生物质光生化反应器内传递及转化过程的非平衡热力学研究

For non-biological membrane reactor in photosynthetic hydrogen production with biomass, the distribution of velocity field, temperature field and concentration field was simulated and the the optimization methods of reactor structure and operation parameters and non-equilibrium thermodynamic parameters were obtained. From the system level, the non-equilibrium thermodynamic model of the reactor was established and the influences of the physical and chemical properties of reaction liquid, the rheological properties of multiphase reaction fluid, the external space environment changes, biochemical reactor structure, the medium flow rate and temperature on the non-equilibrium thermodynamic properties of the system (such as the entropy production and stability) were investigated, considering the heat and mass transfer and other factors. And the way to optimize the reactor performance was obtained. From the local level, the non-equilibrium thermodynamic model of gas-liquid interface transfer process was established to reveal the enhancement mechanism of gas-liquid interface transfer process and to analysis the enhancement factors of interface transfer rate such as interfacial mass transfer coefficient, transfer area, interfacial chemical potential gradient. And the approaches of rate enhancement for multiphase processes were obtained. This research provides a reference for the optimal design and control of photosynthetic hydrogen production reactor, and also extends the application of non-equilibrium thermodynamic theory in the complex system of biochemistry and multiphase coexistence.

项目针对生物质光合生物制氢非生物膜反应器，采用数值方法模拟反应器内速度场、温度场和浓度场分布，获得优化和调控反应器结构及操作参数的方法及非平衡热力学特性参数。从系统层面，建立反应器内光热质传输的非平衡热力学模型，考虑产氢过程中流动、传热、传质等因素，研究反应液自身的物理化学性质、多相流反应液的流变特性、外界空间环境的变化、生化反应器结构、培养液流速、温度等对系统非平衡热力学特性（如熵产率、稳定性）的影响，获取优化反应器性能的途径。从局部层面，建立气液界面传递过程的非平衡热力学模型，揭示气液界面传递过程强化机理，分析影响界面传递过程速率强化的因素如界面传质系数、传递截面积、界面化学位梯度等，确定多相过程速率强化的途径。本研究对生物质光合生物制氢反应器优化设计与控制提供参考，也将拓展非平衡热力学理论在含有生物化学、多相并存复杂体系中的应用。

本项目采用理论分析、数值模拟和实验相结合的方法，分别建立了光合生物反应器的三维数值模型、单相传质耗散模型、气液界面传递过程的非平衡热力学模型，研究了光生化反应器内温度场、速度场，反应器内底物扩散程度、光合反应器内氢气产生及溢出特性等反应器内传递与转化过程特性。结果表明，折流板式光生物反应器液相速度分布变化很小，液相的速度分布基本处于稳定，从不同时刻的液相速度分布来看，进出口、下流室、折流板顶部的速度相对较大，上流室的速度最小；随着流体的流动，流体的温度逐渐上升，在第三隔室温度变化可以忽略，此时温度分布均匀。总体来看第一、第二隔室的上流室温度高于下流室温度。以葡萄糖维底物的光合生物制氢发酵液，导热系数随反应进行，导热系数先增加，增加程度较小，之后迅速，在25h时达到最低，后增加。整个过程存在两个高峰期，分别为0.61和0.56。利用光合生物反应器内单相传质过程中非平衡热力学模型，研究了温度、底物浓度，初始pH因素对反应器内单相传质的影响，结果表明，耗散率随时间先增加，后减小；底物浓度为10g/L时，产氢最佳，此时最大传质耗散率为13.6918J/h，发酵溶液初始pH接近中性时，产氢效果最佳；综合比较，浓度为20g/L，温度为30℃，pH为7，光合生物制氢效果较好。研究结果对生物质光合生物制氢反应器性能的优化与设计提供理论参考。