微藻在不同波长光谱下生长规律及水热液化制备生物质油的优化工艺研究

摘要

随着人类社会的发展，能源过度消耗，原油价格不断上涨，传统化石能源日益枯竭以及能源消耗过程中造成的环境污染，使得能源危机和环境污染问题日益严重，促使世界各国政府都在寻找可代替传统化石能源的新型可再生、清洁能源。微藻凭借其光合作用效率高、生长速率快、环境适应能力强、生物产量高以及脂肪产率大等优点，作为可再生清洁生物质能源的开发和应用已受到广泛关注，被认为是解决未来能源危机最具潜力的生物能源，具有环境友好性和可持续发展性。目前，实现微藻生物质能源产业化需要亟待解决的关键问题是如何降低生产成本、提高微藻产量和微藻油转化的生产效率，进而促进微藻生物质能源产业的可持续健康发展。 本文选用小球藻、球等鞭金藻和螺旋藻3种典型微藻为研究对象，利用LED光源可以提供不同波长光谱的特点，讨论了不同波长光谱组合光源（100％红光、90％红光+10％蓝光、70％红光+30％蓝光以及50％红光+50％蓝光）培养条件对3种微藻生长和脂肪含量积累的影响。利用可见/近红外光谱和高光谱成像技术对微藻生长过程中的生物量、脂肪、蛋白质和叶绿素含量等生长生命信息进行信息采集和分析，对微藻生长过程进行监测，分析3种微藻体内脂肪动态变化规律，为微藻生长过程中合理添加人工培养光源提供理论支持。最后，采用蛋白质含量高、脂肪含量低、生产速度快的螺旋藻藻粉为原料，通过二次回归通用旋转组合设计对影响微藻热液化生产生物质油的料液比、反应温度和保持时间等3个主要影响因素进行试验设计，利用响应曲面法对螺旋藻藻粉进行热液化转化生物油进行了工艺优化研究。论文取得的主要结果如下: (1)微藻不同波长光谱光源培养过程中，波峰位于660 nm处的红光和波峰位于450 nm处的蓝光的不同波长光谱组合光源可以促进本研究中3种典型微藻的生长。不同微藻生长受不同波长光谱影响不完全相同。生物量增长方面，小球藻和螺旋藻在70％红光+30％蓝光波长光谱组合光源培养条件下生物量积累较多，收获期小球藻和螺旋藻生物量干重分别为0.400±0.0048和0.455±0.0126g/L、球等鞭金藻在90％红光+10％蓝光波长光谱组合光源培养条件下生物量积累较多，生物量干重为0.779±0.0066 g/L、3种微藻均在50％红光+50％蓝光波长光谱组合光源培养条件下生物量积累最少;脂肪积累方面，100％红光波长光谱光源培养条件下3种微藻的脂肪积累量均最多，小球藻、球等鞭金藻和螺旋藻的收获期脂肪含量分别为33.5±0.49、32.3±1.02和8.45±0.225％，每种微藻随着450 nm的蓝光波长光谱比例增加藻体内脂肪的积累量逐渐减少，且在50％红光+50％蓝光波长光谱组合光源培养条件下的试验条件下脂肪积累量均为最少;色素含量方面，3种微藻受不同波长光谱光源的影响各不相同，最终收获期各波长光谱下叶绿素a含量大小规律均不相同，小球藻和螺旋藻中70％红光+30％蓝光波长光谱组合光源条件下，叶绿素a含量最多，球等鞭金藻对照组中含量最多。研究结果表明单一红光波长光谱光源对于本研究中的3种微藻的生长和脂肪积累均有促进作用，在促进生长方面，蓝光波长光谱光源在不同波长光谱组合光源中增加的比例跟微藻种类相关，蓝光波长光谱光源增加到50％的比例且红光波长光谱光源减少到50％的比例时会抑制微藻的生长和脂肪积累; (2)采集了3种微藻生长适应期、生长指数期和生长平稳期3个生长过程中的可见/近红外光谱，分析了吸光度与干物质含量相关的波长，建立了3种微藻对于叶绿素a、脂肪和蛋白质指标的多元线性回归快速预测模型，相关性较好。研究结果表明，在730 nm处藻液的光谱吸光度与干物质重的相关性较好，对于小球藻、球等鞭金藻和螺旋藻的决定系数R2分别为0.984、0.972和0.980;通过建立微藻脂肪含量的多元线性回归预测模型，实现了微藻不同生长期脂肪含量的动态变化分析。研究表明，3种微藻藻体中脂肪含量都在一定时间内保持相对稳定，在接近生长平稳期时，脂肪含量开始增加。对于小球藻和球等鞭金藻，从生长指数期开始到生长平稳期，脂肪变化量在10％～15％之间，而螺旋藻中脂肪含量较低，生长初期和末期藻体中脂肪含量差异不大，含量变化量仅有1％左右; (3)采用高光谱成像分技术分析了生长平稳期收获时3种微藻的高光谱图像，研究结果表明该技术对小球藻和螺旋藻藻液中微藻生物量和脂肪分布有较好的可视化分析结果，对于藻体脂肪含量分布特点的可视化分析结果表明收获期藻体细胞中脂肪含量分布并不均匀;利用高光谱图像技术对球等鞭金藻的可视化分析结果较差，信息获取与分析需进一步优化; (4)采用傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectrometer，FT-IR)和气相色谱质谱联用仪（Gas chromatograph-mass spectrometer，GC-MS）2种方法对收获藻粉的脂肪含量及组分进行分析。FT-IR分析表明不同波长光谱光源培养条件下同一种微藻中的有机物成分差异不大。GC-MS分析表明不同波长光谱组合光源对不同微藻体内脂肪的组分及不同组分含量的影响各不相同:对于小球藻，各组中不饱和脂肪酸（Unsaturated fatty acid，UFA）含量大于饱和脂肪酸（Saturated fatty acid，SFA）含量，除50％红光+50％蓝光波长光谱组合光源培养条件其余各组相互之间对应UFA和SFA含量差异并不大，100％红光波长光谱培养条件下UFA相对较多占总脂肪酸含量的68.2％左右，除了70％红光+30％蓝光和50％红光+50％蓝光波长光谱组合光源培养条件下没有检测出C20∶5(EPA)外其余各组都有EPA检出;对于球等鞭金藻，除了50％红光+50％蓝光波长光谱组合光源培养条件下没有EPA检出外，其余各组均含有少量C22∶6(Docosahexaenoic acid，DHA)和EPA检出，100％红光和90％红光+10％蓝光波长光谱组合光源中DHA含量相对较高，比其余各组多0.5％～1％左右，各组中油酸(C18∶1)的含量较多;对于螺旋藻，脂肪酸的种类较其余两种微藻少，各组中SFA和UFA含量比例相当，其中SFA主要为棕榈酸(C16∶0)，UFA主要为亚麻酸(C18∶3)，100％红光波长光谱光源培养条件下UFA含量相对较多，在总脂肪酸中所占比例相较其余各组要多3％～8％左右; (5)研究了在单因素试验基础上，通过三因素五水平旋转通用回归设计试验，对影响微藻热液化生产生物质油的3个主要因素——料液比、反应温度和保持时间进行试验分析，并以生物油产量为响应值，利用响应曲面分析得到了优化后的最优工艺参数:最佳的试验条件是料液比为10.5/100(藻粉，mg/去离子水，mL)，反应温度为357℃，保持时间为37min，在此反应条件下，最大的生物质油产量是44.6％。利用新鲜培养的螺旋藻在该条件下进行转化，产率为42.3％，产量较高，高位热值(High heat value，HHV)较微藻原料得到了显著提升，从原料的18 MJ·Kg-1提升到30 MJ·Kg-1左右，但得到的生物油含氧量较高，粘度较大，通过GC-MS进行成分分析油品质量还有待进一步提高。

目录

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致谢

摘要

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主要英文缩略表

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 微藻简介

1．3 微藻的养殖及热液化转化

1．3．1 微藻培养方式

1．3．2 光对微藻生长的影响

1．3．3 不同波长光谱光源培养

1．3．4 微藻热化学液化转化

1．4 微藻生物能源国内外研究现状

1．4．1 光谱影响微藻培养的研究现状

1．4．2 水热液化微藻制备生物燃料研究进展

1．4．3 微藻培养和转化存在的问题

1．5 研究目标和内容

1．5．1 研究目标

1．5．2 研究内容

第二章 试验设计与方法

2．1 主要仪器

2．1．1 高温高压反应釜

2．1．2 高光谱成像系统

2．1．3 便携式可见／近红外光谱仪

2．1．4 FT／IR-4100傅立叶红外光谱仪

2．1．5 奥林巴斯CX31三目生物显微镜

2．1．6 气相色谱-质谱联用仪

2．1．7 旋转蒸发仪

2．1．8 元素分析仪

2．2 LED光谱组合光源设计及微藻培养

2．2．1 LED光谱组合光源设计

2．2．2 微藻培养

2．3 热化学液化实验设计

2．3．1 响应曲面试验优化理论

2．3．2 试验设计

2．3．3 试验因素及水平

2．3．4 试验方法

2．4 品质检测与评价方法

2．4．1 不同波长光谱组合光源微藻培养

2．4．2 热化学液化生物质油品质分析

2．5 数据处理

2．5．1 一般数据统计分析

2．5．2 化学计量学方法

2．5．3 数据处理软件

2．6 本章小结

第三章 不同波长光谱对小球藻生长规律的影响

3．1 引言

3．2 显微镜图像

3．3 生长曲线绘制

3．4 小球藻理化值分析

3．5 小球藻生长过程中光谱特性分析

3．5．1 可见／近红外光谱

3．5．2 高光谱图像

3．5．3 小球藻粉的FT-IR分析

3．6 小球藻体内脂肪成分的GC-MS分析

3．7 本章小结

第四章 不同波长光谱对球等鞭金藻生长规律的影响

4．1 引言

4．2 显微镜图像

4．3 生长曲线绘制

4．4 球等鞭金藻的理化值分析

4．5 球等鞭金藻生长过程中光谱特性分析

4．5．1 可见／近红外光谱

4．5．2 高光谱图像

4．5．3 球等鞭金藻粉的FT-IR分析

4．6 球等鞭金藻体内脂肪成分的GC-MS分析

4．7 本章小结

第五章 不同波长光谱对螺旋藻生长规律的影响

5．1 引言

5．2 显微镜图像

5．3 螺旋藻生长曲线绘制

5．4 螺旋藻的理化值分析

5．5 螺旋藻生长过程中光谱特性分析

5．5．1 可见／近红外光谱

5．5．2 高光谱图像

5．5．3 螺旋藻粉的FT-IR分析

5．6 螺旋藻体内脂肪成分的GC-MS分析

5．7 本章小结

第六章 螺旋藻水热液化工艺优化结果与讨论

6．1 引言

6．2 螺旋藻粉水热液化单因素试验

6．2．1 液料比对生物质油产率的影响

6．2．2 温度对生物质油产率的影响

6．2．3 保持时间对生物质油产率的影响

6．2．4 单因素试验结果分析

6．3 产量分析

6．4 显著性分析

6．5 响应曲面分析

6．6 元素及热值分析

6．7 FT-IR分析

6．8 GC-MS分析

6．9 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

作者简历

参考文献