气载乙醇发酵可消解性多孔颗粒生物膜填充床中多场耦合传输机理及特性

气载乙醇固态发酵技术同步解除了糖化过程及糖酵解过程的抑制作用，提高了填充床的发酵效率。气载乙醇发酵可消解性多孔颗粒生物膜填充床内涉及复杂的多相流动、蒸发相变、填料消解变形特性以及热质传递与生化反应过程，对反应器性能具有关键性的影响。本项目主要针对该生化反应体系内多元多相流动、热质传递以及与生化反应的耦合作用开展系统的创新性的研究工作，首先对消解性多孔颗粒厌氧发酵过程中基质消解变形及生物膜和基质表面的热质传输现象开展可视化实验研究，提出可消解性多孔颗粒表面及生物膜内含生化反应的热质传递理论模型；并对气载乙醇发酵可消解性多孔颗粒填充床内多场耦合传输现象进行深入研究，分析填料层消解变形对热、湿、气传递特性的影响，建立复杂多相流条件下可消解性多孔颗粒生物膜填充床内含热、湿、气传递和生化反应特性的多场－相变－扩散传输理论模型，为微生物能源转化技术及固态发酵反应器的发展和应用奠定理论基础。

基于可消解性纤维素基质利用的气载乙醇发酵生物膜填充床是一个以气相为连续相，并含气、固、液三相及生化降解反应的传输与反应体系。.本项目主要从工程热物理学科专业方向出发。首先针对纤维素基质的复杂结构，研究了预处理条件对纤维素固态酶解糖化过程及过程控制参数对纤维素基质固态酶解糖化、基质消解等特性的影响，获得了最佳的预处理条件；分别开展了多相流条件下可消解性多孔基质颗粒表面生物膜生长及代谢特性、基质填充床内的质量传输与生化反应特性的研究，分析了多相流条件下多孔颗粒厌氧发酵过程基质消解变形对生物膜生长及传质与生化反应特性的影响，获得了载气流动与生化反应及质量传输的相互影响关系。在此基础上，开展了气载乙醇可消解性多孔颗粒生物膜填充床内多相流动条件下生物膜生长、基质消解、生化反应特性的系统研究，获得了填充床内多相流和填料层消解变形影响下的质量传递与生化反应的耦合特性。此外，课题补充研究了外加场（电场、磁场）作用下纤维素基质的酶解糖化性能以探寻进一步提高纤维素基质酶解糖化效率的方法和纤维素产沼气性能实验；构建了基于纤维素同步酶解发酵的微生物电解池并应用于生物产氢过程，目前正在进行该方面的研究。在理论研究方面，建立了可消解性多孔颗粒及生物膜内考虑基质颗粒消解影响下的传质模型，分析了基质颗粒消解变形对质量传递特性的影响，获得了不同过程控制参数影响下的可消解性多孔颗粒和生物膜内的葡萄糖及乙醇浓度分布；在此基础上，建立了多相流条件下气载乙醇可消解性多孔颗粒生物膜填充床内含生化反应与基质消解变形耦合影响下的质量传递理论模型，获得了不同过程控制参数影响下生物膜填充床内填料层的消解特性和乙醇浓度的分布及其填料层的消解变形与生化反应和质量传递的相互影响关系。.本项目的研究为微生物能源转化技术及固态发酵反应器的发展和应用奠定了理论基础，促进了工程热物理学科与其它学科的交叉融合和发展。