光合細(xì)菌生物膜反應(yīng)器內(nèi)傳輸特性及產(chǎn)氫性能強化.pdf

1、氫能具有燃燒性能好，清潔，高效等優(yōu)勢，被認(rèn)為是理想的能源載體之一。光合細(xì)菌能利用水和簡單的有機物作為底物將太陽能轉(zhuǎn)換成氫能，減少了二氧化碳的排放并實現(xiàn)了廢物的處理，是一門新興的生物能源技術(shù)。然而，利用光合細(xì)菌產(chǎn)氫過程中存在產(chǎn)氫速率慢與光能轉(zhuǎn)化效率低等問題，因此，該技術(shù)現(xiàn)在還處于實驗室研究階段，與工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)還有很大的差距。為了提高光合細(xì)菌的產(chǎn)氫性能，將生物膜技術(shù)與光合細(xì)菌制氫技術(shù)相結(jié)合便成為了一條有效的途徑。在利用光合細(xì)菌生物膜降解有

2、機物制取氫氣的過程中，培養(yǎng)液中的有機底物需先從溶液的主流區(qū)通過擴散作用進(jìn)入到生物膜內(nèi)，之后，有機底物被光合細(xì)菌生物膜代謝降解，最終生成的氫氣和二氧化碳等代謝產(chǎn)物逆方向傳輸?shù)饺芤旱闹髁鲄^(qū)。由此可見，生物膜內(nèi)的傳質(zhì)過程對光合細(xì)菌生物膜產(chǎn)氫性能有著十分顯著的影響。
　　本課題將以光合細(xì)菌生物膜制氫技術(shù)為背景，針對光合細(xì)菌生物膜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形態(tài)特性，通過構(gòu)建的板式光合細(xì)菌生物膜反應(yīng)器產(chǎn)氫系統(tǒng)，研究了不同生長時期、流速和底物濃度等操作條件對光

3、合細(xì)菌生物膜形成的影響，應(yīng)用激光共聚焦顯微鏡及三維重構(gòu)技術(shù)獲取了生物膜的結(jié)構(gòu)形態(tài)。通過對由激光共聚焦顯微鏡技術(shù)獲取的生物膜孔隙及活性細(xì)胞的分布情況，建立了光合細(xì)菌生物膜反應(yīng)器內(nèi)含有生化反應(yīng)的底物傳輸及降解模型，預(yù)測了不同操作條件下的生物膜內(nèi)底物分布情況及反應(yīng)器的底物降解特性。此外，為提高光合細(xì)菌生物膜的產(chǎn)氫性能，本文通過光纖技術(shù)的引入，光纖復(fù)合粗糙表面的構(gòu)建及非飽和掛膜方式的應(yīng)用，對光合細(xì)菌生物膜反應(yīng)器內(nèi)光分布特性，生物持有量和成膜特性

4、進(jìn)行了強化研究。主要獲得以下結(jié)論：
　?、俨捎眉す夤簿劢癸@微鏡及三維立體重構(gòu)技術(shù)，研究了光合細(xì)菌生物膜在成膜過程中結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化，探討了底物濃度和流速對光合細(xì)菌生物膜結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著掛膜啟動時間的增加，光合細(xì)菌生物膜的孔隙率不斷降低，生物膜的結(jié)構(gòu)越發(fā)致密。同時，過低的底物濃度會限制光合細(xì)菌生物膜的生長，降低生物膜的生物量濃度；而過高的底物濃度則導(dǎo)致光合細(xì)菌生物膜的結(jié)構(gòu)更為疏松。此外，由于剪切力的作用，光合細(xì)菌生物

5、膜在高流速下更易產(chǎn)生局部脫落的現(xiàn)象。
　?、诓捎糜杉す夤簿劢癸@微鏡技術(shù)獲取的生物膜孔隙及活性細(xì)胞的分布情況，建立了光合細(xì)菌生物膜反應(yīng)器內(nèi)含有生化反應(yīng)的底物傳輸及降解模型，獲得了不同操作條件下反應(yīng)器內(nèi)的底物分布和降解特性。實驗結(jié)果表明：模型計算結(jié)果與實驗值有較好的吻合性。在pH值為7，光照強度為6000 lx，溫度為30°C的條件下，光合細(xì)菌生物膜活性最高，底物降解性能最好，此時，生物膜內(nèi)的底物濃度最低，氫濃度最高。
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6、出了彌散光纖束光合細(xì)菌生物膜反應(yīng)器，應(yīng)用光纖材料作為光導(dǎo)管，強化反應(yīng)器內(nèi)光分布的均勻性，進(jìn)而提高反應(yīng)器的產(chǎn)氫性能。實驗結(jié)果表明：彌散光纖束光合細(xì)菌生物膜反應(yīng)器的產(chǎn)氫性能均隨水力停留時間與進(jìn)口底物濃度的增大呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。在水力停留時間為12 h，進(jìn)口底物濃度為50 mmol/L的工況下，反應(yīng)器的產(chǎn)氫速率和光能轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最大值，分別為12.1 mmol/m2/h和23.3％。
　　④構(gòu)建了彌散光纖復(fù)合粗糙表面，通過反應(yīng)器

7、比表面積的增加，提升了反應(yīng)器單位體積的生物持有量。實驗結(jié)果表明：復(fù)合粗糙表面的構(gòu)建強化了光合細(xì)菌生物膜反應(yīng)器的產(chǎn)氫性能。同時，20天的連續(xù)運行實驗還證實了帶有彌散光纖復(fù)合粗糙表面的光合細(xì)菌生物膜反應(yīng)器產(chǎn)氫系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定運行性。此外，在進(jìn)口底物濃度為60 mmol/L，流量為30 mL/h，進(jìn)口溶液的pH值為7.0，溫度為30℃的最適工況下，反應(yīng)器的產(chǎn)氫速率，底物降解速率，底物降解效率和光能轉(zhuǎn)化效率分別達(dá)到1.75 mmol/L/h,

8、10.8 mmol/L/h,75.0%和9.3%。
　?、堇靡合鄥^(qū)內(nèi)微生物遷移到達(dá)固體基質(zhì)表面的概率與液相區(qū)厚度成反比的概念，提出了在非飽和液相條件下光合細(xì)菌成膜，以期強化成膜特性，縮短成膜時間。實驗結(jié)果表明：光合細(xì)菌在非飽和液相條件下形成光合細(xì)菌生物膜是可行的、有效的。同時，與飽和液相中形成的光合細(xì)菌生物膜相比，非飽和液相條件下形成的生物膜的結(jié)構(gòu)更為致密，成膜所需的時間更短。在飽和液相條件下進(jìn)行產(chǎn)氫性能實驗時，非飽和液相中形成