氢气燃烧热值高、清洁、高效等优点,被认为是最理想的绿色能源之一。光合细菌制氢技术具有条件温和、环境友好以及能量投入低等优点,在国际上被普遍认为具有竞争力和广阔发展前景。但目前光生物反应器仍然面临产氢性能低和不稳定等问题。为了提高反应器的性能,将生物膜技术与光合细菌制氢技术相结合便成为了一条有效的途径。在生物膜光合制氢过程中,生物膜生长载体的物理化学性质直接影响到光合细菌的吸附及发展、生物膜成分(胞外多糖,色素及ATP等)及活性等,进而影响到反应器的产氢性能。此外,生物膜光生物反应器内生物膜厚度、生物量浓度、光照强度、pH、温度及水力停留时间等热物理参数也将影响到生物膜活性,进而影响反应器的性能。因此,研究一种能提高细菌吸附能力、生物量和生物膜活性的生物膜载体,建立一套生物膜光合制氢过程多参数在线实时测量系统,并实时调控反应器内微生物生长的环境,对提高反应器性能,推进光生物制氢技术的大规模工业化应用都十分必要。　　本文以光合细菌生物膜制氢技术为背景,针对目前光合细菌吸附能力低、生物膜活性低的问题,首先提出并制备了一种SiO2–壳聚糖-培养基(CSSM)涂敷的生物材料,有效强化了细菌成膜,提高了生物膜细胞活性。在此基础之上,为了提高载体表面的发光性能,研制了涂敷GeO2–SiO2–壳聚糖-培养基(GSCM)生物材料获得了GSCM涂敷的空心光纤,并提出了该发光光纤的光传输模式。此外,针对反应器内热物理参数在线测量方法缺乏的不足,构建了新的反应器内多参数在线实时测量系统。为了提高浓度测量的灵敏度,提出了超声湿腐蚀制备高质量倏逝波光纤传感器的方法,并研究了光纤的腐蚀机理,光纤腐蚀过程的传质特性及其对光纤表面粗糙度的影响,讨论了粗糙表面光纤的光传输特性及粗糙度对传感器性能的影响。此外,为实现反应器内生物膜厚度的在线测量,提出了一种生物膜厚度在线准确测量的光纤倏逝波传感器,建立了传感器的测量理论模型。最后,利用GSCM涂敷空心光纤,光纤生物膜厚度传感器、光纤温度传感器、光纤生物量浓度传感器、H2浓度传感器和pH传感器构建了一套高效的生物膜光生物反应器系统及多参数在线测量系统,并根据传感器系统获得的信息对反应器内pH及空心光纤表面生物膜厚度进行了实时调控。主要研究成果如下:　　①制备了SiO2–壳聚糖-培养基(CSSM)溶胶,并将该溶胶涂敷在载玻片表面,获得了表面粗糙,含有营养物质,自由能为37.18mJ/cm2的生物膜生长载体。实验结果表明:该载体具有良好的生物兼容性;涂敷有CSSM溶胶的载体与未修饰的载体比,光合细菌的吸附能力能提高7.1倍(1h),生物膜稳定时间缩短至8天,生物膜干重提高2.1倍(12天),反应器产氢速率提高80％。　　②制备了GeO2–SiO2–壳聚糖-培养基(GSCM)溶胶,并将该溶胶涂敷在半球状尾端的石英管表面,获得了表面发光强度高且发光均匀的新型生物空心光纤,并提出了光束在该光纤内的传输模式。实验研究表明:GSCM涂敷空心光纤具有良好的生物兼容性;与未修饰的空心光纤相比,在光纤长度为90mm处,表面发光强度提高1.8倍,光合细菌的吸附能力能提高4.3倍(30min),生物膜稳定时间缩短至8天,生物膜干重提高1.43倍(16天),生物膜反应器产氢速率达到2.65mmol/h/L,是未修饰空心光纤生物膜光生物反应器的2.56倍。　　③为提高光纤浓度传感器的灵敏度,从光纤腐蚀的传质及动力学特性出发,提出了超声强化腐蚀光纤技术,建立了超声腐蚀光纤系统。研究了超声功率,腐蚀剂配比及腐蚀剂温度对光纤腐蚀速率和腐蚀后表面形貌的影响。实验结果表明:当腐蚀剂配比为VHF:VBHF≤2,温度为40℃,超声功率为165W时,能获得光滑的腐蚀光纤表面。同时,设计了一种流动腐蚀光纤的装置,研究了腐蚀剂流速和温度对光纤腐蚀速率及腐蚀后表面形貌的影响,实验结果表明:在温度40℃,腐蚀剂浓度(氢氟酸)0.15molL-1,腐蚀剂流速0.75L/min时,能获得光滑的腐蚀光纤表面。表面光滑的光纤与表面粗糙度为0.45的光纤相比,光谱(360-900nm光源)传输能力提高4.32倍;在PSB菌悬液浓度为0-0.5g/L时,传感器的灵敏度提高2.2–2.9倍。　　④建立了粗糙表面光纤浓度传感器的光传输模型,全面分析了粗糙度对传感器灵敏度的影响。实验对比研究了倏逝波光纤表面粗糙对传感器灵敏度的影响,提出通过优化光束在光纤表面的入射角度进一步提高传感器的方法。实验与理论研究表明:光纤表面粗糙度为0.32时,传感器对葡萄糖溶液的灵敏度为-11.7mW/riu,当光束在光纤表面的入射角度优化为12o时,传感器的灵敏度提高到-15.3mW/riu。　　⑤提出了在线准确测量生物膜制氢反应器内生物膜厚度的传感器,建立了传感器的测量原理理论模型。利用表面粗糙度为0.32的光纤制作了生物膜厚度传感器。利用该传感器分别在线测量了培养基连续供给下及培养基间断供给下生物膜厚度,并研究不同生物膜厚度下反应器的产氢速率。实验结果表明:在生物膜厚度0~120μm范围内传感器具有较好的线性度;培养基连续供给下传感器输出信号与生物膜厚度满足K1=-0.0368x1+5.9656(R2=0.9017),培养基间断供给下传感器输出信号与生物膜厚度满足K2=-0.0372x2+6.1049(R2=0.9515),采用公式K1和K2计算得到生物膜厚度的最大相对误差为5.56%;反应器产氢速率最大时的最佳生物膜厚度在115μm左右。　　⑥利用GSCM涂敷空心光纤、pH调控旁路及生物膜厚度调控装置,光纤生物膜厚度传感器及阵列、FBG温度传感器及阵列、光纤浓度传感器、氢电极及pH电极建立了高效生物膜光生物反应器系统及在线测量系统。实验研究表明:当对反应器内pH和固体基质表面生物膜厚度调控后,pH由4.4增大到6.5左右,反应器内温差由1.1℃减小到0.7℃,反应器产氢浓度维持在45μg/ml左右,产氢速率达到3.12mmol/L/h,是未优化反应器产氢能力的1.54倍。表明生物膜反应器内的生化转化过程能进行优化控制,优化控制后能提高生物膜内微生物细胞的活性,从而提高反应器的产氢能力。