光合細胞產氫過程中能質傳輸及超聲強化特性研究.pdf

1、化石能源價格不斷攀升,能源短缺日益成為困擾社會發(fā)展的首要問題,同時化石燃料的過量開采對自然環(huán)境造成了嚴重破壞,而氫氣燃燒熱值高,燃燒產物為水,不釋放危害環(huán)境的產物,因此被廣泛地認為是最具潛力的清潔能源。在多種制氫技術中,光合細菌制氫具有光譜響應范圍廣、能量轉化效率高、反應條件溫和、環(huán)境友好的優(yōu)點,非常有利于實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展。
　　 光合細菌的能質傳輸特性的研究對于解決光合細胞的傳輸限制性問題,以及光生物制氫中光能利用率低、產

2、氫速率低等問題,具有重要的作用。目前關于光合細菌產氫機理的研究較少,尤其在光合細菌產氫過程中光能的光生化反應和碳源底物的跨膜傳輸特性方面,已有的研究大多是在細胞結構被破壞的條件下研究光能捕獲與電子傳遞,沒有將光能的傳遞與細胞內物質代謝聯(lián)系起來。
　　 本文采用前期篩選、純化的高效產氫光合菌沼澤紅假單胞(Rhodoseudomonaspalustris)CQK-01為實驗菌種,系統(tǒng)研究了在序批式培養(yǎng)過程中光合細菌的生物學特性以及生

3、長產氫動力學特性;并從光能和底物傳遞以及微生物代謝的角度研究了底物濃度、pH值、光波長、光照強度等參數(shù)對反應器內光衰減特性、光合細菌的光合色素和細胞內ATP含量、光合細胞膜的滲透系數(shù)和細胞內葡萄糖濃度的影響,分析了光衰減對平板式光生物反應器產氫性能的影響,以及光能和底物傳輸與光合細菌產氫速率的關系,建立了光生物制氫反應器中光衰減系數(shù)關聯(lián)式和光合細菌的葡萄糖跨膜傳輸及代謝產氫的單細胞模型;同時為了強化光合細菌產氫過程中的能質傳輸特性,本文

4、進一步研究了在序批式和連續(xù)流兩種超聲波光生物反應器中超聲功率、超聲時間、底物濃度、光照等操作參數(shù)對光合細菌產氫性能的影響。主要研究成果如下:
　　 ①實驗獲得了沼澤紅假單胞菌CQK-01的生長繁殖方式、菌體生長產氫過程中的形態(tài)變化以及菌體活細胞的光譜吸收特性,同時揭示了不同初始底物濃度、初始pH值、光波長、光照強度下光合細菌的比生長速率、底物比消耗速率、比產氫速率等動力學特性的變化規(guī)律。
　　 ②在序批式光生物制氫反應器

5、中,研究了光路長度、細菌濃度、入射光波長和入射光照強度等操作參數(shù)下光合細菌的光衰減特性,實驗結果表明:在可見光波段范圍內,光衰減系數(shù)隨著光波長的增加而減小,而隨著細菌濃度的增加而增加;同時擬合得到光衰減系數(shù)與光波長和細菌濃度的實驗關聯(lián)式,結果表明計算值與實驗測量值吻合較好。同時研究還發(fā)現(xiàn),光衰減對光合細菌的生長產氫特性影響很大,在較短光路長度、高光照強度下光合細菌的生長速率最快,并且達到最大產氫速率的時間較早,在光路長度L為0.05 m

6、時光生物反應器綜合產氫性能最佳,此時反應器的產氫速率為0.16 mmol/L/h,葡萄糖消耗速率為0.49 mmol/L/h,產氫得率為0.4 mol-H2/mol-glucose,光能轉化效率為28％。
　　 ③研究了初始底物濃度、初始pH值、光波長和光照強度對光合細菌產氫過程中光合色素和細胞內ATP含量的影響,實驗結果表明:細菌葉綠素和類胡蘿卜素具有不同的合成機制,在光波長為590 nm、初始底物濃度為75 mmol/L、初

7、始pH值為7.0時,其細菌葉綠素和類胡蘿卜素含量最大為2.3 mg/g cell dry weight和2.5 mg/g cell dry weight,產氫速率最大為2.3 mmol/g cell dry weight/h。
　　 ④對光合細菌的葡萄糖跨膜傳輸特性進行了研究,并且結合Fick定律和Michaelis-Menten方程計算得到細胞內葡萄糖濃度和光合細胞膜的滲透系數(shù),結果表明:葡萄糖跨膜傳輸速率最大為9.74 mm

8、ol/g cell dry weight/h,光合細胞膜的最大滲透系數(shù)基本維持在250 cm3/g cell dry weight/h左右。同時建立了光合細菌的葡萄糖跨膜傳輸及代謝產氫的單細胞模型,分析了光合細菌細胞內、外葡萄糖濃度和氫氣濃度分布特性。
　　 ⑤研究了超聲波對光合細菌產氫特性的影響,實驗發(fā)現(xiàn):超聲波可以增加光合細胞膜的通透性,促進碳源有機底物的跨膜傳輸;超聲波可以釋放液相中的氫氣,降低氫分壓對光合細菌產氫的抑制作

9、用。在序批式超聲波反應器中,反應器的最大產氫速率、產氫得率、能量轉化效率分別為0.54 mmol/L/h、1.18mol-H2/mol-glucose、11％。而在連續(xù)流超聲波光生物反應器中,其最大產氫速率、產氫得率和能量轉換效率分別為0.82 mmol/L/h、0.33 mol-H2/mol-glucose、和2.7％,可見序批式反應器比連續(xù)流反應器具有較高的產氫得率和能量轉化效率,而連續(xù)流反應器卻具有較大的產氫速率,并且還發(fā)現(xiàn)在超聲