本文關(guān)鍵詞：低濃度二氧化碳培養(yǎng)微藻的吸收強化和煙道氣組分調(diào)變，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：實現(xiàn)微藻生物固碳,建立以CO2為原料、以太陽能為能源,大規(guī)模生產(chǎn)大宗食物、柴油、化學(xué)品的固碳產(chǎn)業(yè)是目前工業(yè)研究的熱點,提高微藻生物量產(chǎn)率、降低營養(yǎng)鹽成本是固碳技術(shù)能夠規(guī)�；瘧�(yīng)用的關(guān)鍵。本文以一株產(chǎn)油綠藻(二形柵藻)為研究對象,主要從以下兩個方面展開研究：通過對煙道氣等低濃度C02混合氣體傳質(zhì)特性的研究,提出了吸收強化的策略,以期解決微藻規(guī)�；囵B(yǎng)過程中CO2利用率低和補碳能力不足的問題；實驗考察了煙道氣中硫氧化物和氮氧化物對微藻生長過程的影響,并結(jié)合煙道氣的氣液傳質(zhì)特性和微藻細(xì)胞對營養(yǎng)鹽的代謝動力學(xué),提出了對煙道氣組分和濃度的調(diào)變原則。在上述研究的基礎(chǔ)上,提出了直接使用煙道氣培養(yǎng)微藻的前處理工藝,并對其進行了生物過程評價。首先進行了低濃度CO2混合氣體在阱式補碳裝置中的吸收特性的研究,考察了氣體流量和液相pH值對CO2吸收速率和吸收率的影響。發(fā)現(xiàn)利用低濃度CO2混合氣體培養(yǎng)微藻時,存在的主要問題：一是C02吸收率低,尤其是在近中性pH(6-8)的微藻培養(yǎng)條件下：二是整體補碳能力不足,不能滿足微藻細(xì)胞生長對碳源的需求�；贑O2的物理吸收作用,考察了甲醇、碳酸丙烯酯、N-甲基吡咯烷酮和聚乙二醇二甲醚等作為物理吸收強化劑添加到微藻培養(yǎng)體系中時,對微藻生長和C02利用率的影響。結(jié)果表明添加此類強化劑顯著提高了培養(yǎng)液對低濃度C02氣體的吸收率以及微藻生物量產(chǎn)率。借鑒C02捕集與封存技術(shù)中常用的化學(xué)吸收劑——單乙醇胺(MEA),將其作為化學(xué)吸收強化劑應(yīng)用到微藻培養(yǎng)中。通過冷模吸收實驗,發(fā)現(xiàn)添加MEA可以顯著提高培養(yǎng)液對C02的吸收量,并在較寬的pH值(6.5～10.0)范圍內(nèi)能夠保持培養(yǎng)液對C02的高效吸收(吸收率大于60%)。在半連續(xù)培養(yǎng)二形柵藻的過程中,添加0～100 mg/L的MEA,可顯著提高微藻生物量產(chǎn)率和CO2利用率,且MEA沒有損失,可以起到循環(huán)利用、反復(fù)固碳的效果。然而,當(dāng)MEA添加濃度超過150mg/L時,對微藻細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用,影響了生物量產(chǎn)率。三羥甲基氨基甲烷(Tris)具有與MEA類似的吸收原理和相近的CO2吸收量,且更具有生物相容性。在2～8 mmol/L添加濃度時,對微藻細(xì)胞無毒無害。經(jīng)戶外2m2開放式跑道池驗證,添加6 mmol/LTris使微藻生物量產(chǎn)率提高了32～33%,CO2利用率提高了5.9～11.6%。同樣地,Tris不被微藻細(xì)胞所消耗,可以在培養(yǎng)液中循環(huán)利用。氨作為CO2的吸收劑具有諸多優(yōu)勢,同時,氨也可以作為廉價的氮源應(yīng)用到微藻培養(yǎng)過程中。戶外2m2開放式跑道池培養(yǎng)實驗表明,氨作為替代氮源培養(yǎng)微藻時,CO2利用率是硝酸鈉作為氮源使用時的1.2倍;此外,在微藻對氮源的得率相近的情況下,氨作為替代氮源獲得的生物量產(chǎn)率與硝酸鈉相比最大提高了32.8%。采用模擬的煙道氣研究了其不同組分在傳質(zhì)單元的吸收特性,發(fā)現(xiàn)SO2的存在影響了CO2的吸收；高濃度的O2提高了NO的吸收率�；诖私Y(jié)果,并結(jié)合微藻細(xì)胞對營養(yǎng)元素的代謝動力學(xué),提出了對煙道氣組分的調(diào)變原則,即(1)部分脫硫、不脫硝；(2)為提高NO的利用率,還可以考慮將其氧化后利用。根據(jù)調(diào)變原則,提出了藻廠直接使用煙道氣培養(yǎng)微藻的前處理工藝,并通過微藻培養(yǎng)實驗對其進行了評價。實驗結(jié)果表明,當(dāng)煙道氣中含10% CO2、60 ppmSO2時,對微藻培養(yǎng)過程沒有影響,且SO2可以提供微藻生長所需的硫源。將煙道氣中的NO氧化處理后,其吸收率由47%提高至83%,并可以支撐獲得更高的微藻生物量濃度,降低了氮源成本。若使用煙道氣作為唯一的C/N/S源,可以獲得使用正常BG11培養(yǎng)基培養(yǎng)條件下的75.5%的油脂產(chǎn)率。
【關(guān)鍵詞】：微藻培養(yǎng) 低濃度CO_2 氣液傳質(zhì) 吸收強化劑 煙道氣
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(過程工程研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：Q949.2
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 前言16-18
• 1 文獻綜述18-37
• 1.1 微藻概述18-20
• 1.1.1 微藻的定義18
• 1.1.2 微藻生物固碳18-20
• 1.2 微藻培養(yǎng)系統(tǒng)20-23
• 1.2.1 開放式光生物反應(yīng)器20-21
• 1.2.2 封閉式光生物反應(yīng)器21-23
• 1.3 影響微藻生長的因素23-29
• 1.3.1 光照23-25
• 1.3.2 溫度25-26
• 1.3.3 溶解氧26
• 1.3.4 碳源26-27
• 1.3.5 pH27-28
• 1.3.6 無機鹽28-29
• 1.3.7 混合29
• 1.4 補碳系統(tǒng)設(shè)計29-32
• 1.4.1 簡單鼓泡式補碳30
• 1.4.2 阱式補碳30-31
• 1.4.3 罩式補碳31-32
• 1.5 煙道氣組分對微藻生長過程的影響32-34
• 1.5.1 SO_x32-33
• 1.5.2 NO_x33-34
• 1.5.3 煙塵34
• 1.6 文獻小結(jié)和論文研究思路34-37
• 2 低濃度二氧化碳的氣液傳質(zhì)特性37-46
• 2.1 前言37
• 2.2 實驗部分37-39
• 2.2.1 實驗裝置與流程37-38
• 2.2.2 實驗原理與分析方法38-39
• 2.2.2.1 CO_2吸收動力學(xué)系數(shù)的計算38-39
• 2.2.2.2 CO_2吸收率和吸收速率的計算39
• 2.3 結(jié)果與討論39-45
• 2.3.1 低濃度CO_2吸收過程中培養(yǎng)液的總碳濃度及pH值的變化39-40
• 2.3.2 低濃度CO_2流量對CO_2吸收率和吸收速率的影響40-41
• 2.3.3 溶液pH值對CO_2吸收率的影響41-42
• 2.3.4 CO_2吸收動力學(xué)系數(shù)的測定42-43
• 2.3.5 煙道氣中CO_2傳質(zhì)能力分析43-45
• 2.4 小結(jié)45-46
• 3 基于CO_2物理吸收強化微藻培養(yǎng)中的補碳過程46-65
• 3.1 引言46-47
• 3.2 冷模實驗部分47-51
• 3.2.1 實驗裝置與實驗流程47-48
• 3.2.2 典型的CO_2吸收實驗曲線48-50
• 3.2.3 各參數(shù)的定義與計算方法50-51
• 3.3 微藻培養(yǎng)實驗51-56
• 3.3.1 實驗材料51
• 3.3.2 實驗設(shè)備51-52
• 3.3.3 培養(yǎng)方法52-53
• 3.3.3.1 搖床培養(yǎng)實驗52
• 3.3.3.2 氣升式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)實驗52-53
• 3.3.4 分析方法53-55
• 3.3.4.1 微藻生物量濃度的測定53
• 3.3.4.2 微藻中總脂含量的測定53
• 3.3.4.3 微藻中脂肪酸組成的分析53-54
• 3.3.4.4 培養(yǎng)液中營養(yǎng)鹽濃度的測定54-55
• 3.3.4.5 藻細(xì)胞中碳元素含量及培養(yǎng)液中總碳含量的測定55
• 3.3.5 參數(shù)計算55
• 3.3.6 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計55-56
• 3.4 實驗結(jié)果與討論56-63
• 3.4.1 添加不同吸收強化劑對CO_2傳質(zhì)過程的影響56-57
• 3.4.2 添加不同濃度吸收強化劑對微藻生長的影響57-59
• 3.4.3 添加最適濃度的吸收強化劑對碳源利用率的影響59-62
• 3.4.4 添加不同吸收強化劑對總脂含量和脂肪酸組成的影響62-63
• 3.5 本章小結(jié)63-65
• 4 基于CO_2化學(xué)吸收強化微藻培養(yǎng)中的補碳過程65-92
• 4.1 前言65-66
• 4.2 冷模實驗部分66-68
• 4.2.1 實驗裝置和實驗流程66
• 4.2.2 各參數(shù)的定義與計算方法66-68
• 4.3 微藻培養(yǎng)實驗68-73
• 4.3.1 實驗材料68
• 4.3.2 實驗設(shè)備68-69
• 4.3.3 實驗方法69-70
• 4.3.3.1 搖床培養(yǎng)實驗69
• 4.3.3.2 柱狀光生物反應(yīng)器培養(yǎng)實驗69-70
• 4.3.3.3 氣升式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)實驗70
• 4.3.3.4 戶外2 m~2跑道池培養(yǎng)實驗70
• 4.3.4 分析方法70-72
• 4.3.4.1 微藻生物量濃度的測定70
• 4.3.4.2 微藻中總脂含量的測定70-71
• 4.3.4.3 微藻中脂肪酸組成的測定71
• 4.3.4.4 微藻中葉綠素含量的測定71
• 4.3.4.5 藻細(xì)胞中碳元素含量及培養(yǎng)液中總碳含量的測定71
• 4.3.4.6 微藻光合和呼吸速率的測定71-72
• 4.3.5 參數(shù)計算72-73
• 4.3.6 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計73
• 4.4 結(jié)果與討論73-91
• 4.4.1 添加四種醇胺溶液對微藻生長的影響73-74
• 4.4.2 添加單乙醇胺對二氧化碳吸收過程的影響74-77
• 4.4.3 添加單乙醇胺對微藻生長及二氧化碳利用率的影響77-80
• 4.4.4 添加單乙醇胺對微藻總脂含量及脂肪酸組成的影響80-82
• 4.4.5 添加單乙醇胺對微藻細(xì)胞光合放氧速率的影響82-83
• 4.4.6 添加Tris對二氧化碳吸收過程的影響83-87
• 4.4.7 添加Tris對微藻生長和二氧化碳利用率的影響87-91
• 4.5 本章小結(jié)91-92
• 5 “氨替硝”策略對微藻生長及碳源利用的影響92-112
• 5.1 引言92
• 5.2 冷模實驗部分92-93
• 5.2.1 實驗裝置與實驗流程92-93
• 5.2.2 各參數(shù)的定義與計算方法93
• 5.3 微藻培養(yǎng)實驗93-97
• 5.3.1 實驗材料93
• 5.3.2 實驗設(shè)備93-94
• 5.3.3 培養(yǎng)方法94
• 5.3.3.1 室內(nèi)培養(yǎng)實驗94
• 5.3.3.2 開放式培養(yǎng)實驗94
• 5.3.4 分析方法94-96
• 5.3.4.1 微藻生物量濃度的測定94
• 5.3.4.2 微藻中總脂含量的測定94
• 5.3.4.3 微藻中脂肪酸組成的分析94-95
• 5.3.4.4 培養(yǎng)液中營養(yǎng)鹽濃度的測定95-96
• 5.3.5 參數(shù)計算96-97
• 5.3.6 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計97
• 5.4 結(jié)果與討論97-111
• 5.4.1 添加氨對二氧化碳吸收過程的影響97-99
• 5.4.2 氮源形態(tài)和濃度對二形柵藻生長及油脂積累的影響99-102
• 5.4.3 二形柵藻對不同氮源的代謝動力學(xué)研究102-103
• 5.4.4 “氨替硝”策略在氮源限制時對微藻生長及碳源利用的影響103-108
• 5.4.5 “氨替硝”策略在小規(guī)模開放池條件下的驗證108-111
• 5.5 本章小結(jié)111-112
• 6 煙道氣中其他組分的傳質(zhì)特性及其生物學(xué)效應(yīng)112-131
• 6.1 前言112
• 6.2 冷模實驗部分112-114
• 6.2.1 實驗裝置和實驗流程112-113
• 6.2.2 各參數(shù)的定義與計算方法113-114
• 6.3 微藻培養(yǎng)實驗114-117
• 6.3.1 實驗材料114
• 6.3.2 實驗設(shè)備114
• 6.3.3 培養(yǎng)方法114-115
• 6.3.4 分析方法115-117
• 6.3.4.1 微藻生物量濃度的測定115
• 6.3.4.2 微藻中總脂含量的測定115
• 6.3.4.3 微藻中總糖含量的測定115-116
• 6.3.4.4 微藻中蛋白質(zhì)含量的測定116-117
• 6.3.4.5 培養(yǎng)液中營養(yǎng)鹽濃度的測定117
• 6.4 實驗結(jié)果與討論117-129
• 6.4.1 模擬煙道氣的吸收過程117-120
• 6.4.2 煙道氣中營養(yǎng)元素的傳遞過程原理120-124
• 6.4.3 硫氧化物的生物學(xué)效應(yīng)124-126
• 6.4.5 氮氧化物的生物學(xué)效應(yīng)126-128
• 6.4.6 微藻培養(yǎng)對煙道氣組分濃度的要求128-129
• 6.5 本章小結(jié)129-131
• 7 煙道氣適度處理工藝及其生物過程評價131-144
• 7.1 前言131
• 7.2 煙道氣處理工藝的選擇131-136
• 7.2.1 脫硫工藝選擇131-134
• 7.2.2 一氧化氮的氧化方法134-136
• 7.3 微藻培養(yǎng)實驗136-137
• 7.3.1 培養(yǎng)方法136-137
• 7.3.2 分析方法137
• 7.3.2.1 微藻生物量濃度的測定137
• 7.3.2.2 微藻中總脂含量的測定137
• 7.3.2.3 培養(yǎng)液中營養(yǎng)鹽濃度的測定137
• 7.4 實驗結(jié)果與討論137-143
• 7.4.1 對煙道氣中硫氧化物調(diào)變策略的生物過程評價137-139
• 7.4.2 對煙道氣中氮氧化物調(diào)變策略的生物過程評價139-141
• 7.4.3 煙道氣作為唯一C/N/S源時對微藻培養(yǎng)過程的影響141-143
• 7.5 本章小結(jié)143-144
• 8 結(jié)論與展望144-148
• 8.1 結(jié)論144-145
• 8.2 創(chuàng)新點145
• 8.3 展望與建議145-148
• 符號表148-149
• 參考文獻149-156
• 附表A MEA-CO_2-H_2O體系化學(xué)平衡模型計算156-158
• 附錄B 戶外培養(yǎng)條件記錄158-160
• 附錄C 質(zhì)譜儀氣體濃度標(biāo)定160-162
• 個人簡歷及發(fā)表文章目錄162-164
• 致謝164

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1 黃英明;王偉良;李元廣;謝靜莉;范建華;陶黎明;;微藻能源技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展思路與策略[J];生物工程學(xué)報;2010年07期

2 朱明珍;微藻產(chǎn)生的抗生素[J];國外藥學(xué)(抗生素分冊);1987年01期

3 韓迎山;;微藻生物技術(shù)及其應(yīng)用前景[J];植物雜志;1990年06期

4 馬志珍;;微藻固定化培養(yǎng)技術(shù)及其應(yīng)用前景[J];國外水產(chǎn);1993年03期

5 林偉,陳，

本文編號：302525