随着经济发展和人类对能源需求日益增加,作为主要能源的矿物燃料,如煤炭、石油、天然气等的贮量不断减少,按现在能源的消耗速度,矿物燃料消耗必然面临危机。因此清洁能源的开发与应用是大势所趋。氢能作为一种可再生的能源,取之不尽、用之不竭。而且氢气还具有清洁,重量轻,热值高,利用效率高,用途广泛等优点。生物制氢技术反应条件温和、能耗低、能妥善解决能源与环境的矛盾,促进经济与环境的协调发展。其中光合细菌产氢可以在常温常压下进行,且产量大、纯度高,代谢变通性好、生长速度快、适应性强;光合产氢的速度要比藻类快、能量利用率比非光合细菌高、转化效率高;对太阳光谱的响应范围宽。光合细菌产氢可将太阳能利用、氢能源回收、废水处理等有机地结合起来,不仅治理了环境污染而且使废弃物资源化、能源化,被认为是很有希望的绿色氢来源之一,具有广阔的应用前景,备受国内外研究者的关注。本文从工程热物理学科角度出发,针对采用以玻璃珠为填料的光生物制氢反应器的产氢,对光生物制氢反应器挂膜启动工艺和光生物制氢反应器内产氢的影响因子进行了系统的实验研究。结合多孔介质理论,建立了一个能够完整描述光生物制氢反应器内底物传输以及微生物生化反应的模型,同时建立了能够描述反应器内代谢产热及传热的生物膜代谢产热模型。主要研究成果如下:①对采集回的微生物进行选育驯化,得到具有高产氢性能的菌株,通过鉴定,该菌株属于沼泽红假单胞菌属,产氢能力达4.105 mmol H2 /(100ml培养液)。②对影响生物膜光生物制氢反应器挂膜启动的因素进行了实验研究,提出了衡量生物膜挂膜启动完成的宏观标准。实验结果表明:生物膜挂膜启动可分为3个阶段:成膜期、膜生长期和稳定期。在整个挂膜期间循环液吸光度、光生物制氢反应器的氢气产量以及底物消耗的变化规律基本相同,这几个参数可以作为衡量挂膜完成的综合评价指标。在挂膜初期,进口底物浓度、循环液吸光度以及液体流量等因素对挂膜启动有很大影响。③对粒径为φ4mm的规则形状的玻璃珠填料组成的生物膜光生物制氢反应器的产氢性能进行了实验研究,系统地探讨了各主要影响因子对反应器的产氢性能的影响。实验结果表明:在不同光照条件下,该沼泽红假单胞菌产氢的最适底物浓度为0.12mol/l,过高的底物浓度对产氢有抑制作用。在不同光谱条件下,该沼泽红假单胞菌产氢的最佳光照度为5000lx,过高和过低的光照度均不利于产氢。通过实验还发现当反应器内温度为25℃时产氢率最高,过高的温度和过低的温度同样不利于产氢,在温度为10℃和40℃时,产氢量基本为零。当循环液pH值等于7时,反应器的产氢率最高,pH值为4和9时,产氢基本停止。④将光生物制氢反应器内多孔填料床通道简化为平行平板,结合多孔介质理论,通过建立填料床内的质量守恒控制方程,引入生物膜内底物扩散、生化反应,建立了一个稳态的光生物制氢反应器的理论模型。模型计算结果与实验值基本吻合。⑤结合生化反应代谢产热理论和光能传输理论,首次建立了一个稳态的光生物制氢反应器的代谢产热模型。