[發明專利]高效生物膜光生物反應器在線測量系統

有效

• 申請號: 201310483838.6
• 申請日: 2013-10-16
• 公開（公告）號: CN103528622A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 廖強;鐘年丙;朱恂;陳蓉;王宏;葉丁丁;丁玉棟;李俊
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 穆祥維

技術領域

本發明涉及一種生物膜反應器在線測量系統，尤其涉及一種高效生物膜光生物反應器在線測量系統。

背景技術

化石能源價格不斷攀升，能源短缺日益成為困擾社會發展的首要問題。同時化石燃料的過量開采對自然環境造成了嚴重破壞，積極開發環境友好和符合經濟發展的可再生能源，特別是大力發展生物質能有效地緩解能源短缺壓力，成為關系中國可持續發展的重大戰略需求。

生物質能資源包括能源植物和作物、木材及森林與園林工業廢棄物、動物糞便等。生物質轉化平臺主要有熱化學轉化法平臺和生物轉化法平臺。生物轉化平臺具有條件溫和、環境友好以及能量投入低等優點，在國際上被普遍認為更具有競爭力和廣闊發展前景。微生物能源轉化技術是生物質能生物轉化平臺的重要組成部分，現有的微生物能源轉化技術主要有乙醇發酵、沼氣發酵、生物制氫、微藻能源、酯化轉化、微生物燃料電池等技術。雖然微生物能源轉化技術具有很多突出的優點，但是這些技術的應用還存在很多亟待突破的技術瓶頸，其性能還不能滿足大規模工業化應用的要求。

以生物膜光合制氫技術為例。在光合細菌生物膜成膜過程中，液相環境的pH將直接影響到固體基質對微生物細胞的吸附能力，生物膜的發展能力，生物膜結構信息等。在生物膜微生物代謝產氫過程中，不同酸堿條件下微生物細胞的代謝途徑不同，且碳源代謝生成的有機酸，如甲酸、乙酸、丙酸等會以不同形態（分子態或離子態）?存在。此外，光合細菌代謝產氫時細胞內將產生大量的酶促反應，而酶促反應都在最適的pH范圍內發生。pH的改變還將影響到酶和底物的電荷性，從而影響到細胞內酶的合成能力以及酶與底物的結合能力，最終影響底物的跨膜傳輸特性，形成產物抑制效應。而且，pH還會對細胞內色素-蛋白復合物的穩定性及功能產生重要的影響，進而影響到ATP的合成，最終會對光合細菌產氫過程產生限制。可見，光合細菌生物膜產氫過程，微生物細胞成膜、細胞的生長繁殖及代謝產氫都必須在合適的pH范圍內進行。因此，在線檢測微生物生長環境中液相的pH對于優化控制反應器內液相pH，使其維持在微生物生長及代謝產氫最佳的pH范圍，從而優化和強化微生物產氫性能，對維持生物膜反應器高效穩定的產氫十分重要。

生物膜厚度是影響生物膜光生物反應器產氫性能的另一重要因素。生物膜的厚度較薄時，反應器內生物量持有量低，反應器產氫能力低。然而，未受到控制的較厚的生物膜，并不比薄的生物膜有更高的產氫量，這是因為生物厚度較厚時，雖然增加了生物持有量，但是也增大了底物和代謝產物的傳輸阻力和光能的衰減，生物膜內活性生物量低，產氫代謝途徑受到抑制。因此，過高和過低的生物膜厚度都將限制或者抑制反應器的產氫能力。反應器內生物膜厚度與外部操作條件密切相關，如光照條件、固體基質表面的物理化學性質、液相流速、pH等外部操作量細微的改變將直接影響到多相生物膜光生物反應器內微生物細胞在固體基質表面的附著能力、生物膜細胞的發展能力，進而影響到生物膜厚度。此外，由于在反應器內存在溫度、氣-液兩相流速度、底物-產物濃度以及光照強度等熱物理參數的場分布，必然影響微生物細胞在反應器內不同空間載體表面的附著量存在較大差異，即在反應器內不同空間上呈現出場分布特性。因此，在線測量反應器內固體基質表面生物膜厚度及其分布，并時時地優化、控制固體基質表面的生物膜厚度對提高反應器的產氫能力十分必要。

發明內容

針對現有技術中存在的上述不足，本發明提供了一種提高產氫速率的高效生物膜光生物反應器在線測量系統。

為了解決上述技術問題，本發明采用了如下技術方案：

高效生物膜光生物反應器在線測量系統，包括生物膜光生物反應器系統，生物量濃度、生物膜厚度傳感系統，FBG溫度傳感系統，氫濃度和PH傳感系統；