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《重慶大學(xué)》 2010年

微通道光生物制氫反應(yīng)器內(nèi)微生物生長及傳輸特性

高曉玉  

【摘要】： 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。針對固定化包埋顆粒內(nèi)部的微小孔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)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、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。 4)建立了微通道光生物反應(yīng)器內(nèi)含有生化反應(yīng)的質(zhì)量傳輸模型,獲得了不同操作參數(shù)條件下微通道反應(yīng)器內(nèi)的產(chǎn)氫和底物降解特性,并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對比。結(jié)果表明:模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值曲線趨勢基本吻合。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：TK91
【目錄】：

中文摘要3-5

英文摘要5-10

符號說明10-11

1 緒論11-25

1.1 能源概述11-12

1.2 制氫技術(shù)研究現(xiàn)狀12-16

1.2.1 傳統(tǒng)工業(yè)化制氫技術(shù)12

1.2.2 生物制氫技術(shù)12-16

1.3 光合細(xì)菌產(chǎn)氫的研究現(xiàn)狀16-18

1.4 固定化細(xì)胞生物制氫技術(shù)18-21

1.5 微流體系統(tǒng)21-23

1.6 課題研究內(nèi)容及意義23-25

1.6.1 課題意義及研究目的23-24

1.6.2 研究內(nèi)容24-25

2 微通道光生物反應(yīng)器可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)25-37

2.1 引言25

2.2 微通道光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)25-32

2.2.1 微通道光生物反應(yīng)器的總體設(shè)計(jì)要求25-26

2.2.2 玻璃基片上微槽道濕法刻蝕技術(shù)研究26-29

2.2.3 PDMS 微通道設(shè)計(jì)29-30

2.2.4 PDMS 微通道表面改性處理及封接30

2.2.5 微通道光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)30-32

2.3 微通道光生物制氫反應(yīng)器可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)32-33

2.4 蠕動泵的標(biāo)定33-35

2.5 本章小結(jié)35-37

3 微通道光生物反應(yīng)器啟動性能研究37-49

3.1 引言37

3.2 實(shí)驗(yàn)材料與方法37-38

3.2.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器37-38

3.2.2 光合細(xì)菌培養(yǎng)方法38

3.2.3 微通道光生物反應(yīng)器啟動實(shí)驗(yàn)步驟38

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析38-47

3.3.1 進(jìn)口流速對微通道內(nèi)光合細(xì)菌吸附生長的影響38-44

3.3.2 流動方式對微通道內(nèi)光合細(xì)菌吸附生長的影響44-47

3.4 本章小結(jié)47-49

4 微通道光生物反應(yīng)器產(chǎn)氫和傳輸特性49-67

4.1 引言49

4.2 實(shí)驗(yàn)材料與方法49-51

4.2.1 實(shí)驗(yàn)測量參數(shù)及儀器49-50

4.2.2 檢測方法50-51

4.2.3 反應(yīng)器性能評價(jià)51

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析51-61

4.3.1 底物濃度對產(chǎn)氫和底物降解性能的影響51-54

4.3.2 流速對產(chǎn)氫和底物降解性能的影響54-56

4.3.3 光照強(qiáng)度對產(chǎn)氫和底物降解性能的影響56-59

4.3.4 光波長對產(chǎn)氫和底物降解性能的影響59-61

4.4 微通道內(nèi)氣泡的產(chǎn)生及其傳輸特性61-65

4.4.1 微通道內(nèi)氣泡的生長及運(yùn)動61-63

4.4.3 微通道內(nèi)氣泡運(yùn)動對生物量的影響63-64

4.4.4 微通道內(nèi)氣泡溶解64-65

4.5 本章小結(jié)65-67

5 微通道光生物反應(yīng)器內(nèi)底物傳輸模型67-81

5.1 引言67

5.2 微通道光生物反應(yīng)器內(nèi)模型的建立67-71

5.2.1 簡化模型和基本假設(shè)67-68

5.2.2 反應(yīng)器內(nèi)葡萄糖底物的降解模型方程68-70

5.2.3 模型參數(shù)的數(shù)值求解70-71

5.3 模型預(yù)測并分析71-80

5.3.1 不同光照強(qiáng)度和流速條件下計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較71-75

5.3.2 溫度和pH 值條件下預(yù)測結(jié)果分析75-78

5.3.3 微通道內(nèi)微生物菌落中底物濃度分布預(yù)測78-80

5.4 本章小結(jié)80-81

6 結(jié)論81-83

6.1 本文主要結(jié)論81-82

6.2 后續(xù)工作以及展望82-83

致謝83-85

參考文獻(xiàn)85-91

附錄 作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文的目錄91

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