生物水煤气变换反应（BWGS）产氢关键参数优化及其对可持续能源的意义

本研究通过数学模型优化生物水煤气变换（BWGS）反应的关键参数（如搅拌速度、CO入口压力等），显著提高了 Rhodospirillum rubrum 在厌氧条件下的产氢效率，为规模化生物制氢提供了重要理论依据和技术路径。

　　

Materials and methods and experimental methodology

Rhodospirillum rubrum S1（ATCC 11170）通过将冷冻保存的菌种接种至在厌氧条件下制备的RRNCO培养基中进行复苏（Kerby等，1995）。每升蒸馏自来水配制RRNCO培养基的成分包括：2?mg生物素、10?mL螯合铁钼溶液（含0.28?g H₃BO₃、2?g Na₂EDTA、0.4?g柠檬酸铁和0.1?g Na₂MoO₄）、250?mg MgSO₄·7H₂O、132?mg CaCl₂·2H₂O、1?g NH₄Cl、20?mM NiCl₂、1?g酵母提取物、2.1?g吗啉丙磺酸（MOPS）和0.82?g钠…

Mathematical modeling

生物制氢是一个在多种条件下涉及生物与化学反应复杂互作的过程。为最大化氢产量并发展可规模化、经济高效的技术，必须深入理解这些相互作用。数学建模提供了一个强大工具，可模拟这些过程、预测结果并优化系统性能。通过准确描述微生物动力学、气液传质和生化…

Numerical solution and simulation

模拟方法基于对质量平衡模型推导出的微分方程（11）至（16）进行数值求解，采用四阶龙格-库塔积分法（ODE 45），在MATLAB软件中实现。模拟起始时间为 t＝0，初始条件包括：CO入口压力0.2、0.4、0.75和1?atm；初始醋酸盐浓度1.23?g/L；初始H₂和CO₂压力为零；初始…

Results and discussion of the model

本研究基于前述动力学模型分析了关键参数对生物水煤气变换（BWGS）反应产氢性能的影响。由于生物系统对环境条件高度敏感，优化这些参数对提高氢气产率和维持微生物活性至关重要。后续部分将详细分析各参数的影响。

Conclusion

本研究聚焦于在暗发酵及其他关键生物过程参数下，通过生物水煤气变换反应将CO厌氧转化为氢气。主要结果凸显了搅拌速度、初始CO压力、工作体积和孔口直径在BWGS反应性能和氢气产率中的关键作用。值得注意的是，将搅拌速度从250 rpm提高至550 rpm可使产氢量增加15%…