具有半透膜和补料装置的光生物反应器开发

摘要

微藻生长速度快，光合效率高，应用潜力巨大，但目前成本过高，是限制微藻产业化发展的主要因素。半透膜式光生物反应器有希望实现原位利用水体中营养物，但水体中营养成分可能不全面，无法满足微藻高效生长的需求。为解决以上问题，本研究设计了具有补料装置的半透膜漂浮式光生物反应器，期望通过缓释补料解决营养供给的问题。而且，进行碳酸氢盐补料时，其消耗后产生氢氧根离子会引起pH上升。在具有半透膜装置的漂浮式反应器中，氢氧根离子可以透过半透膜释放到水体中，可以解决维持pH稳定的问题。
　　本研究首先建立了具有半透膜装置和补料装置的漂浮式反应器的设计方法，利用理论推导得到了其设计过程中的膜面积计算公式，通过实验确定了相关参数，代入推导出的相关公式分别得到理论设计的半透膜装置尺寸，最后根据反应器和装置制作的实际情况确定合适的半透膜面积，并针对难以满足的营养成分，选定合适的补料装置尺寸。这为该反应器系统的设计提供了基本方法和实例。
　　在确定了漂浮式光生物反应器装置的具体参数和方法后，进行了微藻培养实验进行了验证，发现具有半透膜装置的实验组pH普遍维持在一个相对稳定的范围内，螺旋藻pH均没有超过9.6，盐生杜氏藻的最终pH稍微超过10，海水小球藻的pH控制在9.7左右，证明了半透膜装置对pH控制的作用，而且具有补料装置的实验组补料的营养盐的浓度都至少维持在半饱和常数之上，说明补料装置的存在可以解决水体中营养成分不足的问题。基于以上优势，同时具有半透膜装置和补料装置的实验组在三种微藻培养过程所得干重均为最大，分别相对于普通的漂浮式反应器，螺旋藻在10天内最高产量提高了23.8%，盐生杜氏藻10天内最高产量提高了28.0%，海水小球藻在7天内最高产量提高了173.3%。在微藻培养过程中，反应器内部离子浓度与生物量具有一定的关系，通过理论计算值与实际试验值相比较，发现螺旋藻和海水小球藻总无机碳和总氮预测最大相对误差没有超过10%，验证了微藻生物量与反应器离子浓度之间的模型的准确性。
　　本研究成功开发了具有补料装置的漂浮式光生物反应器，解决了原有系统中某些营养物从水体中补充速率太慢、无法满足微藻高效生长的问题，而且，通过半透膜释放氢氧根离子，可以解决碳酸氢盐消耗引起的pH上升问题。本研究还建立了在该光生物反应器系统中培养微藻时营养物传质和微藻生长的基本模型，给出了该系统的设计原则和方法，为其日后应用奠定了基础。

目录

声明

1 绪论

1.1 微藻概述

1.1.1微藻生物学特性

1.1.2 几种常见的商业化微藻

1.2 培养条件对微藻生长的影响

1.2.1微藻对无机碳源的利用

1.2.2 微藻对氮源的利用

1.2.3 微藻对磷源的利用

1.2.4 营养物浓度对微藻生长的影响

1.2.5 pH对微藻生长的影响

1.3 微藻培养技术进展

1.3.1 微藻培养系统

1.3.2 开放池培养

1.3.3 封闭式培养系统

1.3.4 漂浮式培养系统研究进展

1.4 本论文选题依据与研究内容

2 半透膜式光生物反应器的传质模型与设计原则

引言

2.1 理论模型推导

2.2 模型相关参数测定

2.2.1 材料与方法

2.1.2 结果与讨论

2.3 反应器的设计原则

2.4 本章小结

3 半透膜光生物反应器培养微藻的实验验证

引言

3.1 实验材料与方法

3.1.1 藻种

3.1.2 培养基

3.1.3 培养条件与方法

3.1.4 pH测定

3.1.5 细胞干重测定

3.1.6 碳酸氢根、硝酸根以及磷酸根测定

3.2 实验结果与讨论

3.2.1 目标碱湖水培养螺旋藻

3.2.2 目标盐湖水培养盐生杜氏藻

3.2.3 目标海水培养海水小球藻

3.3 反应器内部营养物浓度与生物质浓度关系模型建立与检验

3.3.1 反应器内部营养物质浓度与生物质浓度关系模型建立

3.3.2 反应器内部营养物质浓度与生物质浓度关系模型检验

3.4 本章小结

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢