固定化光合细菌光生物制氢反应器传输与产氢特性

论文摘要

当前能源持续紧张,国际石油价格大幅振荡,不断攀升,能源短缺问题成为困扰社会和经济发展的首要问题,同时化石能源的开采和应用对环境造成了严重破坏,特别是产生的CO2引起的温室效应带来的极端和异常气候变化、氮氧化物和SO2带来的酸雨等问题严重地威胁着地球和人类的可持续发展。我国是一个能源资源相对贫乏的国家,特别是石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的7.7%和7.1%。因此开发可再生的生物能源对于促进可持续社会的发展具有重要意义。在可再生能源中氢能是21世纪的可再生“能源之星”和“最有前景的能源”,并广泛地被认同为化石燃料的潜在替代能源,2007年4月国家颁布能源发展“十一五”规划更明确指出将氢能开发作为我国今后重点的前沿发展技术之一。目前广泛采用的传统制氢方法一方面仍消耗化石能源,另一方面对环境造成破坏,而利用光合细菌将有机废弃物转化为氢能是一种可持续发展的制氢方式。固定化技术是当今生物工程领域中的研究热点,但关于固定化细胞生物制氢反应器中传输特性的研究还极少进行,这方面的研究对于解决固定化细胞技术中的传输限制性问题和光生物制氢中光能利用率低、产氢率低等问题具有重要的理论和实践意义,为固定化技术在生物能源领域的应用奠定一定基础。本课题主要是研究固定化光合细菌在光产氢过程中的底物传输特性及产氢特性。实验创新性地采用双层平板法从长期排放污水的水沟淤泥中筛选、分离纯化出一株具有高产氢特性的沼泽红假单胞菌菌株(Rhodoseudomonas palustris),进行了光波长、光照强度、底物浓度、培养液pH值和培养温度影响下的序批式培养光合细菌产氢动力学实验,根据实验数据拟合得到最大比生长速率关于不同培养条件参数影响的经验关系式,并建立光合细菌生长、底物消耗和产氢动力学模型,模型较好地反映了操作参数对光合细菌生长、底物消耗和产氢动力学的限制性和抑制性影响。实验研究了固定化包埋颗粒产氢和底物消耗特性,建立了固定化包埋颗粒内底物传输与消耗动力学模型,模型预测结果反映了包埋颗粒内底物传输特性,研究结果表明底物主要以扩散方式进入包埋颗粒内,并且沿颗粒半径方向变化底物浓度逐渐减小,包埋颗粒内控制过程主要为生化反应控制过程,提高光合细菌菌种的生化反应速率是提高底物消耗速率的关键。固定化包埋颗粒填充床研究结果表明随进口底物浓度增加,底物在填充床反应器内的代谢逐渐由传输控制转化为生化反应控制的过程,随进口流量增加,传质边界层逐渐减小,外扩散传质阻力逐渐消除,主要由以传输控制为主的过程向生化反应控制的过程转化;随入射光照强度的增加,光能供应逐渐由限制性条件向抑制性条件转变;不同光波长激发光合色素天线系统所引起的激发态不同,产生的光化学效应不同,及最佳产氢速率和底物消耗效率所对应的光照强度不完全相同;随培养液pH值和培养温度升高,填充床反应器产氢和底物消耗行为表现为先增加后抑制现象。固定化生物膜光生物制氢填充床实验研究表明其它条件一定,光照强度较低时,为限制性条件时,光照强度较高时,为抑制性条件。底物浓度为限制性条件时,属于传质控制过程;进口底物浓度为抑制性条件时,为生化反应控制过程。进口流量较低时,主要为传输控制过程;进口流量和进口底物浓度较高时,主要为反应控制过程。本课题在实验研究基础上建立了生物膜光生物制氢中底物传输与消耗动力学模型,分析了影响填充床内质量传递的外界操作因素,模型预测与实验结果取得了较好吻合。同时本课题研究结果表明一定条件下,不同尺度下光合细菌产氢行为表现为以温度为30°C左右或pH值为7.0时产氢速率和底物消耗速率较快,说明温度及pH值主要影响细胞内酶活性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 生物制氢类型及基本原理
• 1.2.2 微生物细胞固定化技术
• 1.2.3 固定化细胞包埋颗粒内质量传输特性
• 1.2.4 生物膜固定化技术传输特性
• 1.2.5 固定化细胞光生物制氢反应器传输特性
• 1.3 本课题的主要工作
• 1.3.1 已有研究工作的不足
• 1.3.2 本文主要工作
• 1.4 课题研究意义
• 2 光合细菌的生物学特性和光生化反应动力学
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法与内容
• 2.2.1 产氢光合细菌的分离鉴定及高产氢菌株的筛选
• 2.2.2 培养基基本成分的确定
• 2.2.3 序批式培养条件对光合细菌产氢性能及产氢动力学影响
• 2.2.4 序批式培养光合细菌光照产氢的能量效率
• 2.3 分析与检测方法
• 2.4 实验结果及分析
• 2.4.1 产氢光合细菌的分离、鉴定及高产氢菌株的确定
• 2.4.2 培养基配方基本成分的确定
• 2.4.3 培养条件对序批式操作反应器中光合细菌产氢特性的影响
• 2.4.4 底物初始浓度对生长动力学的影响
• 2.4.5 光照强度对光合细菌生长与代谢产氢动力学影响
• 2.4.6 光波长对光合细菌生长及产氢代谢动力学的影响
• 2.4.7 最佳光波长下培养温度、pH 值及光照强度对光合细菌生长和代谢产氢动力学的影响
• 2.4.8 序批式培养沼泽红假单胞菌光照产氢的能量分析
• 2.5 产氢动力学模型建立
• 2.5.1 底物浓度影响下的光合细菌产氢动力学模型
• 2.5.2 光照条件影响下光合细菌生长、代谢和产氢动力学模型
• 2.5.3 温度-pH 值-光照强度对光合细菌生长和产氢动力学影响
• 2.6 本章小结
• 3 包埋光合细菌颗粒内底物传输和产氢特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料与方法
• 3.2.1 固定化光合细菌包埋颗粒制备及性能测试
• 3.2.2 固定化光合细菌包埋颗粒内有机物消耗和产氢特性研究
• 3.3 分析与检测方法
• 3.4 实验结果及分析
• 3.4.1 制备条件及材料配比对颗粒性能的影响
• 3.4.2 载体颗粒内部结构观察结果
• 3.4.3 固定化光合细菌包埋颗粒的产氢特性
• 3.4.4 固定化光合细菌包埋颗粒的底物消耗特性
• 3.5 固定化光合细菌包埋颗粒内质量传输模型
• 3.5.1 包埋颗粒内底物质量传输模型
• 3.5.2 颗粒内底物浓度的分布预测与分析
• 3.6 本章小结
• 4 固定化光合细菌包埋填充床产氢和底物消耗特性研究
• 4.1 序言
• 4.2 实验材料与方法
• 4.2.1 光生物制氢包埋填充床的设计
• 4.2.2 实验系统
• 4.2.3 实验方法与步骤
• 4.3 实验结果及分析
• 4.3.1 入射光照强度对光生物制氢填充床底物利用率的影响
• 4.3.2 光波长对固定化光合细菌光生物制氢填充床底物利用率的影响
• 4.3.3 进口底物浓度对包埋颗粒填充床底物利用率的影响
• 4.3.4 进口流量对填充床底物利用率的影响
• 4.3.5 培养液进口温度对填充床底物利用率的影响
• 4.3.6 培养液进口pH 值对填充床底物利用率的影响
• 4.3.7 光照强度对光生物制氢填充床产氢速率的影响
• 4.3.8 光波长对固定化光合细菌光生物制氢填充床产氢速率的影响
• 4.3.9 进口底物浓度对填充床产氢速率的影响
• 4.3.10 进口流量对反应器产氢速率的影响
• 4.3.11 培养液进口温度对填充床产氢速率的影响
• 4.3.12 培养液进口pH 值对填充床产氢速率的影响
• 4.4 本章小结
• 5 生物膜光生物制氢反应器产氢和底物消耗特性
• 5.1 引言
• 5.2 生物膜光生物制氢反应器的设计
• 5.2.1 设计要求
• 5.2.2 填料的选择
• 5.2.3 生物膜光生物制氢反应器及实验装置系统
• 5.3 实验方法
• 5.3.1 挂膜特性研究
• 5.3.2 生物膜光生物制氢反应器产氢和底物消耗特性实验
• 5.3.3 分析与检测方法
• 5.4 实验结果及分析
• 5.4.1 生物膜光生物制氢反应器挂膜特性实验
• 5.4.2 生物膜光生物制氢反应器内底物传输及消耗特性
• 5.4.3 生物膜光生物制氢反应器产氢性能实验
• 5.5 生物膜光生物制氢反应器内底物传输与代谢模型
• 5.5.1 模型假设和参数确定
• 5.5.2 底物扩散传递及降解控制方程
• 5.5.3 底物扩散方程的求解
• 5.5.4 反应器对底物利用率模型预测结果与实验结果比较
• 5.6 本章小结
• 6 结论
• 7 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录