摘要
光合生物制氢是一条清洁绿色的能源利用途经。在光合生物制氢过程中，反应器的传质与结构特性都会对产氢性能产生影响，为了提升光合生物反应器的产氢特性，有必要对光合生物反应器内的传递与转化过程进行研究，以减少产氢过程中不必要的能量耗散。本文主要针对光合细菌产氢的传质过程与化学反应过程，建立非平衡热力学—耗散率模型，并对模型进行了验证，研究了底物浓度、温度、初始pH对光合细菌的产氢特性、耗散率以及唯象系数的影响。以最小能量耗散为优化目标，对光合生物制氢反应器的结构尺寸进行了优化。主要研究结果如下: (1)应用非平衡热力学理论，结合底物降解模型—Logistic模型与产物生成模型—修正的Gompertz模型，并根据传质学理论与反应动力学方程，建立了光合生物制氢过程耗散率模型。模型考虑了光合生物制氢中存在的生化反应，将非平衡热力学模型应用于具有生命活动的复杂产氢过程，获得了一种新的对反应器优化的方法。 (2)分别获得了葡萄糖和乙酸产氢过程传质耗散率、化学反应耗散率及总耗散率随产氢时间的变化规律，并与已有实验结果比较，对耗散率模型进行了验证。不同底物下的耗散率变化规律都呈现先增加后减小的趋势。10g/L的葡萄糖在30℃、pH为7.0、20％接种量条件下，传质耗散率、化学反应耗散率和总耗散率在72h处达到最大，分别为5.9741J/h、7.7803J/h和14.1585J/h。40mmol/L的乙酸在30℃和20％接种量条件下，最大传质耗散率、化学反应耗散率和总耗散率出现在66h，分别为6.5358J/h、9.1247J/h和15.6605J/h。 (3)分别获得了底物浓度、温度、初始pH对葡萄糖光合生物制氢过程耗散率和唯象系数影响的规律，优化出反应器参数。以底物浓度为变量时，设置浓度为15g/L、20g/L和25g/L，在pH为7.0、接种量为30％、温度为30℃的条件下，底物浓度为20g/L的产氢过程总耗散率最低，传质唯象系数最小，最大耗散率为7.7288J/h,浓度高时，化学反应唯象系数较大。以温度为变量时，设置温度为25℃、30℃和35℃，在底物浓度为20g/L、pH为7.0、接种量为30％的条件下，温度为30℃时耗散率最低，化学反应唯象系数越大，最大耗散率为6.0596J/h，温度高时，传质唯象系数较大。初始pH为变量时，设置pH值为6.5、7.0、7.5，pH为7.5时，最大耗散率为11.2271J/h。pH值高时，传质唯象系数较大，化学反应唯象系数完全相反。当传质面积为0.3938×10-3m2，反应液高度为0.1m时耗散率最小，当传质面积较小时，可以减少传质过程中的能量耗散。
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