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微藻(酶)膜反应器去除密闭环境空气中CO_2的研究

程丽华  
【摘要】:载人航天器或潜艇等密闭环境中CO_2的去除和O_2及时补充,是环控生保系统的重要任务之一。密闭空气中CO_2去除技术首先要求高效、稳定和安全,其次是装置体积小、重量轻、能耗低、寿命长,以及操作和维护简便。本论文围绕上述目标,基于中空纤维膜传质比表面大、设备体积小的优势,选定小球藻(Chlorella vulgaris)和碳酸酐酶(CA)两种作为CO_2固定与转化的高效传递载体,研制中空纤维膜式光生物反应器和中空纤维酶膜反应器,分别用于去除CO_2的系统性研究。 小球藻比C_4植物光合速率高、繁殖快、环境适应性强,是一种高效的CO_2固定转化载体。本文在3L简易式光生物反应器中,首先开展小球藻对去除CO_2的效果试验,考察了碳源、pH、温度、光照强度和供气条件等影响因素。在光强3500 lx、温度25~30℃条件下,采用孔径为0.33μm的中空纤维膜组件曝气,流量为600 ml/min,当进气CO_2浓度为1%时,CO_2去除率约为50%,最大CO_2去除速率达到118 mg/(L·h)。 其次,采用分批补料和碳源补充法,在10 L气升式光生物反应器中进行小球藻的高密度培养,使细胞密度从补料前2.3×10~7 cells/ml提高到2.675×10~8cells/ml。在一定的气速下,进气浓度对小球藻光合固定CO_2和产O_2的影响较大,实验结果表明,当进气CO_2浓度为0.04%左右时,不能满足微藻生长所需碳源,当CO_2浓度提高到1%时,藻液pH下降到8.5左右,通常能使细胞密度增加到1.0×10~8cells/ml以上;另外,降低进气中O_2的含量,有利于小球藻光合产O_2,但对反应器的CO_2去除速率影响并不显著。研究还表明小球藻光合固定CO_2和产生O_2能力与细胞的生长周期紧密相关,在分批式培养过程中,进入静止期后的细胞利用CO_2和产生O_2能力锐减。由此可知,增强单位反应器处理CO_2能力不能一味依赖细胞密度的增加。 然后,在原10 L光生物反应器上串联中空纤维膜组件,采用中空纤维死端流曝气法以改善小球藻供碳方式。试验发现,该法不但能使气泡更加细小均匀,而且气体在藻液中的停留时间由原来的2秒提高到20秒以上,有利于藻液中溶


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