基于气液分离的膜生物反应器中微藻生物膜生长与代谢特性研究

摘要

微藻是一种优质的生物柴油原料，相比传统的油料作物，它具有光合效率和油脂含量高、培养周期短、不占用耕地等优点。目前，微藻的规模化生产主要采取悬浮式培养，但是悬浮培养具有生物密度低、采收困难等不足。而微藻的生物膜固定化培养则有效解决了上述问题。由此，本课题设计了一种气液分离的膜式光生物反应器，利用膜材料将微藻培养过程中所需要的液体培养基和气体分离开，降低微藻培养过程中 CO2的扰动作用，以提高微藻的吸附能力和生物量密度。并利用所设计的气液分离的膜式光生物反应器开展了气体流速、CO2浓度以及光照强度对微藻生物膜生长与代谢特性的影响研究，并获得优化的微藻培养条件。
　　课题首先开展了不同气体流速对微藻生物膜生长与代谢特性的影响研究。研究发现，随着气体流速的增加，微藻生物膜生物量、叶绿素 a以及叶绿素 b的含量呈先增加后减少的趋势。在气体流速为40 ml/min获得微藻生物膜最大生物量，为28.4 g/m2，在气体流速为60 ml/min获得最高叶绿素a和叶绿素b的含量，分别为13.91 mg/g和9.15 mg/g。微藻细胞中淀粉含量随气体流速变化较大，呈先减少后增加的趋势。而微藻细胞内类胡萝卜素、蛋白质以及油脂的含量随气体流速变化不大，分别占细胞干重的0.00178-0.0028%、25.89-29.82%和12.96-15.8%。另外，当气体流速为20 ml/min时，CO2的除去率最高，为62.4%。
　　通过开展 CO2浓度对微藻生物膜生长与代谢特性的研究发现，微藻生物膜的生物量、蛋白质以及油脂含量都呈先增加后减少的趋势，并都在3%的CO2浓度下达到最大，其中生物膜生物量为29.02 g/m2，蛋白质和油脂含量分别占细胞干重的27.85%和15.8%。当 CO2浓度≥1%时，叶绿素 a的含量明显高于空气组，为22.11-24.56 mg/g，而叶绿素b的含量随CO2浓度的增加有明显的增加趋势，并在10%的CO2浓度条件下达到最高，为16.25 mg/g，类胡萝卜素含量变化不显著。不同CO2浓度下淀粉含量呈先减少后增加趋势，在3%的CO2浓度条件下含量最低，为20.49%。另外CO2浓度为3%时除去率最高为52.5%。
　　通过开展光照强度对微藻生物膜生长与代谢特性的研究发现，微藻生物膜的生物量、类胡萝卜素以及油脂含量随着光照强度的增加呈明显的上升趋势，且都在光强为230μmol·m-2·s-1时达到最高。其中生物膜生物量为38.52 g/m2，类胡萝卜素含量为3.6 mg/g，油脂含量占细胞干重的31%。细胞内叶绿素a、叶绿素b以及淀粉的含量随光照强度呈先增加后减少趋势，在光强为20μmol·m-2·s-1获得最大叶绿素a和叶绿素b的含量，分别为24.81 mg/g和15.08 mg/g，光强为30μmol·m-2·s-1时淀粉含量最高，为39%。而不同光照强度下蛋白质含量差异较小。
　　通过测定小球藻的油脂组分，其中主要的脂肪酸组成为C16:0、C16:1、C18:0、C18:1、C18:2和C18:3，其中饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸分别占总油脂含量的30%和60%。表明该藻是生产生物柴油的良好原料。同时实验结果表明，微藻在培养过程中合理的补充碳源和光照对微藻的生长和产油至关重要，所以在微藻的培养过程中应合理的利用碳源和光能。

目录

1 绪 论

1.1 生物柴油的研究背景及现状

1.2 微藻的悬浮式培养及采收

1.3 微藻的固定化培养

1.4 影响微藻生长代谢的主要因素

1.5 研究的目的、内容和意义

1.6 本文主要的创新点

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.2 主要的设备仪器

2.3 反应器的设计和实验装置的搭建

2.4 实验方法

2.5 实验步骤

3 气体流速对气液分离的膜生物反应器中微藻生物膜生长与代谢的影响

3.1 前言

3.2 气体流速对微藻覆膜和生物膜生长的影响

3.3 气体流速对培养液中NO-3-N消耗的影响

3.4 气体流速对培养液pH变化的影响

3.5 气体流速对反应器中CO2去除率的影响

3.6 气体流速对微藻生化组分的影响

3.7 气体流速对培养液中溶解氧浓度的影响

3.8 小结

4 CO2浓度对气液分离的膜生物反应器中微藻生物膜生长与代谢的影响

4.1 前言

4.2 CO2浓度对微藻覆膜和生长的影响

4.3 CO2浓度对培养基中NO3--N消耗的影响

4.4 CO2浓度对培养基pH的影响

4.5 不同CO2浓度下反应器中CO2的去除率

4.6 CO2浓度对微藻生化组分的影响

4.7 小结

5 光照强度对气液分离的膜生物反应器中微藻生物膜生长与代谢的影响

5.1 前言

5.2 光照强度对微藻覆膜和生物膜生长的影响

5.3 不同光照强度下培养基中NO-3-N的利用状况

5.4 不同光照强度下培养基pH变化

5.5 光照强度对微藻细胞内生化组分的影响

5.6 小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文