固體基質表面光合細菌生物膜成膜及產氫特性.pdf

1、作為主要能源的化石燃料儲量急劇地減少以及它們燃燒所帶來的全球氣候變化、環(huán)境污染和健康問題，對能源結構產生了巨大挑戰(zhàn)。氫氣由于其高燃燒值和有效燃燒或直接在燃料電池中使用，被認為是最有潛力的替代能源之一。生物制氫反應條件溫和、能耗低、能夠妥善解決環(huán)境污染和能源需求間的矛盾，具有良好的發(fā)展前景。相比于暗發(fā)酵制氫技術，光生物產氫技術具有純度高、理論底物轉化效率高和無氧氣活性抑制等優(yōu)點而備受研究者的關注。而作為細胞固定化技術之一的生物膜法，不僅能

2、有效提高生物反應器單位體積內的生物量進而提高產氫速率，而且具有底物傳質速率大、光傳輸特性好和操作簡單等優(yōu)點。
　　在典型的生物膜反應器中，底物從主流區(qū)對流和擴散進入生物膜內，而代謝產物反向從生物膜內擴散到主流區(qū)，因而生物膜結構對底物-產物質量傳輸和反應器整體性能均有重要影響。本文采用生物膜法光生物制氫技術，利用本實驗室篩選培育的光合細菌沼澤紅假單胞菌Rhodoseudomonas palustris CQK 01作為產氫菌種，構建

3、了用于生物膜結構研究和實現(xiàn)產氫的可視化平板式光生物反應器，研究了不同光照強度、光照波長、進口溶液流量和底物濃度條件下形成的光合細菌生物膜結構，并討論了不同膜結構對反應器內底物傳輸和產氫性能的影響。在實驗研究基礎上，采用擴散-反應方程和元胞自動機規(guī)則，結合前期實驗得到的光合細菌生長動力學參數(shù)，建立了光合細菌生物膜在固體基質表面上生長的二維模型，預測了光照強度、底物濃度、溫度、pH和初始接種量對光合細菌在固體基質表面生長、成膜過程中表面形態(tài)

4、和特征參數(shù)的影響。主要研究結果如下：
　　1.生物膜中的光合細菌以短桿狀為主，但也有少量的長桿狀存在。不同啟動條件下形成的生物膜結構對后期穩(wěn)定運行期中光生物反應器的產氫性能有著顯著影響。
　　2.在光照強度為5000lx和光照波長為590nm下形成的生物膜具有較大的細菌形態(tài)、較高的孔隙率、生物膜干重(0.915mg/cm2)和厚度(18.7μm)，且該條件下形成的生物膜在穩(wěn)定運行期的產氫性能最高。盡管光照波長為470nm下形

5、成的生物膜具有最大的生物膜干重和厚度(1.013mg/cm2和27.8μm)，但由于其極低的孔隙率導致了產氫性能嚴重下降。
　　3.生物膜結構隨反應器進口溶液流量的增加變得更加致密，生物膜厚度在進口溶液流量為38ml/h時形成的低流體剪切力作用下達到最大(19.1μm)，但此時生物量卻較低；而在進口溶液流量為228ml/h下形成的生物膜具有較大的細菌形態(tài)和適中的孔隙率，且該條件下形成的生物膜在穩(wěn)定運行期的產氫性能最高。
　　

6、4.隨著底物濃度的增加，生物膜結構會變得更加疏松，底物濃度為110mmol/l下形成的生物膜具有最大的孔隙率。但生物膜干重和厚度是在底物濃度為60mmol/l下獲得最大值，且該條件下形成的生物膜在穩(wěn)定期的產氫性能也為最佳。
　　5.在穩(wěn)定運行期，光合細菌生物膜產氫速率隨光照波長、光照強度、進口流量和底物濃度的增加呈先增加后減小的趨勢，最大產氫速率為11.2mmol/m2/h。產氫得率均隨進口底物濃度的增加而持續(xù)減少，最大產氫得率為