微通道光生物制氫反應(yīng)器內(nèi)微生物生長及傳輸特性.pdf

1、能源危機(jī)和環(huán)境污染是困擾人類的兩大難題。氫能因具有熱值高、燃燒清潔、可再生等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是未來最具潛力的可再生能源。光合細(xì)菌生物制氫將光能利用、氫氣制備和處理高濃度有機(jī)廢水有機(jī)地結(jié)合起來，在治理環(huán)境污染的同時(shí)將有機(jī)廢棄物資源化，具有廣闊的發(fā)展前景。
　　 將固定化細(xì)胞包埋技術(shù)應(yīng)用于光生物產(chǎn)氫具有減少細(xì)菌的生物量流失以及提高反應(yīng)器的產(chǎn)氫速率等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)存在包埋顆粒內(nèi)部的光傳遞、底物和產(chǎn)物擴(kuò)散限制等問題。針對(duì)固定化包埋顆粒內(nèi)部的微小孔

2、道中微生物生長及傳質(zhì)特性，本課題設(shè)計(jì)了一種可視化微通道光生物制氫反應(yīng)器以模擬研究包埋顆粒微通道內(nèi)光合細(xì)菌吸附、生長以及產(chǎn)氫特性、底物消耗特性和微通道內(nèi)氣泡的生長特性。
　　 本文首先探索和改進(jìn)了微通道的加工方法，設(shè)計(jì)并加工了PDMS微通道及微通道反應(yīng)器系統(tǒng)。其次對(duì)微通道光生物反應(yīng)器內(nèi)光合細(xì)菌的生長及產(chǎn)氫特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得分析了不同流動(dòng)條件下光合細(xì)菌吸附生長的最佳條件；獲得了不同進(jìn)口底物濃度、流速、光照射條件下微通道光生物反

3、應(yīng)器的最佳產(chǎn)氫和底物消耗特性，同時(shí)觀察了微通道內(nèi)產(chǎn)物氣泡的生長特性；在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上建立了微通道光生物反應(yīng)器內(nèi)底物傳輸理論模型。
　　 1)在光照波長為590 nm、光照強(qiáng)度為5000 lux、流速為1.5 mL·h-1、及室溫條件下，光合細(xì)菌菌落形成最快，且吸附最牢固，最適宜微通道光生物反應(yīng)器的產(chǎn)氫運(yùn)行。光合細(xì)菌在微通道內(nèi)的吸附生長過程可以分為四個(gè)階段：擴(kuò)散吸附初期階段、擴(kuò)散吸附及分裂繁殖階段、分裂繁殖及形態(tài)轉(zhuǎn)變階段以及團(tuán)

4、聚成菌落階段。
　　 2)在進(jìn)口培養(yǎng)基流速為2.1 mL·h-1、光照波長為590 nm、光照強(qiáng)度為5000 lux、進(jìn)口底物濃度為50 mmol·L-1、pH為7.0及室溫操作條件下，微通道光生物反應(yīng)器達(dá)到最佳產(chǎn)氫性能，最大產(chǎn)氫速率為2.4 mmol·g-1 cell dry weight·h-1，最大產(chǎn)氫得率為0.78 mol H2·mol-1 glucose。底物抑制效應(yīng)和微生物流失是高培養(yǎng)基流速下產(chǎn)氫速率和產(chǎn)氫得率降低

5、、底物消耗速率趨緩的主要原因。高光照強(qiáng)度條件下的光抑制效應(yīng)導(dǎo)致了產(chǎn)氫性能的降低。
　　 3)微通道內(nèi)氣泡的生長及運(yùn)動(dòng)過程可以分為4個(gè)階段：1、氣核形成；2、球型氣泡長大；3、受側(cè)壁擠壓的氣泡沿微通道方向長大；4、氣泡脫離微通道。微通道內(nèi)氣泡生長和運(yùn)動(dòng)引起的較大流體剪切力以及氣泡的沖刷作用共同導(dǎo)致了微通道內(nèi)生物量流失。當(dāng)微通道內(nèi)液相局部氫濃度低于飽和濃度，微通道內(nèi)氣泡中氣體分子將向周圍液體擴(kuò)散造成氣泡的溶解消失。