波浪能驱动漂浮式光生物反应器培养嗜盐碱微藻

摘要

微藻在生物燃料生产、碳减排、水产养殖、废水处理等各方面有巨大应用潜力，但过高的生产成本限制了其大规模产业应用。与高等植物从空气中无成本获得二氧化碳不同，微藻要实现高效培养，必须以人工方式供应二氧化碳到微藻细胞微环境中，这是造成目前微藻生产成本过高的最根本原因。为解决此问题，本研究基于以碳酸氢钠为基础的综合碳捕获和藻类生产系统，即利用碳酸氢钠溶液为微藻培养供应无机碳，在此基础上开发出无通气和搅拌系统、完全靠波浪能实现混合、结构简单、易于放大的漂浮式光生物反应器，并研究了利用培养结束后富含碳酸盐的培养基吸收二氧化碳进行循环培养的可行性。具体研究内容和结果如下: (1)小型漂浮式光生物反应器开发 首先以超嗜盐杆藻(Euhalothece sp.ZM001)为研究对象，研究了利用10cm波高的人造波浪作为唯一混合能量驱动微藻培养的可行性。结果显示其在室内、外培养的最大细胞密度分别为0.91g L-1、1.47g L-1，但是反应器中有时会积累超饱和浓度的溶氧（＞500％空气饱和氧浓度），这表明该反应器传质较差;对该反应器不同液层厚度下氧气传质系数(kLa(O2))进行表征，结果显示该反应器的kLa(O2)为0.13h-1～4.87h-1;利用设计的1.0m2充气薄膜式反应器来探究在自然波浪条件下培养微藻的可行性，结果显示Euhalothece sp.室外海上培养最大的细胞密度为1.63g L-1，平均面积产率为8.27gm-2day-1;另外，该1.0m2反应器也成功应用于海上盐生杜氏藻（Dunaliella salina）、螺旋藻（Spirulina platensis）、小球藻（Chlorella sp.）的培养，这些结果表明波浪作为唯一的混合能量可以满足微藻高效生长的需求。 (2)漂浮式光生物反应器的放大 以螺旋藻（Spirulina platensis）为研究对象，研究了漂浮式光生物反应器在10m2规模的放大。首先考察了碳酸氢钠浓度对S.platensis生长的影响，结果显示其最适生长浓度为0.3mol L-1，最高的碳源利用率（104±2.6％）是在0.1mol L-1碳酸氢钠下取得的;然后考察了S.platensis在1.0m2漂浮式光生物反应器中的生长情况。结果显示，其在5cm液层下获得最高的细胞密度，为2.24±0.05g L-1，而最大面积产率是在10cm液层下取得，为18.9g m-2day-1;最后，1.0m2和10m2反应器的海上对比培养实验结果表明，两者在最终细胞密度和面积产率方面没有显著的差别(p＜0.05)，但是10m2反应器的碳源利用率为45.0±2.8％，而1.0m2反应器的碳源利用率为39.4±0.9％。这些结果表明本研究的反应器具有易于放大的显著优势。 (3)漂浮式光生物反应器水动力特性研究 漂浮光生物反应器内部液体的晃荡是由波浪激励反应器的响应运动导致的，该响应运动是与波浪条件（波高和周期）、反应器的尺寸、液层厚度相关的。因此首先考察了波高(2～10cm)和周期(0.8～1.8s)对响应运动的影响，结果表明反应器的响应运动随着波高增加而变得越发剧烈，但其随周期增加而降低。与长方形的反应器(1.7m∶0.6m，长∶宽)相比，方形反应器(1.0m∶1.0m，长∶宽)的运动幅度更大且锚绳受力更小。然后考察了5、7.5、10厘米三个液层厚度的影响，结果显示液层厚度能够显著影响反应器的运动，但不影响锚绳受力，其中反应器在10cm液层下的运动最剧烈;为了降低海浪的破坏作用，最后考察了有无浮球的锚定系统对反应器运动和锚绳受力的影响。结果表明，两种锚定系统对反应器运动的影响较小，但是有浮球锚定系统能够显著降低反应器锚绳受力。 (4)高碱性絮凝收获微藻并吸收二氧化碳进行循环培养 以富油新绿藻（Neochloris oleoabundans）为研究对象，研究了碳酸氢钠培养微藻结束后利用高pH进行碱性絮凝收获微藻，并吸收二氧化碳进行循环培养的可行性。结果表明，N.oleoabundans的最适生长碳酸氢钠浓度为0.3mol L-1，但其高碳源利用率是在0.1mol L-1碳酸氢钠下获得的;考察了碳酸氢钠消耗后产生的高pH对絮凝的影响，结果表明，在添加20mM Ca2+时的絮凝效率最高，为97.7±0.29％。与此相比，在即使没有添加Ca2+条件下，0.7mol L-1碳酸氢钠下培养的藻细胞絮凝效率也很高，为97.4±0.21％;在8次的循环培养后，0.1和0.3mol L-1实验组的产率分别为0.24、0.39g L-1day-1，略大于它们各自对照组的产率，分别为0.20、0.30g L-1day-1。在循环培养过程中，0.1mol L-1碳酸氢钠浓度实验组和对照组最高的表观碳源利用率分别是242±3.1％、266±11％，而0.3mol L-1碳酸氢钠组的分别为98±0.78％、87±3.6％。这些结果证明了利用碳酸氢钠培养微藻后产生的高pH能够絮凝沉降收获微藻，且该高pH可吸收二氧化碳进行微藻循环培养的可行性，这可以同时降低微藻的培养和收获成本。 这些研究结果证明了在波浪能驱动的漂浮式光生物反应器中利用碳酸氢盐培养嗜盐碱微藻的可行性，而海上放大实验证明了本研究的漂浮反应器易于放大的特性，其水动力特性的研究为设计大型漂浮式光生物反应器及其操作提供了基础数据，循环培养证明了高碱性环境下培养微藻易于收获，而且可吸收二氧化碳循环培养、没有碳酸氢盐净消耗的特性。本研究开发的漂浮式光生物反应器制作成本比传统光生物反应器低一个数量级，可大幅度降低微藻生产成本。而且，利用这一系统培养微藻，类似农作物种植，仅在接种和收获时使用人力和能耗，培养过程中完全靠波浪动力实现混合，不仅可以进一步降低生产成本，最为重要的是可以实现微藻产出能量高于其投入能量的目标，为微藻生物燃料生产打下基础。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1绪论

1．1研究背景与意义

1．1．1微藻及其特点

1．1．2微藻产业应用及前景

1．1．3微藻产业发展的现状及主要限制因素

1．2国内外相关工作研究进展

1．2．1碳源

1．2．2 pH

1．2．3混合的作用及其成本

1．2．4溶解氧气

1．2．5微藻培养系统

1．2．6微藻收获技术

1．3本论文选题依据与研究内容

1．3．1选题依据

1．3．2研究目的和意义

1．3．3研究内容

2波浪能驱动漂浮式光生物反应器培养微藻的研究

2．1 引言

2．2材料与方法

2．2．1实验材料和仪器

2．2．2实验方法

2．3结果与讨论

2．3．1人工波浪条件下的微藻生长情况

2．3．2漂浮反应器内溶氧积累情况

2．3．3漂浮式光生物反应器中混合和传质的研究

2．3．4自然波浪条件下的微藻生长情况

2．4本章小结

3．漂浮式光生物反应器放大及螺旋藻的培养

3．1引言

3．2材料和方法

3．2．1实验材料和仪器

3．2．2实验方法

3．3结果与讨论

3．3．1碳酸氢钠浓度对S.platensis生长的影响

3．3．2碳酸氢钠浓度对碳源利用率的影响

3．3．3纯氧对S.platensis生长的影响

3．3．4培养液层厚度对S.platensis生长和反应器产率的影响

3．3．5漂浮反应器中温度的变化(1．0 m2)

3．3．6漂浮光反应器10 m2放大研究

3．4本章小结

4．漂浮式光生物反应器的水动力学研究

4．1 引言

4．2材料与方法

4．2．1实验材料和仪器

4．2．2实验方法

4．3结果与讨论

4．3．1波高和周期对反应器响应运动的影响

4．3．2波高和周期对锚绳受力的影响

4．3．3液层厚度的影响

4．3．4锚定系统的影响

4．4本章小结

5富油新绿藻碱性絮凝收获及其培养基吸收二氧化碳进行循环培养的研究

5．1引言

5．2材料与方法

5．2．1材料与方法实验材料和仪器

5．2．2实验方法

5．3结果与讨论

5．3．1碳酸氢钠浓度对N.oleoabundans生长的影响

5．3．2碳酸氢钠浓度对碳源利用率的影响

5．3．3循环培养的研究

5．3．4 Ca2+对絮凝采收的影响

5．3．5N.oleoabundans自絮凝的研究

5．4本章小结

6结论与展望

6．1结论

6．2创新点

6．3展望

参考文献

作者简介

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢