导光固体基质扩展表面上光生物生长及转化机理与特性

Hydrogen has the highest gravimetric energy density among any known fuel and is compatible with electrochemical and combustion processes for energy conversion without producing emissions that add to environmental pollution. Hydrogen production via biological process using photosynthetic bacteria (PSB) offers the advantage of combing the use of solar energy with production of clean fuel H2 in connection with wastewater treatment, and is a promising process for renewable energy production in large scale. Continuous bio-H2 production with cell-immobilization technology was one of key steps for stable and high efficient practical photobiological H2 production. To induce biofilm formation on extended surface of photo-guided substratum can not only promote cell-immobilized process of PSB but also increase biomass within bioreactor. Moreover, appropriate operating on enhance ment of light transmit and mass transfer can then be used to improve H2 production. Scientific issues on characteristic and mechanism of PSB on photobiological growth and biofilm formation, effects of extended surface on coupling processes of mass transfer and bio-chemical reaction and characters of two-phase flow and hydrogen production within biofim reactor with extended surface on photo-guided substratum using PSB could give necessary aidances for both therotical and practial studies in the future.

氢气在所有已知能源中具有最高的单位质量能量密度，并在通过电化学或燃烧的能量转化过程中不释放危害环境的产物，成为最具潜力的清洁可再生能源。采用光合细菌的光生物制氢技术可以把太阳能的利用与有机污染物的降解耦合起来，完美解决当前能源需求与环境保护之间的矛盾，是最具环境效益的规模化清洁制氢方式之一。利用细胞固定化技术实现连续化产氢是使光生物制氢反应器稳定、高效运行而将光生物制氢技术引向实际生产的重要途径。通过在导光固体基质表面加工微槽的方法既可以促进光合细菌生物膜的生长成膜，增加反应器中的生物持有量。还能强化光能传输和质量传递，达到促进光合细菌产氢的效果。研究中所涉及的光合细菌在光源表面沟槽内的吸附、成膜机理及特性、沟槽表面对底物和产物的传递强化及其与生物膜内生化反应的耦合关系、具有导光基质扩展表面的生物膜制氢反应器内两相流传递及产氢特性等关键基础科学问题，具有重要的工程应用背景和学术意义。

氢能具有燃烧热值高、清洁无污染、利用形式多、可储能和安全性好等诸多优点，而被广泛关注。利用光合细菌的光生物制氢过程可以将废水处理和清洁能源的生产有机结合起来，且具有有机底物降解彻底、氢气制备纯度高和运行条件温和等优点，被认为是最具规模化制氢的前景技术之一。采用细胞固定化技术增加反应器中的微生物持有量并实现底物连续流动的高效制氢，是将光生物制氢技术引向商业化运行的重要途径。本研究提出了利用导光固体基质扩展表面来强化光合细菌实现细胞固定化并在连续流制氢过程中增强产氢性能的方法。通过微槽透光板式光合制氢反应器的研究，获得了使光合细菌固定化效果最佳的微槽结构结构参数，并以此为基础开展了单因素和多因素交互作用条件下的反应器产氢性能强化研究，显著增强了反应器中的产氢速率和光能转化效率。通过环流型光纤生物膜制氢反应器的研究，将光照引入反应器内容积空间并实现细胞固定化，实现了反应器内部空间的微生物高密度培养，分别通过强化光合磷酸化过程和强化传质的实验方法与建立描述反应器中主流区质量传递与生物膜区域底物传输与降解的二维数学模型的数值方法对环流型光纤生物膜制氢反应器的产氢和底物降解特性进行了强化研究。揭示了固定化的光合细菌，在连续流光合制氢过程中，存在的底物传输与降解的耦合传质-反应的科学问题，为反应器的性能强化提供了一定的理论参考。本项目研究为新型连续流光合制氢反应器的结构探索、光合细菌生物膜的形成强化和连续流光生物制氢过程的强化研究提供了一定的工程应用和学术参考。