微藻贴壁材料的制备与应用研究

发布时间：2020-08-20 20:33

【摘要】：能源是社会发展和经济增长的基本驱动力,在经济发展中起重要作用,而煤炭、天然气、化石燃料等不可再生能源使社会资源供给和生态环境面临巨大压力。因此,寻求可再生的清洁能源来解决能源紧张并缓解气候变化、能源安全问题变得尤为重要。微藻生物能源具有固碳、自净和有效利用土地等环境效益,是替代不可再生能源的理想能源。目前,工业化微藻培养采用传统的液体悬浮式培养,主要包括跑道开放式培养池和柱式密闭光生物反应器(Closed Photobioreactor,PBR),其共同特点是耗水量巨大,占整个液体培养体系的90%以上。开放式培养中微藻生长缓慢、易被杂藻污染、培养池占地面积大,而PBR培养虽解决了开放式培养池的不足,也能显著提高微藻培养密度,但造价昂贵、运行成本高,无法实现低成本、大规模培养的目标。因此,半干贴壁培养在生物膜基础上应运而生,其培养效率、营养盐消耗、需水量等方面均优于同等环境条件下的液体悬浮培养。本文以解决半干贴壁培养方法的核心问题——贴壁材料的合成为目标,运用傅里叶红外(FT-IR)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、Zeta电位等表征手段,依据体系的性状、膜性能以及贴壁材料在培养液中实际情况等方面对不同的体系制备的膜展开研究,为寻求和制备具有潜质的贴壁材料提供新思路和新方法。研究内容和得出的结论如下:(1)通过对玉米淀粉凝胶、玉米淀粉-丙烯酸酯凝胶和阳离子丙烯酸酯乳液体系研究发现:以丙烯酸正丁酯(BA)/甲基丙烯酸甲酯(MMA)/丙烯酸铵(AM)/甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)为共聚单体合成的一种新型阳离子丙烯酸酯乳液体系与具有可降解性和可溶性的玉米淀粉凝胶相比,前者更适合制备用作微藻培养的贴壁材料,用于培养产油藻和淡水螺旋藻等带负电的微藻。(2)采用单因素变量法,对阳离子丙烯酸酯乳液合成的工艺条件优化研究发现:以BA为软单体,MMA为硬单体,AM为交联性功能单体,DMC为阳离子单体组成共聚单体,采用半连续预乳化乳液聚合工艺,能够得到一种稳定的新型阳离子丙烯酸酯乳液。在400r/min搅拌速率和75℃恒温条件下,当BA:MMA质量比为30:70,引发剂为单体质量1%,非离子乳化剂OP-10为丙烯酸酯类单体质量4.5%,溶剂水为体系总质量70%时,反应4h制备得到的阳离子丙烯酸酯乳液和膜材料的综合性能最佳。该乳液乳胶粒子直径为150-200nm,具备核壳结构。(3)微藻在阳离子丙烯酸酯膜上的生物量随培养时间的增加而增多,其生长速率先增大后减小,在第9天时膜材料上吸附生长的微藻已能够完全覆盖膜表面,微藻生物量达到1.364mg/cm~2,之后微藻生长速率逐渐减慢。(4)微藻更易在表面粗糙度大且正电荷密度大的膜材料表面吸附生长,其生物量随膜表面粗糙度和表面电荷密度的增大而增加。
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2
【图文】：

流程图,流程图

本论文研究内容流程图

示意图,微藻培养

AIBI solutionBA,MMA,AM,DMC,OP-10,waterMagneton图 2-3 阳离子丙烯酸酯乳液体系合成装置Fig. 2-3 The synthesis device of cationic acrylate emulsion.2.2 微藻培养装置本论文采用自制的盛装培养液的方形容器装置进行微藻培养。该装置底部放两排带卡槽的小盒子，卡槽宽度大小与自制玻璃片厚度一致，能够将涂覆凝胶乳液体系膜的自制玻璃片竖直立在微藻培养液中，且在盒子底部固定通气装，保证微藻培养过程中有足够的碳源，如图 2-4 所示。同时，在方形容器上方予合适强度的光照，几何示意图如图 2-5 所示。

示意图,微藻培养,示意图

图 2-5 微藻培养装置几何示意图Fig. 2-5 Geometric diagram of microalgae culture device设计微藻培养装置的目的是排除培养液中的微藻因自身重力壁材料表面，且二氧化碳气体从底部固定位置通入，可以确保源，还能避免藻液沉降或堆积，能够在一定程度上消除微藻因藻在膜上的吸附生长及其生物量的测定造成的干扰。同时，将系膜的自制玻璃片竖直立于微藻培养液中可以间接测试膜与，作为评判贴壁材料的标准之一。方法及性能检测方法聚物结构红外（FT-IR）分析

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