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| 內容簡介： |
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《微生物能源转化原理及应用》分为基础篇和应用篇。前五章为基础篇，深入解析微生物能源转化方式及转化过程中的多相流动、能质传递，并阐述微生物反应器内的多相能质传输与转化特性。后五章为应用篇，重点介绍微生物在固碳、生物燃料制取与污水处理以及电化学转化方面的应用与未来发展趋势。本书以微生物在能质循环中的核心作用为主线，系统构建了多学科交叉的理论体系与实践框架，填补了现有教材在工程热物理与微生物能源转化融合领域的空白。本书可作为高等院校新能源、生物化工、储能等相关专业的教材，也可供相关专业科研及工程技术人员参考。
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| 目錄：
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基础篇
第一章微生物能源概论2
1.1能源微生物的种类3
1.1.1产液体燃料微生物3
1.1.2产气体燃料微生物5
1.1.3电活性微生物6
1.2微生物能源的发展现状及展望8
1.2.1世界微生物能源产业发展现状8
1.2.2中国微生物能源产业发展现状8
1.2.3中国微生物能源发展展望9
思考题9
参考文献9
第二章微生物能源转化方式及培养模式11
2.1微生物能源转化方式11
2.1.1光合微生物能源转化方式12
2.1.2非光合微生物能源转化方式13
2.1.3半人工光合转化15
2.2微生物培养模式16
2.2.1悬浮式培养17
2.2.2生物膜式培养19
2.2.3微生物生长关键影响因素21
2.3微生物生长特性预测22
2.3.1微生物生长动力学22
2.3.2微生物生长数值模拟23
思考题25
参考文献25
第三章微生物能源转化过程中的多相流动27
3.1悬浮式反应器内的多相流动27
3.1.1悬浮式反应器的基本原理和主要类型28
3.1.2悬浮式反应器内多相流动的基本理论29
3.1.3悬浮式反应器内流动特征及其影响因素30
3.1.4多相流动对悬浮式反应器性能的影响31
3.2生物膜式反应器内的多相流动33
3.2.1生物膜式反应器的基本原理和主要类型34
3.2.2生物膜式反应器内的流动特征及其影响因素35
3.2.3多相流动对生物膜式反应器性能的影响38
3.3固定化细胞颗粒填充床反应器内的多相流动39
3.3.1固定化细胞颗粒填充床反应器的基本原理39
3.3.2固定化细胞颗粒填充床反应器内的流动特征及其影响因素41
3.3.3多相流动对固定化细胞颗粒填充床反应器性能的影响41
3.4微生物膜悬浮颗粒流化床反应器内的多相流动42
3.4.1微生物膜悬浮颗粒流化床反应器的基本原理42
3.4.2微生物膜悬浮颗粒流化床反应器内的流动特征及其影响因素43
3.4.3多相流动对微生物膜悬浮颗粒流化床反应器性能的影响44
3.5本章小结44
思考题45
参考文献46
第四章微生物能源转化过程中的能量传递48
4.1光合生物反应器内的光传输与衰减48
4.1.1光与光合生物细胞的相互作用50
4.1.2光生物反应器内的光传输与衰减53
4.2微生物能源转化过程中的能量转移与电子传递56
4.2.1光合系统内的电子传递56
4.2.2微生物的种间电子传递61
4.2.3微生物电化学转化中的电子传递64
思考题65
参考文献66
第五章微生物反应器内多相能质传输及转化特性67
5.1微藻光生物反应器内的能质传输及转化67
5.1.1光合作用驱动的光能传输及转化68
5.1.2气相CO2的传输及转化71
5.1.3无机营养盐的传输及转化74
5.1.4能质传输及转化的协同作用76
5.2光发酵制氢反应器内的能质传输及转化76
5.2.1光发酵过程中的光能传输及转化77
5.2.2有机底物的传输及转化77
思考题79
参考文献80
应用篇
第六章微藻光合固定烟气二氧化碳及能源利用技术82
6.1烟气氛围对微藻固碳的挑战82
6.1.1高浓度CO2的影响82
6.1.2酸性气体SOx的影响83
6.1.3重金属及其他因素的影响85
6.2高效固碳藻种的选育86
6.2.1自然筛选86
6.2.2诱变育种87
6.2.3驯化育种88
6.2.4代谢和基因工程89
6.3烟气碳传输强化89
6.3.1强化气泡停留时间90
6.3.2强化气液混合91
6.3.3优化曝气方式92
6.4优化培养条件94
6.4.1调控培养环境酸碱度94
6.4.2优化光照条件95
6.4.3调控营养供应95
6.4.4优化微藻培养工艺流程97
思考题98
参考文献98
第七章固碳微藻生物质分离及液态生物燃料制取100
7.1微藻生物质分离与采收101
7.1.1微藻采收101
7.1.2微藻脱水111
7.2微藻油脂提取113
7.2.1微藻破壁技术113
7.2.2油脂提取117
7.3微藻生物质液态生物燃料转化119
7.3.1酯交换119
7.3.2热化学转化过程122
7.4微藻固碳及能源化的工程应用前景及展望122
7.4.1生物燃料生产成本122
7.4.2微藻生物质能源前景与展望125
思考题126
参考文献127
第八章微生物厌氧发酵产氢烷气技术128
8.1厌氧发酵底物来源128
8.1.1有机废水128
8.1.2固体废弃物129
8.2原料的预处理131
8.2.1物理方法预处理131
8.2.2化学方法预处理133
8.2.3物理化学方法预处理134
8.2.4生物方法预处理136
8.2.5联合预处理137
8.3暗发酵产甲烷137
8.3.1暗发酵产甲烷影响因素137
8.3.2暗发酵产甲烷电子传递路径140
8.4光发酵制氢142
8.4.1光发酵制氢影响因素143
8.4.2光发酵产氢反应器145
8.4.3光发酵产氢研究展望146
8.5光-暗耦合多级发酵产氢烷应用与展望147
8.5.1暗-光耦合发酵产氢主要影响因素147
8.5.2暗-暗耦合发酵产氢烷研究进展149
8.5.3多级耦合发酵产氢烷前景及展望151
思考题152
参考文献152
第九章光合细菌生物膜光发酵制氢技术155
9.1光合细菌生物膜的形成及发展155
9.1.1光合细菌的运动及其生物膜成膜过程影响因素155
9.1.2光合细菌生物膜的支撑载体与反应器157
9.2基于光纤技术的生物膜在线测量及调控159
9.3光合细菌生物膜在污水处理中的应用161
9.3.1光合细菌与微藻的相互作用关系162
9.3.2菌藻共生生物膜去除污染物的作用原理163
9.3.3菌藻共生生物膜污水处理反应器164
9.4本章小结166
思考题166
参考文献167
第十章微生物电化学转化技术168
10.1微生物燃料电池168
10.1.1微生物燃料电池的工作原理168
10.1.2微生物燃料电池的分类170
10.1.3微生物燃料电池的性能影响因素171
10.1.4微生物燃料电池的COD去除和电能回收174
10.2微生物电解池及电合成系统175
10.2.1工作原理175
10.2.2电极结构及材料176
10.2.3固碳产甲烷微生物电合成系统中的关键步骤及影响因素180
10.2.4阴极电位及外加偏压对微生物阴极电子传递特性的影响181
10.3微生物电化学转化技术应用182
10.3.1微生物燃料电池应用183
10.3.2微生物电解池及电合成系统应用184
思考题185
参考文献185
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| 內容試閱：
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随着经济的飞速发展，能源的需求量持续增加，能源耗竭日益困扰国家的发展规划，能源问题已成为当今世界经济和社会发展的首要问题。化石能源的大量开采和使用在造成储量迅速减少的同时，还带来了严重的环境污染和气候恶化，尤其是燃烧产物中的CO2、氮氧化物和SO2等，导致臭氧层破坏、温室效应、酸雨、土地沙漠化、海水酸化的加剧，直接威胁着人类所居住的生态环境，造成了生态系统的严重破坏。而微生物作为地球上进化历史最长、生物量最大、生物多样性最丰富的生命形式，蕴藏着极为丰富的物种资源，在维护地球生态系统物质循环中发挥着不可替代的作用，如CO2通过光合作用与化能合成作用进入生物群落，通过生物群落的呼吸作用或微生物的分解作用以CO2的形式返回大气环境，维持地球生态碳平衡。微生物生长化能过程就是对废气CO2、水体污染物等的资源利用过程，因此，微生物技术是在能源生产和环境保护过程中被广泛应用的重要技术。利用微生物生长代谢将无机及有机碳转化为清洁能源，可从根本上改变能源使用结构，突破当前能源、环境、资源三者之间的矛盾，对世界可持续发展具有重要意义。
微生物大都是水生的，能源转化过程中涉及微生物生长、气液固多相流动、光/电子等能量的传递、CO2溶解扩散、液相营养底物的传递及转化等。微生物能源转化过程涉及生物、环境和工程热物理多学科交叉的研究范畴，而多相能质传递过程直接决定了微生物能源化的性能。重庆大学自2020年起，为适应储能、新能源科学、生物化工等学科交叉领域的专业人才培养需求，开设了“微生物能源转化”课程。该课程旨在培养毕业生在风电、传统火电厂和储能调峰、新能源汽车、生物质能利用、废弃能源回收、环境增值能源开发等领域从事工艺设计、科技管理、开发与研究工作的能力。目前使用的相关参考教材有普通高等教育“十三五”重点规划教材，如中国石油和化学工业优秀教材一等奖的《生物催化工程：原理及应用》《微生物工程》及国外的《多相反应器的设计、放大和过程强化》等。这些教材较为专业细致地介绍了微生物的概念和培养方法、化学转化方法等。而微生物能源化利用过程是气体（CO2）、液相营养物质、光能、固体微生物细胞的多相多元反应过程，其中气液流动和能质传输等工程热物理问题是转化的基础。一方面目前这些教材很少涉及微生物碳减排、能源化利用的过程原理及应用，仅能作为“微生物能源转化原理及应用”的部分参考；另一方面缺乏从工程热物理的角度阐述微生物能源转化过程中的流动和传递问题的解析和强化应用的指导。因此我们为应对新形势下形成的新学科培养要求，决定新编适合能源、环境、化工和生物交叉学科的《微生物能源转化原理及应用》教材。
《微生物能源转化原理及应用》以自然界对能质循环起主导作用的微生物为对象，重点介绍微生物在碳减排、废水处理、清洁燃料生产过程中的作用，鉴于微生物能源化利用过程是气体CO2、液相营养物质、光、固体微生物细胞的多相多元反应过程，是工程热物理、生物、环境和化工工程的典型交叉学科内容，因此本教材也结合现有微生物、化工转化方面教材的优点，将能源转化过程中的关键热物理基础问题——多相流动和能质转化有机纳入并进行重点讲解，以弥补现有微生物相关教材在这方面的缺乏，形成适合工程热物理、环境、化工交叉学科的教材。
书中分为基础篇和应用篇。前五章为基础篇，重点阐述微生物光合/非光合固定CO2并用于生产生物燃料的过程，讲述微生物反应器内的光传输、碳源传输与多相流动问题，解析微生物能源转化过程中的多相流动及能质转化间的相互作用关系。后五章为应用篇，重点介绍微生物在减排降污及能源转化方面的应用及未来发展趋势。
本书由重庆大学、西北大学、河南农业大学、云南农业大学、南京师范大学、宁夏大学等多位教授及青年学者共同编写。第一章概述了微生物能源的概念及发展现状，由黄云（重庆大学）编写；第二章阐述了微生物能源转化的方式和生长评价方法，由朱恂（重庆大学）编写；第三章介绍了微生物反应器内的多相流动，由朱恂和曾伟达（云南农业大学）编写；第四章重点讲解微生物能源转化中的光、电子等能量的传递过程，由廖强（重庆大学）编写；第五章强调了微生物转化中的多相能质传输及转化特性，由廖强和孙亚辉（南京师范大学）编写；第六章和第七章重点介绍了微藻光合减排固定烟气CO2技术及固碳生物质回收和能源化利用技术，由朱贤青（重庆大学）和魏朝阳（西北大学）共同编写；第八章和第九章介绍了微生物发酵产氢及光合生物膜产氢和废水净化技术，由夏奡（重庆大学）、郑亚萍（河南农业大学）和冯栋（宁夏大学）编写；第十章介绍微生物在电化学方面的应用，包括微生物燃料电池、电解池及电合成系统，由张亮（重庆大学）、李俊（重庆大学）和付乾（重庆大学）共同完成。全书由黄云统稿，重庆大学能源与动力工程学院博士研究生李沛蓉、马士焱、彭虹艳、汪家乐、杨宁威和孙亚波等参与了本书的部分编写、绘图及统稿工作。
由于作者水平有限，书中难免有疏漏和不足之处，诚恳希望读者发现后及时批评指正，以便在后续版本中更新和优化。
最后希望本书对我国新能源技术领域人才的培养有所裨益。
编者
2025年2月
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