基于电子平衡的木糖发酵产氢化学计量学及热力学研究开题报告

全文总字数：1687字

1. 研究目的与意义

氢气作为高效、清洁、可再生的能源, 越来越受到人们的关注。在多种制氢方法中, 利用微生物厌氧发酵生物质制氢具有治污、环保和产能等多重优越性。自然界中大量可再生的木质纤维类生物质丰富廉价，其水解成分主要是以葡萄糖为主的六碳糖和以木糖为主的五碳糖。目前,以葡萄糖为底物的产氢特性及机理研究较多, 有关利用木糖产氢特性的研究相对较少。本课题将利用木糖，开展不同PH条件下的生物产氢间歇反应，根据分析得到的各气体的含量以及最终有机产物的含量，建立详细的利用木糖进行发酵产氢的电子流动模型、电子平衡计算方法以及建立化学计量方程。据此，可以鉴别木糖生物产氢的机理，客观估计何种情况下氢产量最高，以及除了用于产氢之外的其余电子的去向。因此，本课题可以帮助理解发酵法生物制氢技术并且最大程度的优化其性能。

2. 国内外研究现状分析

1.bruce e. rittmann 建立了以葡萄糖作为产氢底物的代谢途径，通过考察每个代谢节点的电子分布，提出了以葡萄糖为底物发酵产氢的电子平衡的具体计算方法，并建立了化学计量方程。

2.xiaofeng ye 等人的一项研究中，发现当使用拜氏梭菌ncimb 8052发酵木糖时，添加蒽氢-2,6-二磺酸钠（ah2qds，一种电子穿梭体）可以使木糖的利用率增加56%，氢气的摩尔产率增加24-37%。同时，也增加了最终产物醋酸盐/丁酸盐的比，即增加了分布在醋酸盐上的电子。这项研究中最终产物的电子分布以及电子流动分析计算均采用了以上由bruce e. rittmann等人提出的电子平衡计算方法，但在文中未详述使用木糖产氢的电子平衡的具体计算方法。

3. lo 等从连续流产氢反应器中分离出7 株纯菌株，并考查了这7 株菌发酵木糖的产氢能力，结果发现只有丁酸梭菌和克雷伯氏菌能够利用木糖发酵产氢，其中菌株丁酸梭菌cgs5 利用木糖产氢能力最高，其最大产氢速率和比产氢率分别为212.5 ml/(lh)and 0.73 mol h2/mol木糖

3. 研究的基本内容与计划

内容：利用克雷伯氏菌发酵木糖，并采用化学计量法以及电子平衡理论，建立以木糖作为产氢底物的代谢途径。在此基础上，考察每个代谢节点（如葡萄糖-6-磷酸、甘油醛3-磷酸、乙酰辅酶a和丙酮酸等）的代谢通量分布，结合代谢流分析模型研究不同环境因素对微生物木糖产氢的影响机理，并明确其主要的控制因素。工作重心是克雷伯氏菌利用木糖进行发酵产氢的电子平衡计算方法，即在不同ph条件下研究木糖水解电子的去向：各有机产物的含量，最终产氢量等。据此建立电子平衡，判断哪种条件下产氢量最高。另外，再根据各产物的等效电子平衡，建立化学计量方程。

计划：

（1）填写开题报告，基本把握课题研究内容；

4. 研究创新点

现在虽然有关于发酵木糖时加入某种物质增加氢气摩尔产率的研究，但尚未有具体详细的对木糖发酵产氢电子平衡、化学计量方程以及热力学的研究。本课题着重研究木糖具体的生物产氢机理，通过具体分析最终产物分布，建立的电子流动模型，可以鉴别产氢机理以及在混合发酵系统中的主要产氢物质。了解最终的电子平衡分布对于控制发酵过程中的产物生成十分重要，并且我们能够据此客观地估计在何种情况下氢产量最高，以及除了用于产氢之外的其余电子的去向。因此，本课题可以帮助理解发酵法生物制氢技术并且最大程度的优化其性能。