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1、 重庆大学博士学位论文光合细胞产氢过程中能质传办理及超声强化特性研究姓名:谢学旺申请学位级别:博士专业:指导教师:朱恂20110602中文摘要摘 要化石能源价格不断攀升,能源短缺日益成为困扰社会发展的首要问题,同时化石燃料的过量开采对自然环境造成了严重破坏,而氢气燃烧热值高,燃烧产物为水,不释放危害环境的产物,因此被广泛地认为是最具潜力的清洁能源。在多种制氢技术中,光合细菌制氢具有光谱响应范围广、能量转化效率高、反应条件温和、环境友好的优点,非常有利于实现能源的可持续发展。光合细菌的能质传输特性的研究对于解决光合细胞的传输限制性问题,以及光生物制氢中光能利用率低、产氢速率低等问题,具有重要的作
2、用。目前关于光合细菌产氢机理的研究较少,尤其在光合细菌产氢过程中光能的光生化反应和碳源底物的跨膜传输特性方面,已有的研究大多是在细胞结构被破坏的条件下研究光能捕获与电子传递,没有将光能的传递与细胞内物质代谢联系起来。本文采用前期筛选、纯化的高效产氢光合菌沼泽红假单胞.为实验菌种,系统研究了在序批式培养过程中光合细菌的生物学特性以及生长产氢动力学特性;并从光能和底物传递以及微生物代谢的角度研究了底物浓度、值、光波长、光照强度等参数对反应器内光衰减特性、光合细菌的光合色素和细胞内含量、光合细胞膜的渗透系数和细胞内葡萄糖浓度的影响,分析了光衰减对平板式光生物反应器产氢性能的影响,以及光能和底物传输与
3、光合细菌产氢速率的关系,建立了光生物制氢反应器中光衰减系数关联式和光合细菌的葡萄糖跨膜传输及代谢产氢的单细胞模型;同时为了强化光合细菌产氢过程中的能质传输特性,本文进一步研究了在序批式和连续流两种超声波光生物反应器中超声功率、超声时间、底物浓度、光照等操作参数对光合细菌产氢性能的影响。主要研究成果如下:实验获得了沼泽红假单胞菌的生长繁殖方式、菌体生长产氢过程中的形态变化以及菌体活细胞的光谱吸收特性,同时揭示了不同初始底物浓度、初始值、光波长、光照强度下光合细菌的比生长速率、底物比消耗速率、比产氢速率等动力学特性的变化规律。在序批式光生物制氢反应器中,研究了光路长度、细菌浓度、入射光波长和入射光
4、照强度等操作参数下光合细菌的光衰减特性,实验结果表明:在可见光波段范围内,光衰减系数随着光波长的增加而减小,而随着细菌浓度的增加而增加;同时拟合得到光衰减系数与光波长和细菌浓度的实验关联式,结果表明计算值与实验测量值吻合较好。同时研究还发现,光衰减对光合细菌的生长产氢特性影响很大,在较短光路长度、高光照强度下光合细菌的生长速率最快,并且达到重庆大学博学位论文最大产氢速率的时间较早,在光路长度为. 时光生物反应器综合产氢性能/,最佳,此时反应器的产氢速率为. /,葡萄糖消耗速率为.产氢得率为./.,光能转化效率为%。研究了初始底物浓度、初始值、光波长和光照强度对光合细菌产氢过程中光合色素和细胞内
5、含量的影响,实验结果表明:细菌叶绿素和类胡萝卜素具有不同的合成机制,在光波长为 、初始底物浓度为 、初始值为.时,其细菌叶绿素和类胡萝卜素含量最大为. / 和./ ,产氢速率最大为. / /。对光合细菌的葡萄糖跨膜传输特性进行了研究,并且结合定律和.方程计算得到细胞内葡萄糖浓度和光合细胞膜的渗透系数,结果表明:葡萄糖跨膜传输速率最大为./ /,光合细胞膜的最大渗透系数基本维持在儋 /左右。同时建立了光合细菌的葡萄糖跨膜传输及代谢产氢的单细胞模型,分析了光合细菌细胞内、外葡萄糖浓度和氢气浓度分布特性。研究了超声波对光合细菌产氢特性的影响,实验发现:超声波可以增加光合细胞膜的通透性,促进碳源有机底
6、物的跨膜传输;超声波可以释放液相中的氢气,降低氢分压对光合细菌产氢的抑制作用。在序批式超声波反应器中,反应器/、.的最大产氢速率、产氢得率、能量转化效率分别为./.、%。而在连续流超声波光生物反应器中,其最大产氢速率、/、.产氢得率和能量转换效率分别为./.、和.%,可见序批式反应器比连续流反应器具有较高的产氢得率和能量转化效率,而连续流反应器却具有较大的产氢速率,并且还发现在超声波作用下的光合细菌与未超声作用的光合细菌相比产氢速率至少可提高.倍。关键词:光合细菌,产氢,光能传递,跨膜传输,超声强化英文摘要 , ., , , ., .,. . .,.,诚。,. , .,.重庆大学博士学位论文
7、,. , , ,.:, , ,. , , . 、, ,.,、析. . , . ,龇. ./?/, %. , ., . / ,.,英文摘要 .,. / , . /./ .,/ /嬲 / /., . ., , ., ,., , ./,. %,?/?,.叭.?/, .%,. 、访、析. ?.: ,符号说明符号说明超声功率溶液对光谱的吸光度反应器进口流量/光合细菌细胞内含量比产氢率细菌叶绿素含量/啦底物比消耗速率.【宦% 细菌浓度/ 啦蠕动泵转速转/类胡萝卜素含量/光合细菌产氢速率细胞外葡萄糖浓度/ %/ /反应器产氢速率/光合色素的平均吸收系数】订 暑:%, 、 .、时刻细胞外葡萄糖浓度 底物消耗速
8、率/水 取底物浓度/ 反应时间锈初始底物浓度/ 每次超声时间培养温度生物量干重光通过溶液的距离锄 反应器内菌悬液体积产氢得率光照强度/入射光照强度 /葡萄糖跨膜传输速率光衰减系数.丫/ /葡萄糖酶酵解速率米氏常数/ /葡萄糖最大反应速率光路长度/溶液的摩尔吸收系数反应器液相氢浓度/心葡萄糖降解效率%时刻的菌体干重 接种量% 光能转化效率%耻细胞个数个, 总能量转化效率%砸光合细胞膜渗透系数九入射光波长姗/ /比生速率。培养液值州绪论绪论.前言能源是提高人民生活质量的主要物质基础,是制约国民经济发展的重要因素,同时也是维护国家安全的战略保障。当今社会最广泛使用的能源主要是煤、石油、天然气和水力,
9、特别是石油和天然气的消耗量增长迅速,已占全世界能源消费的%左右。然而化石能源价格持续上涨,能源短缺日益困扰国家和政府的发展规划,能源问题已成为影响国民经济发展和国家安全的重中之重:同时化石能源的使用对环境造成了严重的影响和破坏,温室效应、酸雨、臭氧层空洞等问题严重地威胁着地球和人类的可持续发展。因此从国家能源安全和环境保护角度考虑,改变能源生产和消费方式,促使人们开发环境友好和经济适用的可再生能源已经迫在眉睫。年月日至日,首届全球替代能源大会在德国慕尼黑举行,与会代表们强烈呼吁各国政府和公民从现在开始真正认识到替代能源的重要性和紧迫性。年月日我国正式施行中华人民共和国可再生能源法,充分体现了政
10、府对可再生能源开发的高度重视。年月日至日在丹麦首都哥本哈根召开的气候峰会上,温家宝总理提出,到年单位国内生产总值二氧化碳排放要比年下降%一%,这一标准的制定标志着我国正式加入减碳行列,大力发展新能源技术势在必行。在这种可再生能源和低碳生活的强烈呼吁下,氢气因具有燃烧热值高,燃烧产物为水,不会生成碳氧化物、氮氧化物、硫氧化物、碳氢化物、灰尘及其它污染物,易于通过合理的技术获得等优点,而被广泛地认为是不可再生能源煤、石油、天然气等化石燃料的潜在替代能源,是“世界上最干净的的能源”,是世纪的可再生“能源之星”【刁】。目前,氢气的主要生产原料来自于煤、石油、天然气等化石能源和植物、动物等生物质能。采用
11、化石能源制氢的方式主要有:石油的高温氧化裂解制氢、天然气或汽油催化重整制氢、热裂解煤炭制氢等方式,而利用生物质制氢主要是高温气化生物质。其中生产使用的氢气约有%来自轻油或天然气的催化重整,这类消耗化石能源制取氢气的方式尚存在很多不足:制取氢气需要高温高压的环境,而且以消耗化石能源为代价,属于能量密集型产业,生产成本较高,对自然环境造成严重的污染,不利于大规模发展,其经济适用性不强。当今使用光电技术和电解技术相结合制取氢气的方法也是方兴未艾,但是太阳光辐射到地球表面的能量较低,单位面积接收到的光能量仅为 ,因此需要建造巨大的光能接收面以收集足够多的太阳能,同时这种方法最大不足是较高的投资成本和高
12、技术要求,重庆大学博士学位论文这将极大地限制其大规模的推广和应用。利用微生物的代谢能力将有机废弃物转化成氢气的方法具有许多优点:可以直接利用可再生资源植物、动物等生物质和水等做为产氢原料,利用地球最充足的太阳光能,同时实现了环境治理和可再生能源的制取,而且微生物法制氢设备简单,操作方便,可以大规模发展,经济适用性强,投资较省,产生的氢气可以直接供应燃料电池生成电能【】。在微生物制氢中光合产氢微生物种类繁多、易于获得,可以在沙漠等光照充足的自然环境中培养,应用前景广阔。因此光生物制氢属于非能量密集型产业,对其产氢特性的研究对于解决能源短缺、环境污染和社会的可持续发展具有重要意义。目前在光合细菌光
13、合产氢机理的研究仍然处于探索阶段,已进行的较多研究工作主要是在物质代谢与能量代谢相分离的情况下进行,而且在光合系统中的光能捕获吸收和传递过程中没有考虑碳源底物传输代谢对光能传输的影响】。因此单纯的、没有与碳源底物传输代谢相耦合的光子捕获吸收和光合电子传递的研究具有一定的局限性,不利于从光合细菌的能质传输特性和转化机制上解决光合细菌的产氢机理。光合细菌是单细胞微生物,是生理代谢作用的基本单元,利用“三传一反理论研究光合细菌的反应动力学,进一步推广到整个菌群,并与反应器内的“三传一反”理论结合,从微观角度出发解决宏观反应器内的反应、传递及反应器放大问题是目前生化工程的前沿课题【。而目前国内外关于生
14、化工程的研究多偏重于生物过程,或只考虑宏观统计,在生物本质探讨和工程研究间缺乏有机的联系。因此,从光合细菌的微观反应机理和能质传输特性出发,研究细胞基质的跨膜输运、胞内物质转化以及与光能吸收、转化之间的相互影响关系,对研究光合细菌生长产氢动力学特性,提高光合细菌的产氢速率和光能转化效率,实现过程的优化控制和工程放大,具有非常重要的工程意义和学术价值。.光合细菌光合产氢基本原理目前产氢微生物的种类繁多,结果如表.所示,主要包括:光合细菌、厌氧发酵产氢菌、蓝细菌和藻类。按从营养类型可划分为三种方式:光能异养型、光能自养型和化能异养型;按从培养细菌产氢方式可分为:光合细菌光酵解碳源底物产氢、厌氧发酵菌酵解有机物产氢、光合细菌与发酵细菌混合生长代谢产氢、藻类和蓝细菌的生物光解水产氢刀。但是发酵制氢的相对产氢率较低,从热力学角度上可知其不利于大量生产,同时厌氧发酵菌产氢过程中易生成大量的二氧化碳,产氢纯度低【;从底物到氢气的理论能量转化效率较低,最大转化率仅为%,有机底物转化时生成大量的有机酸,因此其在经济和环保方面不十分有利训。光合微藻和蓝细菌制氢过程中存在产氢酶系统的抑制,低光照强度下转化率低,太
