高效人工光合作用反应器的仿生设计与制造

Biomass energy is the direction of the development of new energy. Up to now , Biomass production is mainly based on the natural crop growth acquisition mode, its production capacity is limited, and also is affected by the land resources and climate environment. Therefore, It is the future exploring direction of development for human society to seek large-scale automated production mode for bio-energy. In recent years, scientists are working on the design of solar energy into chemical energy system using the basic principles of natural photosynthesis. However, lack of research on the micro-structure manufacturing and the collecting mechanism of composition for the biosynthesis system, which causes to be difficult to further development. Based on plant micro-structural principle, the project''s application is proposed a artificial photosynthesis reactor with multi-layer interconnected channels and micro-porous structures to efficiently convert solar energy into chemical energy and to collect the synthesized product. The method of the design and manufacture of the reactor are mainly studied in the project . Through the study of the material of the artificial photosynthetic reactor, micro print forming method and molding accuracy etc., A more suitable method for the manufacturing will be obtain. And it also provide technical support for the development and manufactured a reactor with multi-layer interconnected channels and micro-porous structures.

生物质能源是新能源的发展方向。目前生物质能源的生产主要是以自然作物生长为获取方式，其产能有限，而且受土地资源和气候环境影响很大。因此，寻求生物能源的大规模自动化的生产方式是未来人类社会发展必须探寻的方向。近年来，科学家们正致力于利用自然界光合作用的基本原理来设计太阳能转化成化学能的系统。但缺少生物合成系统的微结构制造和合成物收集机构方面研究，导致其难以进一步发展。本项目申请者基于植物微观结构原理，提出一种多层互连通道和微孔结构的人工光合作用反应器，以期有效地转化太阳能成化学能和收集合成产物。项目主要研究该反应器的设计与制造方法，通过研究人工光合作用反应器的材料、微打印成形方法和成型精度等，获得较适用的制造方法，为开发能制造具有多层互连微孔结构的人工光合作用反应器的制造提供技术支撑。

为了解决人类所面临着的能源、环境等问题，使得人类社会可持续发展，寻找可再生的、清洁无污染的绿色替代能源成为学者们关注的重要课题。本项目依据自然界光合作用的原理，探索利用快速成型方法仿生设计人工光合反应器。利用扫描电镜等对四季青树叶的叶脉尺寸、叶肉细胞结构进行了研究，得到了其微观尺寸和结构。在此基础上经过简化，对反应器进行了初步设计和制造。.反应器外观设计为树叶外型，内部为连通的微孔结构。选用壳聚糖凝胶作为光反应和暗反应层的材料，对影响凝胶性能的因素诸如温度、时间、PVA添加量等进行了分析。研究表明PVA添加量为5ml，凝胶温度为40度，凝胶时间2小时可以得到机械强度较好的凝胶。SEM结果表明凝胶具有良好的大孔结构，孔径分布在100-500µm之间。在此基础上，采用模具浇注成型方法来生成反应器，并制造出具有树叶外型结构的模具结构。.反应器内部由酶与壳聚糖凝胶构成微组织生成框架。对光合作用中羧化和还原阶段的酶促反应进行了研究，利用分光光度法对RuBP羧化酶催化1，5-二磷酸核酮糖结合CO2生成3-磷酸甘油酸的过程进行了分析，并对壳聚糖固定RuBP羧化酶后的酶促反应进行了研究，结果表明壳聚糖固定RuBPCase后，RuBPCase具有较高的反应活性，可以有效的进行CO2 固定。该研究为开发制造工程化的人工光合反应器奠定了工作基础。