初始底物浓度对序批式培养光合细菌产氢动力学影响.pdf

中国生物工程杂志　ＣｈｉｎａＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，２７（１１）：５１～５６ 初始底物浓度对序批式培养光合细菌产氢 动力学影响  廖　强 　王永忠　朱　恂　田　鑫　巴淑丽　张　攀　张　川 （重庆大学工程热物理研究所　重庆　４０００３０） 摘要　实验研究了初始底物浓度对序批式培养光合细菌生长、降解及产氢过程的影响，根据最大 比生长速率实验数据拟合得到其关于初始底物浓度影响的关联式，并在建立的修正 Ｍｏｎｏｄ模型 基础上建立了光合细菌比生长速率、基质比消耗速率和比产氢速率关于底物初始浓度影响的数 学模型，模型预测值与实验结果在光合细菌生长期和稳定期内得到较好吻合，反映了光合细菌生 长、降解和产氢过程中受底物初始浓度限制性和抑制性影响的基本规律。分析发现光合细菌生 长、降解基质和产氢过程中最适底物浓度为５０ｍｍｏｌ／Ｌ，初始底物浓度低于或高于该浓度时，光合 细菌生长、降解及产氢过程都受到限制性或抑制性影响，且抑制性影响较限制性影响效果更明 显；底物比消耗速率受初始底物浓度影响较小。 关键词　光合细菌　底物初始浓度　光生物制氢　产氢动力学模型 中图分类号　Ｘ１７２ 　　随着工农业发展，对能源需求增加，能源已成为当 　　当前对光合细菌光生物制氢的研究集中于光合细 今社会和经济发展的紧迫问题，各国特别是发展中国 菌产氢机理、培养方式及条件对产氢性能影响等方 ［１］ ［８～１１］ 家更加重视可再生能源的开发和应用 。在多种可再 面 ，而初始底物浓度对光合细菌产氢动力学影响 ［２］ 生能源中氢能是“最有前景的能源” ，利用光合细菌 及相关模型方面的文献尚未见报道。 产氢具有许多优点：降解有机废物为氢气，保护环境， 　　底物限制性条件下，光合细菌生长遵循 Ｍｏｎｏｄ模 实现资源可持续利用；无污染、能耗低、操作简单；有效 型，但底物初始浓度较高时，对光合细菌生长代谢产生 利用和转化太阳光能为氢能；易被燃料电池转化为 较强抑制作用，不能直接用Ｍｏｎｏｄ模型表述，需要考虑 ［３］ 电能 。 抑制常数，这在应用中不很方便。因此本实验目的是 　　光合细菌生长、基质消耗和产氢动力学过程同其 研究初始底物浓度对光合细菌产氢过程中生物量生 它细菌一样受多种因素影响，其中底物浓度、温度、ｐＨ 长、基质消耗和产物生成动力学方面影响，并将初始底 ［４］ 值是主要的影响因子 。因此研究不同条件对生物量 物浓度的限制及抑制性作用考虑进 Ｍｏｎｏｄ模型中，得 生长、基质消耗、产物生成等方面动力学影响及相关数 到修正的Ｍｏｎｏｄ模型，在此基础上建立反映底物初始 学模型对理论研究与应用具有重要指导意义。部分研 浓度对光合细菌生长、基质降解和产氢影响的数学模 究者［５～７］在环境与食品微生物领域等方面做了一些开 型。本实验中反应器为间歇操作的平板式光生物反应 拓性工作。 器，菌种为前期筛选、纯化的沼泽红假单胞菌。 收稿日期：２００７０７０６　修回日期：２００７０９１６ １　材料及方法 国家自然科学基金资助项目５０５７６１０７），教育部新世 １．１　实验方法和步骤 纪优秀人才支持计划 （ＮＣＥＴ０４０８４５），重庆市 自然科学基金 （ＣＳＴＣ，２