光合细菌生物膜制氢反应器传输与产氢特性

摘要

当今世界经济的发展强烈依赖于以化石燃料为主的能源供应，然而这些资源并非是取之不竭的。能源持续紧张，国际石油价格大幅振荡，不断攀升，能源短缺问题日益成为困扰社会和经济发展的首要问题，同时化石能源的开采和应用对环境造成了严重破坏，特别是产生的CO2引起的温室效应带来的极端和异常气候变化、氮氧化物和SO2带来的酸雨等问题严重地威胁着地球和人类的可持续发展。我国是一个能源资源相对贫乏的国家，特别是石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的7.7％和7.1％。因此开发可再生的生物能源对于促进可持续社会的发展具有重要意义。
　　 氢气在所有已知能源中具有最高的单位质量能量密度，并在通过电化学或者燃烧的能量转化过程中不释放危害环境的产物，因此成为最具潜力的清洁可再生能源。2007年4月国家颁布能源发展“十一五”规划更明确指出将氢能开发作为我国今后重点的前沿发展技术之一。目前广泛采用的传统制氢方法一方面仍消耗化石能源，另一方面对环境造成破坏。太阳辐射能是目前世界储量最大的可再生能源。采用光合细菌的光生物制氢技术反应条件温和，可以把太阳能利用与有机污染物降解耦合起来，完美解决了能源需求和环境保护之间的矛盾。
　　 采用细胞固定化技术实现连续化的产氢是光生物制氢付诸实际的基础。生物膜和包埋这两种细胞固定化方法已经应用于生物制氢的研究。采用该技术可提高制氢反应器单位体积内的生物量、反应器内细菌的环境耐受力、以及产氢速率和生物降解速率。然而包埋方法由于传质阻力大、透光性差以及机械强度差的缺点不利于反应器长期运行。本文采用生物膜细胞固定化技术，分别从提高反应器中的生物持有量、强化传质和提高光能转化效率出发，构造了微槽透光板式光生物制氢反应器、环流形光纤生物膜反应器和光纤束生物膜制氢反应器等三个能够高效连续产氢的新型光生物制氢反应器。实验研究了不同操作条件下上述光生物制氢反应器的产氢速率、底物消耗速率、产氢得率和光能转化效率等特性和变化规律。
　　 通过微槽透光板式光生物制氢反应器与普通平板生物膜光生物制氢反应器的对比实验发现，由于微槽道结构可以提高反应器的比表面积进而增加了反应器的生物持有量，同时微槽道的起伏结构又可以增加反应器主流区和生物膜区域之间的对流传质系数，底物和产物传输的增强使得生物膜区域可维持较好的微生态环境。另外微槽道还可以增强光照在生物膜区域的散射，从而提高该区域的光照均匀性，使得生物膜区域内的微生物具有更高的光能转化效率。在相同的实验条件下，微槽透光板式光生物制氢反应器的产氢速率、产氢得率系数和光能转化效率分别达到3.816 mmol/㎡/h，0.75 molH2/molglucose和3.8％，比普通平板反应器产氢速率提高约75％。微槽道的结构形式可以为生物膜方法光生物制氢反应器的载体改良提供参考。
　　 本文首次将生物膜细胞固定化技术与导光载体相结合构造了环流形光纤生物膜制氢反应器，用于解决目前光生物制氢反应器存在的实现细胞固定化和增强反应器导光性之间的矛盾。通过实验研究发现该反应器在入射光波长为530 nm光纤表面光强度为4.15 W/㎡的条件下，反应器的光能转化效率和产氢速率得到显著提高，分别达到47.9％和0.83 mmol/g cell/h。在实验研究的基础上建立了环流型光纤生物膜制氢反应器中底物传输与消耗的数学模型，分析了外界操作因素对该反应器内质量传递和底物降解的影响规律，理论预测值与实验值基本吻合。在此基础上构造的光纤束生物膜制氢反应器实现了反应器的内容积空间的充分利用并获得了反应器内均匀的光强分布。在模拟自然光照的实验条件下得到了当光照强度为5.1 W/㎡时，反应器的产氢速率和光能转化效率分别达到0.6 mmol/L/h和3.64％。
　　 固定化技术是当今生物工程领域中的研究热点，但关于固定化细胞光生物制氢反应器中传输特性的研究还极少进行，本文的研究工作将促进对固定化细胞光生物制氢的传递及产氢的强化机理和规律的认识，解决固定化细胞技术中的传输限制性问题和光生物制氢反应器内光能利用率低、产氢率低等问题，为新型高效规模化光生物制氢反应器的开发和应用奠定基础，具有重要的学术价值和工程实际意义。

目录

文摘

英文文摘

符号说明

1 绪论

1.1 概述

1.2 光生物制氢方法国内外研究现状

1.2.1 光生物制氢类型及基本原理

1.2.2 直接生物光解制氢系统(光合成生物制氢系统)

1.2.3 间接生物光解制氢系统(光分解生物制氢系统)

1.2.4 光发酵生物制氢系统

1.2.5 光合细菌产氢的微观生理机理研究

1.2.6 光合细菌产氢影响因素研究

1.3 光合细菌制氢反应器研究现状

1.3.1 光源

1.3.2 反应器主体

1.3.3 反应器的性能评价

1.4 固定化细胞反应器研究现状

1.5 生物膜反应器模型研究现状

1.5.1 概述

1.5.2 生物膜中底物传输与反应子模型

1.5.3 反应器主流区底物传输子模型

1.5.4 典型的生物膜反应器传输模型

1.6 本课题的主要工作

1.6.1 已有研究工作的不足

1.6.2 本文主要工作

1.7 课题研究意义

2 微槽透光板式光生物制氢反应器产氢和底物降解特性实验研究

2.1 引言

2.2 徽槽透光板式光生物制氢反应器的设计

2.3 实验材料和方法

2.3.1 菌种和培养基

2.3.2 测量方法

2.3.3 实验装置

2.3.4 反应器性能评价指标

2.4 反应器挂膜启动

2.4.1 挂膜期间反应器葡萄糖消耗速率的变化

2.4.2 挂膜期间反应器产氢速率的变化

2.5 连续产氢性能实验

2.5.1 入射光波长对反应器产氢和底物降解特性的影响

2.5.2 光照强度对反应器产氢和底物降解特性的影响

2.5.3 进口底物浓度对反应器产氢和底物降解特性的影响

2.5.4 流速对反应器产氢和底物降解特性的影响

2.5.5 实验结果的OLR分析

2.5.6 pH值对反应器产氢和底物降解特性的影响

2.6 本章小结

3 环流型光纤生物膜制氢反应器产氢和底物降解特性实验研究

3.1 引言

3.2 环流型光纤生物膜制氢反应器的设计

3.2.1 设计要求

3.2.2 反应器中的光场分布

3.2.3 光纤表面挂膜的可行性

3.3 实验材料和方法

3.3.1 菌种和培养基

3.3.2 测量方法

3.3.3 实验装置

3.3.4 反应器性能评价指标

3.4 反应器挂膜启动

3.4.1 挂膜期间反应器产氢速率的变化

3.4.2 挂膜期间反应器底物消耗速率的变化

3.4.3 挂膜成功反应器的可视化照片和扫描电镜照片

3.4.4 反应器中生物量干重测量

3.5 反应器连续产氢和底物降解性能实验

3.5.1 光分布特性对反应器产氢和底物降解性能的影响

3.5.2 传质特性对反应器产氢和底物降解性能的影响

3.5.3 底物酸碱性对反应器产氢和底物降解性能的影响

3.6 本章小结

4 环流型光纤生物膜制氢反应器底物传输与降解模型研究

4.1 引言

4.2 数学模型

4.2.1 物理问题的提出

4.2.2 底物传输与降解模型描述

4.3 数值计算方法

4.4 计算结果与分析：

4.4.1 进口底物浓度对反应器底物降解效率的影响：

4.4.2 流速对反应器底物降解效率的影响：

4.4.3 光照强度对反应器底物降解效率的影响：

4.5 反应器工况预测

4.6 本章小结

5 光纤束生物膜制氢反应器产氢和底物降解特性实验研究

5.1 引言

5.2 光纤束生物膜制氢反应器的设计

5.3 实验材料和方法

5.3.1 菌种和培养基

5.3.2 测量方法

5.3.3 实验装置

5.3.4 反应器性能评价指标

5.4 反应器挂膜启动

5.4.1 挂膜期间反应器产氢速率的变化

5.4.2 挂膜期间反应器底物消耗速率的变化

5.5 连续产氢性能实验

5.5.1 底物浓度对反应器产氢性能的影响

5.5.2 流速对反应器产氢性能的影响

5.6 光纤束生物膜制氢反应器与其他反应器光能转化效率的比较

5.7 本章小结

6 结论

7 后续研究工作展望

创新点简介

致谢

参考文献

附 录

A 已发表和已录用的文章

B 申请的专利

C 参与的科研项目