餐厨垃圾发酵生物制氢研究进展

3 餐厨垃圾发酵产氢微生物动力学
模型餐厨垃圾发酵产氢微生物动力学模型是以化学反应动力学与酶催化反应动力学为基础，定量地描述相关研究中的产氢微生物生长、限制微生物生长的发酵底物浓度、氢气等相关产物三者之间的关系数学模型。国内外学者逐渐将现有的微生物动力学模型应用到发酵产氢研究中，对于解释餐厨垃圾产氢过程，预测发酵产氢效果，具有十分重要的意义，同时也为餐厨垃圾发酵产氢的工程设计、分析、运行提供指导。目前在餐厨垃圾发酵产氢系统的研究中，应用动力学模型有：Monod模型、Gompertz模型、Michaelis-Menten模型、Logistic模型、Luedeking-Piret模型等。本文就最常用的Monod模型、Gompertz模型作简单介绍。
3.1 Monod模型
Monod模型是Monod于1949年提出的经验式（方程式1），该模型是在单一微生物对单一基质、微生物处于平衡生长状态且无毒性存在的条件下得出的结论。Chen[36]利用Monod模型对蔗糖为底物的搅拌反应器进行描述，获得预测的微生物最大比生长速率（μmax）、Monod常数（Ks）和单位微生物产氢效率 （α’H2）分别为0.172 h-1、68 mgCOD/L和1.0×10-5molH2/g底物，其中预测氢气产量与实验结果的相关系数为0.799。现实发酵产氢的体系并不处于如此的理想状态，这就不难解释Chen的研究中得出相对较差的相关系数。van Neil等[37]认为影响Monod方程在发酵产氢体系应用的主要障碍是产氢微生物的内源代谢与产氢抑制物的抑制作用。van Neil对极度嗜热菌Caldicellulosiruptor saccharolyticus在批式反应器中发酵蔗糖的研究发现，当反应器气相中氢气分压达到10000~20000 Pa时，产氢微生物代谢向丁酸型发酵转化，还有一些底物（蔗糖）浓度、盐分等抑制因素，由此提出了相应的修正模型（方程2）。其中C1和C2分别为抑制剂的浓度，C1，CRIT 与C2，CRIT是指产氢体系最大抑制剂耐受浓度。

3.2 Gompertz模型
另一个常用模型是Gompertz模型。1990年Zwi-etering等[38]的研究中，首先发现修正后的Gompertz模型（方程3）对产氢纯菌Lactobacillus plantarum的生长能够进行很好的描述，而且使用方便。研究者们试图通过对Gompertz模型进行一定的变型与修正，将其应用到发酵产氢微生物动力学的其他方面。van Ginkel等[39]首先将方程修正之后用于预测发酵产氢中的氢气累积量（方程3）；Lin等[40]将该方程验证在35℃下的批式发酵中产气量与元素碳、磷浓度之间的关系，实验数据与预测结果的相关系数达到了0.996-~0.999。Yang Mu等[41]将Gompertz模型方程进行一系列的变型进一步扩展了Gompertz模型在预测发酵产氢过程中底物利用、 微生物生长、发酵产物情况的应用（方程4～6）。

目前国内外应用的数学模型有很多，如基于单底物酶催化反应初速度假设的Michaelis-Menten模型，基于宏观的种群生长的Logistic模型，用以描述产物浓度变化速率的Luedeking-Piret模型等等。餐厨垃圾发酵产氢的数学模拟还处于起步阶段，各种研究往往是基于发酵瓶等简单实验室反应器的实验基础，对于指导工程应用还有很长的一段路。
4 结语
餐厨垃圾发酵产氢的研究目的在于提高餐厨垃圾发酵产氢产气效率、产气速度以及产气中氢气浓度，并逐步向工程应用迈进。目前，主要的技术手段集中在培养适合微生物菌群、 优化工艺控制条件，然而这些技术手段明显已不能满足进一步提高产氢效率与实现工程应用的要求。
随着其他相关学科的发展，餐厨垃圾发酵产氢系统可以采取更加直接有效的技术以提高产氢效率。主要有以下几个方面：
（1）利用分子生物学的手段对产氢菌种或酶进行改造。现代分子生物学的发展已经可以操作电子呼吸链，因此通过基因工程手段改变电子呼吸链，从而大大提高产氢效率。
（2）餐厨垃圾高效发酵产氢反应器的研制。发酵产氢离不开反应器，反应器直接影响着产氢效果。通过结构和功能的改变，研制新型高效发酵产氢反应器，提高餐厨垃圾厌氧发酵产氢过程中的传热、传质过程与降低产物抑制等，是未来餐厨垃圾发酵产氢工程化的主要研究课题。
（3）餐厨垃圾产氢过程的动力学模拟研究与优化控制。餐厨垃圾发酵体系影响因素众多，工程中的优化控制难以实现。通过动力学模型的模拟为工程控制提供参考数据具有十分重要的意义。
参考文献略