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微藻光谱辐射特性研究

马春阳  
【摘要】:微藻作为一种有生命的微生物,具有生长快速、光合效率高和生长周期短等优点。微藻的大规模工业化培养可用于生产生物柴油、营养品、抗氧化剂和天然色素等,其在生物制药、环境保护等领域有着重要的应用。然而,微藻的大规模生产存在生产率低和成本高等问题,如何提高微藻培养液的生产率是实际应用中亟需解决的问题。微藻的生长受多种因素的影响,光照是微藻生长的重要影响因素。光生物反应器中的光场分布对提高微藻的光合效率具有重要意义,微藻辐射特性是反应器中光辐射传输定量分析的基础物性参数。与传统的粒子辐射特性研究相比微藻生物粒子辐射特性的研究更加复杂,生物粒子的基本特点是具有生长代谢过程,随着微藻细胞的生长分裂过程藻细胞的辐射特性也随之发生变化,因此研究中需要考虑藻细胞辐射特性随生长时间的变化。目前,由于在线测量存在的一些困难和耗时较长等因素,对微藻辐射特性的研究还停留在测量生长稳定期的微藻。本文提出微藻细胞辐射特性的在线测量方法,实验研究多种绿藻纲和蓝藻纲微藻的生长相关辐射特性,建立描述微藻辐射特性随生长变化的理论模型,对多种形态的链状蓝藻散射特性进行理论研究并使用生长相关辐射特性研究光生物反应器的优化设计。主要研究内容如下:发展微藻细胞辐射特性参数的在线测量方法。从实验直接测量和间接测量两个方面,对传统的辐射特性测量方法进行推广,分析传统实验直接测量方法应用于在线测量的误差并给出了改进方案,基于GPU并行计算架构给出一种高效的反演间接测量方法。在不干扰微藻生长的前提下,使用给出的测量方法对微藻细胞粒子的辐射特性进行实验研究,测量了微藻的光谱吸收截面、光谱散射截面和散射相函数等参数。基于所发展的在线实验测量方法实验研究典型微藻的生长相关辐射特性,并分析微藻辐射特性随生长时间变化的规律。对包括绿藻纲和蓝藻纲多种微藻的辐射特性进行了实验测量,研究发现,微藻细胞在不同生长时间的辐射特性与其稳定期辐射特性的比值近似为一个与波长无关的常数,即呈现一种生长时间的相似规律。同时,在理论上对所发现的微藻辐射特性时间相似律进行了证明。根据辐射特性时间相似律理论模型可以从稳定期辐射特性获得生长期辐射特性,这对于微藻生长相关辐射特性的研究和应用具有重要意义。研究多种不同形态链状蓝藻的辐射特性和偏振特性。实验观察发现链状多细胞蓝藻的组成单元细胞的形态具有多种形状,本文使用离散偶极子方法对多种不同形状的链状蓝藻的散射特性进行了研究,根据等效介质理论分析是否可以使用均匀圆柱散射体预测实际链状蓝藻的散射特性,研究中考虑细胞膜对微藻散射特性的影响。研究细胞外胶鞘的存在对藻细胞散射特性的影响并分析均匀圆柱散射体可否用于预测带胶鞘的链状蓝藻的散射特性。理论预测链状蓝藻的散射特性对于微藻辐射特性和偏振特性的分析理解和实验研究具有重要的意义。基于实验测量的生长相关辐射特性参数,研究平板式光生物反应器和圆管式光生物反应器中的光场分布和微藻细胞生长率分布。分析以往使用稳定期微藻辐射特性计算反应器中光场和生长率分布引入的偏差。使用微藻生长相关辐射特性对平板式和圆管式光生物反应器进行优化设计分析,为实际光生物反应器的应用设计提供参考。


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