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本书比较全面地从理论上和技术上解答了光合生物制氢研究过程中常见的问题。书中分别对光合生物制氢过程中的菌种选育、原料预处理、制氢工艺优化、反应器设计及其研发等进行了阐述。第1章详细列举了国内外专家学者对该领域各问题的研究进展，指出本书工作开展的重要性。高效光合产氢菌种的选育和光合细菌连续培养系统的研发在第2章中进行了详细的描述。第3章则是对产氢过程中的产氢基质、光源、金属离子、反应器形态等对光合生物制氢过程的影响进行了阐释与工艺优化技术整合。第4章是对光合生物制氢过程中产氢原料预处理科学与技术问题的阐述，探讨了不同预处理方式对产氢原料产氢潜力的影响。第5章对课题组自主研发和改进的光合生物制氢系统进行了介绍。 本书可供可再生能源领域相关研究人员和工程技术人员，以及高等院校有关专业的本科生、研究生参考。
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序前言1 绪论 11.1 氢能 11.2 制氢技术的分类及特点 21.3 光合生物制氢工艺技术研究进展 71.3.1 光合生物制氢菌种选育技术 71.3.2 光合生物制氢原料预处理技术 151.3.3 光合生物制氢工艺过程 201.4 光合制氢生物反应器的研究进展 211.4.1 光合生物制氢反应器的主要结构形式 211.4.2 光合细菌制氢反应器光源的选择 291.4.3 光合细菌制氢反应器材料的选择 301.4.4 光合生物制氢反应器存在的主要问题 301.5 光合生物制氢过程研究的重要性 32主要参考文献 332 光合产氢细菌选育技术 422.1 高效光合产氢细菌的富集与筛选 422.1.1 菌种富集与筛选的试验设计 432.1.2 光合产氢细菌混合菌群的培养基优化 472.1.3 光合产氢细菌混合菌群的富集与筛选 482.1.4 光合产氢细菌混合菌群的分离鉴定 502.1.5 光合产氢细菌混合菌群的产氢特性 672.1.6 小结 702.2 光合产氢细菌菌群特性研究 712.2.1 光合细菌生长性能的研究 712.2.2 基于连续制氢的产氢光合细菌相关特性研究 852.2.3 连续制氢工艺中光合细菌菌落特性的研究 952.2.4 利用猪粪的连续产氢工艺中光合细菌菌落特性研究 1052.3 光合产氢细菌的生长动力学特性研究 1112.3.1 光合产氢细菌培养工艺的单因素优化 1122.3.2 光合产氢细菌培养工艺的多因素优化 1192.3.3 光合产氢菌群生长动力学模型的构建 1222.3.4 小结 1252.4 光合产氢细菌连续培养系统及装置研究 1252.4.1 活塞流循环连续光合细菌培养模式构建 1252.4.2 辅光式光合细菌连续培养系统研究 1392.4.3 小结 148主要参考文献 1503 光合生物制氢产氢工艺技术研究 1533.1 产氢基质对光合生物制氢过程的影响 1533.1.1 碳源对光合细菌生长和产氢过程的影响 1533.1.2 氮源对光合细菌生长和产氢过程的影响 1603.1.3 以葡萄糖为产氢基质的光合生物制氢过程研究 1673.1.4 以超微粉碎高粱秸秆酶解料液为产氢基质的光合生物制氢过程研究 1793.1.5 小结 1943.2 光源对光合生物制氢过程的影响 1953.2.1 光合产氢菌群活细胞吸收光谱的研究 1963.2.2 不同光源对光合细菌生长和产氢的影响 1983.2.3 不同光源对光合产氢菌群产氢特性影响的均匀设计试验 2083.2.4 小结 2123.3 金属离子对光合生物制氢过程的影响 2133.3.1 铁离子对光合细菌产氢过程的影响 2143.3.2 镍离子对光合细菌产氢过程的影响 2163.3.3 锌离子对光合细菌产氢过程的影响 2183.3.4 光合生物制氢过程中金属离子添加量的正交试验优化 2203.3.5 小结 2203.4 反应器形态及操作方式对光合生物制氢过程的影响 2203.4.1 光合细菌生产菌种连续培养装置及运行性能 2213.4.2 不同搅拌方式及水力停留时间对光合生物制氢过程的影响 2333.4.3 小结 2493.5 本章总结 250主要参考文献 2504 光合生物制氢原料预处理技术 2534.1 秸秆与粪便预混预处理技术 2534.1.1 不同因素对预混预处理效果的影响 2544.1.2 基于响应面法的预混预处理技术优化 2564.2 秸秆类生物质微生物预处理技术 2654.2.1 单菌种微生物预处理技术 2674.2.2 双菌种微生物预处理技术 2724.2.3 多菌种微生物预处理技术 2784.3 秸秆类生物质的超微化粉碎预处理技术 2814.3.1 超微预处理工艺的单因素实验优化 2824.3.2 超微预处理工艺的多因素实验优化 2854.3.3 小结 2864.4 秸秆类生物质球磨粉碎及酶解糖化耦合预处理技术 2874.4.1 不同球磨时间高粱秸秆的酶解反应速率变化 2884.4.2 不同粉碎时间高粱秸秆粉体的酶解动力学参数 2914.4.3 几种反应因素对酶解糖化效果的影响 2934.4.4 高粱秸秆酶解反应工艺的响应面法试验优化 2964.4.5 纤维素酶回收利用技术研究 3024.4.6 小结 3054.5 秸秆类生物质原料的乙酸预处理技术 3064.5.1 乙酸预处理工艺的单因素优化 3074.5.2 乙酸预处理工艺的多因素试验优化 3124.5.3 小结 3174.6 本章总结 318主要参考文献 3185 光合生物制氢反应器及系统研究 3205.1 环流罐式光合生物制氢反应器 3205.1.1 环流罐式光合生物制氢反应器设计思路 3205.1.2 环流罐式光合生物制氢反应器主体设计过程 3225.1.3 环流罐式光合生物制氢反应器运行模式 3265.1.4 基质的输送及反应液的混合特性研究 3265.1.5 生化反应器光能采集传输系统设计 3315.1.6 环流罐式反应器温控系统的设计 3345.1.7 环流罐式光合生物制氢反应器的运行试验 3395.1.8 小结 3475.2 太阳能光合生物连续制氢装置研究 3485.2.1 太阳光聚焦传输系统研究 3495.2.2 利用畜禽粪便污水的太阳能光合生物连续制氢系统结构设计 3635.2.3 光合生物制氢系统的传光性能 3665.2.4 小结 3715.3 太阳能光合细菌连续制氢系统研制 3725.3.1 光合细菌连续制氢系统设计的指导思想及设计方案 3725.3.2 光源选择及聚光传输系统设计 3765.3.3 光合细菌连续制氢系统反应器及辅助单元设计 3865.3.4 消泡剂的添加对光合细菌连续制氢系统运行的影响 4015.3.5 光合细菌连续制氢系统的启动特性研究 4045.3.6 以葡萄糖合成底物为原料时系统运行特性研究 4145.3.7 连续制氢系统适粪便污水产氢底物的选择 4275.3.8 光合细菌连续制氢试验系统以牛粪为原料的产氢运行特性 4305.3.9 小结 4365.4 太阳能光合生物连续产氢自控系统研究 4385.4.1 太阳能光合生物连续产氢自控系统组成及其工作原理 4385.4.2 太阳能光合生物连续产氢过程自动控制系统的特性 4405.4.3 太阳能光合生物连续产氢自控系统的设计要求 4415.4.4 太阳能光合生物连续产氢温度控制系统的研发 4425.4.5 太阳能光合生物连续产氢pH控制系统的研发 4525.4.6 太阳能光合生物连续产氢流量控制系统的研发 4615.4.7 太阳能光合生物连续产氢供光单元控制系统设计 4685.4.8 太阳能光合生物连续产氢系统太阳能利用单元部分的参数确定 4715.4.9 太阳能光合生物连续产氢总体控制系统设计 4735.4.10 太阳能光合生物连续产氢自控系统优化设计 4815.4.11 太阳能光合生物连续产氢自控系统运行试验 4825.4.12 产氢系统整体系统的运行 4995.4.13 小结 5015.5 本章总结 502主要参考文献 505
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氢能是公认的发展潜力的清洁能源，在低碳和零碳能源经济时代脱颖而出。探索高效低成本制取氢气的科学方法和途径已成为世界各国公认的研究热点，有力推动了常规能源制氢、光解水制氢、生物法制氢等科学技术的迅速发展。其中，生物法制氢因其不消耗常规能源、产氢底物多样、无二次污染等优势，得到了诸多学者广泛的关注。近年来，我国高度重视氢能科学技术的发展，制定出氢能科学技术发展路线图，并投入了大量的资金和人力资源用于资助氢能源的研究和开发，以摆脱遏制我国经济长期发展的能源短缺瓶颈，力争使其成为未来能源供应系统的支柱。 本书作者及其研究团队在国家“十五”“十一五”“十二五”计划期间连续主持承担了“863”计划、国家自然科学基金、教育部博士点基金等多项有关光合生物制氢理论与技术的研究课题，提出了较为系统的光合生物制氢理论与技术。本书凝结了作者及其 30 多位研究生过去十余年来在光合生物制氢领域所开展的科学研究进展和原创性成果，在国内外发表了百余篇学术论文，申请了近20项国家发明专利，建成了世界的太阳能光合生物连续制氢试验装置，其研究水平处于国际生物制氢科学领域的学术前沿。作者的研究涉及高效光合产氢细菌的选育、光合细菌生长及产氢基质的优化筛选、产氢原料的预处理工艺优化以及光合产氢系统的设备及装置研发等多个方面。本书是对光合生物制氢理论与技术研究成果的系统性总结和展示，内容覆盖了光合生物制氢理论与技术的方方面面，而不是对具体研究内容的列举。与常见的侧重知识性和技术性的书籍不同，本书是作者及其研究团队就光合生物制氢理论与技术方面出版的一本专著，体现了坚实的研究基础和显著的创新性。 全书共分5章，比较全面的从理论上和技术上解答了光合生物制氢研究过程中常见的科学与技术问题，对光合生物制氢过程中的菌种选育、原料预处理、制氢工艺优化、反应器及其装备研发等问题进行了阐述。第1章综述了国内外专家学者对光合生物制氢领域诸多问题的研究进展以及开展光合生物制氢理论与技术研究工作的重要性；第2章和第3章分别对高效光合产氢菌种的选育及产氢原料的预处理技术进行了详细的描述；第4章介绍了主要工艺参数对光合生物制氢过程的影响规律及其优化试验方法；第5章介绍了光合生物制氢系统及其运行试验结果。由于研究过程中，各个研究内容及研究方法不能截然分开，因此在本书撰写中存在个别内容互相交叉的情况。 本书第1章主要由荆艳艳博士负责编撰、第2章主要由王毅博士负责编撰、第3章主要由贺超博士负责编撰、第4章主要由胡建军教授负责编撰、第5章主要由周雪花副教授负责编撰，张全国教授、张志萍博士对全书进行了编辑统稿和定稿。此外，参与本书撰写工作的还有周汝雁博士（上海海洋大学教授）、王素兰博士（郑州大学副教授）、师玉忠博士（河南科技学院教授）、岳建芝博士（河南农业大学副教授）、李刚博士（河南农业大学副教授）、杜金宇博士（河南牧业经济学院讲师）、李德峰博士（河南农业大学讲师）、张志萍博士（美国路易斯安娜州立大学访问学者）、蒋丹萍博士（美国俄亥俄州立大学访问学者）、王毅博士（北京林业大学博士生）、李亚丽硕士（北京城市学院教务处老师）、冯宜鹏硕士（中国科学院大学博士生）、杨晋晖硕士（郑州市二七区新型城镇化建设办公室科员）、申翔伟硕士（郑州文化路街道办事处科员）、韩滨旭硕士（睢县产业集聚区管委会科员）、安静硕士（河南油田工程咨询有限公司工程师）、陈蕾硕士（华为技术有限公司工程师）、朱艳艳硕士（河南中原环保有限公司工程师）、尤希凤博士（美国科罗拉多州立大学访问学者）、张川博士后（华北水利水电大学教师）、鹏硕士（河南职业技术学院副教授）、原玉丰硕士（新乡学院高级经济师）、曾凡硕士（郑州职业技术学院教师）、赫倚风硕士（上海交通大学博士生）、郭婕硕士（开封市鼓楼区农林局科员）、张军合硕士（河南科技学院副教授）、张丙学硕士（河南路贝卡节能技术有限公司工程师）、任晓硕士（郑州锅炉有限公司 工程师）等。农业部可再生能源新材料与装备重点实验室的博士研究生路朝阳、李亚猛以及硕士研究生孙堂磊、张洋、魏斌、孙亚飞、陈笑、张甜、刘会亮等也为本书的编撰工作付出了辛勤的劳动，在此一并表示感谢。 本书努力将光合生物制氢研究过程中遇到的科学问题进行系统的阐释，以便读者能够对著者及其研究团队的相关研究工作有清晰的了解，并为生物制氢科学领域的研究工作者或学生提供理论和技术上的帮助。对于书中存在的问题和疏漏，敬请有关同行专家和广大读者给予指正，我们愿与广大同仁开展进一步的探讨和合作，以期共同为推动生物制氢科学技术发展贡献力量。 张全国 2016年3月
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