农业工程河南省高等学校青年骨干教师考核报告.docx

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1、学科名称农业工程河南省高等学校青年骨干教师考核报告项目名称：生物质秸秆光合产氢体系传质特性研究起止时间： 2017年 至 2020年培养对象姓名： 荆艳艳专业技术职务:副教授学 校：河南农业大学填表日期：20表年11月26日 产氢混合菌群的生长特性研究，证明了混合菌种的生长周期具有非线性的规律，获 得各生长模型的拐点时龄均在菌群的对数生长期，且Logistic模型的拟合度最高 为0.9797,其次是Gompertz模型，并应用Logistic模型得到HAU-Ml光合菌群的 绝对生长速率和相对生长速率，获得底物可以作为碳源和能量物质为光合细菌的生 长提供基础物质条件，同时也为光合细菌产氢提供氢质

2、子和电子供体，要维持 HAU-Ml光合菌群较好的活性，在生长培养12h以后需要增大营养物质的添加量，以 满足光合产氢细菌生长代谢的需求。、E普/卜空氐、E普/卜空氐图8 HAU-M1光合产氢菌群生长规律同时利用非线性回归方程直接进入非线性最小二乘拟合，采用试样法使得参数 平方和最小而进行循环迭代估计，进行了生物质秸秆粉酸碱糖化和酶解糖化光合产 氢传质研究。4种秸秆的产氢高峰期都集中在光合细菌的对数期，小麦秸秆大约有 80%的氢气在这个阶段累积，而其它3种秸秆在对数期的产氢累积量达到了 90%以上, 等菌种进入稳定期时，虽然菌种数目达到了动态平衡，但由于底物中还原糖消耗和 菌种活力的下降导致在这

3、个阶段中累积的氢气很少。图9不同秸秆的累积产氢量采用修正的Gompertz方程对秸秆生物质的酶解产氢进行分析，揭示了秸秆粉 底物降解规律及其与产氢之间的关系。酶水解的过程中小麦秸秆累积的还原糖量最 高，光合生物产氢能力最强，产氢速率也最大，即秸秆酶解糖化能力与产氢传质有 直接关系，随着菌体数目的增多和活性的增大，4种秸秆类生物质的产氢量达到了 90%以上，产氢速率达到了最大值，同时由于菌体的迅速增长使得底物中还原糖的 含量几乎被消耗殆尽，也解除了底物中还原糖对纤维素酶的抑制，说明秸秆水解糖 化能力越强，光合细菌消耗底物能力越强，产氢传质能力越大，生物秸秆的水解糖 化对产氢起着重要作用。图io不

4、同秸秆底物降解曲线分析了工艺参数对生物质秸秆粉酶解糖化产氢过程的影响，得到不同类型粉光 合产氢生化反应过程，pH值对产氢和糖化的影响较为显著，随着产氢的进行底物中的还原糖逐渐被光合细菌消耗转化为小分子酸，底物中还原糖质量浓度越高最后料 液中累积的小分子酸就越多，pH值就越小。pH值为6-9时，还原糖的降解率明显 高于较强酸或较强碱条件下的还原糖降解率。采用优化的产氢工艺进行秸秆粉发酵 产氢，累积产氢量达到2.6mol H2/mol还原糖，底物降解率可达82-94%。Time (h)(HMrsans Mucnpsx_ _ _ - . o 4 3 2 1 0 0.0.0.0.us/ as U2WU

5、m suoj Jsans M三 MPa图11不同初始pH值对光合制氢过程中还原糖降解的影响进一步探讨了秸秆糖化产氢过程，还原糖逐渐被光合细菌消耗，除转化为氢气 和自身生长所需能量外，细菌代谢活动将底物转化为乙酸和丁酸等小分子酸代谢副 产物过程，如图12。揭示了利用HAU-Ml光合菌群进行光合生物制氢的底物代谢途 径，发现丁酸型发酵更适用于生物质多相流光合产氢过程的进行。图12光合生物制氢过程液相成分变化规律研究分析了秸秆粉光合产氢能力与产氢菌种生长和底物还原糖消耗之间的相 关关系，得到秸秆类生物质酶解动力学参数与还原糖质量浓度及累积产氢量成正比 例的关系。揭示了产氢过程从生物质秸秆到可利用还原

6、糖再至有机酸生成和氢能产 生的物质转化规律，指出前期光合细菌将底物从细胞外扩散到细胞内时，生物体内代谢活动转化的能量主要用于光合细菌自身的生长代谢作用，导致产氢体系已经有 氢气的生成，但数量较少，细菌生长对数期，氢酶的作用代谢生成氢气，光合细菌 产氢速率较高。5 4 3 2i 3/艇以馨哄 0108 6 4 22O 20 80 1 60 1 40AO 14间2时0018060 O 4 20 O20020406080 100 120 140 160 180 200 220时间/h400350300250200150100500图13光合产氢过程质量转化对比分析针对秸秆粉光合产氢传质过程受秸秆水解

7、糖化影响，而挥发性脂肪酸导致产氢 系统酸化，影响光合细菌将底物从细胞外扩散到细胞内的情况，开展了无机盐类添 加物对生物产氢传质过程能量消耗促进细菌生长、反应体系酸化缓冲和氢能转化的 影响规律和调控方法。得到磷酸盐对光合细菌的产氢有显著影响，磷酸盐在一定浓 度范围内能够促进光合细菌产氢，过高或者过低的浓度对产氢都有抑制作用，且能 够有效缓冲反应体系的pH值，添加磷酸盐的终pH值与对照组相比均呈显著性差异 (P怎 a 0 8 6 4 2 0 L S UO.O.O.do%/、ssew怎 a 0 8 6 4 2 0 L S UO.O.O.图3不同类型秸秆类生物质粉体的热失重曲线利用傅里叶红外光谱法对不

8、同类型秸秆类生物质及不同粉碎工艺制得的超微 玉米芯粉进行了物质化学成分的官能团分析。不同类型秸秆类生物质组成类似，但 由于不同成分含量上的差异，导致每种生物质都有独特的特征光谱，且吸收峰峰值 强度及出现位置各不相同，但所有秸秆类生物质在1026 cm-1处都有一个明显的吸 收峰，吸收峰峰值强度顺序为玉米芯棉花秸秆高粱秸秆玉米秸秆大豆秸秆。同 一种物质经历不同的预处理，其内部分子结构和成分都有一定的变化，验证了球磨 超微预处理对生物质粉体结构和化学组成有一定的影响，但球磨时间过长，会对秸 秆类生物质制氢造成消极影响。n0 aouBWESUalln0 aouBWESUall图4不同工艺条件的生物质

9、粉体FTIR谱图(2)超微秸秆粉结构特征对产氢过程酶解传质的影响采用酶解的类分形动力学研究了生物质秸秆粉的酶解动学特性，揭示了生物质 秸秆粉的微观特征和多孔特征与秸秆水解的相关关系，获得了小麦、玉米、高粱和 棉花秸秆粉的类分形模型拟合酶解动力学参数和酶水解的类分形动力学曲线，同一 超微粉碎处理方式，由于不同的秸秆物理性质不同，酶解小麦秸秆、高粱秸秆、玉 米秸秆、棉花秸秆得到的还原糖质量浓度不同，小麦秸秆的纤维素含量最高，其酶 解后得到的糖浓度也相对较高。时间/h时间/h二星酗在喇恒塞运用图5不同秸秆酶水解的类分形动力学曲线4种秸秆类生物质粉的水解速率在零时刻最大，然后随着时间的增加而不断降低，

10、在起初的12h之内，酶解速率下降最快，有超过60%的还原糖生成，后期由于 酶的活性和底物可及性降低、产物还原糖抑制作用，水解速率趋近于0。S3 2 1 o o O O.O.DO.一一高粱秸秆 棉才秸不干0.00 o图7酶解后的秸秆的SEM一一小麦秸秆一。一.玉米秸秆图6不同秸秆的酶解速率常数曲线分析了秸秆粉微观特征和多尺度效应对酶水解的影响，得到经过酶水解后的秸 秆残渣出现孔洞，而这些孔洞在酶解前的秸秆上是不存在的，证实了纤维素有活性 位点。超微粉碎预处理过的物料可以提供巨大的表面积，在粉体较小的颗粒表面上, 聚集了大量的酶解孔洞，而粒径较大的表面酶解孔洞较少且分布也比较分散，研究 揭示了超微粉碎的秸秆粉在单位面积上产生较多的酶能和其作用的活性位点，从而 提高了酶水解糖化率的规律。结合光合细菌生长、底物消耗及产氢特性，得到生物 质秸秆降解糖化是其生物制氢的关键步骤。（3）生物质秸秆粉光合生物产氢体系底物传输规律光合细菌利用生物质秸秆粉光合产氢是以消耗农业废弃物秸秆，将有机物转化 为氢气和自身生长所需营养，并伴随有机酸积累的过程。项目开展了 HAU-M1光合