光合細(xì)菌生物膜制氫反應(yīng)器傳輸與產(chǎn)氫特性.pdf

1、當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展強(qiáng)烈依賴(lài)于以化石燃料為主的能源供應(yīng)，然而這些資源并非是取之不竭的。能源持續(xù)緊張，國(guó)際石油價(jià)格大幅振蕩，不斷攀升，能源短缺問(wèn)題日益成為困擾社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的首要問(wèn)題，同時(shí)化石能源的開(kāi)采和應(yīng)用對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞，特別是產(chǎn)生的CO2引起的溫室效應(yīng)帶來(lái)的極端和異常氣候變化、氮氧化物和SO2帶來(lái)的酸雨等問(wèn)題嚴(yán)重地威脅著地球和人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)是一個(gè)能源資源相對(duì)貧乏的國(guó)家，特別是石油、天然氣人均資源量?jī)H為世界平均水平的7.7％

2、和7.1％。因此開(kāi)發(fā)可再生的生物能源對(duì)于促進(jìn)可持續(xù)社會(huì)的發(fā)展具有重要意義。
　　 氫氣在所有已知能源中具有最高的單位質(zhì)量能量密度，并在通過(guò)電化學(xué)或者燃燒的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中不釋放危害環(huán)境的產(chǎn)物，因此成為最具潛力的清潔可再生能源。2007年4月國(guó)家頒布能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃更明確指出將氫能開(kāi)發(fā)作為我國(guó)今后重點(diǎn)的前沿發(fā)展技術(shù)之一。目前廣泛采用的傳統(tǒng)制氫方法一方面仍消耗化石能源，另一方面對(duì)環(huán)境造成破壞。太陽(yáng)輻射能是目前世界儲(chǔ)量最大的可再生

3、能源。采用光合細(xì)菌的光生物制氫技術(shù)反應(yīng)條件溫和，可以把太陽(yáng)能利用與有機(jī)污染物降解耦合起來(lái)，完美解決了能源需求和環(huán)境保護(hù)之間的矛盾。
　　 采用細(xì)胞固定化技術(shù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)化的產(chǎn)氫是光生物制氫付諸實(shí)際的基礎(chǔ)。生物膜和包埋這兩種細(xì)胞固定化方法已經(jīng)應(yīng)用于生物制氫的研究。采用該技術(shù)可提高制氫反應(yīng)器單位體積內(nèi)的生物量、反應(yīng)器內(nèi)細(xì)菌的環(huán)境耐受力、以及產(chǎn)氫速率和生物降解速率。然而包埋方法由于傳質(zhì)阻力大、透光性差以及機(jī)械強(qiáng)度差的缺點(diǎn)不利于反應(yīng)器長(zhǎng)期運(yùn)

4、行。本文采用生物膜細(xì)胞固定化技術(shù)，分別從提高反應(yīng)器中的生物持有量、強(qiáng)化傳質(zhì)和提高光能轉(zhuǎn)化效率出發(fā)，構(gòu)造了微槽透光板式光生物制氫反應(yīng)器、環(huán)流形光纖生物膜反應(yīng)器和光纖束生物膜制氫反應(yīng)器等三個(gè)能夠高效連續(xù)產(chǎn)氫的新型光生物制氫反應(yīng)器。實(shí)驗(yàn)研究了不同操作條件下上述光生物制氫反應(yīng)器的產(chǎn)氫速率、底物消耗速率、產(chǎn)氫得率和光能轉(zhuǎn)化效率等特性和變化規(guī)律。
　　 通過(guò)微槽透光板式光生物制氫反應(yīng)器與普通平板生物膜光生物制氫反應(yīng)器的對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于微槽

5、道結(jié)構(gòu)可以提高反應(yīng)器的比表面積進(jìn)而增加了反應(yīng)器的生物持有量，同時(shí)微槽道的起伏結(jié)構(gòu)又可以增加反應(yīng)器主流區(qū)和生物膜區(qū)域之間的對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，底物和產(chǎn)物傳輸?shù)脑鰪?qiáng)使得生物膜區(qū)域可維持較好的微生態(tài)環(huán)境。另外微槽道還可以增強(qiáng)光照在生物膜區(qū)域的散射，從而提高該區(qū)域的光照均勻性，使得生物膜區(qū)域內(nèi)的微生物具有更高的光能轉(zhuǎn)化效率。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，微槽透光板式光生物制氫反應(yīng)器的產(chǎn)氫速率、產(chǎn)氫得率系數(shù)和光能轉(zhuǎn)化效率分別達(dá)到3.816 mmol/㎡/h，0.

6、75 molH2/molglucose和3.8％，比普通平板反應(yīng)器產(chǎn)氫速率提高約75％。微槽道的結(jié)構(gòu)形式可以為生物膜方法光生物制氫反應(yīng)器的載體改良提供參考。
　　 本文首次將生物膜細(xì)胞固定化技術(shù)與導(dǎo)光載體相結(jié)合構(gòu)造了環(huán)流形光纖生物膜制氫反應(yīng)器，用于解決目前光生物制氫反應(yīng)器存在的實(shí)現(xiàn)細(xì)胞固定化和增強(qiáng)反應(yīng)器導(dǎo)光性之間的矛盾。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)器在入射光波長(zhǎng)為530 nm光纖表面光強(qiáng)度為4.15 W/㎡的條件下，反應(yīng)器的光能轉(zhuǎn)化效

7、率和產(chǎn)氫速率得到顯著提高，分別達(dá)到47.9％和0.83 mmol/g cell/h。在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上建立了環(huán)流型光纖生物膜制氫反應(yīng)器中底物傳輸與消耗的數(shù)學(xué)模型，分析了外界操作因素對(duì)該反應(yīng)器內(nèi)質(zhì)量傳遞和底物降解的影響規(guī)律，理論預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合。在此基礎(chǔ)上構(gòu)造的光纖束生物膜制氫反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器的內(nèi)容積空間的充分利用并獲得了反應(yīng)器內(nèi)均勻的光強(qiáng)分布。在模擬自然光照的實(shí)驗(yàn)條件下得到了當(dāng)光照強(qiáng)度為5.1 W/㎡時(shí)，反應(yīng)器的產(chǎn)氫速率和光能轉(zhuǎn)