formation and hydrogen production performance of photosynthetic bacterial biofilm on solid surface a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by wang yejun supervised by prof. liao qiang assistant supervised by associate prof.wang yongzhong major: power engineering and engineering thermophysics college of power engineering of chongqing university, chongqing, china. may, 2011 中文摘要 i 摘 要 作為主要能源的化石燃料儲(chǔ)量急劇地減少以及它們?nèi)紵鶐?lái)的全球氣候變 化、環(huán)境污染和健康問(wèn)題，對(duì)能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了巨大挑戰(zhàn)。氫氣由于其高燃燒值和 有效燃燒或直接在燃料電池中使用，被認(rèn)為是最有潛力的替代能源之一。生物制 氫反應(yīng)條件溫和、能耗低、能夠妥善解決環(huán)境污染和能源需求間的矛盾，具有良 好的發(fā)展前景。相比于暗發(fā)酵制氫技術(shù)，光生物產(chǎn)氫技術(shù)具有純度高、理論底物 轉(zhuǎn)化效率高和無(wú)氧氣活性抑制等優(yōu)點(diǎn)而備受研究者的關(guān)注。而作為細(xì)胞固定化技 術(shù)之一的生物膜法，不僅能有效提高生物反應(yīng)器單位體積內(nèi)的生物量進(jìn)而提高產(chǎn) 氫速率，而且具有底物傳質(zhì)速率大、光傳輸特性好和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 在典型的生物膜反應(yīng)器中，底物從主流區(qū)對(duì)流和擴(kuò)散進(jìn)入生物膜內(nèi)，而代謝 產(chǎn)物反向從生物膜內(nèi)擴(kuò)散到主流區(qū)，因而生物膜結(jié)構(gòu)對(duì)底物-產(chǎn)物質(zhì)量傳輸和反應(yīng) 器整體性能均有重要影響。本文采用生物膜法光生物制氫技術(shù)，利用本實(shí)驗(yàn)室篩 選培育的光合細(xì)菌沼澤紅假單胞菌 rhodoseudomonas palustris cqk 01 作為產(chǎn)氫菌 種，構(gòu)建了用于生物膜結(jié)構(gòu)研究和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫的可視化平板式光生物反應(yīng)器，研究 了不同光照強(qiáng)度、光照波長(zhǎng)、進(jìn)口溶液流量和底物濃度條件下形成的光合細(xì)菌生 物膜結(jié)構(gòu)，并討論了不同膜結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)器內(nèi)底物傳輸和產(chǎn)氫性能的影響。在實(shí)驗(yàn) 研究基礎(chǔ)上，采用擴(kuò)散-反應(yīng)方程和元胞自動(dòng)機(jī)規(guī)則，結(jié)合前期實(shí)驗(yàn)得到的光合細(xì) 菌生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，建立了光合細(xì)菌生物膜在固體基質(zhì)表面上生長(zhǎng)的二維模型， 預(yù)測(cè)了光照強(qiáng)度、底物濃度、溫度、ph 和初始接種量對(duì)光合細(xì)菌在固體基質(zhì)表面 生長(zhǎng)、成膜過(guò)程中表面形態(tài)和特征參數(shù)的影響。主要研究結(jié)果如下： 1. 生物膜中的光合細(xì)菌以短桿狀為主，但也有少量的長(zhǎng)桿狀存在。不同啟動(dòng) 條件下形成的生物膜結(jié)構(gòu)對(duì)后期穩(wěn)定運(yùn)行期中光生物反應(yīng)器的產(chǎn)氫性能有著顯著 影響。 2. 在光照強(qiáng)度為 5000 lx 和光照波長(zhǎng)為 590 nm 下形成的生物膜具有較大的細(xì) 菌形態(tài)、較高的孔隙率、生物膜干重(0.915 mg/cm2)和厚度(18.7 m)，且該條件下 形成的生物膜在穩(wěn)定運(yùn)行期的產(chǎn)氫性能最高。盡管光照波長(zhǎng)為 470 nm 下形成的生 物膜具有最大的生物膜干重和厚度(1.013 mg/cm2和 27.8 m)，但由于其極低的孔 隙率導(dǎo)致了產(chǎn)氫性能嚴(yán)重下降。 3. 生物膜結(jié)構(gòu)隨反應(yīng)器進(jìn)口溶液流量的增加變得更加致密，生物膜厚度在進(jìn) 口溶液流量為 38 ml/h 時(shí)形成的低流體剪切力作用下達(dá)到最大(19.1 m)，但此時(shí)生 物量卻較低；而在進(jìn)口溶液流量為 228 ml/h 下形成的生物膜具有較大的細(xì)菌形態(tài) 和適中的孔隙率，且該條件下形成的生物膜在穩(wěn)定運(yùn)行期的產(chǎn)氫性能最高。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 ii 4. 隨著底物濃度的增加， 生物膜結(jié)構(gòu)會(huì)變得更加疏松， 底物濃度為 110 mmol/l 下形成的生物膜具有最大的孔隙率。但生物膜干重和厚度是在底物濃度為 60 mmol/l 下獲得最大值，且該條件下形成的生物膜在穩(wěn)定期的產(chǎn)氫性能也為最佳。 5. 在穩(wěn)定運(yùn)行期，光合細(xì)菌生物膜產(chǎn)氫速率隨光照波長(zhǎng)、光照強(qiáng)度、進(jìn)口流 量和底物濃度的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，最大產(chǎn)氫速率為 11.2 mmol/m2/h。產(chǎn) 氫得率均隨進(jìn)口底物濃度的增加而持續(xù)減少，最大產(chǎn)氫得率為 0.66 mol h2/mol glucose。光能轉(zhuǎn)化效率均隨光照強(qiáng)度的增加而逐漸降低，最高光能轉(zhuǎn)化效率為 28.1%。 6. 光合細(xì)菌生物膜生長(zhǎng)模擬結(jié)果表明在生物膜生長(zhǎng)、成膜過(guò)程中，孔隙率隨 時(shí)間都呈減小的規(guī)律，而表面粗糙度在生長(zhǎng)一定時(shí)間后都趨于一個(gè)穩(wěn)定值，生物 膜厚度都隨時(shí)間而逐漸增大。在光照強(qiáng)度為 5000 lx，底物濃度為 10.0 g/l，溫度為 30 oc，ph 為 7.0 和初始接種量為 500 時(shí)生物膜具有較高的孔隙率、表面粗糙度和 厚度。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：光生物制氫，生物膜結(jié)構(gòu)，光能利用，元胞自動(dòng)機(jī)，產(chǎn)氫速率 英文摘要 iii abstract the rapidly diminishing reserves of fossil fuels and resulting global climate change, environmental pollution and health problems by their combustion make the current energy structure face a significant challenge. hydrogen, which is of high combustion efficiency with high caloric value and can be directly used in fuel cells, is considered as one of the most promising alternatives to fossil fuels. bio-hydrogen production from organic pollutants leads a solution for the confliction of environmental protection and energy requirements and has a bright future due to its moderate reaction condition and low energy consumption. compared with hydrogen production by dark-fermentation, the photo-fermentation process has attracted intensive attention due to high purity of the produced hydrogen, high theoretical substrate conversion efficiency and no o2-evolving activity which causes o2 inactivation in green algae hydrogen production systems. the biofilm method, as one of the cell immobilization technologies, not only effectively improves the biomass amount per unit volume, the tolerance ability of bacteria and the hydrogen production rate, but also bear the advantages of high mass transfer rate, good light penetration and simple operation. in a typical biofilm-based bioreactor, substrate diffuses from bulk liquid into biofilm, while end-products transports inversely into the bulk liquid. it can be expected that the biofilm structure is a critical factor affecting the mass transport substrates and products as well as the overall performance of the reactor. focusing on photo-hydrogen production by biofilm technology, visualization flat-panel photobioreactors with indigenous rhodoseudomonas palustris cqk 01 were constructed in the present study for observation on biofilm structure and hydrogen production performances, and the effect of the structure of photosynthetic bacterial (psb) biofilm formed under different illumination intensities, illumination wavelengths, influent flow rates and substrate concentrations were then discussed on the substrate transport and hydrogen production performance in the bioreactor. based on the experimental works, a two-dimensional model with the diffusion-reaction equations and cellular automata rules combined with the previously obtained growth kinetics parameters of psb was established to simulate psb growth and biofilm formation on the solid carrier. as a result, the effects of illumination intensity, substrate concentration, operation temperature, ph and initial inoculation were numerical predicted on the biofilm growth and structure on the solid 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 iv surface. the main outcomes of the present study were shown as following: 1. the predominant morphology of the bacteria in the biofilm was short rods, while a few long rods were also observed. the biofilm structures formed under different star-up conditions significantly affected hydrogen production performance of the photobioreactor during steady operation process. 2. the psb biofilm formed under illumination wavelength 590 nm and illumination intensity 5000 lx had larger bacterial size, higher porosity, higher biomass dry weight (0.915 mg/cm2) and biofilm thickness (18.7 m), resulting in the best hydrogen production performance during steady operation process. the biofilm formed under illumination wavelength 470 nm gained the highest biomass dry weight (1.013 mg/cm2) and biofilm thickness (27.8 m); however, it led to inferior hydrogen production performance during steady operation process due to the lowest porosity. 3. the psb biofilm structure turned to be dense with the increase in influent flow rate. the biofilm formed under influent flow rate 38 ml/h obtained the highest thickness (19.1 m) due to low shear force, while the biomass was insufficient. the biofilm formed under 228 ml/h gained larger bacterial size and moderate porosity, leading to the highest hydrogen production performance during the steady operation process. 4. the psb biofilm turned to loose with increasing influent substrate concentration. the biofilm formed under 110 mmol/l of substrate concentration had the largest porosity, while the highest biomass dry weight and biofilm thickness were achieved by the biofilm formed under 60 mmol/l of substrate concentration inducing the best hydrogen production performance during steady operation process. 5. during the steady operation process, the hydrogen production rate of the psb biofilm increased with increasing illumination wavelength, illumination intensity, influent flow rate and substrate concentration to achieve a peak value and then dropped when these parameters were further increased. the maximum hydrogen production rate was 11.2 mmol/m2/h. the hydrogen yields of biofilms continuously dropped with the increase in influent substrate concentration and the maximal hydrogen yield was 0.66 mol h2/mol glucose. the light conversion efficiency of the reactor decreased with enhancing illumination intensity and the maximum value achieved to 28.1%. 6. the simulation results from the psb biofilm growth model indicated that the biofilm porosity decreased during the biofilm formation process, while the surface roughness reached a stable value after a certain time of growth, and the biofilm thickness increased as time progressed. the optimal growth condition for the psb 英文摘要 v biofilm formation was 5000 lx of illumination intensity, 10.0 g/l of substrate concentration, 30 oc of temperature, 7.0 of ph and 500 of initial inoculation. keywords: photo bio-hydrogen production, biofilm structure, light utilization, cellular automata, hydrogen production rate 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 vi 目 錄 vii 目 錄 中文中文摘要摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 1 緒緒 論論 . 1 1.1 概述概述 . 1 1.2 生物制氫技術(shù)生物制氫技術(shù) . 2 1.3 光生物制氫技術(shù)研究現(xiàn)狀光生物制氫技術(shù)研究現(xiàn)狀 . 4 1.3.1 光合細(xì)菌概述 . 4 1.3.2 光合產(chǎn)氫細(xì)菌產(chǎn)氫原理 . 6 1.3.3 光合細(xì)菌產(chǎn)氫影響因素 . 8 1.3.4 細(xì)胞固定化制氫技術(shù)及研究現(xiàn)狀 . 12 1.4 生物膜生長(zhǎng)模型研究現(xiàn)狀生物膜生長(zhǎng)模型研究現(xiàn)狀 . 14 1.5 課題研究?jī)?nèi)容及意義課題研究?jī)?nèi)容及意義 . 16 1.5.1 課題意義及研究目的 . 16 1.5.2 本文研究?jī)?nèi)容 . 17 2 平板式光生物膜制氫反應(yīng)器光合細(xì)菌成膜及產(chǎn)平板式光生物膜制氫反應(yīng)器光合細(xì)菌成膜及產(chǎn)氫特性氫特性 . 19 2.1 引言引言 . 19 2.2 平板式光生物制氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)平板式光生物制氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì) . 20 2.3 實(shí)驗(yàn)方法和材料實(shí)驗(yàn)方法和材料 . 21 2.3.1 菌種及培養(yǎng)基 . 21 2.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng) . 21 2.3.3 產(chǎn)氫性能評(píng)價(jià)指標(biāo) . 23 2.3.4 分析與檢測(cè)方法 . 23 2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論 . 24 2.4.1 光照強(qiáng)度對(duì)光合細(xì)菌生物膜微結(jié)構(gòu)及產(chǎn)氫性能的影響 . 24 2.4.2 光照波長(zhǎng)對(duì)光合細(xì)菌生物膜微結(jié)構(gòu)及產(chǎn)氫性能的影響 . 35 2.4.3 進(jìn)口流量對(duì)光合細(xì)菌生物膜微結(jié)構(gòu)及產(chǎn)氫性能的影響 . 44 2.4.4 底物濃度對(duì)光合細(xì)菌生物膜微結(jié)構(gòu)及產(chǎn)氫性能的影響 . 50 2.5 本章小結(jié)本章小結(jié) . 55 3 固體基質(zhì)表面光合細(xì)菌生物膜生長(zhǎng)特性模擬固體基質(zhì)表面光合細(xì)菌生物膜生長(zhǎng)特性模擬 . 57 3.1 引言引言 . 57 3.2 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 . 57 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 viii 3.2.1 物理問(wèn)題描述 . 57 3.2.2 數(shù)學(xué)模型建立 . 58 3.3 數(shù)值計(jì)算方法數(shù)值計(jì)算方法 . 62 3.4 計(jì)算結(jié)果與討論計(jì)算結(jié)果與討論 . 64 3.4.1 生物膜生長(zhǎng)過(guò)程 . 64 3.4.2 光照強(qiáng)度對(duì)生物膜生長(zhǎng)特性的影響 . 65 3.4.3 底物濃度對(duì)生物膜生長(zhǎng)特性的影響 . 68 3.4.4 ph 值對(duì)生物膜生長(zhǎng)特性的影響 . 70 3.4.5 溫度對(duì)生物膜生長(zhǎng)特性的影響 . 71 3.4.6 初始接種量對(duì)生物膜生長(zhǎng)特性的影響 . 73 3.5 本章小結(jié)本章小結(jié) . 75 4 結(jié)結(jié) 論論 . 77 4.1 本文主要結(jié)論本文主要結(jié)論 . 77 4.2 后續(xù)研究工作展望后續(xù)研究工作展望 . 78 致致 謝謝 . 79 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) . 81 附附 錄錄 . 87 a. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文 . 87 b. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間獲得的榮譽(yù)作者在攻讀碩士學(xué)位期間獲得的榮譽(yù) . 87 符號(hào)說(shuō)明 ix 符號(hào)說(shuō)明 cs 計(jì)算區(qū)域底物濃度 (g/l) n0 初始接種量 cs0 理想源處底物濃度 (g/l) opt 最佳入射光照波長(zhǎng) (nm) s 無(wú)量綱底物濃度 iopt 最佳入射光照強(qiáng)度 (lx) cx 計(jì)算區(qū)域生物量濃度 (g/l) phopt 最佳 ph cxm 最大生物量濃度 (g/l) topt 最佳溫度 (c) c 無(wú)量綱生物量濃度 fy 生物膜平均前端點(diǎn) cf 單元格細(xì)菌占據(jù)信息 yf ,c 生物膜前端點(diǎn)平均密度 ds 葡萄糖在生物膜內(nèi)擴(kuò)散系數(shù) (m2/s) ymax 生物膜最大前端點(diǎn) lx 計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)度 (m) t 底物消耗時(shí)間 (s) ly 計(jì)算區(qū)域高度 (m) tc 細(xì)胞生長(zhǎng)時(shí)間 (s) rs 底物轉(zhuǎn)化率 (g/(ls) 生物膜厚度 (m) rx 細(xì)胞生成率 (g/(ls) 生物膜孔隙率 s 標(biāo)準(zhǔn)化底物消耗速率 (s-1) f 生物膜表面絕對(duì)粗糙度 x 標(biāo)準(zhǔn)化細(xì)胞積累速率 (s-1) 表面粗糙度相關(guān)系數(shù) ks 飽和常數(shù) (kgm-3) ms 維持系數(shù) (s-1) m 最大比生長(zhǎng)速率 (h-1) yx/s 細(xì)胞得率 lb 擴(kuò)散邊界厚度 (m) kl 外部傳質(zhì)系數(shù) (m/s) 入射光波長(zhǎng) (nm) i 光照強(qiáng)度 (lx) ph 底物溶液 ph t 底物溶液溫度 (c) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 x 1 緒 論 1 1 緒 論 1.1 概述 能源作為人類社會(huì)發(fā)展的源動(dòng)力，每一次人類利用能源方式的進(jìn)步，都會(huì)引 起生產(chǎn)和社會(huì)的重大變革，從遠(yuǎn)古時(shí)期鉆木取火所創(chuàng)造的最初文明到18世紀(jì)煤炭 利用促成蒸汽機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用，開(kāi)啟了人類文明史上第一次工業(yè)革命。隨著社會(huì) 的繼續(xù)發(fā)展，煤炭、石油、天然氣等一次能源得到大量開(kāi)發(fā)，同時(shí)電力作為二次 能源的出現(xiàn)，并因此形成了一個(gè)龐大的能源工業(yè)體系，進(jìn)一步推進(jìn)了人類文明。 人類在享受諸如煤、石油、天然氣等化石能源帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步等利益 的同時(shí)，也遇到一系列能源安全挑戰(zhàn)。由于地球上不可再生能源的儲(chǔ)量非常有限， 而伴隨世界許多國(guó)家同時(shí)向工業(yè)化進(jìn)程的邁進(jìn)，能源需求持續(xù)增長(zhǎng)對(duì)其供應(yīng)形成 巨大壓力。自2003年以來(lái)，國(guó)際石油價(jià)格每年以約10美元的速度增長(zhǎng)，盡管期間 有所回落，但這種持續(xù)上漲并長(zhǎng)時(shí)間在高位波動(dòng)是世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展史上從未有過(guò)的。 此外，能源短缺對(duì)世界各國(guó)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生很多負(fù)面影響：(1) 化石能源屬 于不可再生能源，且地球上儲(chǔ)量有限，若不改變當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu)，人類社會(huì)發(fā)展 的前景堪憂；(2) 化石能源開(kāi)采和使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成的嚴(yán)重影響，尤其是燃燒 產(chǎn)物中的co2引起溫室效應(yīng)，氮氧化物和so2帶來(lái)的酸雨等問(wèn)題威脅著人類所居住 的生態(tài)環(huán)境；(3) 日益突出的石油產(chǎn)區(qū)不穩(wěn)定性所帶來(lái)的國(guó)家石油戰(zhàn)略安全問(wèn)題， 自日本京都會(huì)議和哥本哈根會(huì)議后，溫室氣體(co2和ch4等)減排必然成為國(guó)際社 會(huì)的重大環(huán)保議題，因而開(kāi)發(fā)環(huán)境友好且符合經(jīng)濟(jì)發(fā)展的可再生能源，從根本上 改變能源利用結(jié)構(gòu)，突破當(dāng)前能源、環(huán)境、資源三者之間的矛盾正成為人們關(guān)注 的焦點(diǎn)和科學(xué)研究熱點(diǎn)。 目前，許多國(guó)家正在致力于太陽(yáng)能、水能、地?zé)崮堋L(fēng)能和生物質(zhì)能等可再 生能源的大力研發(fā)。在各種可再生能源中，氫能源的研發(fā)成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn) 之一，與傳統(tǒng)的化石能源和其它可再生能源相比較，氫氣具有以下優(yōu)勢(shì)：(1) 除核 燃料外，在所有的化石、生物和化工燃料中，氫的發(fā)熱值最高；每千克氫燃料可 產(chǎn)生33.6 kw.h的能量，約為汽油燃燒的2.8倍，酒精的3.9倍，焦碳的4.5倍；(2) 與 其他燃料相比， 氫燃燒時(shí)最清潔無(wú)污染， 除生成水和少量氮化氫外不會(huì)生成如co、 co2、碳?xì)浠衔?、鉛化物和粉塵顆粒等對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，且燃燒生成的水可循 環(huán)使用；(3) 氫氣在所有氣體中的導(dǎo)熱性能最好，比很多氣體的導(dǎo)熱性高出10倍， 因此可以作為一種很好的傳熱載體；(4) 氫能的利用形式多，既可通過(guò)燃燒產(chǎn)生熱 能并轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，又可作為能源材料用于燃料電池或轉(zhuǎn)換成固態(tài)氫作結(jié)構(gòu)材料； (5) 氫的形態(tài)能夠根據(jù)需要而改變， 氫可以以固、 液或氣態(tài)金屬氫化物的形態(tài)存在， 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 適應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境的各種要求；(6) 氫的儲(chǔ)量非常豐富，它是自然界最普遍存在的 元素，主要以化合物的形態(tài)儲(chǔ)存在水中。因此，氫氣作為潔凈高效和可再生的二 次能源而倍受關(guān)注。 國(guó)外對(duì)氫能的研發(fā)投入了大量的人力、物力和資金等。目前歐洲已有22座左 右的加氫站，美國(guó)、日本建立的加氫站則更多；加拿大實(shí)施的“氫公路”計(jì)劃； 北歐國(guó)家冰島與戴-克、殼牌等公司合作，希望在今后30-40年的時(shí)間內(nèi)在該國(guó)的公 共汽車、轎車和漁船上用氫取代石油；德國(guó)寶馬公司氫能7系燃料電池汽車也已面 世。相比之下，我國(guó)在新能源和可再生能源方面的研發(fā)技術(shù)水平還遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá) 國(guó)家，我國(guó)首個(gè)車用加氫站于2006年在北京正式投入使用。如何利用國(guó)外的研究 成果，開(kāi)發(fā)高效制氫技術(shù)以緩解能源危機(jī)是我國(guó)研究者的重大責(zé)任?，F(xiàn)在世界上 氫的年產(chǎn)量在3600萬(wàn)噸以上1，其主要制氫方法包括：(1) 電解水制氫，此法應(yīng)用 較廣且比較成熟，其效率一般在75-85%，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，無(wú)污染，但耗電量大； (2) 化石燃料制氫，主要包括以煤為原料制取氫氣、天然氣催化重整制氫及熱裂解 制氫和石腦油的部分氧化制氫，該制氫過(guò)程要消耗大量的礦物原料，而且還會(huì)對(duì) 環(huán)境產(chǎn)生影響。 化石燃料制氫方法占全球產(chǎn)氫量90%以上， 屬于能量密集型； (3) 太 陽(yáng)能制氫，運(yùn)用電解技術(shù)和光電技術(shù)相結(jié)合的方法制取氫氣，利用太陽(yáng)能光伏電 池或聚光器產(chǎn)生較高的轉(zhuǎn)化效率，提供給地球的太陽(yáng)輻射能最大能流約5.7 1024 j year-1，相當(dāng)于人類所消耗總能量的10000倍，而被地球表面所接收的太陽(yáng)能輻射 率僅為1 kw m-2， 需要建造更大的接收面積以收集充足的太陽(yáng)能量， 這也限制了該 技術(shù)在商業(yè)應(yīng)用中的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；另外太陽(yáng)能制氫技術(shù)對(duì)投資成本及技術(shù)要求都較 高2；(4) 生物制氫，使用自然界豐富的可再生資源-生物質(zhì)和水為原料，直接或間 接利用太陽(yáng)光，反應(yīng)條件溫和、能耗低、能妥善解決能源與環(huán)境的矛盾，同時(shí)產(chǎn) 生的氫氣能被燃料電池轉(zhuǎn)化為電能3，被認(rèn)為是目前最具有前途的制氫技術(shù)之一。 1.2 生物制氫技術(shù) 當(dāng)前生物制氫技術(shù)主要分為以下四種： (1) 綠藻等微型藻類的光合作用制氫 厭氧條件下，綠藻等微型藻類利用氫化酶作為催化劑并在光能驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行水 的光解作用而生成氫氣。綠藻產(chǎn)氫有兩類：固氮酶催化產(chǎn)氫和氫酶催化產(chǎn)氫，其 光合反應(yīng)產(chǎn)氫機(jī)理為： 22 energylight 2 o2ho2h (1.1) 在此反應(yīng)中，o2對(duì)產(chǎn)氫的氫化酶非常敏感，它的存在會(huì)嚴(yán)重抑制氫化酶活性， 阻礙產(chǎn)氫過(guò)程的連續(xù)性，因而必須隨時(shí)將o2分離。同時(shí)，高的光照強(qiáng)度會(huì)增加氧 氣的產(chǎn)率從而限制了可逆氫化酶的活力，而導(dǎo)致氫氣的產(chǎn)率下降4?？捎糜诋a(chǎn)氫的 1 緒 論 3 綠 藻 種 屬 包 括 ： 衣 藻 屬 (chlamydomonas) ， 小 球 藻 屬 (chlorella) ， 柵 藻 屬 (scenedesmus)，扁藻屬(platymonas)和微綠球藻屬(chlorococcum)等5。 (2) 藍(lán)細(xì)菌光合作用制氫 藍(lán)細(xì)菌是一類品種繁多， 含有光合色素如葉綠素a、 類胡蘿卜素和藻膽蛋白質(zhì)， 能進(jìn)行放氧光合作用的大型原核光能自養(yǎng)微生物， 通過(guò)光合作用同樣可以進(jìn)行氫 氣合成： 26126 energylight 22 6oohc6coo12h (1.2) 22 e n e r g yl i g h t 26126 6co12ho12hohc (1.3) 參與氫代謝的酶主要為固氮酶、吸氫酶和可逆氫酶三種，對(duì)藍(lán)細(xì)菌供給空氣 (co2和n2分別作為碳源和氮源)、水(電子和還原劑來(lái)源)、無(wú)機(jī)鹽和光時(shí)即可進(jìn)行 放氫行為，同時(shí)這三種酶對(duì)o2很敏感，它們可能被空氣中的氧以及光合作用釋放 的氧抑制而失活?？捎糜诋a(chǎn)氫的藍(lán)細(xì)菌有顫藍(lán)細(xì)菌(oscillatoria sp) 、魚腥藍(lán)細(xì)菌 (anabaena sp. )、 聚球藍(lán)細(xì)菌(synechococcus sp. )、 絲狀藍(lán)細(xì)菌(calothrix sp. )和黏桿 藍(lán)細(xì)菌(gloebacter sp. )等6。 (3) 厭氧暗發(fā)酵細(xì)菌制氫 暗發(fā)酵制氫是異養(yǎng)型厭氧細(xì)菌利用碳水化合物等有機(jī)物，通過(guò)暗發(fā)酵反應(yīng)生 成氫氣，產(chǎn)氫機(jī)理由于發(fā)酵途徑和最終產(chǎn)物的不同而不同。 當(dāng)乙酸作為最終產(chǎn)物時(shí)，其理論最大得率為 4 mol h2/mol glucose： 22326126 2co4hcooh2cho2hohc (1.4) 當(dāng)丁酸作為最終產(chǎn)物時(shí)，其理論最大得率為 2 mol h2/mol glucose： 2222226126 2co2hcoohchchcho2hohc (1.5) 由此可見(jiàn)，高的產(chǎn)氫得率是伴隨乙酸作為最終產(chǎn)物而獲得。而實(shí)際應(yīng)用中， 高的產(chǎn)氫得率是伴隨乙酸和丁酸的混合物作為最終產(chǎn)物而獲得，低的產(chǎn)氫得率是 伴隨丙酸和其他最終產(chǎn)物(酒精，乳酸)作為最終產(chǎn)物而獲得。另外，暗發(fā)酵產(chǎn)氫高 度依賴于過(guò)程條件如 ph、水力停留時(shí)間和氣體分壓等，底物的利用率較低，產(chǎn)物 的抑制作用較明顯。可用于產(chǎn)氫的發(fā)酵細(xì)菌包括：腸桿菌屬(enterobacter)、梭菌屬 (clostridium)、桿菌屬(bacillus)和埃希氏腸桿菌屬(escherichia)等。 (4) 光合細(xì)菌(psb)發(fā)酵制氫 光合細(xì)菌是一種具有原始光能合成體系的原核生物，其光合產(chǎn)氫機(jī)理為： 22 e n e r g yl i g h t 26126 6co12ho12hohc (1.6) 光合細(xì)菌可利用的光譜范圍較寬，可利用廢料的來(lái)源廣泛，其能量利用率高， 產(chǎn)氫速率較高。可用于產(chǎn)氫的光合細(xì)菌包括：沼澤紅假單胞菌(rhodopseudomonas palustris)、 莢膜紅細(xì)菌(rhodobacter capsulatus)、 球形紅細(xì)菌(rhod