 1 Schematic diag ram of H 2-producingfermentation reactor system第25卷 第3期2004年6月太 阳 能 学 报ACTA ENERGIAE S OLARIS SINICAVol 25,No 3July,20041 恒温水浴装置,2 反应瓶,3 反应液取样口,4 发酵气导管,5 气体收集计量管,6 气体取样及排空口,7 水准瓶,8 软管图2 间歇培养试验装置示意图F ig 2 Schematic diag ram of batch cultur e表1 连续流试验底物组成T able1 Substrate component continuous flow test成分底物类型∃型%型CO D(糖蜜)6000mg/L6000mg/LNH4NO3500/mg&L-150/mg&L-1表2 间歇式发酵试验底物组成T able2 Substrate components of batch fermenting test成分底物类型∃型%型葡萄糖10g10gNH4NO30g10g牛肉浸膏2g2g酵母浸膏2g2g半胱氨酸0 2g0 2g维生素0 1g0 1gK2HP O41g1gNaCl4g4g刃天青0 01g0 01g蒸馏水1000ml1000ml2 试验结果与讨论2 1 动态连续流试验过程中氮源营养环境对细菌产酸发酵的影响研究中,我们结合相关理论依据,采用动态连续流小试形式对厌氧产酸产氢发酵活性污泥进行了试验分析。
试验底物是人为添加氮源条件下的∃型发酵底物和无人为添加氮源的%型发酵底物(底物成分见表1),将相同细菌分别接种于两种发酵底物内进行试验,反应器容积负荷为23 1kg COD/ m3&d-1。
试验结果为(见图3):在∃型发酵底物内发醇过程中,产酸产氢厌氧活性污泥经过驯化后,正常运行过程中,反应器出水液相产物内主要成分为乙醇和乙酸,仍呈典型的乙醇型发醇状态。
在反应器正常运行20d后(图中虚线表示底物类型转换时间),将底物换为%型发醇底物,结果发现,发酵过程中,乙醇型发酵过程产生不稳定的波动,液相产物内主要成分逐渐转变为丁酸和乙酸,呈典型的丁酸型发酵过程。
图3 动态运行过程中出水液相产物变化F ig 3 Changes for matio n in out-w at er图4 动态运行过程中比产氢速率变化Fig 4 Chang es specific speed producing hydrogen试验结果充分表明,在∃型发酵底物和%型发酵底物内以氮源为单一选择性影响因子的作用下,使这乙醇型产酸产氢发酵污泥的代谢途径向丁酸型发酵过程转变。
分析认为,氮源作为限制性底物诱导因子,作用于细菌合成代谢及细菌的产酸-产氢代谢过程中相关酶系的作用过程,使得细菌发酵途径发生转变。
同时,从图4中可以看出,在系统发酵类型转变的同时,系统比产氢速率由乙醇型发酵正常运行过程中的9mol/kgCOD左右下降至丁酸型发酵过程中的6mol/kgCOD左右,微生物发酵产氢能力下降。
376太 阳 能 学 报 25卷2 2 静态间歇试验过程中氮源营养环境对细菌产酸发酵的影响试验用微生物为从动态试验乙醇型发酵稳定运行阶段厌氧活性污泥中筛选的15株乙醇型产酸产氢发酵细菌,在间歇式静态装置内进行发酵试验(试验装置见图2所示)。
发酵底物为∃型发酵底物和含富含氮源营养的%型发酵底物(底物成分见表2),将相同细菌分别接种于两种发酵底物内。
试验结果为:在∃型发酵底物内发酵过程中,15株乙醇型产酸产氢发醇细菌发酵液相产物内主要成分为乙醇和乙酸,仍呈典型的乙醇型发酵。
在%型发酵底物内发酵过程中,14株原乙醇型产酸产氢发酵细菌发酵液相产物内主要成分转变为丁酸和乙酸,呈典型的丁酸型发酵。
另外1株细菌发酵液相产物内丁酸、丙酸含量也较∃型底物内有所提高,呈现混合酸发酵。
%型发酵底物内细菌发酵类型分化参见图5所示。
图5 %型发酵底物对细菌发酵类型的影响F ig 5 Bacter ial fer ment type influenced by %typebetten matter试验结果充分表明,在∃型发醇底物和%型发醇底物内以氮源营养为单一选择性影响因子的作用下,使这15株乙醇型产酸产氢发酵细菌的代谢途径发生转变。
分析认为,与动态试验结果相似,氮源物质作为底物诱导因子,作用于细菌代谢途径中,影响了细菌的产酸-产氢代谢过程中相关酶系的作用过程,使得细菌发酵途径发生转变。
试验过程中针对氮源营养对细菌产酸产氢发酵的影响进行了进一步的比较分析,试验底物采用∃型发酵底物和%型发酵底物。
试验对象为上述试验中15株乙醇型产酸产氢发酵细菌内的5株转化为了丁酸型发酵的典型细菌,其发酵类型转变明显,发酵类型转化前后产氢能力变化较大。
试验结果为(参见图6):在∃型发酵底物内,此5株细菌在静态发酵试验结果均为典型的乙醇型发酵;在%型发酵底物内,该5株细菌发酵类型发生转变,从液相发酵产物分析来看,以丁酸、乙酸为主,丙酸含量次之,呈现典型的丁酸型发酵。
在产氢能力对比来看,这5株细菌在呈现典型的乙醇型发酵过程中比产氢速率相对较高,而其发酵类型发生转变后,比产氢速率有所下降。
图6 两种发酵底物内细菌比产氢速率变化F ig 6 Bacter ium pro hydrogen speed chang es intwo kinds ferment bottom matter分析认为,反应基质中的C/N 比作为影响因子,参与环境对细菌的产能代谢过程,主要作用于微生物的自身合成代谢过程和有机物在微生物体内的生物氧化过程。
N 做为生物有机体的重要组成元素,通过生物合成反应构成生物细胞体。
而乙醇型发酵过程中由于物质和能量转化间高度平衡,细胞合成代谢处于较低的水平,而丁酸型发酵过程中,由于NADH 的过剩,与生物合成代谢紧密相关,使合成代谢水平处于较高的水平,所以受到过剩氮源的影响,直接影响细菌对有机物的生物氧化过程及有机物氧化脱氢作用,即丁酸型发酵过程产生的剩余NADH +H +参与细胞合成代谢。
所以发酵基质内C/N 比过低,过剩的N 源物质进一步促进了微生物细胞的合成代谢。
可以认为反应基质中的C/N 比作为影响因子,是影响系统发酵产氢过程稳定性的主要因素之一,而系统内C/N 值过低导致的发酵类型向丁酸型发酵转变的现象,是微生物种群维持 内平衡 的适应性结果。
所以在试验及生产过程中,为了得到最佳产氢发酵类型!!!乙醇377 3期 王 勇等:C/N 对细菌产氢发酵类型及产氢能力的影响型发醇,应严格控制反应系统底物环境内C/N ∀200,将微生物细胞合成代谢过程控制在较低的水平。
3 结 论反应基质中的C/N 比作为影响因子,参与环境对细菌的合成代谢过程。
乙醇型发酵过程中由于物质和能量转化间高度平衡,细胞合成代谢处于较低的水平,而丁酸型发酵过程中,由于NADH 的过剩,与生物合成代谢紧密相关,使合成代谢水平处于较高的水平。
丁酸型发酵过程产生的剩余NADH +H +参与细胞合成代谢。
所以发酵基质内C/N 比过低,过剩的N 源物质进一步促进了微生物细胞的合成代谢。
可以认为反应基质中的C/N 比作为影响因子,是影响系统发酵产氢过程稳定性的主要因素之一,而系统内C/N 值过低导致的发酵类型向丁酸型发酵转变的现象,是微生物种群维持 内平衡 的适应性结果。
在试验及生产过程中,为了得到最佳产氢发酵类型!!!乙醇型发酵,应严格控制反应系统底物环境内C/N ∀200,将微生物细胞合成代谢过程控制在较低的水平。
