产氢产乙酸阶段的优化方案

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：产氢产乙酸阶段是将产酸发酵阶段2C以上的有机酸（除乙酸）和醇转化为乙酸、氢气、二氧化碳的过程，并产生新的细胞物质。这类细菌称之为产氢产乙酸细菌。表9-4产氢产乙酸细菌对几种有机酸和酵代谢的标准吉布斯自由能变化由表9-4可看出，在标准条件下，乙醇、丁酸和丙酸的产氢产乙酸过程不能自发进行，因为在这些反应中为正值，但氢分压降低有利于产物产生。表9-5同型产乙酸细菌的标准吉布斯自由能变化

产氢产乙酸阶段是将产酸发酵阶段2C以上的有机酸（除乙酸）和醇转化为乙酸、氢气、二氧化碳的过程，并产生新的细胞物质。这类细菌称之为产氢产乙酸细菌。产氢产乙酸过程的某些反应可见表9-4，表中 pagenumber_ebook=244,pagenumber_book=232 是反应的标准吉布斯自由能，假定水为纯液体，所有化合物在溶液中浓度为1 mol/L。

表9-4　产氢产乙酸细菌对几种有机酸和酵代谢的标准吉布斯自由能变化

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由表9-4可看出，在标准条件下，乙醇、丁酸和丙酸的产氢产乙酸过程不能自发进行，因为在这些反应中 pagenumber_ebook=244,pagenumber_book=232 为正值，但氢分压降低有利于产物产生。假如反应为：aA+bB→cC+dD，则实际自由能计算公式如下：

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上式中R为气体常数，氢分压一般不高0.1hPa，平均值约为10-3hPa当作为反应产物之一的氢分压（ pagenumber_ebook=244,pagenumber_book=232 ）≤0.1hPa时，乙醇、丁酸和丙酸的降解一般均可以自发进行，即反应的实际自由能成为负值，参见图9-3。由此可见，对于单相厌氧生物处理反应器，只有在产氢产乙酸细菌产生的氢被产甲烷细菌有效利用时，系统中氢才能维持在很低的分压，这说明生化反应需要密切的菌种之间的共生关系，这种现象称为“种间氢传递”。研究结果表明，几种有机酸的产氢产乙酸速率顺序为：乙醇>乳酸>丁酸>丙酸。

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图9-3　产氢产乙酸（及产丙酸）的吉布斯自由能（ pagenumber_ebook=244,pagenumber_book=232 ）变化

[乙酸]=[乙醇]=20mmol/L；[丁酸]=[乳酸]=10mmol/L；[丙酸]=5mmol/L；[ pagenumber_ebook=244,pagenumber_book=232 ]=20mmol/L；pH=7；1—丁酸→丙酸；2—丙酸→乙酸；3—丁酸→乙酸；4—乙醇→乙酸消；5—乳酸→乙酸；6—乳酸→丙酸

在反应器中，各类菌群往往构成微生态系统，在此系统中，产氢产乙酸细菌靠近利用氢的细菌生长，因此氢可以很容易被消耗掉并使产乙酸过程顺利进行。除许多产甲烷细菌可以利用氢以外，硫酸盐还原菌和反硝化细菌等也能消耗氢。

有少量的产氢产乙酸细菌可以利用H2+CO2或甲醇作为底物形成乙酸，此类细菌称为同型产乙酸细菌。例如Clostridiumaceticum和Acetobacteriumwoodii，这类细菌以氢作为电子供体将二氧化碳和甲醇还原为乙酸。表9-5表明，在标准状况下，同型产乙酸过程可自发进行。但事实上，此代谢过程只有当氢分压较高时，细菌为维持生态环境处于适宜条件才会发生。一般来说，当生态系统中存在足够的氢利用细菌（如产甲烷细菌），或可将氢气及时排出生态系统时，同型产乙酸过程不会发生。

表9-5　同型产乙酸细菌的标准吉布斯自由能变化

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产氢产乙酸阶段的优化方案

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