氢是化学工业最重要的原料之一，作为一种环境友好型燃料，在未来具有无可争议的重要性。目前，全球5000亿人口中的96%^3.每年产生的氢气中有一半来自消耗殆尽的化石原料。为了满足日益增长的氢需求，开发可持续的氢生物生产工艺至关重要。利用太阳能进行光合作用是一种很有前途的生态制氢技术。

图1。连续操作卤素光生物反应器的应用Rhodobacter sphaeroidesDSM 158用于光发酵制氢。

紫色的无硫细菌Rhodobacter sphaeroidesDSM 158能够通过光合色素捕获光能。在特定的工艺条件下，吸收的光能促进有机衬底直接转化为氢气。

光生物过程的优化具有挑战性，因为光营养生物的光能供应是一个非常动态的过程，这取决于所提供的光强度。细胞在光照充足的生物反应器外围和光照不足的生物反应器中心部分之间移动。在这项研究中，作者发现，连续操作和外部照明的搅拌槽光生物反应器(图1)的产氢速率取决于调节的搅拌速度。这直接影响流体流动，从而影响细胞通过生物反应器的高光和低光部分的运动。

为了表征细胞在生物反应器表面获得光能的时间周期，使用了许多模拟工具来表征光生物反应器的光处理条件。

图2所示。光生物反应器设置的光学射线追踪模拟，以量化光养细菌可获得的光能量。

首次使用光学设计软件工具(ZEMAX)来模拟光线流向光生物反应器表面的轨迹(图2)。光学模拟提供了有关光线物理行为的信息，并量化了进入光生物反应器内部并可被细胞用于进行生物反应的光能。

通过简单的经验方法对生物反应器中的光强分布进行建模，并对不同工艺条件下的光强分布进行可视化。这项工作的一个重要组成部分是流体流动和流体速度的模拟，这取决于搅拌器的性能和诱导细胞的运动。利用COMSOL Multiphysics的“计算流体动力学”模块和“粒子追踪”模块分析生物反应器内的流体流动情况，跟踪单个细胞的运动轨迹。因此，最佳的平均细胞时间周期照明为1.5 Hz，可产生最高的连续产氢率(170.5 mL L)¹h¹)到目前为止。

综上所述，综合考虑影响光养生物光获取的所有参数对于实现可持续光生物工艺的高效生物工艺开发是必要的。

Felix Krujatz,卡斯滕Helbig，

食品技术与生物工艺工程研究所
你德累斯顿

出版

用光学模拟和计算流体动力学表征连续产氢光生物反应器的光场。
刘国强，刘国强，刘国强，刘国强，刘国强，刘国强，刘国强，刘国强。
biotechnology Bioeng. 2015年12月

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