[发明专利]高效生物膜光生物反应器在线测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物膜反应器在线测量系统，尤其涉及一种高效生物膜光生物反应器在线测量系统。

背景技术

化石能源价格不断攀升，能源短缺日益成为困扰社会发展的首要问题。同时化石燃料的过量开采对自然环境造成了严重破坏，积极开发环境友好和符合经济发展的可再生能源，特别是大力发展生物质能有效地缓解能源短缺压力，成为关系中国可持续发展的重大战略需求。

生物质能资源包括能源植物和作物、木材及森林与园林工业废弃物、动物粪便等。生物质转化平台主要有热化学转化法平台和生物转化法平台。生物转化平台具有条件温和、环境友好以及能量投入低等优点，在国际上被普遍认为更具有竞争力和广阔发展前景。微生物能源转化技术是生物质能生物转化平台的重要组成部分，现有的微生物能源转化技术主要有乙醇发酵、沼气发酵、生物制氢、微藻能源、酯化转化、微生物燃料电池等技术。虽然微生物能源转化技术具有很多突出的优点，但是这些技术的应用还存在很多亟待突破的技术瓶颈，其性能还不能满足大规模工业化应用的要求。

以生物膜光合制氢技术为例。在光合细菌生物膜成膜过程中，液相环境的pH将直接影响到固体基质对微生物细胞的吸附能力，生物膜的发展能力，生物膜结构信息等。在生物膜微生物代谢产氢过程中，不同酸碱条件下微生物细胞的代谢途径不同，且碳源代谢生成的有机酸，如甲酸、乙酸、丙酸等会以不同形态（分子态或离子态） 存在。此外，光合细菌代谢产氢时细胞内将产生大量的酶促反应，而酶促反应都在最适的pH范围内发生。pH的改变还将影响到酶和底物的电荷性，从而影响到细胞内酶的合成能力以及酶与底物的结合能力，最终影响底物的跨膜传输特性，形成产物抑制效应。而且，pH还会对细胞内色素-蛋白复合物的稳定性及功能产生重要的影响，进而影响到ATP的合成，最终会对光合细菌产氢过程产生限制。可见，光合细菌生物膜产氢过程，微生物细胞成膜、细胞的生长繁殖及代谢产氢都必须在合适的pH范围内进行。因此，在线检测微生物生长环境中液相的pH对于优化控制反应器内液相pH，使其维持在微生物生长及代谢产氢最佳的pH范围，从而优化和强化微生物产氢性能，对维持生物膜反应器高效稳定的产氢十分重要。

生物膜厚度是影响生物膜光生物反应器产氢性能的另一重要因素。生物膜的厚度较薄时，反应器内生物量持有量低，反应器产氢能力低。然而，未受到控制的较厚的生物膜，并不比薄的生物膜有更高的产氢量，这是因为生物厚度较厚时，虽然增加了生物持有量，但是也增大了底物和代谢产物的传输阻力和光能的衰减，生物膜内活性生物量低，产氢代谢途径受到抑制。因此，过高和过低的生物膜厚度都将限制或者抑制反应器的产氢能力。反应器内生物膜厚度与外部操作条件密切相关，如光照条件、固体基质表面的物理化学性质、液相流速、pH等外部操作量细微的改变将直接影响到多相生物膜光生物反应器内微生物细胞在固体基质表面的附着能力、生物膜细胞的发展能力，进而影响到生物膜厚度。此外，由于在反应器内存在温度、气-液两相流速度、底物-产物浓度以及光照强度等热物理参数的场分布，必然影响微生物细胞在反应器内不同空间载体表面的附着量存在较大差异，即在反应器内不同空间上呈现出场分布特性。因此，在线测量反应器内固体基质表面生物膜厚度及其分布，并时时地优化、控制固体基质表面的生物膜厚度对提高反应器的产氢能力十分必要。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种提高产氢速率的高效生物膜光生物反应器在线测量系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

高效生物膜光生物反应器在线测量系统，包括生物膜光生物反应器系统，生物量浓度、生物膜厚度传感系统，FBG温度传感系统，氢浓度和PH传感系统；