Performance evaluation and phylogenetic characterization of anaerobic fluidized bed reactors using ground tire and pet as support materials for biohydrogen production

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Energy recovery from agro-industrial wastewaters through biohydrogen production: kinetic evaluation and technological feasibility

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Biohydrogen production from food industry waste by suspended and immobilized thermophylic bacteria

This work describes hydrogen production by anaerobic digestion of glucose, molasses and milk whey by 4 thermophilic Thermotoga strains. In the attached-cell tests, the biofilm support characterized by the highest specific surface resulted in the best H2 rate. All the Thermotoga strains examined (T. neapolitana, T. maritima, T. naphtophila, T. petrophila) could produce H2 from glucose, molasses and milk whey, both in suspended- and attached-cell tests. With all the three substrates, the best performances were obtained with T. neapolitana. Some tests were conducted out to select the optimal carrier for the attached-cell conditions. 4 types of carrier were tested: 3 sintered glass carriers and a ceramic one; the chosen carrier was Biomax.

Energy requirements for the continuous biohydrogen production from Spirogyra biomass in a sequential batch reactor

The current energy market requires urgent revision for the introduction of renewable, less-polluting and inexpensive energy sources. Biohydrogen (bioH2) is considered to be one of the most appropriate options for this model shift, being easily produced through the anaerobic fermentation of carbohydrate-containing biomass. Ideally, the feedstock should be low-cost, widely available and convertible into a product of interest. Microalgae are considered to possess the referred properties, being also highly valued for their capability to assimilate CO2 [1]. The microalga Spirogyra sp. is able to accumulate high concentrations of intracellular starch, a preferential carbon source for some bioH2 producing bacteria such as Clostridium butyricum [2]. In the present work, Spirogyra biomass was submitted to acid hydrolysis to degrade polymeric components and increase the biomass fermentability. Initial tests of bioH2 production in 120 mL reactors with C. butyricum yielded a maximum volumetric productivity of 141 mL H2/L.h and a H2 production yield of 3.78 mol H2/mol consumed sugars. Subsequently, a sequential batch reactor (SBR) was used for the continuous H2 production from Spirogyra hydrolysate. After 3 consecutive batches, the fermentation achieved a maximum volumetric productivity of 324 mL H2/L.h, higher than most results obtained in similar production systems [3] and a potential H2 production yield of 10.4 L H2/L hydrolysate per day. The H2 yield achieved in the SBR was 2.59 mol H2/mol, a value that is comparable to those attained with several thermophilic microorganisms [3], [4]. In the present work, a detailed energy consumption of the microalgae value-chain is presented and compared with previous results from the literature. The specific energy requirements were determined and the functional unit considered was gH2 and MJH2. It was possible to identify the process stages responsible for the highest energy consumption during bioH2 production from Spirogyra biomass for further optimisation.

Fermentative hydrogen production by the new marine Pantoea agglomerans isolated from the mangrove sludge

A new fermentative hydrogen-producing bacterium was isolated from mangrove sludge and identified as Pantoea agglomerans using light microscopic examination, Biolog test and 16S rRNA gene sequence analysis. The isolated bacterium, designated as P. agglomerans BH-18, is a new strain that has never been optimized as a potential hydrogen-producing bacterium. In this study, the culture conditions and the hydrogen-producing ability of P. agglomerans BH-18 were examined. The strain was a salt-tolerant facultative anaerobe with the initial optimum pH value at 8.0-9.0 and temperature at 30 degrees C on cell growth. During fermentation, hydrogen started to evolve when cell growth entered late-exponential phase and was mainly produced in the stationary phase. The strain was able to produce hydrogen over a wide range of initial pH from 5 to 10, with an optimum initial pH of 6. The level of hydrogen production was affected by the initial glucose concentration, and the optimum value was found to be 10 g glucose/l. The maximum hydrogen-producing yield (2246 ml/l) and overall hydrogen production rate (160 ml/l/h) were obtained at an initial glucose concentration of 10 g/l and an initial pH value of 7.2 in marine culture conditions. In particular, the level of hydrogen production was also affected by the salt concentration. Hydrogen production reached a higher level in fresh culture conditions than in marine ones. In marine conditions, hydrogen productivity was 108 ml/l/h at an initial glucose concentration of 20 g/l and pH value of 7.2, whereas, it increased by 27% in fresh conditions. In addition, this strain could produce hydrogen using glucose and many other carbon sources such as fructose, sucrose, sorbitol and so on. As a result, it is possible that P. agglomerans BH-18 is used for biohydrogen production and biological treatment of mariculture wastewater and marine organic waste. (C) 2008 International Association for Hydrogen Energy. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Improving the microbial production of biofuels through metabolic engineering

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché.

Rôle de l'AmtB dans la régulation de la nitrogénase et la production d'hydrogène chez la bactérie Rhodobacter capsulatus

L’azote est l’élément le plus abondant dans l’atmosphère terrestre avec un pourcentage atteignant 78 %. Composant essentiel pour la biosynthèse des matériels organiques cellulaires, il est inutilisable sous sa forme diatomique (N2) très stable par la plupart des organismes. Seules les bactéries dites diazotrophiques comme Rhodobacter capsulatus sont capables de fixer l’azote moléculaire N2 par le biais de la synthèse d’une enzyme, la nitrogénase. Cette dernière catalyse la réduction du N2 en ammonium (NH4) qui peut alors être assimilé par d’autres organismes. La synthèse et l’activité de la nitrogénase consomment beaucoup d’énergie ce qui implique une régulation rigoureuse et son inhibition tant qu’une quantité suffisante d’ammonium est disponible. Parmi les protéines impliquées dans cette régulation, la protéine d’intérêt AmtB est un transporteur membranaire responsable de la perception et le transport de l’ammonium. Chez R. capsulatus, il a été démontré que suite à l’addition de l’ammonium, l’AmtB inhibe de façon réversible (switch off/switch on) l’activité de la nitrogénase en séquestrant la protéine PII GlnK accompagnée de l’ajout d’un groupement ADP ribose sur la sous unités Fe de l’enzyme par DraT. De plus, la formation de ce complexe à lui seul ne serait pas suffisant pour cette inactivation, ce qui suggère la séquestration d’une troisième protéine, DraG, afin d’inhiber son action qui consiste à enlever l’ADP ribose de la nitrogénase et donc sa réactivation. Afin de mieux comprendre le fonctionnement de l’AmtB dans la régulation et le transport de l’ammonium à un niveau moléculaire et par la même occasion la fixation de l’azote, le premier volet de ce mémoire a été d’introduire une mutation ponctuelle par mutagénèse dirigée au niveau du résidu conservé W237 de l’AmtB. La production d’hydrogène est un autre aspect longtemps étudié chez R. capsulatus. Cette bactérie est capable de produire de l’hydrogène à partir de composés organiques par photofermentation suite à l’intervention exclusive de la nitrogénase. Plusieurs études ont été entreprises afin d’améliorer la production d’hydrogène. Certaines d’entre elles se sont intéressées à déterminer les conditions optimales qui confèrent une production maximale de gaz tandis que d’autres s’intéressent au fonctionnement de la bactérie elle même. Ainsi, le fait que la bioproduction de H2 par fermentation soit catalysée par la nitrogénase cela implique la régulation de l’activité de cette dernière par différents mécanismes dont le switch off par ADP ribosylation de l’enzyme. De ce fait, un mutant de R. capsulatus dépourvu d’AmtB (DG9) a été étudié dans la deuxième partie de cette thèse en termes d’activité de la nitrogénase, de sa modification par ADP ribosylation avec la détection des deux protéines GlnK et DraG qui interviennent dans cette régulation pour connaitre l’influence de différents acides aminés sur la régulation de la nitrogénase et pour l‘utilisation future de cette souche dans la production d’H2 car R. capsulatus produit de l’hydrogène par photofermentation grâce à cette enzyme. Les résultats obtenus ont révélé une activité de la nitrogénase continue et ininterrompue lorsque l’AmtB est absent avec une activité maximale quand la proline est utilisée comme source d’azote durant la culture bactérienne ce qui implique donc que l’abolition de l’activité de cette protéine entraine une production continue d’H2 chez R. capsulatus lorsque la proline est utilisée comme source d’azote lors de la culture bactérienne. Par ailleurs, avec des Western blots on a pu déterminer l’absence de régulation par ADP ribosylation ainsi que les expressions respectives de GlnK et DraG inchangées entre R. capsulatus sauvage et muté. En conclusion, la nitrogénase n’est pas modifiée et inhibée lorsque l’amtB est muté ce qui fait de la souche R. capsulatus DG9 un candidat idéal pour la production de biohydrogène en particulier lorsque du glucose et de la proline sont respectivement utilisés comme source de carbone et d'azote pour la croissance.

Economical analysis of ethanol steam reformer for hydrogen production associated with a sugarcane industry

An expressive amount of produced hydrogen is generated by customers in-situ such as petrochemical, fertilizer and sugarcane industries. However, the most utilized feedstock is natural gas, a non-renewable and fossil fuel. The introduction of biohydrogen production process associated in a sugarcane industry is an alternative to diminish emissions and contribute to create a CO2 cycle, where the plants capture this gas by photosynthesis process and produces sucrose for ethanol production. The cost of production of ethanol has dramatically decreased (from about US$ 700/m3 in 1970s to US$ 200/m3 today), becoming this a good option at near term, inclusively for its utilization by customers localized in main regions (localized especially in regions such as Southeastern Brazil) Also in near future, it will possible the utilization of fuel cells as form of distributed generation. Its utilization could occur specially in peak hours, diminishing the cost of investments in newer transmission systems. A technical and economic analysis of steam reformer of ethanol to hydrogen production associated with sugarcane industry was recently performed. This technique will also allow the use of ethanol when its price is relatively low. This study was based on a previous R&D study (sponsored by CEMIG - State of Minas Gerais Electricity Company) where thermodynamic and economic analyses were developed, based in the development of two ethanol steam reformers prototypes.x In this study an analysis was performed considering the use of bagasse as source of heat in the steam reforming process. Its use could to diminish the costs of hydrogen production, especially at large scale, obtaining cost-competitive production and permitting that sugarcane industry produces hydrogen in large scale beyond ethylic alcohol, anhydrous alcohol (or ethanol) and sugar.

Effect of Substrate Concentration on Dark Fermentation Hydrogen Production Using an Anaerobic Fluidized Bed Reactor

The effect of substrate (glucose) concentration on the stability and yield of a continuous fermentative process that produces hydrogen was studied. Four anaerobic fluidized bed reactors (AFBRs) were operated with a hydraulic retention time (HRT) from 1 to 8 h and an influent glucose concentration from 2 to 25 gL(-1). The reactors were inoculated with thermally pre-treated anaerobic sludge and operated at a temperature of 30 degrees C with an influent pH around 5.5 and an effluent pH of about 3.5. The AFBRs with a HRT of 2 h and a feed strength of 2, 4, and 10 gL(-1) showed satisfactory H-2 production performance, but the reactor fed with 25 gL(-1) of glucose did not. The highest hydrogen yield value was obtained in the reactor with a glucose concentration of 2 gL(-1) when it was operated at a HRT of 2 h. The maximum hydrogen production rate value was achieved in the reactor with a HRT of 1 h and a feed strength of 10 gL(-1). The AFBRs operated with glucose concentrations of 2 and 4 gL(-1) produced greater amounts of acetic and butyric acids, while AFBRs with higher glucose concentrations produced a greater amount of solvents.

Performance and composition of bacterial communities in anaerobic fluidized bed reactors for hydrogen production: Effects of organic loading rate and alkalinity

This study evaluated the effects of the organic loading rate (OLR) and pH buffer addition on hydrogen production in two anaerobic fluidized bed reactors (AFBRs) operated simultaneously. The AFBRs were fed with glucose, and expanded clay was used as support material. The reactors were operated at a temperature of 30 degrees C, without the addition of a buffer (AFBR1) and with the addition of a pH buffer (AFBR2, sodium bicarbonate) for OLRs ranging from 19.0 to 140.6 kg COD m(-3) d(-1) (COD: chemical oxygen demand). The maximum hydrogen yields for AFBR1 and AFBR2 were 2.45 and 1.90 mol H-2 mol(-1) glucose (OLR of 84.3 kg COD m(-3) d(-1)), respectively. The highest hydrogen production rates were 0.95 and 0.76 L h(-1) L-1 for AFBR1 and AFBR2 (OLR of 140.6 kg COD m(-3) d(-1)), respectively. The operating conditions in AFBR1 favored the presence of such bacteria as Clostridium, while the bacteria in AFBR2 included Clostridium, Enterobacter, Klebsiella, Veillonellaceae, Chryseobacterium, Sporolactobacillus, and Burkholderiaceae. Copyright (C) 2012, Hydrogen Energy Publications, LLC. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

The influence of the degree of back-mixing on hydrogen production in an anaerobic fixed-bed reactor

This paper reports on results obtained from experiments carried out in an acidogenic anaerobic reactor aiming at the optimization of hydrogen production by altering the degree of back-mixing. It was hypothesized that there is an optimum operating point that maximizes the hydrogen yield. Experiments were performed in a packed-bed bioreactor by covering a broad range of recycle ratios (R) and the optimum point was obtained for an R value of 0.6. In this operating condition the reactor behaved as 8 continuous stirred-tank reactors in series and the maximum yield was 4.22 mol H-2 mol sucrose(-1). Such optimum point was estimated by deriving a polynomial function fitted to experimental data and it was obtained as the conjugation of three factors related to the various degrees of back-mixing applied to the reactor: mass transfer from the bulk liquid to the biocatalyst, liquid-to-gas mass transfer and the kinetic behavior of irreversible reactions in series. Copyright (C) 2012, Hydrogen Energy Publications, LLC. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Hydrogen and Methane Production, Energy Recovery, and Organic Matter Removal from Effluents in a Two-Stage Fermentative Process

This study evaluates the potential for using different effluents for simultaneous H-2 and CH4 production in a two-stage batch fermentation process with mixed microflora. An appreciable amount of H-2 was produced from parboiled rice wastewater (23.9 mL g(-1) chemical oxygen demand [COD]) and vinasse (20.8 mL g(-1) COD), while other effluents supported CH4 generation. The amount of CH4 produced was minimum for sewage (46.3 mL g(-1) COD), followed by parboiled rice wastewater (115.5 mL g(-1) COD) and glycerol (180.1 mL g(-1) COD). The maximum amount of CH4 was observed for vinasse (255.4 mL g(-1) COD). The total energy recovery from vinasse (10.4 kJ g(-1) COD) corresponded to the maximum COD reduction (74.7 %), followed by glycerol (70.38 %, 7.20 kJ g(-1) COD), parboiled rice wastewater (63.91 %, 4.92 kJ g(-1) COD), and sewage (51.11 %, 1.85 kJ g(-1) COD). The relatively high performance of vinasse in such comparisons could be attributed to the elevated concentrations of macronutrients contained in raw vinasse. The observations are based on kinetic parameters of H-2 and CH4 production and global energy recovery of the process. These observations collectively suggest that organic-rich effluents can be deployed for energy recovery with sequential generation of H-2 and CH4.

厌氧产氢菌的分离筛选、诱变选育及其产氢特性的研究

本文从四川绵竹酒厂、成都市龙泉长安垃圾填埋场以及四川大学荷花池底的厌氧污泥中先后分离得到63株厌氧产氢菌，其中H-8、H-61、HC-10等16株产氢细菌产氢能力较高，HC-10的产氢能力最高，最大产氢量和最大产氢速率分别达到2840 ml H2/L培养基和25.39 mmol H2/g drycell·h，对HC-10进行生理生化鉴定和分子生物学鉴定，判定其为clostridium sp.，对HC-10的产氢条件进行了研究，结果表明，该菌的最适生长温度为35 ℃，最适生长初始pH为7，以葡萄糖为最佳碳源，以蛋白胨为最佳氮源，不利用无机氮源，其产氢发酵液相产物以乙醇和乙酸为主，其发酵类型属于乙醇型发酵。此外，以酒糟废液作为底物，进行了菌株HC-10的生物强化试验，研究表明，投加了HC-10的强化系统其产氢量比对照高出40.32%。 同时为了获得厌氧产氢菌的高效突变株，分别以产氢菌H-8和H-61为原始菌株进行微波诱变处理，对微波诱变参数进行了优化，考察了突变株的遗传稳定性、产氢特性及耐酸性。菌株H-8经过微波诱变得到5株高产氢突变株HW7、HW33、HW181、HW184、HW195，经多次传代表明HW195是稳定的高产突变株。突变株HW195具有较好的耐酸性，在pH值为2.8时仍能生长。通过间歇发酵实验，其最大产氢量和最大产氢速率分别达到2460 mL/L培养基和27.97 mmol H2/g drycell·h，比原始菌分别提高了50.75%和41.7%。菌株H-61经过微波诱变后选育得到的突变株HW-18，其最大产氢量和最大产氢速率分别达到2190 mL/L培养基和25.86 mmol H2/g drycell·h，比原始菌分别提高了23.03%和31.00%。 为了对比各种诱变方式对产氢菌产氢能力的影响，以厌氧产氢菌H-61为原始菌株，先后经亚硝基胍(NTG)、紫外(UV)诱变，选育得到1株高产突变株HCM-23。在葡萄糖浓度为10 g/L的条件下，其产氢量为3024 mL/L培养基，比原始菌株提高了69.89%；其最大产氢速率为33.19 mmol H2/g drycell·h，比原始菌株提高了68.14%。经过多次传代实验，稳定性良好。其发酵末端产物以乙醇和乙酸为主，属于典型乙醇型发酵。其最适产氢初始pH为6.5，最适生长温度为36 ℃，以蔗糖为最佳碳源。与原始菌株相比，突变株HCM-23的产氢特性发生了改变，如生长延滞期延长，可利用无机氮源等。 From anaerobic activated sludge, 16 strains of hydrogen producing bacteria were newly isolated. One of them named as HC-10 had the highest hydrogen producing capability, under the batch fermentative hydrogen production condition, the maximal hydrogen yield and hydrogen production rate was 2840 mL/L culture and 25.39 mmol H2/g drycell·h. It was identified as clostridium sp.HC-10 by 16S rDNA sequence analysis. Various parameters for hydrogen production, including substrates, initial pH and temperature, have been studied. The optimum condition for hydrogen producing of strain HC-10 were achieved as: initial pH 7.0, temperature 35 ℃, glucose as the favorite substrate, Moreover, using distiller's solubles wastewater as substrate, HC-10 strain was added in the biohydrogen producing system to research the bioaugmentation effection. The results showed that the hydrogen production of bioaugmentation system was 40.32% higher than the noaugmentation system. An anaerobic, hydrogen producing strain H-8 was irradiated by microwave to optimize the microwave mutagenesis condition, and to test the heredity, hydrogen-producing potential and aciduric of the mutants. An aciduric mutant named as HW195 with steady hydrogen-producing capability was obtained, which can grow at pH 2.8. Its capability of hydrogen production was tested in the batch culture experiments. The maximum hydrogen yield and hydrogen production rate was 2460 mL/L culture and 29.97 mmol H2/g drycell·h, which was 50.7% and 41.7% higher than those of the initial strain, respectively. When used the strain H-61 as original strain, a mutant named as HW18 was obtained. The maximum hydrogen yield and hydrogen production rate was 2190 mL/L culture and 25.86 mmol H2/g drycell·h, which was 23.03% and 31.00% higher than those of the initial strain, respectively. The results demonstrated that microwave mutagenesis could be used in the field of hydrogen producing microorganism. The hydrogen producing strain H-61 was used as an original strain which was induced by NTG and UV for increasing and the hydrogen production capability. One of the highest efficient H2-producing mutants was named as HCM-23 with its stable hydrogen production capability. which was tested in the batch culture experiments. With the condition of 10 g/L glucose, its cumulative hydrogen yield and hydrogen production rate was 3024 mL/L culture and 33.19 mmol H2/g drycell·h, 69.89％and 68.14％ higher than that of the original strain, respectively. The terminal liquid product compositions showed that the mutant HCM-23 fermentation was ethanol type, while the original strain H-61 fermentation was butyric acid type. Varieties of parameters of hydrogen production fermentation were studied, including time, carbon source, nitrogen source, glucose concentration, glucose utilization, initial pH and incubation temperature had been studied, indicated the optimum condition of hydrogen production for the mutant HCM-23 as initial pH6.5, temperature 36 ℃, and the favorite substrate was sucrose. The hydrogen production characters of the mutant and the original strain were different, such as, the growth lag phase and the utilization of inorganic nitrogen source, etc. This work shows a good application potential of NTG-UV combined mutation in the biohydrogen production. And the hydrogen production mechanism and metabolic pathway should be explored furthermore.

Produção de biohidrogênio a partir de soro de leite em AnSBBR com recirculação da fase líquida

O presente estudo investigou a aplicação de dois tipos de AnSBBR (reatores anaeróbio com biofilme e operados em batelada e batelada alimentada sequenciais: com recirculação da fase líquida e com agitação) para produção de biohidrogênio tratando água residuária sintética (a base de soro de leite e lactose, respectivamente). O AnSBBR com recirculação da fase líquida, que foi o estudo principal do presente trabalho, apresentou problemas na produção de hidrogênio utilizando soro de leite como substrato. Algumas alternativas, como adaptação da biomassa com substratos puros de degradação mais fácil, controle do pH em valores muito baixos e diferentes formas de inoculação foram testadas, entretanto, sem obtenção de sucesso. A solução do problema foi obtida ao refrigerar o meio de alimentação a 4ºC para evitar a fermentação no frasco de armazenamento, retirar a ureia e a suplementação de nutrientes, e realizar lavagens periódicas do material suporte para retirada de parte da biomassa. Dessa forma eliminaram-se indícios de produção de H2S por possível ação de bactérias redutoras de sulfato (BRS) e atingiu-se uma produção estável de hidrogênio sem, entretanto, eliminar completamento o metano, que foi produzido em baixas concentrações. Depois de atingida a estabilidade, investigou-se a influência da concentração afluente de substrato, do tempo de enchimento e da temperatura na produção de biohidrogênio no AnSBBR com recirculação da fase líquida tratando soro de leite. O estudo da concentração afluente apresentou um ponto ótimo para a concentração de 5400 mgDQO.L-1, atingindo valores de 0,80 mol H2.mol-1 lactose e de 660 mL H2.L-1.d-1. O estudo do tempo de enchimento apresentou resultados similares para as condições analisadas. Com relação à temperatura, os melhores resultados foram obtidos com a temperatura mais baixa testada de 15ºC (1,12 mol H2.mol lactose-1 e 1080 mL H2.L-1.d-1), sendo que na temperatura mais alta testada (45°C) não ocorreu produção de hidrogênio. Para o AnSBBR com agitação mecânica, que foi um estudado complementar realizado pelo fato da lactose ser o principal complemento do soro de leite, o desempenho do biorreator foi avaliado de acordo com influência conjunta do tempo de ciclo (tC – 2, 3 e 4 h), da concentração afluente (CSTA – 3600-5400 mgDQO.L-1) e da carga orgânica volumétrica aplicada (COAV – 9,3, 12,3, 13,9, 18,5 e 27,8 mgDQO.L-1.d-1). Foram obtidos excelentes resultados: consumos de carboidratos (lactose), com valores médios sempre acima de 90% e uma produção estável de biohidrogênio em todas as condições estudadas, com metano em baixas concentrações apenas na condição de maior COAV. A diminuição do tC apresentou tendência clara de melhora sobre o RMCRC,n (rendimento molar entre hidrogênio produzido e carboidrato removido) apenas para as condições com menor concentração CSTA, havendo uma relação direta entre CSTA, e RMCRC,n em todos os valores de tC, exceto para o tempo de ciclo de 3 h, exatamente onde ocorreu produção de metano. O melhor valor de RMCRC,n obtido na operação com lactose (1,65 mol H2.mol Carboidrato-1) foi superior aos obtidos em outros trabalhos utilizando a mesma configuração de reator e sacarose como substrato. As análises filogenéticas mostraram que a maioria dos clones analisados foi semelhante à Clostridium. Além destes, clones filogeneticamente semelhantes com a Família Lactobacilaceae, especificamente Lactobacillus rhamnosus foram observados em menor porcentagem no reator, assim como clones com sequências semelhantes a Acetobacter indonesiensis.