光合細菌在溝槽基質表面的成膜特性.pdf

1、隨著能源短缺與環(huán)境污染的日益惡化，傳統(tǒng)化石能源已不能滿足環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展的要求，急需可替代再生能源。氫能憑借其高燃燒值、易完全燃燒、無污染和可直接在燃料電池中使用等優(yōu)點，被認為是最有潛力的替代能源之一。氫能應用的關鍵在于氫氣的制備。以光合細菌制氫技術為代表的光生物制氫技術能利用有機廢水中的碳源在光能的驅動下產生氫氣，從而同時實現環(huán)境保護和制備可再生能源；并且其反應條件溫和、能耗低，因此具有良好的發(fā)展前景。其中，細胞固定化技術之一的生

2、物膜法，擁有較大傳質速率、優(yōu)良的光傳輸特性和簡便的操作方式等優(yōu)點的同時，也能有效提高生物反應器單位體積內的生物量從而提高反應器的產氫速率。因此，生物膜法光合細菌制氫技術能有效的解決能源和環(huán)境問題。
　　在生物膜制氫光生物反應器中，底物的傳入與產物（氫氣）的傳出以及生化產氫反應都主要發(fā)生在生物膜內。因此，底物-產物傳輸和反應器整體性能很大程度上取決于生物膜結構，而這些都直接受到反應器內光合細菌的成膜特性的影響。然而，過去在這方面的研

3、究還比較少，針對此，本文以光合細菌沼澤紅假單胞菌Rhodoseudomonas palustris CQK01作為產氫菌種，利用元胞自動機模型對光合細菌生物膜在平板和溝槽基質表面生長進行了數值模擬，預測了光照強度、初始接種量、溫度、pH和底物濃度對光合細菌生長和成膜過程中表面形態(tài)以及特征參數的影響。為了驗證模型的準確性，本文還設計了三種不同溝槽尺寸的光生物制氫反應器，研究在相同條件下形成的生物膜形態(tài)結構及其產氫性能的變化并與平板反應器做

4、了對比。主要研究結果如下：
　　1.在不同的外部操作條件下，生物膜形態(tài)呈現稀疏的樹枝狀和致密的平板結構，對于不同形態(tài)的生物膜結構，通過特征參數的比較發(fā)現，樹枝狀具有更大的孔隙率、粗糙度和活性生物量，具有更好的傳質效果。
　　2.底物限制是細胞失活現象發(fā)生的關鍵因素。由于底物濃度過低，細胞失活多發(fā)生在生物膜內部區(qū)域。
　　3. pH、溫度和光照條件對光合細菌生物膜內酶的活性有著重要影響。過低或過高會對酶的活性產生限制或抑

5、制作用，進而影響光合細菌生物膜的生長。研究發(fā)現，最優(yōu)pH、溫度和光照條件分別為7.0、30℃和6000lux。
　　4.底物濃度和初始接種量對光合細菌的生長具有重要的作用。模型結果發(fā)現過高和過低的底物濃度和接種量都不利于生物膜的生長，最佳底物濃度和初始接種量分別為10g/L和60。
　　5.模擬研究溝槽基質表面上生物膜生長情況，與相同條件下的平板基質對比發(fā)現，溝槽條件下形成的生物膜厚度和活性生物量都要高于平板，而所形成的生物

6、膜粗糙度也要優(yōu)于平板基質。經過研究不同操作條件下對光合細菌在溝槽基質表面的成膜特性，得到對于溝槽基質表面下光合細菌生物膜生長的最適條件為：溫度為30℃、pH為7.0、光強為6000lux和接種量為120個。
　　6.不同溝槽尺寸對光合細菌生物膜成膜的實驗研究發(fā)現：四種反應器所形成的生物膜在單個細胞形態(tài)上差別不大，而生物膜厚度和干重在溝槽尺寸為1.0mm時獲得最大分別為98μm和0.94mg/cm2。同時，1.0mm的溝槽的產氫性能