微小空間內(nèi)光合細(xì)菌產(chǎn)氫行為及鼓泡強(qiáng)化產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、石油、煤炭等化石能源的逐漸衰竭以及日益嚴(yán)重的環(huán)境污染使得人們認(rèn)識(shí)到發(fā)展替代性的清潔能源的重要性，氫氣作為一種清潔能源被認(rèn)為是人類(lèi)未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。但目前電解水制氫、甲烷水蒸氣重整制氫等傳統(tǒng)制氫方法能耗高，設(shè)備復(fù)雜。而利用生物方法制氫可以有效克服傳統(tǒng)制氫的諸多缺點(diǎn)，已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注，其中利用光合細(xì)菌吸收光能降解有機(jī)廢水制氫的方法是目前的一個(gè)前沿研究方向。
　　 目前光合細(xì)菌產(chǎn)氫過(guò)程中光能利用率低和產(chǎn)氫速率低的問(wèn)題

2、較為突出，為了提高光合細(xì)菌的光能利用率和產(chǎn)氫速率，增加菌體的抗沖擊性，就必須將固定化技術(shù)與光合細(xì)菌產(chǎn)氫結(jié)合起來(lái)，包埋法是目前常用的固定化方法之一。包埋顆粒內(nèi)部為不規(guī)則多孔狀的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)，光合細(xì)菌被限制于微小孔道內(nèi)，底物葡萄糖通過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入包埋顆粒內(nèi)部，在微孔道內(nèi)被光合細(xì)菌降解，產(chǎn)生的氫氣、二氧化碳等代謝產(chǎn)物分子通過(guò)反向作用傳遞出包埋顆粒。微小孔道為氣-液相界面的穩(wěn)定存在提供了有利條件，因此在固定化包埋顆粒內(nèi)部會(huì)形成氣-液-固三相共存的

3、復(fù)雜狀態(tài)，而相界面對(duì)光合細(xì)菌的生長(zhǎng)代謝以及運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生較大的影響。本課題以固定化包埋光合細(xì)菌Rhodoseudomonas palustris CQK-01產(chǎn)氫為背景，研究固定化包埋顆粒內(nèi)部的產(chǎn)氫過(guò)程與物質(zhì)傳輸現(xiàn)象。
　　 首先采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料制作了可視化微槽道光生物制氫反應(yīng)器，模擬光合細(xì)菌在固定化顆粒內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的代謝產(chǎn)氫過(guò)程。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)光合細(xì)菌在不同結(jié)構(gòu)形式、不同流動(dòng)方式的微槽道反應(yīng)器內(nèi)的生長(zhǎng)過(guò)程以及產(chǎn)氫

4、行為存在差異。流速過(guò)低過(guò)高都不利于光合細(xì)菌在微槽道內(nèi)的生長(zhǎng)吸附，半封閉式微槽道反應(yīng)器內(nèi)光合細(xì)菌生長(zhǎng)情況較好，而且可以保持生物量的穩(wěn)定。貫通式微槽道反應(yīng)器內(nèi)氣泡主要在槽道內(nèi)部產(chǎn)生，逐漸生長(zhǎng)直至從槽道口脫離。半封閉式微槽道反應(yīng)器內(nèi)氣泡主要在微槽道的端口處形成并生長(zhǎng)。同時(shí)，研究了進(jìn)口底物濃度、進(jìn)口底物流速、光照強(qiáng)度、光波長(zhǎng)等操作條件對(duì)微槽道光生物反應(yīng)器的產(chǎn)氫及底物降解特性的影響規(guī)律，最佳的產(chǎn)氫速率、產(chǎn)氫得率、底物消耗速率、光能轉(zhuǎn)化效率分別為1

5、.49 mmol/g cell dry weight/h，0.91 mol H2/mol glucose，1.63mmol/gcell dry weight/h和24.36％。
　　 在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，建立了微槽道光生物反應(yīng)器底物傳輸及消耗理論模型。分析了光照強(qiáng)度、底物流速、溫度、pH值等外界操作條件對(duì)光生物反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)傳遞和底物降解的影響規(guī)律，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合。并通過(guò)該模型計(jì)算了反應(yīng)器主流道和微槽道兩部分區(qū)域內(nèi)的底

6、物濃度分布情況，這對(duì)于以后研究固定化包埋顆粒內(nèi)質(zhì)量傳遞具有理論指導(dǎo)意義。
　　 固定化包埋顆粒的微小孔道內(nèi)是多相共存的狀態(tài)，其中氣-液相界面是主要影響光合細(xì)菌生長(zhǎng)分布的相界面。為了研究微小有限空間內(nèi)氣-液相界面與光合細(xì)菌之間的相互作用，設(shè)計(jì)加工完成平行平板微槽道光生物反應(yīng)器。通過(guò)可視化顯微系統(tǒng)拍攝氣泡在微槽道內(nèi)的分布、生長(zhǎng)規(guī)律以及光合細(xì)菌和氣-液相界面之間的作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光生化反應(yīng)中產(chǎn)生的氣泡多分布于微槽道的邊緣部位，同時(shí)氣泡受

7、到液相中氣體分子濃度波動(dòng)的影響，呈現(xiàn)生長(zhǎng)和消失兩種相反的現(xiàn)象。光合細(xì)菌與氣-液相界面的作用是受靜電力，范德華力，毛細(xì)力，細(xì)菌自身動(dòng)能等因素綜合影響的結(jié)果，導(dǎo)致光合細(xì)菌在氣.液相界面具有吸附與排斥兩種不同的現(xiàn)象。同時(shí)吸附于氣泡表面的光合細(xì)菌會(huì)阻礙相鄰氣泡間的聚合。
　　 氣-液相界面的存在有助于液相中溶解的產(chǎn)物氣體分子快速析出，因此我們以氣-液相平衡和傳質(zhì)理論為基礎(chǔ)，將鼓泡法與光合細(xì)菌產(chǎn)氫過(guò)程相結(jié)合，研究了向反應(yīng)液內(nèi)鼓入惰性氣體強(qiáng)

8、化光合細(xì)菌產(chǎn)氫性能的機(jī)理。在序批式產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)和連續(xù)流產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)溶解氫微電極實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解氫氣濃度變化，發(fā)現(xiàn)向反應(yīng)器中鼓入氬氣氣泡可以有效降低反應(yīng)液中的溶解產(chǎn)物氣體分子濃度，從而降低反應(yīng)器液相中的氣體分壓，減小光合細(xì)菌產(chǎn)氫過(guò)程中的產(chǎn)物反饋抑制作用，使得光合細(xì)菌的產(chǎn)氫性能提高。鼓泡過(guò)程影響了光合細(xì)菌的生長(zhǎng)代謝規(guī)律，造成光合細(xì)菌的生長(zhǎng)周期發(fā)生改變，同時(shí)也改變了中間產(chǎn)物的相對(duì)比例和反應(yīng)液的pH值，在以上多種因素綜合作用下光合細(xì)菌產(chǎn)氫性能得到了