生物膜反应器内微生物运动及附着特性研究

摘要

人类社会对化石燃料的依赖引起了全球变暖、空气污染等严重的环境问题。积极开发环境友好和符合经济发展的可再生能源，成为关系中国可持续发展的重大战略需求。在各种可再生能源中，生物质能源具有可再生、天然可用、富含能量、污染物质少等优点，有潜力替代现有的化石燃料。微生物能源转化技术作为生物质能源的一种重要形式，具有条件温和、环境友好以及能量投入低等优点，在国际上被普遍认为更具有竞争力和广阔的发展前景。生物膜反应器以其高稳定性、可重复连续使用的优点成为微生物能源转化反应器中最常用一种形式。
　　生物膜反应器内的成膜过程分为悬浮液内游离态细菌运动到壁面、细菌稳定吸附到壁面以及生物膜的生长三个过程。现有对生物膜反应器内成膜过程的研究主要集中在细菌的吸附及生物膜的生长。而对游离细菌运动的研究主要集中在鞭毛的运动机理上，未综合考虑细菌运动过程中的鞭毛运动、布朗运动和细菌的翻滚行为，也未考虑生物膜反应器内的空间结构、流场及浓度场等实际运行条件。微生物的运动及在固体壁面的附着会直接影响生物膜反应器内的成膜过程，并最终决定生物膜反应器的性能。本文以生物膜反应器为背景，建立了综合考虑鞭毛运动、布朗运动、翻滚运动、反应器内流场变化、趋化运动等因素的数学模型，分析了在生物膜形成的初期阶段微生物的运动及在壁面上的附着特性，本文的研究内容如下：
　　①首先从微生物的结构出发，对运动状态的微生物进行了受力分析。根据流体绕流细菌时低雷诺数的特点，在“阻力理论”的基础上得到了细菌鞭毛运动过程中的相关运动参数计算方法。在此基础上，分析了布朗运动对微生物运动的影响。此外，模型还考虑了微生物翻滚行为。计算得到的细菌在液体中的运动轨迹与文献中实验观察得到的结果对比，证明了本文提出的数值模型的合理性与准确性。
　　②利用建立的微生物运动的数值模型，分析了微生物尺寸参数、翻滚能力、细菌培养液粘度、细菌培养液温度对微生物运动行为的影响。结果表明：在其他参数保持不变的情况下，细菌尺寸越大，运动速度越小；具有翻滚能力的细菌运动相同的距离所需要的时间远大于不具有翻滚能力的细菌；细菌培养液粘度越大，细菌的运动速度越低；在10-25℃范围内，细菌培养液温度越高，细菌的运动速度越快。
　　③为了研究生物膜反应器的不同的结构形式对微生物运动及附着过程的影响，以堆叠床生物膜反应器为研究对象，分析了微生物在不规则空间的运动与附着特性。结果表明：通过改变堆叠形式或者减小颗粒直径增大比表面积可以加快悬浮态微生物附着到堆叠颗粒表面；较小尺寸的微生物的附着过程更快；不具有翻滚能力的微生物的附着过程远快于具有翻滚能力的微生物；而对于具有翻滚能力的微生物，液体粘度对微生物在不规则空间内的附着过程影响不大。
　　④针对生物膜反应器内常见的液相流动条件，建立了微生物在流场内运动的数值模型，分析了在不同的流场形式下微生物在固体表面的附着。结果表明：不同的流型会改变吸附到固体表面的细菌的密度。通过分析发现：细菌在流场内的运动主要包括两种形式：细菌自身的运动（包含布朗运动和翻滚行为）和细菌跟随流体的运动。在流动边界层内，细菌自身的运动占据主导地位，而细菌自身运动速度一般情况下远小于液体流动的速度。因此，流型变化导致的较小的边界层厚度能使细菌运动到固体壁面的时间更短，加快游离态细菌在壁面的附着。
　　⑤针对生物膜反应器内常见的化学浓度梯度，建立了微生物趋化运动的数值模型。微生物的趋化运动来自于在不同化学浓度下对微生物对其运动行为的主动调整。利用该趋化运动模型，本文分析了微生物在不同浓度、不同形式浓度梯度下微生物的趋向性运动。
　　⑥为了深入分析微生物的趋化运动并将其应用于强化生物膜的形成，本文设计并制造了用于细胞信号通路研究的微流体振荡器。它能自动将恒定的流量输入自动转化为周期性地流量输出。另外，本文还设计了能使多个微流体振荡器同步输出的微流体结构。最后，为了进一步简化微流体振荡器的结构，本文还设计了单阀门型的微流体振荡器。

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英文摘要

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符号说明

1 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 微生物能源转化反应器

1.3 生物膜形成过程研究现状

1.4 本文主要工作及创新点

2 微生物的运动理论及数值模型

2.1 引言

2.2 鞭毛运动的数值模型

2.3 微生物的布朗运动

2.4 微生物的翻滚行为

2.5 微生物运动模型的计算步骤及验证

2.6 本章小结

3 微生物的运动特性分析

3.1 引言

3.2 微生物参数对其运动行为的影响

3.3 环境参数对微生物运动行为的影响

3.4 本章小结

4 微生物在不规则空间内的运动及附着特性

4.1 引言

4.2微生物在不规则空间内的运动及附着特性

4.4 本章小结

5 微生物在流场内的运动及附着特性

5.1 引言

5.2 微生物在流场内运动的实验研究

5.3 微生物在流场内运动的数值模型

5.4 边界层对细菌吸附的影响分析

5.5 本章小结

6 微生物的趋化运动特性

6.1 引言

6.2 微生物的趋化运动

6.3 微生物趋化运动的数学模型

6.4 结果和分析

6.5 本章小结

7 微流体振荡器

7.1 引言

7.2 微流体振荡器的工作原理

7.3 具有自同步能力的微流体振荡器组

7.4 单阀门型微流体振荡器

7.5 本章小结

8 结论与展望

8.1 主要结论

8.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 攻读博士学位期间发表及撰写的论文目录

B. 攻读博士学位期间发表的专著目录

C. 攻读博士学位期间参与的科研项目

D. 攻读博士学位期间获得的奖项目录