小球藻CHLORELLAVULGARIS油脂積累特性及以污水為底物的油脂制備研究.pdf

1、由于能源危機(jī)和溫室效應(yīng)的挑戰(zhàn),可再生且不增加溫室氣體排放的微藻能源近年來得到了廣泛關(guān)注。微藻作為生物能源的原料,具有生長速度快,能量轉(zhuǎn)換效率高,潛在生產(chǎn)規(guī)模大的優(yōu)勢。但是微藻培養(yǎng)和收集過程的營養(yǎng)物和能量消耗,提高了生產(chǎn)成本,限制了微藻能源的工業(yè)化生產(chǎn),利用污水作為微藻培養(yǎng)的底物可以有效的降低微藻培養(yǎng)成本,并且同時(shí)對污水進(jìn)行處理。
　　本論文以污水中常見的Chlorella vulgaris為研究對象,考察了C. vulgaris不

2、同代謝類型時(shí)的生長特性,然后測定了藻細(xì)胞在不同培養(yǎng)條件下的脂含量變化,對C. vulgaris的混養(yǎng)代謝和油脂積累過程進(jìn)行了分析。通過對化學(xué)混凝和電混凝的優(yōu)化比較,確定了C. vulgaris的收集方法,并對C. vulgaris生物質(zhì)在不同溫度下的干燥結(jié)果進(jìn)行了比較。在對以污水為底物的C. vulgaris油脂積累過程進(jìn)行研究后,構(gòu)建了C. vulgaris油脂制備系統(tǒng),對系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)行了分析和評價(jià)。
　　以BG11為基礎(chǔ)培

3、養(yǎng)基,通過有機(jī)碳源和光照的調(diào)節(jié)使C. vulgaris分別進(jìn)行自養(yǎng)、異養(yǎng)和混養(yǎng)代謝。未曝氣時(shí),自養(yǎng)和異養(yǎng)代謝的比生長速率分別僅為0.0018 h-1和0.0083 h-1,而混養(yǎng)代謝則達(dá)到0.0204 h-1。與乙醇、乙酸鈉相比,葡萄糖更適于作為C. vulgaris的有機(jī)碳源。曝氣能夠顯著提高不同代謝類型的比生長速率,空氣曝氣時(shí)的混養(yǎng)代謝比生長速率提高到0.1008h-1,而以20％CO2為氣源時(shí),比生長速率則下降到0.0930h-1

4、。對C. vulgaris不同代謝類型的生長特性分析表明,在C. vulgaris的混養(yǎng)代謝過程中,光合自養(yǎng)和有機(jī)異養(yǎng)同時(shí)發(fā)生,并且兩種代謝途徑互相影響,共同決定藻細(xì)胞的組成和比生長速率。
　　調(diào)節(jié)培養(yǎng)液中的初始營養(yǎng)物濃度,考察了C. vulgaris的油脂積累特性。氮缺乏能夠顯著提高藻細(xì)胞的脂含量,3.75g/LNaNO3時(shí)脂含量僅為7.59%,而0.1g/L NaNO3時(shí)則達(dá)到22.58%。在氮缺乏基礎(chǔ)上,磷含量對脂含量的影響

5、不顯著。葡萄糖對油脂的積累十分重要,5g/L葡萄糖的培養(yǎng)液,96h脂含量達(dá)到17.40%,此后由于葡萄糖不足,240h時(shí)脂含量下降到10.07%。對藻細(xì)胞在不同營養(yǎng)條件下脂含量變化的分析表明,當(dāng)細(xì)胞由于營養(yǎng)限制而停止生長后,需要繼續(xù)獲取充足的光照或有機(jī)底物,才能夠促進(jìn)細(xì)胞油脂的積累。
　　通過對攪拌速度、曝氣量、電流密度、初始細(xì)胞密度和pH等因素的研究,建立了C. vulgaris的電混凝收集方法,當(dāng)初始細(xì)胞密度為0.241 g/

6、L, pH5.0,電流密度0.42 mA/cm2,50rpm持續(xù)時(shí),電混凝15min時(shí)收集率達(dá)到97%,能耗僅為0.610 kWh/kg。對不同培養(yǎng)條件的C. vulgaris培養(yǎng)液收集結(jié)果顯示,與硫酸鋁混凝相比,電混凝在收集率和油脂回收率方面均較高,20min時(shí)的收集率達(dá)到99%~100%,油脂回收率為99%~100%,但是出水中 Al3+含量是硫酸鋁混凝的1.97~2.33倍。較高的干燥溫度會(huì)改變C. vulgaris生物質(zhì)的組成,

7、與-70°C凍干相比,105°C烘干時(shí)C. vulgaris的干重、脂含量和油脂中的酯含量分別降低了3.30%、7.73%和26.30%,而40°C烘干所得到的C. vulgaris生物質(zhì)各項(xiàng)性質(zhì)與凍干相近。
　　分別以人工配水和生活污水培養(yǎng) C. vulgaris,由于生活污水中污染物較為復(fù)雜,因此細(xì)胞密度由人工配水時(shí)的1.496g/L降低到生活污水的0.575g/L;滅菌后的生活污水中C. vulgaris生長較快,但是未滅菌

8、組的污染物去除效率較高。曝氣、光照和底物濃度均會(huì)對污水中C. vulgaris的油脂積累產(chǎn)生影響,適當(dāng)提高CO2濃度和曝氣量能夠提高C. vulgaris細(xì)胞密度和脂含量,光照強(qiáng)度和光照時(shí)間的增加也可以改善C. vulgaris的培養(yǎng)效果,通過向污水中投加葡萄糖提高培養(yǎng)液的COD:TN,能夠顯著的提高細(xì)胞密度和脂含量,當(dāng)COD:TN為50:1時(shí),細(xì)胞密度達(dá)到1.181g/L,脂含量為14.38%。
　　根據(jù)以上研究的結(jié)果,構(gòu)建了C

9、. vulgaris油脂制備系統(tǒng),對生活污水進(jìn)行抽濾、稀釋預(yù)處理后,投加適量KH2PO4和葡萄糖使其COD:TN:TP達(dá)到300:6:1,滅菌后用于C. vulgaris的培養(yǎng),5%CO2曝氣。在2000lx和7000lx的光照強(qiáng)度下,藻細(xì)胞密度分別達(dá)到0.954g/L和1.203g/L,脂含量為14.49%和15.75%,污水中的COD、TN和TP的去除率分別達(dá)到70%,90%和96%以上。成本分析結(jié)果表明,以生活污水為底物時(shí),C.