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具有气液分离膜的光生物反应器内微藻吸附生长及CO_2固定特性研究

朱云龙  
【摘要】:微藻作为一种最具有潜力的新型的可再生生物质能源,具有光合效率高、零净碳值、易培养、生长周期短、油脂含量高、环境适应性强等优点。利用微藻实现生物固碳及其能源化利用是目前国内外研究的热点之一。传统的悬浮态微藻培养运行成本高,维护困难,微藻生物量产率低,采收及脱水等后续处理能耗高,限制了微藻生物能源技术的大规模应用。微藻的吸附式固定化培养技术可有效提高光生物反应器内单位体积生物量,并且具有操作稳定性高、生物量密度大、采收方便、节能等优点,相比于悬浮态微藻培养技术具有更大优势。因此,研究藻细胞在固体基质表面的吸附特性,探寻藻细胞吸附的最佳条件,研制新型微藻吸附式培养的光生物反应器,分析反应器内微藻生物膜的生长特性及CO2固定特性具有十分重要的研究意义。 本文采用普通小球藻为实验藻种,利用平板式光生物反应器,研究了藻细胞在固体基质表面的吸附特性,获得了吸附载体表面粗糙度、藻细胞接种量、培养液pH值及流动条件等因素对藻细胞在载体表面的吸附速率、吸附生物量的影响规律。此外,设计了一种具有气液分离膜的微藻吸附式培养的光生物反应器,研究了微藻生物膜在该反应器中的生长特性及反应器对CO2的固定特性,讨论了光照强度、CO2浓度和流量、培养液氮源浓度、培养液流量等不同运行参数对该反应器内微藻生物膜生长及CO2固定能力的影响规律,获得了该反应器运行的最佳条件。 获得的主要研究结果如下: ①设计可视化平板式光生物反应器,制备不同粗糙度的固体基质表面,研究得到载体表面粗糙度、藻细胞接种量、培养液pH值和液体流量对普通小球藻细胞在载体表面吸附特性的影响。实验结果表明:藻细胞在各载体表面的吸附密度均随时间进行呈现先快速增大再逐渐趋于平缓的变化趋势;随载体表面粗糙度和藻液中藻细胞接种量增大,载体表面对小球藻细胞的吸附率均增大,吸附密度也增大;当藻液pH值为6左右时,小球藻在载体表面吸附密度达到最大;液体流量为0.65mL/min时,载体表面对小球藻细胞的吸附能力最强。 ②设计了具有气液分离膜的微藻吸附式培养光生物反应器,制备了以PTFE-玻璃纤维为材料的具有一定表面粗糙度的疏水气液分离膜。结果表明,所制备的PTFE-玻璃纤维膜具有较好的强度、生物相容性以及气体扩散能力,在所设计的光生物反应器中能较好实现气液分离和微藻的吸附式培养。 ③设计并构建了具有气液分离膜的微藻吸附式培养光生物反应器实验系统,实验研究了在光照强度为100μmol·m-2·s-1、气相CO2浓度为2%(v/v)、气相流量为10mL/min、培养基氮源浓度为1.5g/L、培养基流量为2mL/min条件下光生物反应器内微藻吸附式生长及CO2固定特性。结果表明:在7天培养过程中,吸附于膜材料表面的小球藻最大生物量产量为97.48g·m-2,是采用空气培养条件下生物量产量的6.26倍;反应器运行3天后获得最大生物量为13.54g·m-2·day-1;反应器运行6天后获得最大CO2去除率为58.54%。 ④在研究运行参数对反应器内微藻吸附式生长特性和CO2固定特性时,发现光照强度、气相CO2流量、液相培养液流量、初始氮源(NO3-)浓度的变化,会对反应器内小球藻生物量积累量、积累速率、CO2去除率变化产生较大影响,而不会对培养液pH值、培养液氮源(NO3-)浓度的变化产生较大影响;而气相CO2浓度变化除了会对反应器内小球藻生物量积累量、积累速率、CO2去除率产生较大影响外,还会对培养液pH值变化产生较大影响,但不会对培养液氮源(NO3-)浓度变化规律产生较大影响。 ⑤对该具有气液分离膜的微藻吸附式培养光生物反应器,使吸附于膜材料表面的小球藻生物量积累最多,生物量积累最快,并且反应器对CO2的去除率最大的最佳运行条件为:光照强度为100μmol·m-2·s-1,气相CO2浓度为2%(v/v),气体流量为10mL/min,液相氮源(NO3-)浓度为1.5g/L,液相流量为2mL/min。


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