微藻光學(xué)特性反演及制氫動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、能源短缺是人類在21世紀(jì)面臨的重大危機(jī)。隨著世界人口增長和工業(yè)化迅速發(fā)展，加快了對(duì)傳統(tǒng)能源的消耗，也使得人類對(duì)能源的依賴更加嚴(yán)重。然而，傳統(tǒng)能源多為不可再生能源，儲(chǔ)量有限，且對(duì)環(huán)境有一定的污染，這使得人類把目光轉(zhuǎn)向了清潔、可再生的新能源領(lǐng)域。與太陽能、核能和風(fēng)能等新型能源相比，微藻能源因具有原材料豐富、生產(chǎn)操作安全、生產(chǎn)過程能耗低且使用過程零排放等特點(diǎn)，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。目前，微藻光生物制氫及產(chǎn)油已經(jīng)成為全球研究的熱點(diǎn)，美國等發(fā)達(dá)國

2、家已經(jīng)率先實(shí)現(xiàn)了從微藻培養(yǎng)到生物燃料制備的工業(yè)化生產(chǎn)。在影響微藻產(chǎn)氫產(chǎn)油的眾多因素中，光能是最主要的因素之一。因此，準(zhǔn)確地了解微藻細(xì)胞對(duì)光能的吸收散射特性及光生物反應(yīng)器內(nèi)輻射傳輸顯得尤為重要。本文以微藻光生物制氫為研究背景，針對(duì)細(xì)胞輻射特性、光生物反應(yīng)器內(nèi)輻射傳輸及制氫動(dòng)力學(xué)開展了理論和實(shí)驗(yàn)研究，主要完成以下幾方面工作：
　　首先介紹了單體微藻細(xì)胞輻射特性模型，比較了橢球形萊茵衣藻細(xì)胞與其等效球模型輻射特性的差異，并建立了基于分形

3、理論和廣義Mie理論的微藻細(xì)胞團(tuán)聚體輻射特性模型，分析了分形維數(shù)、單體個(gè)數(shù)及單體半徑對(duì)團(tuán)聚體輻射特性的影響。結(jié)果表明，可用等效球模型近似計(jì)算橢球形萊茵衣藻細(xì)胞輻射特性；隨著分形維數(shù)增大，單體半徑越小且單體數(shù)越多的細(xì)胞團(tuán)聚體散射截面變小且越接近等體積球的散射截面，而吸收截面變化不明顯。
　　在研究了細(xì)胞輻射特性模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合輻射反問題求解技術(shù)，展開了微藻細(xì)胞輻射特性的測(cè)量研究，即分別建立了基于時(shí)/頻域激光透反射測(cè)量技術(shù)及微粒群智

4、能優(yōu)化算法的微藻細(xì)胞光譜復(fù)折射率反演模型和基于微藻彌散系光譜消光技術(shù)及蟻群智能優(yōu)化算法的微藻細(xì)胞彌散系粒徑分布反演模型。研究表明，時(shí)域脈沖激光作用下的微藻細(xì)胞光譜復(fù)折射率反演結(jié)果的魯棒性好、精度高、收斂慢，基于多厚度模型和透反射信號(hào)的測(cè)量技術(shù)是一種有效反演萊茵衣藻GY-D55型細(xì)胞光譜復(fù)折射率的方法；在粒徑分布函數(shù)未知的情況下，J-SB函數(shù)可以作為一般性函數(shù)來近似參數(shù)化估計(jì)細(xì)胞粒徑分布，提出的一種基于波長敏感度和矩陣條件數(shù)分析的探測(cè)激光

5、波長優(yōu)選方案能提高細(xì)胞粒徑分布的非參數(shù)化反演精度。
　　在研究了細(xì)胞輻射特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合Michaelis-Menten動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)一步開展了光生物反應(yīng)器內(nèi)輻射傳輸及光生物制氫的研究，分析了不同地區(qū)不同時(shí)刻光照強(qiáng)度、氣泡密度、藻類濃度及微藻團(tuán)聚現(xiàn)象對(duì)反應(yīng)器內(nèi)輻射傳輸及制氫率的影響，并搭建了平板氣升式光生物反應(yīng)器制氫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量了不同波長和強(qiáng)度的LED燈照射下萊茵衣藻GY-D55型細(xì)胞的制氫率，反演得到相應(yīng)LED燈照射下的制氫