微藻光學特性反演及制氫動力學研究.pdf

1、能源短缺是人類在21世紀面臨的重大危機。隨著世界人口增長和工業(yè)化迅速發(fā)展，加快了對傳統(tǒng)能源的消耗，也使得人類對能源的依賴更加嚴重。然而，傳統(tǒng)能源多為不可再生能源，儲量有限，且對環(huán)境有一定的污染，這使得人類把目光轉向了清潔、可再生的新能源領域。與太陽能、核能和風能等新型能源相比，微藻能源因具有原材料豐富、生產操作安全、生產過程能耗低且使用過程零排放等特點，受到國內外的廣泛關注。目前，微藻光生物制氫及產油已經成為全球研究的熱點，美國等發(fā)達國

2、家已經率先實現(xiàn)了從微藻培養(yǎng)到生物燃料制備的工業(yè)化生產。在影響微藻產氫產油的眾多因素中，光能是最主要的因素之一。因此，準確地了解微藻細胞對光能的吸收散射特性及光生物反應器內輻射傳輸顯得尤為重要。本文以微藻光生物制氫為研究背景，針對細胞輻射特性、光生物反應器內輻射傳輸及制氫動力學開展了理論和實驗研究，主要完成以下幾方面工作：
　　首先介紹了單體微藻細胞輻射特性模型，比較了橢球形萊茵衣藻細胞與其等效球模型輻射特性的差異，并建立了基于分形

3、理論和廣義Mie理論的微藻細胞團聚體輻射特性模型，分析了分形維數(shù)、單體個數(shù)及單體半徑對團聚體輻射特性的影響。結果表明，可用等效球模型近似計算橢球形萊茵衣藻細胞輻射特性；隨著分形維數(shù)增大，單體半徑越小且單體數(shù)越多的細胞團聚體散射截面變小且越接近等體積球的散射截面，而吸收截面變化不明顯。
　　在研究了細胞輻射特性模型的基礎上，結合輻射反問題求解技術，展開了微藻細胞輻射特性的測量研究，即分別建立了基于時/頻域激光透反射測量技術及微粒群智

4、能優(yōu)化算法的微藻細胞光譜復折射率反演模型和基于微藻彌散系光譜消光技術及蟻群智能優(yōu)化算法的微藻細胞彌散系粒徑分布反演模型。研究表明，時域脈沖激光作用下的微藻細胞光譜復折射率反演結果的魯棒性好、精度高、收斂慢，基于多厚度模型和透反射信號的測量技術是一種有效反演萊茵衣藻GY-D55型細胞光譜復折射率的方法；在粒徑分布函數(shù)未知的情況下，J-SB函數(shù)可以作為一般性函數(shù)來近似參數(shù)化估計細胞粒徑分布，提出的一種基于波長敏感度和矩陣條件數(shù)分析的探測激光

5、波長優(yōu)選方案能提高細胞粒徑分布的非參數(shù)化反演精度。
　　在研究了細胞輻射特性的基礎上，結合Michaelis-Menten動力學模型，進一步開展了光生物反應器內輻射傳輸及光生物制氫的研究，分析了不同地區(qū)不同時刻光照強度、氣泡密度、藻類濃度及微藻團聚現(xiàn)象對反應器內輻射傳輸及制氫率的影響，并搭建了平板氣升式光生物反應器制氫實驗平臺，測量了不同波長和強度的LED燈照射下萊茵衣藻GY-D55型細胞的制氫率，反演得到相應LED燈照射下的制氫