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微通道光生物制氢反应器内微生物生长及传输特性

作　者: 高晓玉
导　师: 朱恂；王永忠
学　校: 重庆大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 光合细菌制氢微通道光生物反应器气泡行为
分类号: TK91
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

能源危机和环境污染是困扰人类的两大难题。氢能因具有热值高、燃烧清洁、可再生等优点被认为是未来最具潜力的可再生能源。光合细菌生物制氢将光能利用、氢气制备和处理高浓度有机废水有机地结合起来,在治理环境污染的同时将有机废弃物资源化,具有广阔的发展前景。将固定化细胞包埋技术应用于光生物产氢具有减少细菌的生物量流失以及提高反应器的产氢速率等优点,同时存在包埋颗粒内部的光传递、底物和产物扩散限制等问题。针对固定化包埋颗粒内部的微小孔道中微生物生长及传质特性,本课题设计了一种可视化微通道光生物制氢反应器以模拟研究包埋颗粒微通道内光合细菌吸附、生长以及产氢特性、底物消耗特性和微通道内气泡的生长特性。本文首先探索和改进了微通道的加工方法,设计并加工了PDMS微通道及微通道反应器系统。其次对微通道光生物反应器内光合细菌的生长及产氢特性进行了实验研究,获得分析了不同流动条件下光合细菌吸附生长的最佳条件;获得了不同进口底物浓度、流速、光照射条件下微通道光生物反应器的最佳产氢和底物消耗特性,同时观察了微通道内产物气泡的生长特性;在实验研究的基础上建立了微通道光生物反应器内底物传输理论模型。1)在光照波长为590 nm、光照强度为5000 lux、流速为1.5 mL·h-1、及室温条件下,光合细菌菌落形成最快,且吸附最牢固,最适宜微通道光生物反应器的产氢运行。光合细菌在微通道内的吸附生长过程可以分为四个阶段:扩散吸附初期阶段、扩散吸附及分裂繁殖阶段、分裂繁殖及形态转变阶段以及团聚成菌落阶段。2)在进口培养基流速为2.1 mL·h-1、光照波长为590 nm、光照强度为5000 lux、进口底物浓度为50 mmol·L-1、pH为7.0及室温操作条件下,微通道光生物反应器达到最佳产氢性能,最大产氢速率为2.4 mmol·g -1 cell dry weight·h-1,最大产氢得率为0.78 mol H2·mol-1 glucose。底物抑制效应和微生物流失是高培养基流速下产氢速率和产氢得率降低、底物消耗速率趋缓的主要原因。高光照强度条件下的光抑制效应导致了产氢性能的降低。3)微通道内气泡的生长及运动过程可以分为4个阶段:1、气核形成;2、球型气泡长大;3、受侧壁挤压的气泡沿微通道方向长大;4、气泡脱离微通道。微通道内气泡生长和运动引起的较大流体剪切力以及气泡的冲刷作用共同导致了微通道内生物量流失。当微通道内液相局部氢浓度低于饱和浓度,微通道内气泡中气体分子将向周围液体扩散造成气泡的溶解消失。4)建立了微通道光生物反应器内含有生化反应的质量传输模型,获得了不同操作参数条件下微通道反应器内的产氢和底物降解特性,并与实验值进行了对比。结果表明:模型计算结果与实验值曲线趋势基本吻合。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-10
符号说明  10-11
1 绪论  11-25
  1.1 能源概述  11-12
  1.2 制氢技术研究现状  12-16
    1.2.1 传统工业化制氢技术  12
    1.2.2 生物制氢技术  12-16
  1.3 光合细菌产氢的研究现状  16-18
  1.4 固定化细胞生物制氢技术  18-21
  1.5 微流体系统  21-23
  1.6 课题研究内容及意义  23-25
    1.6.1 课题意义及研究目的  23-24
    1.6.2 研究内容  24-25
2 微通道光生物反应器可视化实验系统  25-37
  2.1 引言  25
  2.2 微通道光生物反应器的设计  25-32
    2.2.1 微通道光生物反应器的总体设计要求  25-26
    2.2.2 玻璃基片上微槽道湿法刻蚀技术研究  26-29
    2.2.3 PDMS 微通道设计  29-30
    2.2.4 PDMS 微通道表面改性处理及封接  30
    2.2.5 微通道光生物反应器的设计  30-32
  2.3 微通道光生物制氢反应器可视化实验系统  32-33
  2.4 蠕动泵的标定  33-35
  2.5 本章小结  35-37
3 微通道光生物反应器启动性能研究  37-49
  3.1 引言  37
  3.2 实验材料与方法  37-38
    3.2.1 实验材料与仪器  37-38
    3.2.2 光合细菌培养方法  38
    3.2.3 微通道光生物反应器启动实验步骤  38
  3.3 实验结果及分析  38-47
    3.3.1 进口流速对微通道内光合细菌吸附生长的影响  38-44
    3.3.2 流动方式对微通道内光合细菌吸附生长的影响  44-47
  3.4 本章小结  47-49
4 微通道光生物反应器产氢和传输特性  49-67
  4.1 引言  49
  4.2 实验材料与方法  49-51
    4.2.1 实验测量参数及仪器  49-50
    4.2.2 检测方法  50-51
    4.2.3 反应器性能评价  51
  4.3 实验结果与分析  51-61
    4.3.1 底物浓度对产氢和底物降解性能的影响  51-54
    4.3.2 流速对产氢和底物降解性能的影响  54-56
    4.3.3 光照强度对产氢和底物降解性能的影响  56-59
    4.3.4 光波长对产氢和底物降解性能的影响  59-61
  4.4 微通道内气泡的产生及其传输特性  61-65
    4.4.1 微通道内气泡的生长及运动  61-63
    4.4.3 微通道内气泡运动对生物量的影响  63-64
    4.4.4 微通道内气泡溶解  64-65
  4.5 本章小结  65-67
5 微通道光生物反应器内底物传输模型  67-81
  5.1 引言  67
  5.2 微通道光生物反应器内模型的建立  67-71
    5.2.1 简化模型和基本假设  67-68
    5.2.2 反应器内葡萄糖底物的降解模型方程  68-70
    5.2.3 模型参数的数值求解  70-71
  5.3 模型预测并分析  71-80
    5.3.1 不同光照强度和流速条件下计算结果与实验数据的比较  71-75
    5.3.2 温度和pH 值条件下预测结果分析  75-78
    5.3.3 微通道内微生物菌落中底物浓度分布预测  78-80
  5.4 本章小结  80-81
6 结论  81-83
  6.1 本文主要结论  81-82
  6.2 后续工作以及展望  82-83
致谢  83-85
参考文献  85-91
附录作者在攻读硕士学位期间发表论文的目录  91

微通道光生物制氢反应器内微生物生长及传输特性

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