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《浙江大学》 2010年
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膜法细胞光合固定和催化转化去除CO_2的研究

范立海  
【摘要】:载人航天器或潜艇等密闭空间中CO2的去除,是环控生保系统的重要任务之一。密闭空间中CO2去除技术首先要求装置高效、稳定、安全,其次是体积小、重量轻、能耗低、寿命长,以及操作和维护简便。本论文针对上述目标,选择了细胞生物光合固定和催化转化法去除低浓度CO2。细胞光合固定指通过小球藻光合作用生物固定CO2;细胞催化转化法指利用细胞表面展示技术,将碳酸酐酶展示于大肠杆菌细胞外膜,然后将该细胞应用于含液液膜反应器作为生物催化剂,用于CO2气体分离。主要包括以下五方面的内容: (1)设计了一种以膜组件为气体分布器的气升式光生物反应器用于小球藻光合固定去除CO2。反应器结构设计时,考虑了细胞受光均一性及藻液光衰减问题,同时结合膜技术特点,增强了反应器内部的气液传质效率。考察了气体流量、光强、光质、膜材料、膜组件长度和膜数量对小球藻光合固定低浓度CO2的影响。比较了膜式光生物反应器和常规鼓泡式、膜接触式光生物反应器的性能差异; (2)研制了螺旋管膜式光生物反应器(MSTR)。考察了不同气液流量、光照强度下MSTR和其他两个常规光生物反应器(BCTR. MCTR)内的传质、混合以及小球藻CO2固定效率。BCTR使用多孔管作为气体分布器,而MCTR引入膜组件并接触式进行气液传质。为了全面评估MSTR在小球藻培养固碳中的性能,实验考察了反应器内pH、溶解氧、细胞损伤、传质特征时间、混合特征时间以及CO2反应特征时间; (3)掌握小球藻光合固碳机理,建立小球藻生长动力学模型是提高细胞CO2去除效率的有效途径。因为一个准确的模型是设计高效光生物反应器以及优化反应器操作和培养条件的前提。本文在Eilers和Peetrs模型基础上,建立了一个全面反映光强、pH和溶氧对小球藻生长影响的数学模型,并且为模型中的每个步骤都赋予一定的生化涵义; (4)本文以大肠杆菌为宿主,利用完整和短缩的冰核蛋白作为载体蛋白,对幽门螺旋杆菌(Helicobacter pylori 26695)的α型碳酸酐酶(HP1186)进行表面展示研究。冰核蛋白的基因来源于丁香假单胞菌(Pseudomonas syringae, KCTC1832)。两种含有不同启动子的质粒用于融合基因的构建。SDS-PAGE电泳、二维凝胶电泳、VVestern免疫印迹、免疫荧光显微术、流式细胞仪和全细胞ELISA被用于检测确认碳酸酐酶的展示效果。通过分析碳酸酐酶的活性、宿主的生长情况、外膜完整性、酶的热稳定性和蛋白酶稳定性,最后确定合适的质粒类型和冰核蛋白长度。 (5)中空纤维膜反应器设计和低浓度CO2催化转化去除研究。通过在两股彼此独立,但相互交错排列的PVDF中空纤维膜的管壁外空隙中填充细胞表面展示固定化的碳酸酐酶,成功设计出了用于低浓度CO2去除的酶膜反应器。实验考察了不同气体流量、CA浓度、pH对该酶膜反应器分离性能的影响,同时考察了反应器的稳定性。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:X701

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