固体基质表面光合细菌生物膜成膜及产氢特性

论文摘要

作为主要能源的化石燃料储量急剧地减少以及它们燃烧所带来的全球气候变化、环境污染和健康问题,对能源结构产生了巨大挑战。氢气由于其高燃烧值和有效燃烧或直接在燃料电池中使用,被认为是最有潜力的替代能源之一。生物制氢反应条件温和、能耗低、能够妥善解决环境污染和能源需求间的矛盾,具有良好的发展前景。相比于暗发酵制氢技术,光生物产氢技术具有纯度高、理论底物转化效率高和无氧气活性抑制等优点而备受研究者的关注。而作为细胞固定化技术之一的生物膜法,不仅能有效提高生物反应器单位体积内的生物量进而提高产氢速率,而且具有底物传质速率大、光传输特性好和操作简单等优点。在典型的生物膜反应器中,底物从主流区对流和扩散进入生物膜内,而代谢产物反向从生物膜内扩散到主流区,因而生物膜结构对底物-产物质量传输和反应器整体性能均有重要影响。本文采用生物膜法光生物制氢技术,利用本实验室筛选培育的光合细菌沼泽红假单胞菌Rhodoseudomonas palustris CQK 01作为产氢菌种,构建了用于生物膜结构研究和实现产氢的可视化平板式光生物反应器,研究了不同光照强度、光照波长、进口溶液流量和底物浓度条件下形成的光合细菌生物膜结构,并讨论了不同膜结构对反应器内底物传输和产氢性能的影响。在实验研究基础上,采用扩散-反应方程和元胞自动机规则,结合前期实验得到的光合细菌生长动力学参数,建立了光合细菌生物膜在固体基质表面上生长的二维模型,预测了光照强度、底物浓度、温度、pH和初始接种量对光合细菌在固体基质表面生长、成膜过程中表面形态和特征参数的影响。主要研究结果如下:1.生物膜中的光合细菌以短杆状为主,但也有少量的长杆状存在。不同启动条件下形成的生物膜结构对后期稳定运行期中光生物反应器的产氢性能有着显著影响。2.在光照强度为5000 lx和光照波长为590 nm下形成的生物膜具有较大的细菌形态、较高的孔隙率、生物膜干重（0.915 mg/cm2）和厚度（18.7μm）,且该条件下形成的生物膜在稳定运行期的产氢性能最高。尽管光照波长为470 nm下形成的生物膜具有最大的生物膜干重和厚度（1.013 mg/cm2和27.8μm）,但由于其极低的孔隙率导致了产氢性能严重下降。3.生物膜结构随反应器进口溶液流量的增加变得更加致密,生物膜厚度在进口溶液流量为38 ml/h时形成的低流体剪切力作用下达到最大（19.1μm）,但此时生物量却较低;而在进口溶液流量为228 ml/h下形成的生物膜具有较大的细菌形态和适中的孔隙率,且该条件下形成的生物膜在稳定运行期的产氢性能最高。4.随着底物浓度的增加,生物膜结构会变得更加疏松,底物浓度为110 mmol/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浓度为60 mmol/l下获得最大值,且该条件下形成的生物膜在稳定期的产氢性能也为最佳。5.在稳定运行期,光合细菌生物膜产氢速率随光照波长、光照强度、进口流量和底物浓度的增加呈先增加后减小的趋势,最大产氢速率为11.2 mmol/m2/h。产氢得率均随进口底物浓度的增加而持续减少,最大产氢得率为0.66 mol H2/mol glucose。光能转化效率均随光照强度的增加而逐渐降低,最高光能转化效率为28.1%。6.光合细菌生物膜生长模拟结果表明在生物膜生长、成膜过程中,孔隙率随时间都呈减小的规律,而表面粗糙度在生长一定时间后都趋于一个稳定值,生物膜厚度都随时间而逐渐增大。在光照强度为5000 lx,底物浓度为10.0 g/l,温度为30 oC,pH为7.0和初始接种量为500时生物膜具有较高的孔隙率、表面粗糙度和厚度。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 生物制氢技术
• 1.3 光生物制氢技术研究现状
• 1.3.1 光合细菌概述
• 1.3.2 光合产氢细菌产氢原理
• 1.3.3 光合细菌产氢影响因素
• 1.3.4 细胞固定化制氢技术及研究现状
• 1.4 生物膜生长模型研究现状
• 1.5 课题研究内容及意义
• 1.5.1 课题意义及研究目的
• 1.5.2 本文研究内容
• 2 平板式光生物膜制氢反应器光合细菌成膜及产氢特性
• 2.1 引言
• 2.2 平板式光生物制氢反应器的设计
• 2.3 实验方法和材料
• 2.3.1 菌种及培养基
• 2.3.2 实验装置系统
• 2.3.3 产氢性能评价指标
• 2.3.4 分析与检测方法
• 2.4 实验结果及讨论
• 2.4.1 光照强度对光合细菌生物膜微结构及产氢性能的影响
• 2.4.2 光照波长对光合细菌生物膜微结构及产氢性能的影响
• 2.4.3 进口流量对光合细菌生物膜微结构及产氢性能的影响
• 2.4.4 底物浓度对光合细菌生物膜微结构及产氢性能的影响
• 2.5 本章小结
• 3 固体基质表面光合细菌生物膜生长特性模拟
• 3.1 引言
• 3.2 数学模型
• 3.2.1 物理问题描述
• 3.2.2 数学模型建立
• 3.3 数值计算方法
• 3.4 计算结果与讨论
• 3.4.1 生物膜生长过程
• 3.4.2 光照强度对生物膜生长特性的影响
• 3.4.3 底物浓度对生物膜生长特性的影响
• 3.4.4 pH 值对生物膜生长特性的影响
• 3.4.5 温度对生物膜生长特性的影响
• 3.4.6 初始接种量对生物膜生长特性的影响
• 3.5 本章小结
• 4 结论
• 4.1 本文主要结论
• 4.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• B. 作者在攻读硕士学位期间获得的荣誉