基于物質(zhì)傳遞調(diào)控的小球藻生長(zhǎng)和油脂積累強(qiáng)化.pdf

1、由于傳統(tǒng)化石燃料的大量燃燒，能源短缺和環(huán)境破壞已成為限制人類生存和發(fā)展的重要問(wèn)題。從根本上改善我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、積極開(kāi)發(fā)綠色可再生能源與大力開(kāi)展環(huán)境治理并舉，突破當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源短缺、環(huán)境惡化之間的矛盾迫在眉睫。微藻作為一種單細(xì)胞生物，可利用電廠煙氣中的 CO2作為生長(zhǎng)底物、利用污水中的氮磷無(wú)機(jī)鹽作為營(yíng)養(yǎng)物并以光能作為能量來(lái)源，通過(guò)自身光合作用合成油脂類能源物質(zhì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排、污水治理和生物質(zhì)能源產(chǎn)出的功效，達(dá)到一舉多得的目的

2、。近年來(lái)對(duì)微藻生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)已成為學(xué)者研究的重點(diǎn)問(wèn)題之一。然而，由于目前微藻生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)尚不成熟，尤其是培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)傳遞效率較差，導(dǎo)致微藻生物能源產(chǎn)率較低，經(jīng)濟(jì)性較差。因此，對(duì)微藻培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)傳遞過(guò)程進(jìn)行研究，并根據(jù)培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)傳遞特性進(jìn)行合理的培養(yǎng)條件優(yōu)化和傳遞過(guò)程強(qiáng)化，可有效提高微藻生長(zhǎng)和油脂代謝效率。
　　本文圍繞懸浮式培養(yǎng)的微藻生物質(zhì)能源技術(shù)，系統(tǒng)的研究了小球藻生長(zhǎng)和油脂積累過(guò)程中的的主要影響因素（碳、光和

3、營(yíng)養(yǎng)物）在培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)傳遞過(guò)程，并通過(guò)培養(yǎng)條件優(yōu)化和培養(yǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)等手段對(duì)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)傳遞過(guò)程進(jìn)行了調(diào)控，強(qiáng)化了小球藻生長(zhǎng)和油脂積累。首先對(duì)小球藻生長(zhǎng)代謝過(guò)程中的光傳輸和碳傳輸特性進(jìn)行了分析，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對(duì)光照和總?cè)芙馓捡詈嫌绊懴碌男∏蛟迳L(zhǎng)和固碳特性進(jìn)行了研究，建立了綜合考慮光照強(qiáng)度和總?cè)芙馓紳舛锐詈嫌绊懙男∏蛟迳L(zhǎng)和固碳動(dòng)力學(xué)模型，并利用該模型對(duì)小球藻在不同條件下達(dá)到穩(wěn)定期時(shí)間進(jìn)行了預(yù)測(cè)，從而為微藻最佳采收時(shí)間提供理論

4、指導(dǎo)。隨后，利用離子交換膜的選擇透過(guò)性設(shè)計(jì)了自適應(yīng)式離子交換膜微藻光生物反應(yīng)器，對(duì)微藻培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳遞特性進(jìn)行了優(yōu)化，研究了自適應(yīng)營(yíng)養(yǎng)物供給模式下小球藻生長(zhǎng)和油脂積累特性。與此同時(shí)，根據(jù)小球藻不同生長(zhǎng)期對(duì)營(yíng)養(yǎng)物需求量的不同提出了小球藻不同生長(zhǎng)階段的營(yíng)養(yǎng)物供給策略。之后，對(duì)小球藻生長(zhǎng)代謝過(guò)程中的三個(gè)主要影響因素（光、碳和營(yíng)養(yǎng)物）在反應(yīng)器內(nèi)的物質(zhì)傳遞過(guò)程進(jìn)行同步調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)小球藻油脂產(chǎn)率的進(jìn)一步提高。此外，本文還設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)污水與小

5、球藻非直接接觸式培養(yǎng)的圓筒型離子交換膜微藻光生物反應(yīng)器，對(duì)污水中氮磷營(yíng)養(yǎng)物和毒害污染物顆粒的傳遞過(guò)程進(jìn)行分別調(diào)控，從而有效避免了污水中重金屬等污染物對(duì)小球藻生長(zhǎng)和油脂代謝的抑制作用，實(shí)現(xiàn)了高效的微藻培養(yǎng)和污水凈化處理。主要研究結(jié)果如下：
　?、俦疚乃⒌男∏蛟迳L(zhǎng)和固碳動(dòng)力學(xué)模型綜合描述了光照強(qiáng)度和總?cè)芙馓紳舛锐詈嫌绊懴滦∏蛟鍙倪m應(yīng)期到穩(wěn)定期的生長(zhǎng)和固碳特性。通過(guò)隨機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)本文所建立的動(dòng)力學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。隨后，利

6、用所建立的模型對(duì)不同光照強(qiáng)度和總?cè)芙馓紳舛扔绊懴滦∏蛟宓纳L(zhǎng)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)小球藻生長(zhǎng)速率隨時(shí)間變化呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，而小球藻比生長(zhǎng)速率呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢(shì)。小球藻生物質(zhì)量濃度和固碳量在光強(qiáng)和總?cè)芙馓紳舛确謩e為120μmol/m2/s和17 mM時(shí)達(dá)到最大值，其值分別為2.303 g/L和4.385 g CO2/L，且在此培養(yǎng)條件下小球藻進(jìn)入穩(wěn)定期時(shí)間最短為98 h。當(dāng)光照強(qiáng)度和總?cè)芙馓紳舛雀哂诨虻陀谧罴阎禃r(shí)，小球藻最大生

7、物質(zhì)量濃度和固碳量都會(huì)下降，且小球藻進(jìn)入穩(wěn)定期時(shí)間延長(zhǎng)。
　?、陔x子交換膜對(duì)氮磷等無(wú)機(jī)鹽離子具有較好的選擇透過(guò)性，通過(guò)控制離子交換膜兩側(cè)氮磷營(yíng)養(yǎng)物濃度差，可有效的將小球藻培養(yǎng)腔室內(nèi)的氮磷營(yíng)養(yǎng)物保持在相對(duì)適宜的水平，從而避免過(guò)量營(yíng)養(yǎng)物對(duì)小球藻生長(zhǎng)的抑制作用和營(yíng)養(yǎng)物不足對(duì)小球藻生長(zhǎng)的限制作用。結(jié)果表明，小球藻最大生物質(zhì)量濃度從傳統(tǒng)反應(yīng)器的1.30 g/L提高到離子交換膜反應(yīng)器的2.98 g/L，提高了129.2％。隨后，本文對(duì)離子交換

8、膜反應(yīng)器內(nèi)的最佳氮磷供給速率進(jìn)行了研究，結(jié)果表明當(dāng)?shù)坠┙o速率分別為19.0 mgN/L/d和4.2 mgP/L/d時(shí)，小球藻最大生物質(zhì)量濃度為4.38 g/L。
　?、坌∏蛟逶诓煌L(zhǎng)階段對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的需求量不同，根據(jù)小球藻不同生長(zhǎng)階段對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的需求量進(jìn)行合理調(diào)控可顯著提高小球藻生物質(zhì)產(chǎn)率和油脂產(chǎn)率。在小球藻培養(yǎng)適應(yīng)期，相對(duì)較低的氮磷營(yíng)養(yǎng)物供給速率（即氮磷供給速率分別為5.11 mgN/L/d和0.54 mgP/L/d）可使其適應(yīng)期

9、持續(xù)時(shí)間降低至34 h；在小球藻培養(yǎng)生長(zhǎng)期，相對(duì)充足的氮磷營(yíng)養(yǎng)物供給（即氮磷供給速率分別為20.04 mgN/L/d和4.21 mgP/L/d）使其最大生物質(zhì)量濃度顯著提高，可達(dá)到約4.1 g/L；而在小球藻培養(yǎng)穩(wěn)定期，停止供給營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可強(qiáng)化小球藻油脂含量，最終使小球藻油脂產(chǎn)率提高至132.30 mg/L/d。
　?、茉谛∏蛟遄罴训臓I(yíng)養(yǎng)物供給方案下，對(duì)小球藻不同生長(zhǎng)階段的光照強(qiáng)度和CO2濃度進(jìn)行了進(jìn)一步的同步調(diào)控，強(qiáng)化了小球藻生物

10、質(zhì)量濃度和油脂產(chǎn)率。在小球藻培養(yǎng)適應(yīng)期，給其提供較低光強(qiáng)（60μmol/m2/s）和CO2濃度（2%）可使得小球藻適應(yīng)期持續(xù)時(shí)間進(jìn)一步縮減至24 h；在小球藻培養(yǎng)生長(zhǎng)期，相對(duì)較高的光照（120μmol/m2/s）和CO2（濃度為5%）使其最大生物質(zhì)量濃度提高至4.52 g/L；而在小球藻培養(yǎng)穩(wěn)定期，較高光照強(qiáng)度（180μmol/m2/s）可強(qiáng)化小球藻油脂的合成，最終使小球藻油脂產(chǎn)率提高至163.4 mg/L/d。
　?、輼?gòu)建了圓筒

11、型離子交換膜微藻光生物反應(yīng)器，可實(shí)現(xiàn)污水與小球藻的非直接接觸式培養(yǎng)，有效避免了污水中污染物對(duì)小球藻生長(zhǎng)的毒害作用。該反應(yīng)器可廣泛適用于不同類型的未經(jīng)預(yù)處理的污水和未馴化的微藻藻種。當(dāng)以模擬農(nóng)業(yè)污水、模擬市政污水、模擬工業(yè)污水和實(shí)際市政污水為營(yíng)養(yǎng)源時(shí)，小球藻生物質(zhì)量濃度分別從傳統(tǒng)反應(yīng)器的2.34、2.15、0和0.52 g/L提高至離子交換膜反應(yīng)器的4.24、3.13、2.04和1.71 g/L。相應(yīng)的，污水中氮磷移除率、油脂產(chǎn)率和油脂質(zhì)