太阳能光合细菌连续制氢试验系统研究

论文摘要

本论文是在国家“863”计划项目“中小型太阳能光合生物制氢系统及生产性运行研究”（项目编号:2006AA05Z119）、国家自然科学基金项目“光合生物制氢体系的热效应及其产氢机理研究”（项目编号:50676029）的资助下完成。化石能源的日渐枯竭及其使用所带来环境污染问题迫使人们开发新的清洁可再生能源以满足社会可持续发展的需要,氢能因能量密度高、燃烧无污染且利用形式多样而被公认为未来主要的能源载体形式,以氢能使用为核心的“氢能经济”和“氢能社会”发展模式是人们对未来能源使用技术的憧憬。生物制氢是利用微生物自身代谢释放氢气的过程,其产氢条件温和,环境友好且原料来源丰富而被认为是未来氢能生产的主要形式。在各类生物制氢技术中,光合细菌制氢不仅有较高的产氢能力,其还可以利用多种有机废弃物作为产氢原料,实现氢能生产和废弃物处理的双重目标而成为制氢技术研究的热点。光合细菌制氢是光合细菌在光照条件下将有机质转化为氢气的生理代谢过程,光合细菌制氢反应器的开发是光合细菌制氢技术研究从实验室向实际生产转化的关键环节。面对日益增长的氢能市场,开发具有连续生产能力的光合细菌制氢反应器成为实现光合细菌制氢产业化生产的基础条件。论文在总结现有光合细菌制氢反应器发展现状的基础,结合光合细菌产氢的基本特性,提出了大型光合细菌连续制氢反应器设计的技术途径,研制出了以太阳能为主光源、LED为辅助光源的太阳能光合细菌连续制氢试验系统,系统的试验运行为光合细菌连续制氢反应器的开发提供了参考和依据。论文的主要研究成果如下:（1）在对现有光合细菌制氢反应器比较研究的基础上提出了内置光源多点分布式的光合细菌制氢反应器的设计方法。内置光源形式可改变采光面作为反应器结构材料所带来的反应器容积受限和保温问题;多点分布的点光源布置形式可以解决反应器容积受限,使反应器的内部得到均匀光照;太阳能作为主光源和辅助人工冷光源的使用可有效降低反应器的运行成本。（2）照明光纤可以实现太阳光远距离向反应器的柔性传播,同时还可以滤除太阳光中对光合细菌生长的有害辐射。在各类照明光纤的比较中,多芯塑料聚合物光纤不仅可以满足复杂路径下光传输的要求,其还能实现反应器内多点布光的要求。在人工冷光源的选择试验中发现,光合细菌在黄色发光LED（Light-Emitting Diode）下的生长和产氢的效果要优于其它对照组,黄色发光LED可以用作光合细菌连续产氢的辅助光源以弥补太阳能因周期性和不稳定性变化所带来的消极影响。（3）反应器顶部空间中不同初始气体成分虽然会对光合细菌的生长和产氢带来一定的影响,但少量空气的存在并不会对光合细菌的产氢产生明显的抑制作用。对于连续运行的光合细菌制氢反应器的设计来说可以不使用惰性气体对顶空气体进行置换,但其顶部空间应小于反应器容积的1/3以上。（4）研制出了太阳能光合细菌连续制氢试验系统,该系统由反应器本体、太阳能集热换热单元、太阳能聚光传输单元、太阳能光伏转换单元、气体收集与储存单元、自动控制单元等6部分组成。反应器采用折流式结构设计不仅可以满足反应器内部不同空间中布光要求,同时实现反应物在流动过程中自搅拌效果。反应器本体由8个结构相同的独立隔室组成,其设计容积5.76m3,有效工作容积为5.18m3;反应器内部共布置228根玻璃布光管,满足了反应器内部均匀布光的需要;试验系统采用太阳能真空管集热器为反应器提供热量维持反应液温度恒定,太阳能真空管集热器面积为6m2,热水箱容积1.3m3;换热器采用不锈钢三角形翅片管式换热器,其基管直径为φ20mm,换热器换热面积为8.6 m2;太阳能聚光器采光面积2.7m2;太阳能电池板容量为120Wp,蓄电池容量为180Ah,满足系统2d的工作要求。（5）不同消泡剂对光合细菌的生长和产氢影响的试验表明:在试验所选择的消泡剂中,菜籽油对光合细菌的生长和产氢不存在抑制现象,且具有较强的消泡能力,其经济添加量为0.05%,过高则会引起产氢量下降。（6）太阳能光合细菌连续制氢试验系统的启动试验表明:当以纯葡萄糖为单一产氢底物时,需要补充（NH4）2SO4、NaCL、KH2PO4等基础营养物质并在进料时追加30%以上的活性菌体才能满足光合制氢反应器连续稳定产氢的要求。（7）以葡萄糖为底物的运行试验表明:底物浓度对反应器的稳定运行和产氢具有明显的影响,在相同试验条件下系统的总产氢量随着浓度的增加而增加,试验在3%的葡萄糖浓度下获得了最大产氢量;当进料浓度超过4%后,由于高浓度葡萄糖的快速降解导致反应器内溶液迅速酸化使产气率下降。（8）不同水力滞留期对光合细菌产氢的影响表明:短的水力滞留期可以减少中间产物对后继反应的抑制,但过短的水力滞留期则导致原料的利用低下降,甚至出现原料不完全降解的现象;长水力滞留期条件下虽然可以提高原料利用率,但代谢产物在局部空间中的长时间停留将会对菌体生长产生抑制,并引起产氢率下降。试验在水力滞留期为36h时获得的最高产氢率为4.225m3/m3·d。（9）利用不同粪便作产氢底物进行的试验表明:在试验所选择的几种畜禽粪便中,牛粪最适宜用作光合细菌产氢的底物,其在黑暗好氧条件下经过5～7d的预处理可以达到最佳产氢效果,试验在其COD为7000mg/L时得到的最大产氢率为0.56 m3/m3·d,过低的粪便浓度由于可转化物质减少导致产氢降低,过高的浓度则因光线在溶液中穿透性较差导致光合细菌无法得到足够光照而引起产氢下降。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• 第1章 概述
• 1.1 氢能及氢能经济、氢能社会
• 1.1.1 能源、环境与社会
• 1.1.2 氢能的特点
• 1.1.3 氢能经济和氢能社会
• 1.2 氢能生产
• 1.2.1 化石燃料制氢
• 1.2.2 电解水制氢
• 1.2.3 生物制氢
• 1.3 光合细菌制氢技术
• 1.3.1 产氢酶的研究
• 1.3.2 优势高产菌株的筛选和基因改造
• 1.3.3 光合细菌利用不同底物的产氢特性研究
• 1.3.4 光照条件对光合细菌生长及产氢的研究
• 1.3.5 多菌种联合产氢及光合细菌与厌氧发酵联合产氢研究
• 1.3.6 光合细菌制氢反应器的研制
• 1.4 光合细菌制氢反应器发展现
• 1.4.1 光合细菌制氢反应器的主要结构形式
• 1.4.2 光合细菌制氢反应器光源的选择
• 1.4.3 光合细菌制氢反应器材料的选择
• 1.5 光合生物制氢反应器存在的主要问题
• 1.5.1 反应器的结构形式
• 1.5.2 反应器的结构材料
• 1.5.3 反应器的温度控制问题
• 1.5.4 光源
• 1.5.5 光合色素的吸附
• 1.5.6 运行成本
• 1.5.7 大型反应器内部的布光
• 1.5.8 连续性生产问题
• 1.6 高效光合细菌制氢反应器研制的主要技术途径
• 1.6.1 内置光源是解决反应器容积限制、温度控制和提高光能利用率的重要途径
• 1.6.2 多点分散布光模式可以减少采光面附近光饱和效应，提高反应器容积
• 1.6.3 自然光源的引入及低成本人工冷光源的使用是降低运行成本的重要手段
• 1.6.4 改变反应器内部结构以改善反应液流动混合性能，通过反应器自身结构实现光照和黑暗交替的光照要求
• 1.6.5 反应器采光面独立清洗
• 1.7 本课题的提出及其研究内容
• 1.7.1 课题研究的意义
• 1.7.2 课题研究的主要内容
• 1.8 小结
• 第2章 光合细菌连续制氢试验系统设计的指导思想及设计方案
• 2.1 研究问题的提出
• 2.2 光合细菌产氢代谢的基本特性
• 2.3 光合细菌连续产氢过程对试验系统的基本要求
• 2.4 传统生化反应器开发对光合细菌连续制氢试验系统研制的指导意义
• 2.5 光合细菌连续制氢试验系统设计的指导思想和基本原则
• 2.5.1 光合细菌制氢试验系统设计的指导思想
• 2.5.2 光合细菌制氢试验系统设计的基本原则
• 2.6 光合细菌连续制氢试验系统设计方案及其运行工艺模式
• 2.7 小结
• 第3章 光源选择及聚光传输系统设计
• 3.1 太阳光主光源的确定
• 3.2 太阳光聚光跟踪装置的改进
• 3.3 照明传输光纤的选择
• 3.4 低能耗冷光源 LED 的确定
• 3.4.1 试验材料和方法
• 3.4.1.1 试验材料
• 3.4.1.2 试验条件
• 3.4.2 试验结果与讨论
• 3.5 光在光合细菌制氢反应液中衰减规律
• 3.5.1 试验材料与方法
• 3.5.1.1 试验材料
• 3.5.1.2 试验条件及试验方法
• 3.5.2 试验结果与讨论
• 3.6 小结
• 第4章 光合细菌连续制氢反应器及辅助单元设计
• 4.1 光合细菌连续制氢反应器结构形式的确定
• 4.1.1 理想流态的生化反应器结构形式
• 4.1.2 光合细菌制氢反应器结构形式的选择
• 4.2 光合细菌制氢反应器顶空气体成分对光合细菌生长和产氢的影响
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 试验条件
• 4.2.3 试验结果分析
• 4.2.3.1 不同气体成分对光合细菌生长的影响
• 4.2.3.2 不同气体成分对光合细菌产氢的影响
• 4.3 反应器顶空空气量对光合细菌生长和产氢的影响
• 4.3.1 试验材料与方法
• 4.3.2 试验结果与讨论
• 4.3.2.1 不同空气量对光合细菌生长的影响
• 4.3.2.2 不同空气量对光合细菌产氢的影响
• 4.4 光合细菌制氢反应器基本结构尺寸的确定
• 4.5 反应器的布光形式及布光通道的确定
• 4.6 光合细菌连续制氢试验系统回流装置设计
• 4.7 聚光单元的确定
• 4.8 太阳能光伏转换及辅助照明单元设计
• 4.8.1 太阳能电池容量确定
• 4.8.2 蓄电池容量的确定
• 4.8.3 光合细菌连续制氢试验系统 LED 照明电源的控制
• 4.9 光合细菌连续制氢试验系统换热单元设计
• 4.10 自动控制单元
• 4.11 光合细菌连续制氢反应器内光照性能测试
• 4.12 小结
• 第5章 光合细菌连续制氢试验系统的试验运行研究
• 5.1 消泡剂添加对光合细菌生长和产氢的影响
• 5.1.1 试验材料
• 5.1.2 试验方法及试验条件
• 5.1.3 结果分析
• 5.1.3.1 消泡剂对光合细菌生长的影响
• 5.1.3.2 消泡剂对光合细菌产氢的影响
• 5.1.3.3 不同消泡剂消泡能力的比较
• 5.1.3.4 菜籽油不同添加量对光合细菌产氢的影响
• 5.2 光合细菌连续制氢系统的启动特性研究
• 5.2.1 光合细菌连续制氢试验系统的启动
• 5.2.2 营养物质及菌体添加对试验系统运行的影响
• 5.2.2.1 营养物质添加对试验系统运行的影响
• 5.2.2.1.1 不同营养物质对试验系统运行中反应液PH值的影响
• 5.2.2.1.2 不同营养物质对反应器各隔室中菌体浓度的影响
• 5.2.2.1.3 不同营养物质对试验系统产氢的影响
• 5.2.3 菌体添加对试验系统运行的影响
• 5.2.3.1 不同菌体添加量对试验系统运行过程中各隔室内菌体浓度的影响
• 5.2.3.2 不同菌体添加量对试验系统产氢的影响
• 5.3 以葡萄糖为原料的运行特性研究
• 5.3.1 光合细菌连续制氢试验系统不同组合方式的产氢比较
• 5.3.2 葡萄糖浓度对系统运行的影响
• 5.3.2.1 不同葡萄糖浓度下反应器各隔室 PH 变化
• 5.3.2.2 不同葡萄糖浓度对系统产氢量的影响
• 5.3.2.3 不同葡萄糖浓度对产氢纯度的影响
• 5.3.3 水力滞留期对光合生物制氢反应器运行的影响
• 5.3.3.1 不同水力滞留期下系统反应液 PH 变化规律
• 5.3.3.2 不同水力滞留期下系统的产氢特性比较
• 5.3.3.3 不同水力滞留期下葡萄糖的降解规律
• 5.4 不同粪便中适宜产氢底物的选择
• 5.4.1 试验材料及其基本性质
• 5.4.2 畜禽粪便的预处理
• 5.4.3 不同粪便的产氢特性
• 5.5 光合细菌连续制氢试验系统以牛粪为原料的产氢运行特性
• 5.5.1 牛粪不同预处理时间 PT（Pretreatment Time）对系统运行的影响
• 5.5.1.1 牛粪不同预处理时间对系统运行中溶液 PH 的影响
• 5.5.1.2 牛粪不同预处理时间对系统产氢的影响
• 5.5.1.3 牛粪不同预处理时间对系统产氢纯度的影响
• 5.5.2 牛粪不同溶液浓度对系统运行的影响
• 5.5.2.1 牛粪不同溶液浓度对系统 PH 的影响
• 5.5.2.2 牛粪不同溶液浓度对系统产氢的影响
• 5.6 小结
• 第6章 全文总结
• 6.1 结论
• 6.2 论文的创新点
• 6.3 后继工作建议
• 参考文献
• ABSTRACT
• 附录
• 试验材料与试验测试方法
• 在读博士期间发表论文和获奖情况
• 附件