光致发热光纤表面生物膜光生化转化过程实时测控及强化研究

In this project, to conquer the problems of measurement and regulation control in the biofilm photo-biochemical conversion process, we propose a new idea to obtain the photothermal conversion/transfer, real-time measurement, synchronization regulation control and intensification beased on the new optical fiber technology. The ultimate goal of the research work is to resolve the bottleneck problems of rescricting the biofilm technologies development for the photobioreactors application in the biomass utilization and environmental pollution improvement areas. Firstly, photothermal conversion will be researched, the principle and method of the photothermal regulation control and intensification for the optical fiber will be presented; these contents to clarify the relationship between photothermal conversion mechanism at the fiber surface and light transmission in the fiber, and to obtain a high-efficiency optical fiber biofim support material with photothermal conversion and high luminous intensity. Secondly, the principle and method of real-time measurement, regulation control and intensification for the processes of microorganism adsorption and biofilm growth/metabolism will be investigated to reveal the coupling relationship between photothermal transfer and biofilm growth/metabolism. Based on the above research results, a dynamic model of biofilm growth with the regulation control of photothermal using the optical fiber support material will be established; a integration theory to intensify biohydrogen production based on the regulation control of photothermal will be proposed; a colsed-loop control system for biochemical conversion will be obtained. The project research contents can prompte the development of the thermal measurements, control and related interdisciplinary fields, and also can accelerate the development of the high-efficiency bioenergy conversion technologies.

项目以解决制约生物质能利用和环境污染治理领域生物膜技术发展的光生物反应器应用中的瓶颈问题为背景，针对生物膜光生化转化过程测量和调控方面存在的难题，提出基于新型光纤技术实现光热转换与传递及生物膜光生化转化过程实时测量、同步调控与强化的思想。研究光热转换、光纤光热调控与强化的原理及方法，探明光纤表面光热转换机理及与内部光传递的相互关系，获得高效光热转换发光光纤生物膜载体；在此基础上研究微生物吸附及生物膜生长代谢过程的实时测量、调控及强化原理与方法，探索生化转化过程光热传输与生物膜生长代谢相互耦合关系，建立含载体表面光热调控的生物膜动态生长理论模型，提出基于光热协同调控以强化生物膜代谢产氢为目的的过程集成调控理论，构建含微生物生化转化的闭环控制系统。促进热物理量测和控制以及相关交叉学科领域的发展，推动高效微生物能源转化技术的进步。

项目以解决制约生物质能利用和环境污染治理领域生物膜技术发展的光生物反应器应用中的瓶颈问题为背景，针对生物膜光生化转化过程测量和调控方面存在的难题，开展了以下4个方面的研究工作。（1）研究了光热转换、光纤表面光热转换机理及与内部光传递的相互关系，获得了高效光热转换发光光纤生物膜载体的制备方法及其光热调控与强化的方法。（2）研究了光纤载体界面及其邻近区域光强、温度、生物膜厚度、生物膜内EPS 与光合色素、生物膜代谢液相产物信息的光纤实时测量、同步调控及强化的原理与方法；研制了用于光强、温度、生物膜厚度、底物浓度及光合色素测量的光纤传感器，同时利用光致发光发热光纤可实现表面光热辐射调控的优势，实现了对生物膜反应器内生物膜产氢过程参数的实时测量及光热调控及强化。（3）利用研制的光纤传感器，光热转换发光发热光纤，生物膜厚度及pH调控装置，建立反应器内光生化转化过程集在线测量系统和控制系统为一体的闭环控制系统，实现了对生物膜生长过程物膜厚度、pH及温度的精准调控，显著提高了光生物膜反应器的产氢性能。（4）研究了生化转化过程光热传输及调控与生物膜生长及代谢相互耦合关系，建立含载体表面光热调控的生物膜动态生长理论模型，探索了基于光热协同调控以强化生物膜代谢产氢为目的的过程集成调控理论。本项目研究结果将有助于认识多相光生化转化过程中的光热传递与转换、生物膜生长及代谢的机理和规律，促进光合生物制氢、微藻固定二氧化碳、有机废水处理等光生物反应器技术的应用和发展。项目执行期间，在国内外发表20篇学术论文，其中，SCI论文14篇（一区5篇、二区7篇、三区2篇，SCI第一标注11篇、第二标注2篇、第三标注1篇），EI论文5篇（EI第一标注4篇、第二标注1篇），一般核心期刊1篇；获得授权发明专利2件，申请发明专利9件；参加国内外相关学术会议及访学交流11次，培养研究生4名、本科生29名。