基于管式光生物反应器的小球藻培养方法研究

摘要

能源与环境问题是全世界所共同面临的问题，藻类资源化方向已成为学者研究的热点。为了实现微藻的大规模低成本培养，需利用不同类型的光生物反应器。目前培养条件控制较好、微藻产量较高的为管式光生物反应器，为了探究管式光生物反应器中水动力学条件对微藻生长的影响及微藻有效收割方法，本文以小球藻为研究对象，依托湖北工业大学河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室，开展室内实验。对不同流速、雷诺数条件下不同管径反应器小球藻的沉降及生长状况进行研究，确定小球藻沉降及生长的临界水动力条件，并基于通电电解方法对小球藻的收割进行了研究。同时根据室内试验，优化设计了一套微藻连续培养及收割的装置。通过上述研究，主要得到如下认识：
　　1）水动力条件对小球藻沉降的影响
　　在50mm管径光生物反应器中，小球藻沉降比随着流速的增大而降低，其最大值为0.672，最小值为0.021，且将流速与沉降比的线性拟合关系式为Y=-1.6954x+0.7686（R2=0.9812），但均未达到理想状态的完全沉降与完全悬浮，这与小球藻自身生物特性及反应器材质所产生的误差有关。在管径分别为50mm、63mm、75mm和90mm的反应器中，小球藻沉降比均随着雷诺数增大而降低，且变化规律相似。雷诺数可作为表征管式光生物反应器中小球藻的悬浮或沉降的显著影响因子。其值与小球藻沉降比线性关系式为Y=-3E-05Re+0.8019，相关性显著。
　　2）水动力条件对小球藻生长的影响
　　在上述4种不同管径反应器中，不同雷诺数下小球藻生长情况差别较大，但同一雷诺数下小球藻光密度值、比增长率及日产量值相差不大。在雷诺数一定的条件下，各管径小球藻每日光密度值的方差均极小，说明小球藻生长情况与管径无关，只取决于不同的雷诺数。在管径相同、雷诺数不同的试验中，不同雷诺数下小球藻生长情况差异较大。雷诺数较小的梯度下小球藻在实验前期生长较快，实验后期生长缓慢；雷诺数较大的梯度下小球藻实验后期出现迅速生长。在藻液浓度较高时，雷诺数为
　　34757为管式光生物反应器中小球藻生长的最优雷诺数值。管式光生物反应器中小球藻比增长率、日产量均与不同雷诺数、不同藻液浓度有关，其生长适配曲线还有待进一步的实验加以求得。
　　3）基于通电絮凝的小球藻收割方法研究
　　通电絮凝进行对小球藻藻液进行电解实验中，电流密度越大，水藻分离效率越高。当电流密度，增至6mA/cm2后，分离效率增加趋势不显著，可确定2mA/cm2为小球藻电解分离的最优电流密度。藻液初始浓度不同时，小球藻电解分离效果不同，初始藻浓度越低，水藻完全分离的时间越短。对于实际应用中电解成本的考虑，可以对待收割藻液进行过滤、自然沉降等前处理降低藻液浓度后再以通电方式进行收割。
　　4）藻类连续培养及收割装置设计
　　基于室内实验结果，设计了一种新型自动化管式光生物反应器，以浊度值表征藻密度，通过浊度及水压的实时监测，实现了培养液的自动添加和高浓度藻液的自动采收，并通过水气分离口的设计，解决了传统管式光生物反应器溶解累积的问题。同时设计了一种结合过滤法、通电絮凝及气浮法的自动化收割装置，既降低了收割成本，又有效提高了收割效率。

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1 绪论

1.1 科学意义与应用前景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的、内容及技术路线

2 材料与方法

2.1 实验材料

2.2 监测指标及方法

2.3 数据分析

3 水动力条件对小球藻沉降的影响

3.1 前言

3.2 实验方案

3.3 不同流速大小对小球藻沉降的影响

3.4 不同雷诺数大小对小球藻沉降的影响

3.5 本章小结

4 水动力条件对小球藻生长的影响

4.1 前言

4.2 实验方案

4.3 不同管径对小球藻生长的影响

4.4 不同雷诺数大小对小球藻生长的影响

4.5 本章小结

5 基于通电絮凝的小球藻收割方法研究

5.1 前言

5.2 实验设计

5.3 不同电流密度对水藻分离的影响

5.4 不同初始藻浓度下的通电絮凝效果分析

5.5 本章小结

6 藻类连续培养-收割系统设计

6.1 前言

6.2 循环培养管式光生物反应器设计

6.3 连续收割装置设计

6.4 藻类连续培养-收割装置工艺设计

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 研究展望

参考文献

致谢

附录