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纤维素类生物质光合生物制氢尾液组成特性研究

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河南农业大学学报 2024年

作者：王耀哲张全国夏晨曦张寰张志萍李亚猛马晓然路朝阳蒋丹萍朱胜楠河南农业大学农业农村部可再生能源新材料与装备重点实验室黄河科技学院现代农业工程研究院

【目的】探究纤维素类生物质光合生物制氢尾液的组成特性。【方法】利用玉米秸秆、柳枝稷、芦竹等3种纤维素类生物质原料进行光和生物制氢，采用超高效液相色谱-质谱联用仪对3种制氢尾液进行检测，质谱数据经Compound discover软件分析... 详细信息

【目的】探究纤维素类生物质光合生物制氢尾液的组成特性。【方法】利用玉米秸秆、柳枝稷、芦竹等3种纤维素类生物质原料进行光和生物制氢，采用超高效液相色谱-质谱联用仪对3种制氢尾液进行检测，质谱数据经Compound discover软件分析，结合细菌代谢组学数据库，chemspider KEGG等多种数据库，分析可能存在的化学成分，并保留匹配度较高和含量较高的化学成分。【结果】3种物质中，玉米秸秆光合生物制氢尾液中含有122种化合物，其中独含26种化合物；柳枝稷光合生物制氢尾液中含有122种化合物，其中独含29种化合物；芦竹光合生物制氢尾液中含有114种化合物，其中独含30种化合物。【结论】玉米秸秆、柳枝稷、芦竹等纤维素类生物质光合生物制氢尾液中含有的主要组成成分基本相同，但不同原料的尾液组分仍含有不同的独有组分，并具有不同的组分差异特征和相适宜的高效高值应用场景。

关键词：纤维素类光合生物制氢制氢尾液色-质谱联用化学组成

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基于秸秆类生物质的生物氢气净化研究

太阳能学报 2021年第9期42卷 387-393页

作者：刘虹张志萍杨雪梅王艳锦路朝阳张全国河南农业大学农业部农村可再生能源新材料与装备重点实验室郑州450002 黄河科技学院现代农业工程研究院郑州450006

主要研究微藻对生物氢气的净化作用,生物氢气为秸秆类生物质光合生物制氢所得,利用驯化的微藻净化光合生物制氢中的生物氢气。以H2浓度、CO_(2)浓度、微藻生物量为指标,探究初始pH值以及通气速率对提纯生物氢气的影响,优化微藻净化光合... 详细信息

主要研究微藻对生物氢气的净化作用,生物氢气为秸秆类生物质光合生物制氢所得,利用驯化的微藻净化光合生物制氢中的生物氢气。以H2浓度、CO_(2)浓度、微藻生物量为指标,探究初始pH值以及通气速率对提纯生物氢气的影响,优化微藻净化光合生物制氢中的生物氢气工艺,实现H2的高效提纯与净化。结果表明:一定范围内pH值对微藻净化生物氢气无显著影响。通入生物氢气的速率对微藻的生长以及生物氢气的净化有显著影响。当空气循环泵的转速为1000 r/min时,微藻的生长状况最好,对生物氢气的净化效果最好,最大生物量可达3.68 g/L。

关键词：光合生物制氢氢气净化微藻培养 CO2吸收秸秆

氨基酸对光合菌群HAU-M1发酵玉米秸秆产氢能力的影响

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太阳能学报 2021年第5期42卷 488-493页

作者：夏晨曦张全国张志萍胡建军贺超荆艳艳河南农业大学农业部可再生能源新材料与装备重点实验室郑州450002

为研究氨基酸对光合发酵产氢的影响,以玉米秸秆为产氢底物,以比产氢量为主要指标,分别添加不同浓度的L-半胱氨酸和L-苏氨酸,并对其累积产氢量、pH值、氧化还原电位(ORP)和产氢动力学结果进行分析。结果表明:L-半胱氨酸最佳浓度为0.6 g/L... 详细信息

为研究氨基酸对光合发酵产氢的影响,以玉米秸秆为产氢底物,以比产氢量为主要指标,分别添加不同浓度的L-半胱氨酸和L-苏氨酸,并对其累积产氢量、pH值、氧化还原电位(ORP)和产氢动力学结果进行分析。结果表明:L-半胱氨酸最佳浓度为0.6 g/L,此时比产氢量为(54.4±0.75)mL/g,比对照组提高45.45%;L-苏氨酸最佳浓度为0.6 g/L,比产氢量为(48.6±0.55)mL/g,比对照组提高31.71%。产氢动力学特性结果表明:适量的L-半胱氨酸和L-苏氨酸均可提高最大产氢潜能和最大产氢速率,但前者可缩短产氢延迟时间,后者会增加产氢延迟时间。

关键词：光合细菌光合生物制氢氨基酸玉米秸秆氮源

光合生物制氢与质子交换膜燃料电池的适配性研究

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光合生物制氢与质子交换膜燃料电池的适配性研究

作者：唐果河南农业大学

学位级别：硕士

光合生物产氢技术利用细菌发酵生产氢气,已成为一项热门的绿色能源技术,拥有无限广阔的前景。使用质子交换膜燃料电池可将氢能高效无污染地转换为电能。若两者可结合使用,必将成为一种绿色环保高效的发电方式。本文研究了光合生物制氢... 详细信息

光合生物产氢技术利用细菌发酵生产氢气,已成为一项热门的绿色能源技术,拥有无限广阔的前景。使用质子交换膜燃料电池可将氢能高效无污染地转换为电能。若两者可结合使用,必将成为一种绿色环保高效的发电方式。本文研究了光合生物制氢设备在不同水力滞留时间下的产氢效果,并以最佳产氢效果所对应的水力滞留时间为依据,使用此水力滞留时间对应的产氢速率和氢气浓度选用对应的氢气-二氧化碳混合气体驱动燃料电池并进行输出分析。光合生物制氢实验使用葡萄糖作为底物,选用HAU-M1型菌种,使用有效体积为1 m3的连续式折流板生物制氢反应器,选用水力滞留时间为12 h、24 h、36 h、48 h、60 h,对应流量分别为2 m3/d、1m3/d、0.67 m3/d、0.5 m3/d和0.4 m3/d。燃料电池输出性能研究选用最大输出功率为80 W的质子交换膜燃料电池堆、可调电子负载、电磁阀以及相关控制电路,并使用40-60%的氢气-二氧化碳混合气体驱动,依照实验结果将燃料电池与连续式光合生物制氢装置进行适配。实验结果表明:1)光合生物制氢实验中,在水力滞留时间为12～60 h时,产氢速率的变化范围为0.52～1.16 m3/m3/d,产氢浓度的变化范围为48.88～52.89%。水力滞留时间为24 h时,光合生物制氢设备的总产氢速率最高,为1.16 m3/m3/d,对应平均氢气浓度为50.97%:水力滞留时间为48h时,光合生物制氢设备的平均氢气浓度最高,为52.89%,对应总产氢速率为0.56 m3/m3/d。2)质子交换膜燃料电池在使用浓度为40～60%的氢气-二氧化碳混合气体的驱动下可在一定功率下正常运行。在可正常运行的功率范围内,输入混合气体的氢气浓度越低,对应最大输出功率越低,所需设定的吹扫周期越短,相同功率输出下所需气体流量越大。燃料电池在一个吹扫周期内的输出功率随时间增长而下降,二者可以很好地用二次方程进行拟合;燃料电池在一个吹扫周期内输入气体的平均流量和平均输出功率可以很好地用一次方程进行拟合。在输入氢气浓度为60%时,最大平均输出功率为35.73 W,对应输出电流为1.6A;在输入氢气浓度为40%时,最大平均输出功率为18.96 W,对应输出电流为0.7 A。将水力滞留时间为24 h下对应的产氢结果与质子交换膜燃料电池堆进行适配,可实现连续输出功率约为62.25 W。

关键词：光合生物制氢燃料电池绿色能源适配

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pH值对白茅生物质光合生物产氢的影响

安全与环境学报 2022年第2期22卷 1013-1018页

作者：荆艳艳周小楷李芳王震宁张全国河南农业大学河南省生物质能源与纳米材料国际联合实验室郑州450002

为了探究pH值对白茅光合产氢体系产氢效果的影响,使用白茅生物质作为产氢原料,以产氢速率和产氢量为关键指标、以还原糖质量浓度和氧化还原电位(ORP)等为辅助指标研究pH值对白茅光合生物产氢的影响,分析几种指标的数据变化情况,提出pH... 详细信息

为了探究pH值对白茅光合产氢体系产氢效果的影响,使用白茅生物质作为产氢原料,以产氢速率和产氢量为关键指标、以还原糖质量浓度和氧化还原电位(ORP)等为辅助指标研究pH值对白茅光合生物产氢的影响,分析几种指标的数据变化情况,提出pH值对白茅光合生物产氢的影响规律。结果表明,ORP呈现先降低后上升的趋势。当pH=8时,光合细菌对白茅降解的还原糖利用率较高,超过了94.8%;累计产氢量和产氢速率达到最大,分别为422 mL和8.08 mL/h,ORP达到最小值-465 mV。试验结束时各体系的pH值维持在5.3~5.5,中性和碱性环境下白茅光合生物产氢能力明显高于酸性环境下的产氢能力,但碱性过强又对产氢能力产生抑制作用。

关键词：环境工程学 pH值光合生物制氢白茅生物质

负载二氧化钛陶瓷材料对玉米秸秆光合生物制氢的影响

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河南农业大学学报 2023年第1期57卷 118-124,135页

作者：王健张全国刘虹王锴鑫郭思懿路朝阳河南农业大学农业农村部可再生能源新材料与装备重点实验室河南郑州450002

【目的】探究陶瓷材料作为二氧化钛(TiO_(2))载体在玉米秸秆光合生物制氢中的作用。【方法】将3种陶瓷材料(氧化铝、氧化锆和碳化硅)负载TiO_(2),以累计产氢量、pH值和还原糖质量浓度为考察指标,考察负载TiO_(2)陶瓷材料对玉米秸秆光合... 详细信息

【目的】探究陶瓷材料作为二氧化钛(TiO_(2))载体在玉米秸秆光合生物制氢中的作用。【方法】将3种陶瓷材料(氧化铝、氧化锆和碳化硅)负载TiO_(2),以累计产氢量、pH值和还原糖质量浓度为考察指标,考察负载TiO_(2)陶瓷材料对玉米秸秆光合生物制氢的影响及重复使用效果。【结果】添加负载TiO_(2)陶瓷材料可以提高玉米秸秆光合生物制氢累计产氢量,其中负载TiO_(2)氧化铝陶瓷材料效果最好,累计产氢量相较空白对照组提高了25.7%,最大产氢速率为12.08 mL·h^(-1);添加负载TiO_(2)陶瓷材料对光合生物制氢pH值和还原糖质量浓度的影响较小,仅在12~48 h内导致还原糖质量浓度明显降低。在重复使用试验中,负载TiO_(2)氧化锆陶瓷材料在第二次和第三次使用中效果更好,累计产氢量相较空白对照组提高了24.7%和28.0%,可以有效提高TiO_(2)的重复利用率。利用扫描电子显微镜观察使用后的陶瓷材料,发现TiO_(2)的负载有利于光合细菌的固定。【结论】添加负载TiO_(2)陶瓷材料可以有效提高TiO_(2)在玉米秸秆光合生物制氢工艺中的催化效果和重复利用率。

关键词： TiO_(2) 陶瓷材料玉米秸秆光合生物制氢催化

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静磁场中光合生物制氢技术的工艺优化研究

静磁场中光合生物制氢技术的工艺优化研究

作者：水雪楠河南农业大学

学位级别：硕士

氢能被视为是实现碳中和与替代化石能源的最清洁的可再生能源,光合生物制氢技术的零负碳排放特征受到社会各界广泛关注。同时,磁生物效应已被证明与微生物分子结构、活性、代谢过程等密切相关,并影响到光合生物制氢过程。本文以芦竹为... 详细信息

氢能被视为是实现碳中和与替代化石能源的最清洁的可再生能源,光合生物制氢技术的零负碳排放特征受到社会各界广泛关注。同时,磁生物效应已被证明与微生物分子结构、活性、代谢过程等密切相关,并影响到光合生物制氢过程。本文以芦竹为光合生物制氢底物,研究了静磁场及其与磁性纳米颗粒的共添加对光合生物制氢的影响,分析了产氢过程中的产氢特性、发酵液特性、可溶性新代谢产物和固氮酶活性的变化规律,并采用修正的Gompertz方程对产氢结果进行了拟合与分析,优化静磁场中的光合生物制氢工艺技术,以提高产氢微生物的菌种活性和强化光合生物制氢过程。实验结果表明:(1)静磁场对光合细菌的产氢过程存在积极影响。在20 m T磁场强度的刺激下得到了最高的累积产氢量(112.7 m L/g TS)和最大产氢速率(3.87 m L/g TS/h),分别比未添加磁场的对照组显著提高了26.1%和20%(p光合生物制氢过程的累积产氢量。在20 m T的静磁场强度与100 mg/L的磁性FeO NPs的作用下,累积产氢量比单一添加磁场(85.66 m L/g TS)提高了24.2%,同时添加Fe NPs、Ni NPs分别比单一添加磁场提高了8.8%和20.5%。动力学分析表明,磁性纳米颗粒的添加可以获得最高的产氢潜力。而且,磁性纳米颗粒的添加也不同程度地提高了还原糖的含量,降低了乙醇的生成,加强了光合细菌对挥发性脂肪酸的代谢,有利于促进底物向乙酸和丁酸的转化。(3)静磁场及其与磁性纳米颗粒的共添加有利于固氮酶活性的提高。实验过程中固氮酶活性始终保持在80.6 IU/L～84.3 IU/L之间,在20 m T的静磁场强度的刺激下,固氮酶活性在18 h时达到最高的121.13 IU/L。进一步添加100 mg/L的FeO NPs后,固氮酶活性在12 h时达到157.7IU/L,是对照组的1.87倍。研究结果表明在静磁场及其与磁性纳米颗粒的共同作用下,固氮酶活性得到大幅度提高,这说明静磁场及其与磁性纳米颗粒的共添加对光合细菌内关键酶活性的提高以及氢气的生产有积极作用。(4)在20 m T最佳静磁场强度与100 mg/L的FeO NPs最适添加浓度的基础上,进行了工艺优化研究,得到最佳的发酵工艺为:光照条件为4000 Lux、p H为7、细菌的接种体积比为20%。在不同的单因素条件优化条件下,光合细菌的产氢延迟期在最佳的发酵条件下均有不同程度的缩短,这表明适当的发酵条件对发酵时间的缩短和光合细菌产氢性能的增强起着至关重要的作用。

关键词：芦竹光合生物制氢磁生物效应静磁场工艺优化

基于熵产率分析的折流板式光合生物制氢反应器结构与工艺优化

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基于熵产率分析的折流板式光合生物制氢反应器结构与工艺优化

作者：高飞河南农业大学

学位级别：硕士

光合生物能源转化凭借其生产能耗低、环境友好等优点,被认为是最具有潜力的能源转化方式之一。然而目前生物能源转化仍面临着转化效率低等瓶颈问题,其中生物反应器效率对转化过程起着重要作用。因此,对光生物反应器进行优化,提高转化效... 详细信息

光合生物能源转化凭借其生产能耗低、环境友好等优点,被认为是最具有潜力的能源转化方式之一。然而目前生物能源转化仍面临着转化效率低等瓶颈问题,其中生物反应器效率对转化过程起着重要作用。因此,对光生物反应器进行优化,提高转化效率,显得十分必要。本文基于折流板式光合生物制氢反应器(ABR)运行过程中流场特性、热量传递、物质转化以及化学反应过程特性,获得了ABR反应器的速度场、温度场和浓度场,并采用非平衡热力学熵产率分析方法,以综合熵产率和反应速率两因素的熵产最小化分析方法为原则,对ABR反应器的结构与运行工艺条件进行了优化。主要研究结果和结论如下:(1)建立了ABR反应器非平衡热力学熵产率优化模型。结合光合细菌Monod方程、底物降解模型Logistic模型与光合细菌产氢动力学Luedeking-Piret方程计算光合细菌底物降解速率与产氢速率,并根据传热传质学理论与反应动力学方程,应用非平衡热力学理论,建立了ABR反应器熵产率模型。该模型考虑了ABR反应器中存在的光合细菌生化反应,将非平衡热力学熵产率分析应用于复杂的光合产氢过程。(2)采用非平衡热力学熵产率模型优化了ABR反应器结构,获得了优化的反应器关键结构尺寸。对预设的ABR反应器模型进行了网格无关性验证与模型验证,并对ABR反应器不同结构进行数值模拟,获得了不同结构对反应器运行时非平衡热力学熵产率分布的影响,根据单位氢气生成量的熵产(S/R)最小原则,得到该反应器模型的最佳结构为:上下流室宽度比为3:1,折流板底端距底面距离为30 mm。(3)通过熵产率优化了反应器运行的关键工艺条件,以单位氢气生成量的熵产(S/R)最小作为指标优化ABR反应器的运行工艺可行。研究了入口溶液温度、壁面温度、光照强度、水力滞留期(HRT)和底物葡萄糖初始浓度对反应器内熵产率分布、单位葡萄糖消耗量和单位氢气生成量的熵产的影响规律;通过分析比较,以单位氢气生成量的熵产(S/R)最小作为优化原则得出反应器最佳运行工艺条件为:培养液入口温度为30℃,反应器壁面温度为30℃,光照强度为6000 lx,反应器HRT为12 h,培养液入口葡萄糖浓度为150 mol·m;对优化后ABR反应器的熵产率分布进行分析,工艺条件影响的主次顺序为:光照强度>入口溶液温度>壁面温度>底物初始浓度>水力滞留期。(4)获得了最佳工艺条件下反应器运行中的速度场、温度场与浓度场分布规律。通过模拟得到在最佳工艺条件下,ABR反应器在稳定运行时湍流为流体的主要流动状态;反应器内溶液平均温度为304.04K,出口溶液温度相较入口溶液温度上升了1.37K,最高温度位于反应器顶部受光面附近为305.08K;葡萄糖浓度在主流区随着溶液的流动浓度逐渐降低,而氢气的浓度与之相反沿着流动方向浓度逐渐升高。葡萄糖光合产氢实验的产氢速率结果与采用建立的模型模拟结果相比,在0-84 h期间,二者的相对误差最大为9.1%,验证了模拟结果的可靠性。

关键词：光合生物制氢 ABR反应器非平衡热力学熵产率传热传质

消泡剂对玉米秸秆光合生物制氢的影响及其工艺优化研究

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消泡剂对玉米秸秆光合生物制氢的影响及其工艺优化研究

作者：王锴鑫河南农业大学

学位级别：硕士

光合生物制氢在以秸秆等木质纤维素类原料为底物时,常常出现底物伴随气泡上浮形成泡沫与浮渣的现象,影响光合生物制氢的效果,减弱泡沫的产生与降低泡沫存在时间将可能提高秸秆类光合生物制氢的产氢效果,也有助于解决工业化生产的实际问... 详细信息

光合生物制氢在以秸秆等木质纤维素类原料为底物时,常常出现底物伴随气泡上浮形成泡沫与浮渣的现象,影响光合生物制氢的效果,减弱泡沫的产生与降低泡沫存在时间将可能提高秸秆类光合生物制氢的产氢效果,也有助于解决工业化生产的实际问题。本文中使用六种不同成分的消泡剂作为添加物,研究了不同消泡剂的添加量对总产氢量、产氢速率、平均氢气浓度、泡沫高度、发酵液表面张力等多个方面的影响。从多种消泡剂中选出一种进行响应面法模型实验以优化工艺参数,尝试通过改变消泡剂添加量、底物浓度和底物目数以提高光合生物制氢的效率与稳定性。实验结果表明:（1）通过对多种消泡剂的添加实验结果的分析,与不添加消泡剂相比,添加各种消泡剂均不同程度地提升了光合生物制氢的产氢量。其中型号为F1075的消泡剂在0.125 m L/L的添加量时,累计产氢量相较于对照组提高了22.9%,为72.6 m L/g。消泡剂提升累计产氢量的效果并不随着添加量的增加持续提高,当超过一定浓度时,累计产氢量不再提高。通过产氢动力学分析发现,F1075消泡剂的添加明显地改变了产氢曲线的形态,降低了最大产氢速率,从而使发酵过程变得更加稳定可控。（2）通过对发酵过程泡沫产生与持续情况的观察,发现添加消泡剂可以有效地起到控制泡沫的作用,减少泡沫的峰值高度与泡沫的持续时间。消泡剂的添加量越多,泡沫控制的效果越好。通过对泡沫层的结构进行分析,发现秸秆的长纤维结构增强了泡沫的稳定性。通过将同样浓度的消泡剂加入到光合细菌生长培养基中,发现本文使用的的大部分消泡剂对细菌生长基本没有影响,不会对细菌的生长产生毒性作用。（3）对发酵过程中的pH值、还原糖等液相成分进行了测量,发现不同的消泡剂添加没有产生明显的组间差异,说明消泡剂并非通过以上成分影响产氢过程。通过对发酵液的表面张力和粘度系数进行测量与分析,发现消泡剂的添加对发酵液的表面张力有较大的影响,对粘度系数的影响较小。表面张力和粘度系数可能是改变消泡效果的关键因素。（4）在单因素实验的基础上,进行了响应面法工艺因素优化,以总产氢量与累计泡沫高度两种实验结果作为响应值,分析了因素间的交互作用影响。当底物浓度为35.9 g/L,底物目数100目,消泡剂添加量0.134 m L/L时,具有最优的累计产氢量79.41 m L/g。经过优化后的工艺条件可以最大程度提高单位秸秆的产氢量同时减少泡沫的产生。通过实验验证,该模型误差较小,符合实际情况。

关键词：生物氢气光合生物制氢消泡剂泡沫控制工艺优化