發(fā)布時間：2020-06-16 14:35

【摘要】：微藻基生物能源是被廣泛認為最具潛力替代傳統(tǒng)化石能源的可再生能源。傳統(tǒng)懸浮式微藻生產培養(yǎng)模式由于存在生物質收獲難、培養(yǎng)效率低等諸多缺陷而難以大規(guī)�；\用于微藻基生物能源的生產。微藻生物膜技術因生物質收獲簡單,基建投資低,能耗水耗小等優(yōu)點而得到了大力研究發(fā)展。然而生物膜技術的關鍵是支撐微藻細胞附著成膜的載體材料,其細胞附著成膜效率的高低直接決定工藝系統(tǒng)的生物質產出效率和經濟性。傳統(tǒng)生物膜載體材料如金屬材料(金屬網、金屬板等),布料(棉布、棉繩、無紡布、靜電植絨布等),膜材料(微孔濾膜、醋酸纖維濾膜、玻璃纖維濾紙等)等價格昂貴,容易被腐蝕,不經久耐用,抗機械破壞能力差進而難以實現大規(guī)模化。為此,本研究首先大膽嘗試利用分布廣泛、資源充足、價格低廉的木質纖維材料如松木鋸末、蔗渣、谷殼和橡木鋸末這一類農林廢棄物作為微藻生物膜的載體材料以開發(fā)出一種經濟高效的適用于工業(yè)化的生物膜載體。利用這些材料作為載體在自主開發(fā)設計的四通道平板生物膜光生物反應器上進行混合微藻的生物膜培養(yǎng)實驗發(fā)現,木質纖維載體其所形成生物膜產量要遠高于有機玻璃材料以及傳統(tǒng)懸浮式培養(yǎng)。所獲得微藻其脂質含量在20.10-23.20%之間,蛋白質含量在30.35-36.73%之間,碳水化合物的含量在20.29-25.93%之間。其中以松木鋸末作為載體可以獲得10.92 g·m~(-2)·day~(-1)的微藻產量。通過利用激光共聚焦技術掃描木質纖維載體的表面發(fā)現其較高的生物膜產量主要是由于其粗糙的表面促進了微藻細胞的附著,保護了早期所附著細胞和所形成的生物膜。此外載體材料所引入的絲狀微生物也有助于微藻細胞的附著并促進產量的提高。其次,研究了木質纖維材料作為載體其對于微藻細胞生長繁殖的毒性影響。利用松木鋸末、蔗渣和谷殼作為載體,其由于培養(yǎng)液沖刷和水洗作用而會向系統(tǒng)中釋放或吸收氮、磷和有機物等物質。通過利用材料的瀝濾液對小球藻進行培養(yǎng)發(fā)現,材料的瀝慮損失過程對于小球藻的生長繁殖并不存在顯著的抑制或者促進作用(P0.05)。對所收獲懸浮小球藻的內含物進行分析發(fā)現,材料的瀝濾損失過程對微藻的代謝合成存在影響。其中鋸末的瀝濾損失可一定程度上抑制脂質的合成,而蔗渣和谷殼的這一過程可一定程度上抑制蛋白質的合成。然而,三種材料的瀝濾損失過程均可促進小球藻飽和脂肪酸的合成并抑制不飽和脂肪酸的合成,優(yōu)化脂肪酸甲酯的構成。再次,利用自主開發(fā)設計的三十通道平板生物膜光生物反應器以松木鋸末和蔗渣作為載體在不同粒徑、添加量以及培養(yǎng)模式條件下進行了一系列生物膜培養(yǎng)試驗。并借助激光共聚焦顯微鏡、比表面積分析儀和真密度分析儀等手段表征了材料的表面粗糙度、持水性能、比表面積以及所形成床層空隙度。研究發(fā)現,復生模式下利用培養(yǎng)液中殘存的懸浮微藻細胞接種新鮮載體可以獲得較高的生物膜產率:6-16 g·m~(-2)·day~(-1)。此外,材料的種類和粒徑對于所形成生物膜產率的影響主要是通過材料表面粗糙度、持水性能、比表面積和所形成床層空隙度來實現的。而材料添加量對于所形成生物膜產率的影響則主要是通過單位面積上所形成床層所能提供的總比表面積和總持水量來實現的。優(yōu)秀的材料應具有較大的表面粗糙度、持水能力和比表面積以及較小的床層空隙度和粒徑。其中材料比表面積和表面粗糙度是衡量不同材料優(yōu)異的重要指標。且一種材料最佳使用工況要結合生物膜的產出和材料的使用成本綜合考慮。本研究條件下松木鋸末和蔗渣的最佳粒徑添加量為30-40目416.67 g·m~(-2)。最后,針對表面粗糙度對于細胞沉降附著存在廣泛影響這一現象。利用生物膜培養(yǎng)試驗結合多物理場耦合仿真的手段系統(tǒng)研究了流動的環(huán)境中材料表面粗糙度對于微藻細胞附著成膜的影響機理。實驗發(fā)現,材料的表面粗糙度主要是通過導致壁面附近流體速度矢量分布的不均勻和劇烈變化而促進細胞于表面的附著。表面的粗糙會由于流體速度矢量的劇烈變化而截獲培養(yǎng)液中用以接種載體的懸浮細胞。且流體速度矢量分布的不均勻及劇烈變化所形成的局部流體動力學環(huán)境如停滯區(qū)域和回流區(qū)域亦可有效捕獲培養(yǎng)液中的微藻細胞。由于細胞的初始附著得以促進,接種量增大,停滯期縮短,進而使得生物膜最終產量得以提高。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK6;Q949.2
【圖文】：

封閉式光生物反應器可以根據其外部結構簡單分為三大類：管式光生物反應器，柱式光生物反應器和平板光生物反應器這三種[25]。管式光生物反應器是由一系列彎曲、對折、平行、透明的管道所組裝成的管式微藻懸浮培養(yǎng)系統(tǒng)（圖 1.2）。其管道可由透明硬質塑料、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯圓管構成，并根據設計需要和實際情況可設計成多管平行豎直布置的排狀結構，或者多重圈式水平平行排布，亦或者螺旋上升圈式排布。微藻懸浮培養(yǎng)液在管內通過泵的作用而不斷循環(huán)以使細胞保持懸浮并起到攪拌的作用，使培養(yǎng)液交替進入到營養(yǎng)添加單元以補充營養(yǎng)、脫除所產生的氧氣并收獲微藻生物質。豎直多排的布置還可以對入射光進行稀釋，增大系統(tǒng)容積面積比，提高光合作用產出效率。管式光生物反應器的優(yōu)勢在于系統(tǒng)接受光照的面積大，較短的管內光路使得細胞能夠被充分的輻照而光合作用效率高，培養(yǎng)效率高，細胞密度大。但是其復雜的管狀構造、昂貴的基建投資以及較小的培養(yǎng)容積限制了其大規(guī)�；\用。且較小的液體容積導致其不穩(wěn)定的系統(tǒng)溫度浮動使得需要對其在高溫或者低溫天氣進行降溫和保溫操作。

7整個系統(tǒng)容積面積比，提高光合作用效率和光能利用率。但其系統(tǒng)基建投資較高和運營維護復雜。圖1.3A是常見板式光生物反應器的運行示意圖。根據板式構筑物的不同，研究人員們設計制作了各種板式反應器，有增大入射光接受面積的螺紋板式反應器，有為降低基建投資而設計的塑料懸浮袋式反應器，亦有平板反應器與建筑相結合充分利用建筑的非功能部分的綠色節(jié)能建筑。圖 1.3D 是荷蘭瓦赫寧根大學 AlgaePARC 的中試懸浮袋式反應器[23]，以平板懸浮培養(yǎng)袋代替了造價昂貴的玻璃板式反應器，且系統(tǒng)的溫度可由使其懸浮的大容積水所很好的調節(jié)。圖 1.3C 是奧雅納（ARUP）公司推出的綠色節(jié)能建筑，建筑外表面的非功能區(qū)設置了平板光生物反應器。圖 1.3（A）平板光生物反應器示意圖[22]，（B）多層平板光生物反應器實物圖（圖片來源于www.google.com），（C）奧雅納 （ARUP）所開發(fā)設計的節(jié)能建筑上的平板光生物反應器（圖片來源于 www.arup.com）

【參考文獻】

相關博士學位論文 前1條

1 付鵬;生物質熱解氣化氣相產物釋放特性和焦結構演化行為研究[D];華中科技大學;2010年

本文編號：2716168