世界经济的发展和人类生活水平的提高得益于化石燃料(石油、天然气与煤炭)的广泛应用；然而,人类对化石燃料的过分依赖引起了诸多负面效应,能源成本持续增加,能源供应短缺,温室效应和环境污染将是未来社会所要面临的难题。氢气是一种清洁、高效的能源,被广泛视为化石燃料的替代者。光合生物制氢可以将有机废弃物的治理、太阳能的利用以及清洁能源的生产三者结合起来,是一种可再生的、环境友好的氢气生产方法。Rhodobacter sphaeroides ZX-5是近年来新发现的具有高效产氢能力的紫色非硫细菌,其光合制氢的应用前景和产业化潜力巨大。本文系统地研究了R. sphaeroides ZX-5的发酵生理代谢的基本特性,优化了光合细菌的光发酵过程,并设计了适合R.sphaeroides ZX-5光合产氢的光生物反应器。本论文的主要研究内容如下：本文确定了R. sphaeroides ZX-5生长和光合产氢的最适培养条件,其中最适温度,初始pH,接种量、装液量和种龄分别为30-35℃,pH 7.0,3.3%,90%和18-24h；光合产氢的最适碳源和氮源分别为30 mM苹果酸和7mM谷氨酸钠。研究发现R. sphaeroidesZX-5具有较强pH自调控能力,初始pH在6.0-10.0之间时,发酵结束时pH总能稳定在7.15±0.1。同时,分析了RCVBN培养基中三种维生素(烟酸、维生素B1、生物素)在R. sphaeroides ZX-5生长和产氢过程中的作用；其中烟酸作为NAD+/NADH的前体,直接影响光合产氢代谢过程中高能电子的传递,因此必须存在于发酵培养基中,否则无法进行光合制氢；维生素B1和生物素虽然不直接作用于氢气的生产阶段,但它们也是光合产氢所需要的,必须存在于种子培养基或发酵培养基中,二者择其一即可。基于对发酵液内部光强随菌体浓度及光程距离衰减规律的研究,建立了光衰减动力学模型,即I=Ioexp[-(0.4762+0.32660D660))·L]；该模型较好的描述了发酵液深度(光程)、细胞浓度(OD660)和发酵液内部光强之间的关系。本文引入工程学的概念探求了光照强度、菌体生长和光合制氢三者之间的关系,创新性的首次提出了基于振荡-补光策略的新型光合制氢工艺。该工艺在保证较高的底物转化率(88.26%)的同时极大地提高了光合制氢的产氢速率,其最大产氢速率(165.9 ml H2/l·h)是目前文献报道的非固定化光合细菌产氢的最大速率；结果表明基于振荡-补光策略的新型光合制氢工艺是一种高效的、经济可行的光合生物制氢模式。另外,实验研究了不同培养模式下光照强度对光合细菌生长和产氢的影响,发现静置培养和振荡培养模式下光合制氢的最适光照强度分别为4000-5000 lux和7000-8000 lux。作者自主研发了2.91外循环-平板式光生物反应器,建立了基于在线ORP反馈调控的补料分批光发酵产氢系统。补料的时机取决于发酵体系中的ORP值,一旦反应体系中ORP值达到或超过-400 mV,电脑立即启动补料,避免了由人工补料引起的实验误差。经验证50g/1是最佳的苹果酸补料浓度。由于R. sphaeroides ZX-5具有pH自调控能力,在补料分批发酵过程中不需要对发酵体系的pH进行控制。整个补料分批发酵过程连续稳定运行了约160小时,期间共进行了三次补料；整个发酵过程的平均底物转化率为66.43%,其中第一次补料阶段的底物转化率最高(73.03%),远大于分批发酵过程的59.81%；同时,补料分批发酵过程中最大产氢速率高达102.33ml H2/l·h,而分批发酵的最大产氢速率仅为84.67m1 H2/l·h。因此,基于ORP反馈控制的补料分批光合制氢工艺可以同时获得高产氢速率和高氢气得率,并且该工艺的产氢能力在较长的时间范围内具有稳定性,适用于光合细菌的氢气生产。本文针对影响光生物反应器设计的若干因素进行了讨论。光谱中红光区域所占比例较多的光源(如白炽灯等)适用于R. sphaeroides ZX-5的光合制氢。光／暗周期实验预测了R. sphaeroides ZX-5在户外利用自然光照产氢时,可以耐受昼夜周期性的光照强度变化。在厌氧光合制氢过程中,当反应器顶部空间的总压强从1.082×105Pa减小至0.944×105 Pa时,光合制氢的底物转化率则从86.07%提高到95.56%,平均产氢速率也相应地从45.67ml H2/l·h增加到50.70ml H2/l·h；说明通过调节反应器顶部空间的气体总压强来降低反应体系中的氢分压,可以显著的提高光合制氢的氢气产量和氢气产生速率。在振荡培养模式下,120 rpm是R. sphaeroides ZX-5最适的振荡速率；另外,充分的混合对R. sphaeroides ZX-5光合制氢的促进效应仅在氢气生产阶段(即细胞生长静止期)起作用,而在细胞生长阶段采用振荡操作对光合制氢没有促进作用。基于对R. sphaeroides ZX-5生理代谢基本性质的了解以及对影响光生物反应器设计因素的分析,作者设计了三款不同类型的光生物反应器。从产氢性能上看,侧搅拌-平板式光生物反应器的最大产氢速率和氢气产量分别为141.65ml H2/l·h和3056 ml H2/1medium,均明显优于其他两种光生物反应器,取得了较好的放大产氢效果；说明采用侧搅拌的混合方式使得反应器内菌体和底物能够充分混合,促进了光合产氢的进行。作者将计算流体力学(CFD)技术应用于光合制氢系统的过程模拟,分析了光合试管中氢气从发酵液(液相)向气泡(气相)传递的相际传质过程,从微观角度阐述了振荡-补光制氢工艺对光合细菌产氢速率的促进作用。同时,运用CFD技术模拟了不同类型的光合制氢反应器内部流场的分布和特性,及其对光合细菌制氢的影响,为今后光生物反应器的设计与放大提供理论依据。