固體基質(zhì)表面光合細(xì)菌生物膜成膜及產(chǎn)氫特性.pdf

1、作為主要能源的化石燃料儲(chǔ)量急劇地減少以及它們?nèi)紵鶐淼娜驓夂蜃兓?、環(huán)境污染和健康問題，對(duì)能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(rèn)為是最有潛力的替代能源之一。生物制氫反應(yīng)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(shù)，光生物產(chǎn)氫技術(shù)具有純度高、理論底物轉(zhuǎn)化效率高和無氧氣活性抑制等優(yōu)點(diǎn)而備受研究者的關(guān)注。而作為細(xì)胞固定化技術(shù)之一的生物膜法，不僅能

2、有效提高生物反應(yīng)器單位體積內(nèi)的生物量進(jìn)而提高產(chǎn)氫速率，而且具有底物傳質(zhì)速率大、光傳輸特性好和操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。
　　在典型的生物膜反應(yīng)器中，底物從主流區(qū)對(duì)流和擴(kuò)散進(jìn)入生物膜內(nèi)，而代謝產(chǎn)物反向從生物膜內(nèi)擴(kuò)散到主流區(qū)，因而生物膜結(jié)構(gòu)對(duì)底物-產(chǎn)物質(zhì)量傳輸和反應(yīng)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(shù)，利用本實(shí)驗(yàn)室篩選培育的光合細(xì)菌沼澤紅假單胞菌Rhodoseudomonas palustris CQK 01作為產(chǎn)氫菌種，構(gòu)建

3、了用于生物膜結(jié)構(gòu)研究和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫的可視化平板式光生物反應(yīng)器，研究了不同光照強(qiáng)度、光照波長、進(jìn)口溶液流量和底物濃度條件下形成的光合細(xì)菌生物膜結(jié)構(gòu)，并討論了不同膜結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)器內(nèi)底物傳輸和產(chǎn)氫性能的影響。在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，采用擴(kuò)散-反應(yīng)方程和元胞自動(dòng)機(jī)規(guī)則，結(jié)合前期實(shí)驗(yàn)得到的光合細(xì)菌生長動(dòng)力學(xué)參數(shù)，建立了光合細(xì)菌生物膜在固體基質(zhì)表面上生長的二維模型，預(yù)測了光照強(qiáng)度、底物濃度、溫度、pH和初始接種量對(duì)光合細(xì)菌在固體基質(zhì)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(jié)果如下：
　　1.生物膜中的光合細(xì)菌以短桿狀為主，但也有少量的長桿狀存在。不同啟動(dòng)條件下形成的生物膜結(jié)構(gòu)對(duì)后期穩(wěn)定運(yùn)行期中光生物反應(yīng)器的產(chǎn)氫性能有著顯著影響。
　　2.在光照強(qiáng)度為5000lx和光照波長為590nm下形成的生物膜具有較大的細(xì)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(yùn)行期的產(chǎn)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(dǎo)致了產(chǎn)氫性能嚴(yán)重下降。
　　3.生物膜結(jié)構(gòu)隨反應(yīng)器進(jìn)口溶液流量的增加變得更加致密，生物膜厚度在進(jìn)口溶液流量為38ml/h時(shí)形成的低流體剪切力作用下達(dá)到最大(19.1μm)，但此時(shí)生物量卻較低；而在進(jìn)口溶液流量為228ml/h下形成的生物膜具有較大的細(xì)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(yùn)行期的產(chǎn)氫性能最高。
　　

6、4.隨著底物濃度的增加，生物膜結(jié)構(gòu)會(huì)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(chǎn)氫性能也為最佳。
　　5.在穩(wěn)定運(yùn)行期，光合細(xì)菌生物膜產(chǎn)氫速率隨光照波長、光照強(qiáng)度、進(jìn)口流量和底物濃度的增加呈先增加后減小的趨勢，最大產(chǎn)氫速率為11.2mmol/m2/h。產(chǎn)氫得率均隨進(jìn)口底物濃度的增加而持續(xù)減少，最大產(chǎn)氫得率為