背景介紹:氫（H2）是一種方便的無碳能量載體。目前世界上生產(chǎn)的氫氣大部分來自經(jīng)過處理的液化天然氣，作為成熟的厭氧處理系統(tǒng)的一部分，最常見的非化石生產(chǎn)H2的途徑是通過可降解有機(jī)材料的發(fā)酵。有機(jī)廢物發(fā)酵過程中的代謝途徑主要受溶解H2濃度的控制，這已經(jīng)得到了很好的證實(shí)，但是目前還沒有報(bào)道比較通過控制溶解H2濃度所引起的發(fā)酵途徑的觀察和預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移的研究。研究人員提出了一種灌流系統(tǒng)，該灌流系統(tǒng)經(jīng)過開發(fā)，可通過高度富集嗜熱厭氧桿菌的培養(yǎng)物來控制葡萄糖連續(xù)發(fā)酵中溶解的H2濃度。研究人員主要是通過來自2.5 L CSTR的介質(zhì)通過燒結(jié)鋼膜過濾器來保留生物質(zhì)，允許在一個(gè)獨(dú)立的腔中進(jìn)行有力的噴射，并且不會(huì)破壞細(xì)胞。通過噴射和控制葡萄糖進(jìn)料速率從0.8到0.2 g/L/d的變化相結(jié)合，在溶解的H2濃度低至當(dāng)量平衡H2分壓為3 kPa的條件下進(jìn)行了一系列穩(wěn)態(tài)發(fā)酵。利用H2調(diào)節(jié)分區(qū)模型模擬了產(chǎn)物形成速率的變化趨勢(shì)。提出了一套連續(xù)的實(shí)驗(yàn)，在此條件下建立了一定范圍內(nèi)溶解H2濃度的穩(wěn)態(tài)條件。然后用細(xì)胞內(nèi)質(zhì)量平衡和Mosey提出的H2調(diào)節(jié)模型將H2產(chǎn)量與預(yù)測(cè)產(chǎn)量進(jìn)行比較。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

H2微電極傳感器（H2‐500，Unisense）用于測(cè)量發(fā)酵罐體中溶解的H2，該氫氣微電極位于串聯(lián)的50 mL腔室中，并用圍繞探針的氣密O型圈密封。將微傳感器連接到皮安計(jì)上（PA2000，Unisense）。氫氣微電極傳感器每天校準(zhǔn)三次，校準(zhǔn)點(diǎn)有三個(gè)：溶解在60℃營養(yǎng)液中的H2，其頂空濃度分別為0.005%、3%和21%。氫氣微電極傳感器經(jīng)過這樣的校準(zhǔn)確保了該傳感器在與反應(yīng)堆相同的鹽度和溫度條件下進(jìn)行校準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

開發(fā)出一種結(jié)合了膜過濾和氣體噴射的灌注系統(tǒng)。它提供了一種新穎的操作策略來控制發(fā)酵罐中溶解的H2濃度。通過將介質(zhì)循環(huán)通過噴射回路，當(dāng)以等效的平衡頂空H2濃度表示時(shí)，可將溶解的H2濃度降低至3％。產(chǎn)品產(chǎn)量隨著H2濃度的變化而改變，通過引入噴注電路和降低反應(yīng)器的進(jìn)料速率來實(shí)現(xiàn)。以溶解的H 2濃度為關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子的AH2調(diào)節(jié)分配模型是根據(jù)以前開發(fā)的模型改編的，模型中未使用擬合參數(shù)。此項(xiàng)研究也是首次直接測(cè)量溶解的H2濃度以模擬發(fā)酵產(chǎn)物分配并將這些模擬與記錄的發(fā)酵變化進(jìn)行比較的研究。

圖1、具有H 2調(diào)節(jié)位點(diǎn)的代謝途徑用于模擬葡萄糖的發(fā)酵過程示意圖。

圖2、a）灌注系統(tǒng)示意圖。實(shí)線表示液體管，箭頭表示流向。虛線表示用于數(shù)據(jù)采集和PLC控制信號(hào)的電線。b）鼓泡罐的示意圖和預(yù)制流路的示意圖。

圖3、使用unisense微電極系統(tǒng)測(cè)試在不同操作條件下發(fā)酵罐中溶解H2濃度、H2產(chǎn)率及體系pH值(上);通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)和模型模擬了有機(jī)酸(中)的形成速率;和醇的生成速率。

圖4、每種操作條件下的溶解H 2濃度和平均穩(wěn)態(tài)H 2產(chǎn)率。誤差棒代表每日測(cè)得的H 2產(chǎn)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖5、根據(jù)發(fā)酵途徑模型預(yù)測(cè)，產(chǎn)物產(chǎn)量是溶解H2的函數(shù)。pH=5.3（0.5 g/d灌注階段）。

結(jié)論與展望

本論文研究了有機(jī)廢物發(fā)酵過程中的代謝途徑是如何收溶解的H2濃度控制的。最常見的非化石生產(chǎn)H2的途徑是通過可降解有機(jī)材料的發(fā)酵。目前H2的低產(chǎn)量是通過最簡(jiǎn)單的糖的發(fā)酵實(shí)現(xiàn)的。從葡萄糖發(fā)酵中測(cè)試到的H2產(chǎn)率一般為2 mol/mol，僅為理論最大發(fā)酵產(chǎn)率(4 mol/mol)的50%，而使用純嗜熱培養(yǎng)物的研究已獲得H2的產(chǎn)量為4 mol/mol葡萄糖。但是目前還沒有報(bào)道比較通過控制溶解H2濃度所引起的發(fā)酵途徑的觀察和預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移的研究。研究人員提出了一種灌流系統(tǒng)，該灌流系統(tǒng)經(jīng)過開發(fā)，可通過高度富集嗜熱嗜熱厭氧桿菌的培養(yǎng)物來控制葡萄糖連續(xù)發(fā)酵中溶解的H 2濃度，并提出了一套連續(xù)的實(shí)驗(yàn)，在此條件下建立了一定范圍內(nèi)溶解H2濃度的穩(wěn)態(tài)條件，開發(fā)出一種結(jié)合了膜過濾和氣體噴射的灌注系統(tǒng)。

此研究提供了一種新穎的操作策略來控制發(fā)酵罐中溶解的H2濃度，通過使用unisense微電極研究系統(tǒng)結(jié)合H2微電極（H2-500）監(jiān)測(cè)發(fā)酵罐中溶液中的氫氣濃度，由于unisense微電極系統(tǒng)能夠快速的準(zhǔn)確的檢測(cè)出發(fā)酵罐中溶液中氫氣的濃度，研究人員首次提出了以溶解的H2濃度為關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子的AH2調(diào)節(jié)分配模型，這是研究人員首次直接測(cè)量溶解的H2濃度以模擬發(fā)酵產(chǎn)物分配并將這些模擬與記錄的發(fā)酵變化進(jìn)行比較的研究。這也說明unisense微電極系統(tǒng)在監(jiān)控有機(jī)廢物發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氫氣濃度具有非常好的應(yīng)用前景，相比于傳統(tǒng)的氣相色譜監(jiān)測(cè)有機(jī)廢物發(fā)酵過程中的氫氣濃度，該測(cè)試方法具有便捷的操作、快速而準(zhǔn)確獲得氫氣的濃度等優(yōu)勢(shì)。