本研究是在国家863计划项目“太阳能生物制氢技术研究”(编号:2004AA515010)支持下开展的系列研究。能源短缺、环境污染是严重威胁当今人类生存的两大难题,开发可再生的清洁能源迫在眉睫,氢气以其能量密度高、可再生、以及洁净燃烧而被全球能源界公认为化石燃料的最佳替代者,在所有生产氢气的方法中,生物制氢以其生产条件温和(常温、常压中性pH值)、成本低廉(可利用工农业废弃物为原料)被认为最具发展潜力。光合细菌具有可降解多种有机物产氢不放氧、高原料转化效率和光转化效率、高纯度、高太阳光谱响应范围并且可与多种微生物共生建立良好微生物体系等特点,光合细菌太阳能生物制氢技术在生物制氢技术中占有重要的地位。 降低成本、提高转化效率、提供稳定的生产系统是实现生物制氢工业化进程的唯一途径,目前光合细菌制氢研究中多采用葡萄糖、苹果酸、乳酸、乙酸等为产氢原料,成本很高,本文主要研究以猪粪为原料的的光合细菌产氢技术,在降低成本的同时处理环境污染,一举两得;菌种性能的好坏是影响光转化效率和原料转化效率的根本因素,本文突破了在光合细菌产氢的研究中,多沿用资料报道的单株菌进行纯菌种产氢试验的弊端,进行了优势光合产氢菌群的系统筛选,采用原料不灭菌直接生产技术,初步解决了生物制氢的工业化进程中面临的混合优势菌群筛选及其产氢工艺等主要问题。 主要研究成果有以下几个方面: 1.根据各类光合细菌的生态特性和生理特征,在不同的季节,从具有代表性的6个地点获得24个典型样品,按照各类光合细菌的生长条件和营养需求,从培养基组成、pH值、光照强度,光照时间和周期、培养温度、厌氧状态几个方面设计出相应的培养基和培养条件,对光合细菌进行了广泛地富集和分离,获得33株光合细菌;按照猪粪的成分特点,对所分离出的33株光合细菌,进行了猪粪、相关小分子有机酸和葡萄糖利用能力研究,从中筛选出能较好地利用这三类基质的优势菌株作为初步筛选的结果;依据乙酸丙酸和丁酸是猪粪微生物转化的重要成分的原则,分别以这三种酸为产氢基质、以氢气产量为筛选标准进行产氢试验,筛选出7株高效产氢菌株;依据混菌培养具有原料利用广泛性的特点,研究了7株优势菌种的混合体系的产氢能力,结果表明7株优势产氢光合细菌所组成的混合菌群利用乙酸、丙酸和丁酸的产氢量分别为1590ml/g乙酸、2130ml/g丙酸和2520ml/g丁酸,高于大多数单株菌的产氢量,该氢气产量分别是乙酸、丙酸和丁酸的最大理论产氢量的95.7%、90.6%和89.0%,表明所筛选的优势光合细菌组合具有极高的原料转化效率。 2.依据影响光合细菌产氢的原理和工业化生产中低成本的需求,研究了以葡萄糖为基质利用高效产氢光合菌群生产氢气的影响因素,结果表明,高效产氢光合菌群产氢必须在光照、厌氧的条件下进行,高效产氢光合菌群的最佳产氢工艺条件是为:光照强度2000-60001x、温度28℃-34℃、pH值为5-8、接种量为10%-100%,添加氮源对产氢效果没有显著的影响,由于猪粪中含有大量的有机氮,表明猪粪产氢具有较好的工程应用前景。