微小空間內(nèi)光合細菌產(chǎn)氫行為及鼓泡強化產(chǎn)氫實驗研究.pdf

1、石油、煤炭等化石能源的逐漸衰竭以及日益嚴重的環(huán)境污染使得人們認識到發(fā)展替代性的清潔能源的重要性，氫氣作為一種清潔能源被認為是人類未來能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。但目前電解水制氫、甲烷水蒸氣重整制氫等傳統(tǒng)制氫方法能耗高，設(shè)備復(fù)雜。而利用生物方法制氫可以有效克服傳統(tǒng)制氫的諸多缺點，已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注，其中利用光合細菌吸收光能降解有機廢水制氫的方法是目前的一個前沿研究方向。
　　 目前光合細菌產(chǎn)氫過程中光能利用率低和產(chǎn)氫速率低的問題

2、較為突出，為了提高光合細菌的光能利用率和產(chǎn)氫速率，增加菌體的抗沖擊性，就必須將固定化技術(shù)與光合細菌產(chǎn)氫結(jié)合起來，包埋法是目前常用的固定化方法之一。包埋顆粒內(nèi)部為不規(guī)則多孔狀的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)，光合細菌被限制于微小孔道內(nèi)，底物葡萄糖通過擴散作用進入包埋顆粒內(nèi)部，在微孔道內(nèi)被光合細菌降解，產(chǎn)生的氫氣、二氧化碳等代謝產(chǎn)物分子通過反向作用傳遞出包埋顆粒。微小孔道為氣-液相界面的穩(wěn)定存在提供了有利條件，因此在固定化包埋顆粒內(nèi)部會形成氣-液-固三相共存的

3、復(fù)雜狀態(tài)，而相界面對光合細菌的生長代謝以及運動都會產(chǎn)生較大的影響。本課題以固定化包埋光合細菌Rhodoseudomonas palustris CQK-01產(chǎn)氫為背景，研究固定化包埋顆粒內(nèi)部的產(chǎn)氫過程與物質(zhì)傳輸現(xiàn)象。
　　 首先采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料制作了可視化微槽道光生物制氫反應(yīng)器，模擬光合細菌在固定化顆粒內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的代謝產(chǎn)氫過程。實驗中發(fā)現(xiàn)光合細菌在不同結(jié)構(gòu)形式、不同流動方式的微槽道反應(yīng)器內(nèi)的生長過程以及產(chǎn)氫

4、行為存在差異。流速過低過高都不利于光合細菌在微槽道內(nèi)的生長吸附，半封閉式微槽道反應(yīng)器內(nèi)光合細菌生長情況較好，而且可以保持生物量的穩(wěn)定。貫通式微槽道反應(yīng)器內(nèi)氣泡主要在槽道內(nèi)部產(chǎn)生，逐漸生長直至從槽道口脫離。半封閉式微槽道反應(yīng)器內(nèi)氣泡主要在微槽道的端口處形成并生長。同時，研究了進口底物濃度、進口底物流速、光照強度、光波長等操作條件對微槽道光生物反應(yīng)器的產(chǎn)氫及底物降解特性的影響規(guī)律，最佳的產(chǎn)氫速率、產(chǎn)氫得率、底物消耗速率、光能轉(zhuǎn)化效率分別為1

5、.49 mmol/g cell dry weight/h，0.91 mol H2/mol glucose，1.63mmol/gcell dry weight/h和24.36％。
　　 在實驗研究的基礎(chǔ)上，建立了微槽道光生物反應(yīng)器底物傳輸及消耗理論模型。分析了光照強度、底物流速、溫度、pH值等外界操作條件對光生物反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)傳遞和底物降解的影響規(guī)律，模型預(yù)測值與實驗值基本吻合。并通過該模型計算了反應(yīng)器主流道和微槽道兩部分區(qū)域內(nèi)的底

6、物濃度分布情況，這對于以后研究固定化包埋顆粒內(nèi)質(zhì)量傳遞具有理論指導(dǎo)意義。
　　 固定化包埋顆粒的微小孔道內(nèi)是多相共存的狀態(tài)，其中氣-液相界面是主要影響光合細菌生長分布的相界面。為了研究微小有限空間內(nèi)氣-液相界面與光合細菌之間的相互作用，設(shè)計加工完成平行平板微槽道光生物反應(yīng)器。通過可視化顯微系統(tǒng)拍攝氣泡在微槽道內(nèi)的分布、生長規(guī)律以及光合細菌和氣-液相界面之間的作用。實驗發(fā)現(xiàn)光生化反應(yīng)中產(chǎn)生的氣泡多分布于微槽道的邊緣部位，同時氣泡受

7、到液相中氣體分子濃度波動的影響，呈現(xiàn)生長和消失兩種相反的現(xiàn)象。光合細菌與氣-液相界面的作用是受靜電力，范德華力，毛細力，細菌自身動能等因素綜合影響的結(jié)果，導(dǎo)致光合細菌在氣.液相界面具有吸附與排斥兩種不同的現(xiàn)象。同時吸附于氣泡表面的光合細菌會阻礙相鄰氣泡間的聚合。
　　 氣-液相界面的存在有助于液相中溶解的產(chǎn)物氣體分子快速析出，因此我們以氣-液相平衡和傳質(zhì)理論為基礎(chǔ)，將鼓泡法與光合細菌產(chǎn)氫過程相結(jié)合，研究了向反應(yīng)液內(nèi)鼓入惰性氣體強

8、化光合細菌產(chǎn)氫性能的機理。在序批式產(chǎn)氫實驗和連續(xù)流產(chǎn)氫實驗中，通過溶解氫微電極實時監(jiān)測溶解氫氣濃度變化，發(fā)現(xiàn)向反應(yīng)器中鼓入氬氣氣泡可以有效降低反應(yīng)液中的溶解產(chǎn)物氣體分子濃度，從而降低反應(yīng)器液相中的氣體分壓，減小光合細菌產(chǎn)氫過程中的產(chǎn)物反饋抑制作用，使得光合細菌的產(chǎn)氫性能提高。鼓泡過程影響了光合細菌的生長代謝規(guī)律，造成光合細菌的生長周期發(fā)生改變，同時也改變了中間產(chǎn)物的相對比例和反應(yīng)液的pH值，在以上多種因素綜合作用下光合細菌產(chǎn)氫性能得到了