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《河南农业大学》 2007年
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光合产氢菌群生长动力学与系统温度场特性研究

王素兰  
【摘要】: 本论文是在国家自然科学基金项目“光合生物制氢体系的热效应及其产氢机理研究”(编号:50676029)和国家高等学校博士学科点专项科研基金“太阳能光合生物制氢过程的热动力学研究”(编号:20060466001)资助下开展的科学研究。 光合细菌代谢制氢过程中存在的大量热物理问题作为光合生物制氢体系中的一种基本现象,直接影响光合生物制氢体系的能量消耗、产氢酶活性、产氢速率等多种因素,但是目前光合生物制氢大多停留在产氢原料、产氢工艺条件等问题的研究上,对光合生物制氢体系在光合细菌代谢制氢过程中的热物理现象方面的研究国内外尚未见有报道。 本论文将主要研究太阳能光合生物制氢过程的热动力学特性,揭示生物制氢过程的热动力学特性对光合细菌产氢酶活性和产氢速率的影响规律,用热动力学的方法对光合产氢菌生长代谢过程中产热规律进行分析,获得太阳能光合产氢菌生长代谢的热动力学信息,研究光合生物制氢体系的温度场分布,建立表征太阳能光合生物制氢过程热动力学特征的模型,优化光合产氢菌的最佳生长代谢温度和能流工艺条件,为光合生物反应器的设计和规模化生产运行提供科学参考和理论依据。本论文取得的主要研究成果有以下几个方面: (1)研究光合产氢菌群在不同的培养条件下的生长状况以及光合菌群的最优生长条件。结果表明:光合产氢菌群的生长动力学模型可用Monod方程来模拟,实验测得模型中饱和常数K_s=0.26 g.L~(-1),最大比生长速率μ_(max)=0.044 h~(-1)模型能够较好地描述光合产氢菌群的生长情况:温度、接种量、光照度、pH和PSB初期活性等因素对PSB生长影响的主次关系为:光照度、接种量、pH、温度。且有方差分析知光照度和接种量对光合产氢菌群生长的显著影响,其中光照度是最显著影响因素。 (2)研究了光合产氢菌群制氢过程中,在500mL反应瓶中以不同的产氢条件,系统温度随着产氢时间的延长均有明显的变化规律。即:光合生物制氢过程中系统温度均有不同幅度的升高;从单因子实验可知:初始温度、接种量、光照强度、PSB初期活性和pH值对系统温度变化有显著影响,从其对温度变化影响看,光合制氢过程中选用初始温度30℃、光照强度1000-3000Lx、接种量50-100%、pH值7.0、PSB初期活性72h条件时,系统温度变化较大;各因素对光合制氢的产氢量系统的温度变化比较一致,即温度变化较大时,其产氢量也大;从分析结果可知:光合制氢比较良好的工艺条件为初始温度30℃、光照强度2000Lx、接种量10%、pH值7.0、PSB初期活性72h较为适宜。 (3)在光合产氢菌群制氢过程中,在5L光合产氢反应器中研究了以0.1g/L葡萄糖溶液为产氢原料在不同的产氢条件下系统传热量随着产氢时间的延长均有明显的变化规律,即:光合生物制氢过程中系统温度均有不同幅度的升高,系统传热量与产氢过程条件有一定的关系。从实验可知:初始温度、接种量、光照强度、PSB初期活性和pH值对系统传热量有显著影响,从其对系统传热量影响看,光合制氢过程中选用初始温度30℃、光照强度1000-3000Lx、接种量50-100%、pH值7.0、PSB初期活性72h时,系统产热量较高。研究了以光照度2000Lx、温度30℃、pH值为7.0、接种量为10%、PSB初期活性为72h为产氢过程控制条件下的产氢过程,得到了产氢量及产氢速率随时间的变化规律。 (4)根据光合制氢反应器的结构,本文建立了其简化几何模型并利用Ansys软件模拟了光合制氢过程中反应器内温度场及各节点温度分布变化规律。分析各个节点的温度随时间变化曲线可知,节点温度随产氢过程的进行都有所升高,利用模型计算的数值分析结果与实验研究结果相一致,说明本文所建立的数学模型的准确性和可靠性。由温度场分布云图可知,反应器内温度场的节点温度分布是不均匀的,最大温差可达到0.23℃。由此可知,如若要进行规模化生产,需要在更大的反应器内进行光合制氢,则反应器内温度分布会更不均匀,为了保证高效光合菌群的有效利用及产氢的顺利进行,需要对反应器进行搅拌以使反应器内温度分布均匀。
【学位授予单位】:河南农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:Q93

【引证文献】
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6 冯宜鹏;秸秆与粪便预混处理技术及产氢实验研究[D];河南农业大学;2012年
7 邴薇;高温产氢微生物的分离筛选与鉴定[D];吉林大学;2013年
8 刘合钦;高效产氢菌株筛选及厌氧发酵条件优化[D];华中科技大学;2009年
9 刘合钦;高效产氢菌株筛选及厌氧发酵条件优化[D];华中科技大学;2009年
10 邓慧;活性污泥中产氢细菌的筛选及其产氢特性研究[D];广西大学;2011年
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