【摘要】：近年來(lái),由于石油資源日益枯竭、環(huán)境保護(hù)尤其是CO2減排的迫切性等因素,生物能源的研發(fā)日益受到人們的重視。生物柴油是生物能源中的一種重要產(chǎn)品,制約其發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題集中在原料的可持續(xù)供應(yīng)。微藻是目前生產(chǎn)生物柴油最有希望和前途的原料,它具有生長(zhǎng)迅速、油脂含量高、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng),“不與糧爭(zhēng)地,不與人爭(zhēng)糧”等特點(diǎn),微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開(kāi)發(fā)已成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外生物能源領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。目前,通過(guò)培養(yǎng)能源微藻生產(chǎn)生物柴油的技術(shù)路線在實(shí)驗(yàn)室雖已打通,但是生產(chǎn)成本太高,經(jīng)濟(jì)效益并不明顯,且微藻規(guī)�；囵B(yǎng)生產(chǎn)及生物柴油制備方面的研究較少,這是制約微藻生物柴油商業(yè)化生產(chǎn)的瓶頸。主要體現(xiàn)在光生物反應(yīng)器中微藻培養(yǎng)時(shí)生物質(zhì)濃度低,生產(chǎn)效率低,培養(yǎng)過(guò)程中生物污染嚴(yán)重,造成生物質(zhì)大量損失。此外,微藻生產(chǎn)效率低還限制了其在保健品、藥物、化妝品、農(nóng)用化學(xué)品和飼料等行業(yè)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。本文主要研究了管道式光生物反應(yīng)器改進(jìn)對(duì)提高柵藻產(chǎn)量的影響及培養(yǎng)過(guò)程中生物污染防治對(duì)降低微藻生物質(zhì)損失的影響。另外,還研究了酶促酯化反應(yīng)體系中微藻粗脂和生物質(zhì)不同底物對(duì)生物柴油產(chǎn)率的影響,主要結(jié)果如下:1、采用CFD模擬的方法,研究了內(nèi)螺旋筋對(duì)管道中流體的影響。分析了內(nèi)螺旋筋參數(shù)對(duì)流體旋流數(shù)的影響。(1)與普通管道相比,增加內(nèi)螺旋筋可顯著提高流體旋流數(shù),在設(shè)定的內(nèi)螺旋筋數(shù)量范圍內(nèi),筋數(shù)越多流體旋流數(shù)越大,8根筋管道內(nèi)流體具有最大的旋流數(shù),較1根筋管道流體旋流數(shù)提高了2.5倍;(2)相同內(nèi)螺旋筋數(shù)量,在設(shè)定的螺距范圍內(nèi),螺距越小流體旋流數(shù)越大,相比1000 mm螺距,500 mm螺距管道流體旋流數(shù)提高了1.3倍。2、采用中試規(guī)模(1300 L)管道式光生物反應(yīng)器進(jìn)行室內(nèi)24 h人工光源培養(yǎng),研究了內(nèi)螺旋筋管道對(duì)柵藻培養(yǎng)的影響,微藻產(chǎn)量同CFD模擬結(jié)果保持一致。內(nèi)螺旋筋管道內(nèi)柵藻的生長(zhǎng)速率和細(xì)胞濃度明顯高于普通管道。8根筋500 mm螺距管道內(nèi)柵藻生長(zhǎng)速率和細(xì)胞濃度最大,分別達(dá)到0.055 d-1和3.2 g·L-1,相比普通管道提高了45%。3、結(jié)合形態(tài)學(xué)觀察與分子生態(tài)學(xué)技術(shù)(DGGE),研究了小球藻室外開(kāi)放池培養(yǎng)過(guò)程中污染生物的種群構(gòu)成和數(shù)量。共發(fā)現(xiàn)19種污染生物或操作分類單元,包括兩種真菌、六種鞭毛蟲(chóng)、三種變形蟲(chóng)、兩種絲足蟲(chóng)、三種纖毛蟲(chóng)、一種輪中和兩種大型昆蟲(chóng)。發(fā)現(xiàn)一種敵害污染生物馬勒姆杯狀赭球藻(Poterioochromonas malhanensis)危害巨大,兩天內(nèi)可使小球藻數(shù)量減少8倍,而P.malhanensis數(shù)量增加15倍。另外,采用形態(tài)觀察一年內(nèi)跟蹤研究了柵藻室外管道式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)過(guò)程中的污染生物種類,共發(fā)現(xiàn)13種污染生物,包括一種腔輪蟲(chóng),三種變形蟲(chóng)(吮噬蟲(chóng)和兩種未知種),六種纖毛蟲(chóng)(鐘蟲(chóng)、腎形蟲(chóng)、四膜蟲(chóng)、膜袋蟲(chóng)、吸管蟲(chóng)和一種未知種)和三種鞭毛蟲(chóng)(金藻、眼蟲(chóng)和一種未知種)。除輪蟲(chóng)外,還發(fā)現(xiàn)一種敵害污染生物吮噬蟲(chóng)(Leptophrys sp.)危害巨大,三天內(nèi)可使柵藻生物質(zhì)降低1.98倍。4、采用超聲波技術(shù)對(duì)微藻培養(yǎng)中污染生物進(jìn)行防治。(1)研究了超聲波對(duì)P.malhanensis和一種輪蟲(chóng)的致死作用。P.malhanensis和輪蟲(chóng)的致死率隨著超聲劑量的增加而增大并逐漸飽和,致死率最大分別可達(dá)88.6%和96.4%。(2)當(dāng)超聲波超聲劑量范圍在20 J·mL-1內(nèi),對(duì)不同生長(zhǎng)時(shí)期和狀態(tài)小球藻和柵藻的生長(zhǎng)均不產(chǎn)生抑制作用,對(duì)細(xì)胞油脂含量也無(wú)明顯影響。3 J·mL-1超聲劑量甚至可促進(jìn)延遲期柵藻的生長(zhǎng),培養(yǎng)10天后細(xì)胞濃度比對(duì)照組提高了18.8%。(3)超聲波對(duì)小球藻培養(yǎng)中P.malhanensis污染的防治,發(fā)現(xiàn)超聲波除可有效控制和預(yù)防P.malhanensis的污染外,還可去除或失活包括Colpodella sp.、Saccharomyces sp.、Brachionus calyciflorus、Bradysia sp.、Spumella spp.、Platycotis sp.、一種Orchitophryidae和兩種真菌在內(nèi)的10種污染生物,使小球藻培養(yǎng)中污染生物總類群降低52.6%。(4)敵害污染生物變形蟲(chóng)Leptophrys sp.對(duì)超聲波不敏感,研究了調(diào)節(jié)pH對(duì)Leptophrys sp.的致死作用。發(fā)現(xiàn)利用CO2調(diào)節(jié)pH至6.0并保持4小時(shí)后,可使Leptophrys sp.數(shù)量持續(xù)降低9倍,柵藻生長(zhǎng)未受明顯影響。5、建立酶促酯化微藻全脂制備生物柴油的方法,研究了反應(yīng)體系和反應(yīng)條件對(duì)生物柴油轉(zhuǎn)化率的影響。(1)反應(yīng)體系中微藻油脂底物同叔丁醇存在最佳質(zhì)量比,1:1時(shí)轉(zhuǎn)化率最高;(2)轉(zhuǎn)化率隨著油脂甲醇摩爾比的升高而增大,超過(guò)1:12后轉(zhuǎn)化率增大不顯著;(3)反應(yīng)溫度位于25-55 oC之間時(shí),其對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響不明顯;(4)反應(yīng)的最佳條件是25 oC,油脂叔丁醇1:1,油脂甲醇摩爾比1:12。反應(yīng)4小時(shí)后,達(dá)到最大轉(zhuǎn)化率99.1%;降低油脂甲醇摩爾比至1:3反應(yīng)12小時(shí)后,轉(zhuǎn)化率仍可達(dá)到95%;(5)最佳反應(yīng)條件下反應(yīng)4小時(shí),不同油脂底物的轉(zhuǎn)化率在75-99%之間,說(shuō)明該體系對(duì)多種油脂底物具有良好的適應(yīng)性;(6)N435酶在體系中預(yù)處理165小時(shí)后仍能保持90%以上的酶活,說(shuō)明該體系降低了甲醇對(duì)酶的失活作用,酶在建立的反應(yīng)體系中穩(wěn)定性良好,適合多次使用。6、建立酶促酯化微藻生物質(zhì)制備生物柴油的原位反應(yīng)方法,研究了反應(yīng)體系和反應(yīng)條件對(duì)干藻粉制備生物柴油的影響。(1)體系中干藻粉叔丁醇質(zhì)量比1:2時(shí)生物柴油產(chǎn)量最高;干藻粉甲醇質(zhì)量比增大到2:1時(shí)獲得最大生物柴油產(chǎn)量,繼續(xù)增大甲醇比例不能繼續(xù)提高生物柴油產(chǎn)量,相反叔丁醇比例過(guò)高后會(huì)產(chǎn)生稀釋作用而降低底物濃度,從而影響產(chǎn)量;(2)當(dāng)溫度范圍在25-45 oC之間時(shí),溫度越高,產(chǎn)量越高。提高溫度可提高油脂的提取效率,從而增加生物柴油的產(chǎn)量;(3)優(yōu)化后的反應(yīng)條件是干藻粉叔丁醇甲醇比例2:4:1,反應(yīng)溫度25 oC,反應(yīng)8 h后生物柴油產(chǎn)量比可達(dá)99.2%,同酶促酯化微藻全脂反應(yīng)的產(chǎn)量相當(dāng);反應(yīng)至12小時(shí)后藻粉底物同油脂底物生成生物柴油的產(chǎn)量比達(dá)最大值107.7%,超過(guò)酶促酯化微藻全脂反應(yīng)的產(chǎn)量;(4)N435酶在該體系中預(yù)處理55 d后仍能保持95%以上的酶活,說(shuō)明酶在該反應(yīng)體系中穩(wěn)定性良好,適合多次使用。另外,使用同樣的思路研究了反應(yīng)體系和反應(yīng)條件對(duì)濕藻泥制備生物柴油的影響。優(yōu)化后的反應(yīng)條件是濕藻泥叔丁醇甲醇比例1:1:2,反應(yīng)溫度45 oC,反應(yīng)16小時(shí)后生物柴油產(chǎn)量比最大可達(dá)81.5%。N435酶在含水體系中預(yù)處理4天后酶活降至57.8%,水的存在嚴(yán)重影響酶的穩(wěn)定性。
【圖文】：
圖 1.1 常見(jiàn)的幾種開(kāi)放培養(yǎng)池左上：跑道池；右上：圓形池；下：開(kāi)放水塘物反應(yīng)器——針對(duì)開(kāi)放式培養(yǎng)系統(tǒng)產(chǎn)率低、易受其他生物發(fā)的密閉式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)（圖 1.2）。自 20 世界 50 年代以來(lái)
圖 1.2 幾種常見(jiàn)的密閉式光生物反應(yīng)器：柱式光生物反應(yīng)器；B：管道式光生物反應(yīng)器；C：螺旋式光生物反應(yīng)器D：平板式光生物反應(yīng)器；E：袋式光生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器主要有水平和垂直兩種擺放方式[17, 18]，，因使用方便養(yǎng)各種微藻。平板式 PBR 的擺放角度、光徑和溶氧等都是影響
【學(xué)位授予單位】：暨南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TE667;Q949.2
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本文編號(hào)：2662817
