基于表面改性的光合細菌生物膜產(chǎn)氫強化及光纖在線測量系統(tǒng)研究.pdf

1、氫氣燃燒熱值高、清潔、高效等優(yōu)點,被認為是最理想的綠色能源之一。光合細菌制氫技術具有條件溫和、環(huán)境友好以及能量投入低等優(yōu)點,在國際上被普遍認為具有競爭力和廣闊發(fā)展前景。但目前光生物反應器仍然面臨產(chǎn)氫性能低和不穩(wěn)定等問題。為了提高反應器的性能,將生物膜技術與光合細菌制氫技術相結(jié)合便成為了一條有效的途徑。在生物膜光合制氫過程中,生物膜生長載體的物理化學性質(zhì)直接影響到光合細菌的吸附及發(fā)展、生物膜成分(胞外多糖,色素及ATP等)及活性等,進而影

2、響到反應器的產(chǎn)氫性能。此外,生物膜光生物反應器內(nèi)生物膜厚度、生物量濃度、光照強度、pH、溫度及水力停留時間等熱物理參數(shù)也將影響到生物膜活性,進而影響反應器的性能。因此,研究一種能提高細菌吸附能力、生物量和生物膜活性的生物膜載體,建立一套生物膜光合制氫過程多參數(shù)在線實時測量系統(tǒng),并實時調(diào)控反應器內(nèi)微生物生長的環(huán)境,對提高反應器性能,推進光生物制氫技術的大規(guī)模工業(yè)化應用都十分必要。
　　本文以光合細菌生物膜制氫技術為背景,針對目前光合

3、細菌吸附能力低、生物膜活性低的問題,首先提出并制備了一種SiO2–殼聚糖-培養(yǎng)基(CSSM)涂敷的生物材料,有效強化了細菌成膜,提高了生物膜細胞活性。在此基礎之上,為了提高載體表面的發(fā)光性能,研制了涂敷GeO2–SiO2–殼聚糖-培養(yǎng)基(GSCM)生物材料獲得了GSCM涂敷的空心光纖,并提出了該發(fā)光光纖的光傳輸模式。此外,針對反應器內(nèi)熱物理參數(shù)在線測量方法缺乏的不足,構(gòu)建了新的反應器內(nèi)多參數(shù)在線實時測量系統(tǒng)。為了提高濃度測量的靈敏度,提

4、出了超聲濕腐蝕制備高質(zhì)量倏逝波光纖傳感器的方法,并研究了光纖的腐蝕機理,光纖腐蝕過程的傳質(zhì)特性及其對光纖表面粗糙度的影響,討論了粗糙表面光纖的光傳輸特性及粗糙度對傳感器性能的影響。此外,為實現(xiàn)反應器內(nèi)生物膜厚度的在線測量,提出了一種生物膜厚度在線準確測量的光纖倏逝波傳感器,建立了傳感器的測量理論模型。最后,利用GSCM涂敷空心光纖,光纖生物膜厚度傳感器、光纖溫度傳感器、光纖生物量濃度傳感器、H2濃度傳感器和pH傳感器構(gòu)建了一套高效的生物

5、膜光生物反應器系統(tǒng)及多參數(shù)在線測量系統(tǒng),并根據(jù)傳感器系統(tǒng)獲得的信息對反應器內(nèi)pH及空心光纖表面生物膜厚度進行了實時調(diào)控。主要研究成果如下:
　?、僦苽淞薙iO2–殼聚糖-培養(yǎng)基(CSSM)溶膠,并將該溶膠涂敷在載玻片表面,獲得了表面粗糙,含有營養(yǎng)物質(zhì),自由能為37.18mJ/cm2的生物膜生長載體。實驗結(jié)果表明:該載體具有良好的生物兼容性;涂敷有CSSM溶膠的載體與未修飾的載體比,光合細菌的吸附能力能提高7.1倍(1h),生物膜穩(wěn)

6、定時間縮短至8天,生物膜干重提高2.1倍(12天),反應器產(chǎn)氫速率提高80％。
　?、谥苽淞薌eO2–SiO2–殼聚糖-培養(yǎng)基(GSCM)溶膠,并將該溶膠涂敷在半球狀尾端的石英管表面,獲得了表面發(fā)光強度高且發(fā)光均勻的新型生物空心光纖,并提出了光束在該光纖內(nèi)的傳輸模式。實驗研究表明:GSCM涂敷空心光纖具有良好的生物兼容性;與未修飾的空心光纖相比,在光纖長度為90mm處,表面發(fā)光強度提高1.8倍,光合細菌的吸附能力能提高4.3倍(3

7、0min),生物膜穩(wěn)定時間縮短至8天,生物膜干重提高1.43倍(16天),生物膜反應器產(chǎn)氫速率達到2.65mmol/h/L,是未修飾空心光纖生物膜光生物反應器的2.56倍。
　　③為提高光纖濃度傳感器的靈敏度,從光纖腐蝕的傳質(zhì)及動力學特性出發(fā),提出了超聲強化腐蝕光纖技術,建立了超聲腐蝕光纖系統(tǒng)。研究了超聲功率,腐蝕劑配比及腐蝕劑溫度對光纖腐蝕速率和腐蝕后表面形貌的影響。實驗結(jié)果表明:當腐蝕劑配比為VHF:VBHF≤2,溫度為40℃

8、,超聲功率為165W時,能獲得光滑的腐蝕光纖表面。同時,設計了一種流動腐蝕光纖的裝置,研究了腐蝕劑流速和溫度對光纖腐蝕速率及腐蝕后表面形貌的影響,實驗結(jié)果表明:在溫度40℃,腐蝕劑濃度(氫氟酸)0.15molL-1,腐蝕劑流速0.75L/min時,能獲得光滑的腐蝕光纖表面。表面光滑的光纖與表面粗糙度為0.45的光纖相比,光譜(360-900nm光源)傳輸能力提高4.32倍;在PSB菌懸液濃度為0-0.5g/L時,傳感器的靈敏度提高2.2

9、–2.9倍。
　?、芙⒘舜植诒砻婀饫w濃度傳感器的光傳輸模型,全面分析了粗糙度對傳感器靈敏度的影響。實驗對比研究了倏逝波光纖表面粗糙對傳感器靈敏度的影響,提出通過優(yōu)化光束在光纖表面的入射角度進一步提高傳感器的方法。實驗與理論研究表明:光纖表面粗糙度為0.32時,傳感器對葡萄糖溶液的靈敏度為-11.7mW/riu,當光束在光纖表面的入射角度優(yōu)化為12o時,傳感器的靈敏度提高到-15.3mW/riu。
　?、萏岢隽嗽诰€準確測量生

10、物膜制氫反應器內(nèi)生物膜厚度的傳感器,建立了傳感器的測量原理理論模型。利用表面粗糙度為0.32的光纖制作了生物膜厚度傳感器。利用該傳感器分別在線測量了培養(yǎng)基連續(xù)供給下及培養(yǎng)基間斷供給下生物膜厚度,并研究不同生物膜厚度下反應器的產(chǎn)氫速率。實驗結(jié)果表明:在生物膜厚度0~120μm范圍內(nèi)傳感器具有較好的線性度;培養(yǎng)基連續(xù)供給下傳感器輸出信號與生物膜厚度滿足K1=-0.0368x1+5.9656(R2=0.9017),培養(yǎng)基間斷供給下傳感器輸出信

11、號與生物膜厚度滿足K2=-0.0372x2+6.1049(R2=0.9515),采用公式K1和K2計算得到生物膜厚度的最大相對誤差為5.56%;反應器產(chǎn)氫速率最大時的最佳生物膜厚度在115μm左右。
　　⑥利用GSCM涂敷空心光纖、pH調(diào)控旁路及生物膜厚度調(diào)控裝置,光纖生物膜厚度傳感器及陣列、FBG溫度傳感器及陣列、光纖濃度傳感器、氫電極及pH電極建立了高效生物膜光生物反應器系統(tǒng)及在線測量系統(tǒng)。實驗研究表明:當對反應器內(nèi)pH和固體