微藻固定化培养光照策略优化及废水处理研究

发布时间：2020-04-15 08:36

【摘要】：随着世界经济的快速发展,能源匮乏和环境污染问题已经越来越突出。作为可再生能源原料的优良来源,能源微藻受到愈来愈多研究者的关注。相比传统的悬浮培养,微藻固定化培养可提高生物质培养密度,降低生物质采收成本,易于实现大规模培养,具有产业化前景。微藻在培养过程需要氮和磷作为营养,将微藻培养与废水处理相结合不仅可以降低微藻营养源的成本,而且可以降低废水处理的成本。然而,在固定化培养过程中,微藻对光与营养物质的吸收和利用机理与悬浮培养有显著的差别。因此,本研究以提高微藻固定化培养的生物质、油脂/碳水化合物产量、废水中氮和磷的去除率,减少成本投入为指标,进行了以下几方面的研究:(1)光照策略优化研究。在前期研制的基于毛细作用的固定化培养反应器基础上,进行基于LED光源的微藻固定化培养光照策略优化。研究了不同光强、光暗周期以及可变LED光照策略对微藻生物质产量及生物油积累的影响。结果表明,在不同培养阶段,光强和光暗周期对微藻的生物质产量和油含量有显著影响;在光暗周期16:8 h时,采用光强递增策略,得到了最大的油脂产量66.65 gm-2。光转递增策略可为不同培养阶段的固定化部分微藻细胞提供合适的光强,并且有利于油脂的生产。(2)培养条件及采收策略优化研究。在五种能源藻种中筛选了Chlamydomonas sp.JSC4为最佳的生物燃料生产及污水处理藻株。考察了不同总氮浓度、氮抑制策略和半连续培养策略对微藻生物膜生长及生物燃料生产的影响。结果表明,在未稀释的总氮浓度为600 mgL-1的养猪废水中,微藻的生物膜产量/产率和碳水化合物产率分别高达268.67 gm-2(38.38 gmn-2d-1)和16.67 gm-2d-1,同时总氮和总磷的去除率分别达到96.58%(5.52 gm-2d-1)和99.44%(0.44 gm-2d-1);在氮抑制策略下,培养两天后碳水合物的含量达到最大值为47.89%(18.42 gm-2d-1),该策略有利于提高生物燃料乙醇的产率;在固定化培养中应用半连续培养策略,25%收获比例下得到最高的生物膜产率37.39 gm-2d-1和碳水化合物产率15.48 gm-2d-1。且在该条件下,通过对碳水化合物组成成份分析,葡萄糖含量占据79.7%～88.9%,表明该条件有利于发酵型生物燃料的生产(例如生物乙醇和生物丁醇)。(3)放大系统设计及户外培养优化研究。设计了一款新型的封闭式旋转盘光生物反应器,并对其进行微藻固定化培养及污水去除氮磷的研究,获得放大工艺技术性指标参数,评估其产业化应用前景。探究室内培养下培养液体积大小和室外培养下补光时间对生物膜产率、固碳率、生物燃料产率、去污率和光合作用效率的影响。结果表明,在培养体积为1.5 L及补光时间为7小时的培养条件下,得到最大生物膜产率为69.77 gm-2d-1,固碳率为130.12 gm-2d-1,碳水化合物产率为27.48 gm-2d-1,同时,废水中总氮和总磷的去除率分别达到98.85%(11.86 gm-2d-1)和98.35%(2.7 gm-2d-1)。且本固定化培养系统的光合作用效率高达14.13%,初步达到了绿色生产能源微藻的目的。
【图文】：

微藻,悬浮培养,开放式系统

悬浮培养和固定化培养是目前常见的微藻培养方式，但在工业化应用中主要以悬浮培逡逑养工艺方法为主。微藻悬浮培养系统多种多样，，但总体上划分为开放式和封闭式两种，常逡逑见的开放式反应器和封闭式反应器如图１－１所示。Ｂｅｃｈｅｔ等［１８］在规模为５０邋Ｌ的光生物反应逡逑器中利用小球藻？ｓｏｒａＡ／ｍｂｎ进行悬浮培养，其生物质产率高达１０±２．２ｇｍ＿２ｄ＿１，并且整个系逡逑统的总光合作用效率高达４．８±０．５％。但是这一类反应器普遍存在培养密度低，收获成本逡逑高的问题［１９，２＜）］。逡逑在大规模生产微藻的过程中，如何降低培养与收获过程中的成本与能耗投入，是微藻逡逑规模化应用的主要障碍，也是各国研究者急需解决的难题，因此寻求一种高效的培养模式逡逑成为新能源领域专家的研究热点［２１＿２２］。当前适用于微藻产业化的培养系统主要有跑道池逡逑（约１０￣２５邋ｇｎ＾ｄ４产量）［２３］、管式反应器（约３５？４１邋ｇｎ＾ｃＴ１产量）［２４］和平板式反应器（约逡逑３０邋ｇｍＡｒ１产量）［２５］等（如图１－１所示）。由于微藻细胞直径很小，同时光在水中的传递效逡逑率易受到限制，因此对微藻细胞的生长产生了严重的抑制，也在一定程度上加大了微藻在逡逑收获中的成本投入［２６—２７］。和悬浮培养模式相比

技术路线图,策略优化,微藻,光源

温室气体净化研宄”。逡逑１．６技术路线逡逑本课题的技术路线图如图１－２所示：逡逑基于ＬＥＤ光源的微藻固定化培养策略优化及应用研宄逡逑Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逡逑氮抑制策略＾邋ＬＥＤ光源策略优化《逦＇￣＾￣？污水处理的应用研宄逡逑Ｉ逦逦逦邋１逦Ｉ邋逦邋邋Ｉ逡逑Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逡逑Ｉ邋＇逦１逦Ｉ逦Ｉ逦酎受污水能源微藻逦＿适
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703;Q949.9

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