光合-厌氧混合菌群生物共发酵产氢动力学研究

2019年3月农业机械学报第50卷第3期doi:10.6041/j.issn.1000鄄1298.2019.03.032光合厌氧混合菌群生物共发酵产氢动力学研究杜金宇1摇任学勇2摇青春耀3摇荆艳艳3摇李林泽3摇王摇毅3(1.河南牧业经济学院能源与动力工程学院,郑州450011;2.北京林业大学材料科学与技术学院,北京100083;3.河南农业大学农业农村部农村可再生能源新材料与装备重点实验室,郑州450002)摘要:以光合、厌氧细菌混合菌群为对象,研究了混合菌群共发酵产氢过程中产氢动力学特性,建立了混合菌群生物共发酵产氢过程中关于菌体质量浓度、底物利用及产氢量的动力学模型。将光照因素引入混合菌群产氢动力学模型中,采用同伦摄动法(HPM)对非线性动力学模型进行求解,得到了混合菌群共发酵产氢过程中菌体质量浓度、底物利用及产氢量的动力学模型。通过与实验数据对比,模型与实验数据基本一致,能够很好地反映出共发酵产氢过程中产氢参数的变化趋势。对建立的3个动力学模型的动力学参数的相互关系及其敏感性进行了分析,研究发现动力学参数中最大比生长速率对模型结果的影响最大,最大比生长速率对菌体质量浓度影响的变化量达到79%,对底物质量浓度影响的变化量达到118%,对产氢量影响的变化量达到98郾4%。关键词:生物制氢;混合菌群;共发酵;动力学模型;同伦摄动;敏感性分析中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:1000鄄1298(2019)03鄄0294鄄06收稿日期:20181218摇修回日期:20190113基金项目:国家自然科学基金面上项目(51376056)、河南省科技发展计划项目(182102110396、152300410072)和河南省高等教育教学改革研究与实践项目(2017SJGLX246)作者简介:杜金宇(1976—),男,讲师,博士,主要从事可再生能源研究,E鄄mail:dujyu@163.com通信作者:王毅(1981—),男,实验师,博士,主要从事生物质能研究,E鄄mail:wangyi2543@126.comDynamicCharacteristicsofCo鄄fermentativeHydrogenProductionbyMixedPhotosyntheticandAnaerobicConsortiumDUJinyu1摇RENXueyong2摇QINGChunyao3摇JINGYanyan3摇LILinze3摇WANGYi3(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,HenanUniversityofAnimalHusbandryandEconomy,Zhengzhou450011,China2.CollegeofMaterialsScienceandTechnology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China3.KeyLaboratoryofNewMaterialsandFacilitiesforRuralRenewableEnergy,MinistryofAgricultureandRuralAffairs,HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China)Abstract:Aimingtocombinetheadvantageofphoto鄄fermentationanddark鄄fermentationforbiohydrogenproduction,themixedphotosyntheticandanaerobicbacteriaconsortium(MPAC)wasusedtostudytheco鄄fermentativehydrogenproduction.Thekineticcharacteristicsofco鄄fermentativehydrogenproductionbyMPACwerestudied.Thekineticmodelsofcellgrowth,substrateutilizationandhydrogenproductionofco鄄fermentativehydrogenproductionbyMPACwereestablished.Theilluminationfactorwasfirstlyintroducedintothekineticmodelofbio鄄hydrogenproduction.Thenonlineardifferentialequationwassolvedbyhomotopyperturbationmethod(HPM)andthekineticmodelswereobtained.Bycomparingwiththeexperi