光合細(xì)胞產(chǎn)氫過(guò)程中能質(zhì)傳輸及超聲強(qiáng)化特性研究.pdf

1、化石能源價(jià)格不斷攀升,能源短缺日益成為困擾社會(huì)發(fā)展的首要問(wèn)題,同時(shí)化石燃料的過(guò)量開(kāi)采對(duì)自然環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞,而氫氣燃燒熱值高,燃燒產(chǎn)物為水,不釋放危害環(huán)境的產(chǎn)物,因此被廣泛地認(rèn)為是最具潛力的清潔能源。在多種制氫技術(shù)中,光合細(xì)菌制氫具有光譜響應(yīng)范圍廣、能量轉(zhuǎn)化效率高、反應(yīng)條件溫和、環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn),非常有利于實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展。
　　 光合細(xì)菌的能質(zhì)傳輸特性的研究對(duì)于解決光合細(xì)胞的傳輸限制性問(wèn)題,以及光生物制氫中光能利用率低、產(chǎn)

2、氫速率低等問(wèn)題,具有重要的作用。目前關(guān)于光合細(xì)菌產(chǎn)氫機(jī)理的研究較少,尤其在光合細(xì)菌產(chǎn)氫過(guò)程中光能的光生化反應(yīng)和碳源底物的跨膜傳輸特性方面,已有的研究大多是在細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞的條件下研究光能捕獲與電子傳遞,沒(méi)有將光能的傳遞與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)代謝聯(lián)系起來(lái)。
　　 本文采用前期篩選、純化的高效產(chǎn)氫光合菌沼澤紅假單胞(Rhodoseudomonaspalustris)CQK-01為實(shí)驗(yàn)菌種,系統(tǒng)研究了在序批式培養(yǎng)過(guò)程中光合細(xì)菌的生物學(xué)特性以及生

3、長(zhǎng)產(chǎn)氫動(dòng)力學(xué)特性;并從光能和底物傳遞以及微生物代謝的角度研究了底物濃度、pH值、光波長(zhǎng)、光照強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)反應(yīng)器內(nèi)光衰減特性、光合細(xì)菌的光合色素和細(xì)胞內(nèi)ATP含量、光合細(xì)胞膜的滲透系數(shù)和細(xì)胞內(nèi)葡萄糖濃度的影響,分析了光衰減對(duì)平板式光生物反應(yīng)器產(chǎn)氫性能的影響,以及光能和底物傳輸與光合細(xì)菌產(chǎn)氫速率的關(guān)系,建立了光生物制氫反應(yīng)器中光衰減系數(shù)關(guān)聯(lián)式和光合細(xì)菌的葡萄糖跨膜傳輸及代謝產(chǎn)氫的單細(xì)胞模型;同時(shí)為了強(qiáng)化光合細(xì)菌產(chǎn)氫過(guò)程中的能質(zhì)傳輸特性,本文

4、進(jìn)一步研究了在序批式和連續(xù)流兩種超聲波光生物反應(yīng)器中超聲功率、超聲時(shí)間、底物濃度、光照等操作參數(shù)對(duì)光合細(xì)菌產(chǎn)氫性能的影響。主要研究成果如下:
　　 ①實(shí)驗(yàn)獲得了沼澤紅假單胞菌CQK-01的生長(zhǎng)繁殖方式、菌體生長(zhǎng)產(chǎn)氫過(guò)程中的形態(tài)變化以及菌體活細(xì)胞的光譜吸收特性,同時(shí)揭示了不同初始底物濃度、初始pH值、光波長(zhǎng)、光照強(qiáng)度下光合細(xì)菌的比生長(zhǎng)速率、底物比消耗速率、比產(chǎn)氫速率等動(dòng)力學(xué)特性的變化規(guī)律。
　　 ②在序批式光生物制氫反應(yīng)器

5、中,研究了光路長(zhǎng)度、細(xì)菌濃度、入射光波長(zhǎng)和入射光照強(qiáng)度等操作參數(shù)下光合細(xì)菌的光衰減特性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在可見(jiàn)光波段范圍內(nèi),光衰減系數(shù)隨著光波長(zhǎng)的增加而減小,而隨著細(xì)菌濃度的增加而增加;同時(shí)擬合得到光衰減系數(shù)與光波長(zhǎng)和細(xì)菌濃度的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,結(jié)果表明計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值吻合較好。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn),光衰減對(duì)光合細(xì)菌的生長(zhǎng)產(chǎn)氫特性影響很大,在較短光路長(zhǎng)度、高光照強(qiáng)度下光合細(xì)菌的生長(zhǎng)速率最快,并且達(dá)到最大產(chǎn)氫速率的時(shí)間較早,在光路長(zhǎng)度L為0.05 m

6、時(shí)光生物反應(yīng)器綜合產(chǎn)氫性能最佳,此時(shí)反應(yīng)器的產(chǎn)氫速率為0.16 mmol/L/h,葡萄糖消耗速率為0.49 mmol/L/h,產(chǎn)氫得率為0.4 mol-H2/mol-glucose,光能轉(zhuǎn)化效率為28％。
　　 ③研究了初始底物濃度、初始pH值、光波長(zhǎng)和光照強(qiáng)度對(duì)光合細(xì)菌產(chǎn)氫過(guò)程中光合色素和細(xì)胞內(nèi)ATP含量的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:細(xì)菌葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素具有不同的合成機(jī)制,在光波長(zhǎng)為590 nm、初始底物濃度為75 mmol/L、初

7、始pH值為7.0時(shí),其細(xì)菌葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素含量最大為2.3 mg/g cell dry weight和2.5 mg/g cell dry weight,產(chǎn)氫速率最大為2.3 mmol/g cell dry weight/h。
　　 ④對(duì)光合細(xì)菌的葡萄糖跨膜傳輸特性進(jìn)行了研究,并且結(jié)合Fick定律和Michaelis-Menten方程計(jì)算得到細(xì)胞內(nèi)葡萄糖濃度和光合細(xì)胞膜的滲透系數(shù),結(jié)果表明:葡萄糖跨膜傳輸速率最大為9.74 mm

8、ol/g cell dry weight/h,光合細(xì)胞膜的最大滲透系數(shù)基本維持在250 cm3/g cell dry weight/h左右。同時(shí)建立了光合細(xì)菌的葡萄糖跨膜傳輸及代謝產(chǎn)氫的單細(xì)胞模型,分析了光合細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)、外葡萄糖濃度和氫氣濃度分布特性。
　　 ⑤研究了超聲波對(duì)光合細(xì)菌產(chǎn)氫特性的影響,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):超聲波可以增加光合細(xì)胞膜的通透性,促進(jìn)碳源有機(jī)底物的跨膜傳輸;超聲波可以釋放液相中的氫氣,降低氫分壓對(duì)光合細(xì)菌產(chǎn)氫的抑制作

9、用。在序批式超聲波反應(yīng)器中,反應(yīng)器的最大產(chǎn)氫速率、產(chǎn)氫得率、能量轉(zhuǎn)化效率分別為0.54 mmol/L/h、1.18mol-H2/mol-glucose、11％。而在連續(xù)流超聲波光生物反應(yīng)器中,其最大產(chǎn)氫速率、產(chǎn)氫得率和能量轉(zhuǎn)換效率分別為0.82 mmol/L/h、0.33 mol-H2/mol-glucose、和2.7％,可見(jiàn)序批式反應(yīng)器比連續(xù)流反應(yīng)器具有較高的產(chǎn)氫得率和能量轉(zhuǎn)化效率,而連續(xù)流反應(yīng)器卻具有較大的產(chǎn)氫速率,并且還發(fā)現(xiàn)在超聲