基于木质纤维类材料的微藻生物膜技术及其性能影响因素研究

发布时间：2020-06-16 14:35

【摘要】：微藻基生物能源是被广泛认为最具潜力替代传统化石能源的可再生能源。传统悬浮式微藻生产培养模式由于存在生物质收获难、培养效率低等诸多缺陷而难以大规模化运用于微藻基生物能源的生产。微藻生物膜技术因生物质收获简单,基建投资低,能耗水耗小等优点而得到了大力研究发展。然而生物膜技术的关键是支撑微藻细胞附着成膜的载体材料,其细胞附着成膜效率的高低直接决定工艺系统的生物质产出效率和经济性。传统生物膜载体材料如金属材料(金属网、金属板等),布料(棉布、棉绳、无纺布、静电植绒布等),膜材料(微孔滤膜、醋酸纤维滤膜、玻璃纤维滤纸等)等价格昂贵,容易被腐蚀,不经久耐用,抗机械破坏能力差进而难以实现大规模化。为此,本研究首先大胆尝试利用分布广泛、资源充足、价格低廉的木质纤维材料如松木锯末、蔗渣、谷壳和橡木锯末这一类农林废弃物作为微藻生物膜的载体材料以开发出一种经济高效的适用于工业化的生物膜载体。利用这些材料作为载体在自主开发设计的四通道平板生物膜光生物反应器上进行混合微藻的生物膜培养实验发现,木质纤维载体其所形成生物膜产量要远高于有机玻璃材料以及传统悬浮式培养。所获得微藻其脂质含量在20.10-23.20%之间,蛋白质含量在30.35-36.73%之间,碳水化合物的含量在20.29-25.93%之间。其中以松木锯末作为载体可以获得10.92 g·m~(-2)·day~(-1)的微藻产量。通过利用激光共聚焦技术扫描木质纤维载体的表面发现其较高的生物膜产量主要是由于其粗糙的表面促进了微藻细胞的附着,保护了早期所附着细胞和所形成的生物膜。此外载体材料所引入的丝状微生物也有助于微藻细胞的附着并促进产量的提高。其次,研究了木质纤维材料作为载体其对于微藻细胞生长繁殖的毒性影响。利用松木锯末、蔗渣和谷壳作为载体,其由于培养液冲刷和水洗作用而会向系统中释放或吸收氮、磷和有机物等物质。通过利用材料的沥滤液对小球藻进行培养发现,材料的沥虑损失过程对于小球藻的生长繁殖并不存在显著的抑制或者促进作用(P0.05)。对所收获悬浮小球藻的内含物进行分析发现,材料的沥滤损失过程对微藻的代谢合成存在影响。其中锯末的沥滤损失可一定程度上抑制脂质的合成,而蔗渣和谷壳的这一过程可一定程度上抑制蛋白质的合成。然而,三种材料的沥滤损失过程均可促进小球藻饱和脂肪酸的合成并抑制不饱和脂肪酸的合成,优化脂肪酸甲酯的构成。再次,利用自主开发设计的三十通道平板生物膜光生物反应器以松木锯末和蔗渣作为载体在不同粒径、添加量以及培养模式条件下进行了一系列生物膜培养试验。并借助激光共聚焦显微镜、比表面积分析仪和真密度分析仪等手段表征了材料的表面粗糙度、持水性能、比表面积以及所形成床层空隙度。研究发现,复生模式下利用培养液中残存的悬浮微藻细胞接种新鲜载体可以获得较高的生物膜产率:6-16 g·m~(-2)·day~(-1)。此外,材料的种类和粒径对于所形成生物膜产率的影响主要是通过材料表面粗糙度、持水性能、比表面积和所形成床层空隙度来实现的。而材料添加量对于所形成生物膜产率的影响则主要是通过单位面积上所形成床层所能提供的总比表面积和总持水量来实现的。优秀的材料应具有较大的表面粗糙度、持水能力和比表面积以及较小的床层空隙度和粒径。其中材料比表面积和表面粗糙度是衡量不同材料优异的重要指标。且一种材料最佳使用工况要结合生物膜的产出和材料的使用成本综合考虑。本研究条件下松木锯末和蔗渣的最佳粒径添加量为30-40目416.67 g·m~(-2)。最后,针对表面粗糙度对于细胞沉降附着存在广泛影响这一现象。利用生物膜培养试验结合多物理场耦合仿真的手段系统研究了流动的环境中材料表面粗糙度对于微藻细胞附着成膜的影响机理。实验发现,材料的表面粗糙度主要是通过导致壁面附近流体速度矢量分布的不均匀和剧烈变化而促进细胞于表面的附着。表面的粗糙会由于流体速度矢量的剧烈变化而截获培养液中用以接种载体的悬浮细胞。且流体速度矢量分布的不均匀及剧烈变化所形成的局部流体动力学环境如停滞区域和回流区域亦可有效捕获培养液中的微藻细胞。由于细胞的初始附着得以促进,接种量增大,停滞期缩短,进而使得生物膜最终产量得以提高。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK6;Q949.2
【图文】：

封闭式光生物反应器可以根据其外部结构简单分为三大类：管式光生物反应器，柱式光生物反应器和平板光生物反应器这三种[25]。管式光生物反应器是由一系列弯曲、对折、平行、透明的管道所组装成的管式微藻悬浮培养系统（图 1.2）。其管道可由透明硬质塑料、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯圆管构成，并根据设计需要和实际情况可设计成多管平行竖直布置的排状结构，或者多重圈式水平平行排布，亦或者螺旋上升圈式排布。微藻悬浮培养液在管内通过泵的作用而不断循环以使细胞保持悬浮并起到搅拌的作用，使培养液交替进入到营养添加单元以补充营养、脱除所产生的氧气并收获微藻生物质。竖直多排的布置还可以对入射光进行稀释，增大系统容积面积比，提高光合作用产出效率。管式光生物反应器的优势在于系统接受光照的面积大，较短的管内光路使得细胞能够被充分的辐照而光合作用效率高，培养效率高，细胞密度大。但是其复杂的管状构造、昂贵的基建投资以及较小的培养容积限制了其大规模化运用。且较小的液体容积导致其不稳定的系统温度浮动使得需要对其在高温或者低温天气进行降温和保温操作。

7整个系统容积面积比，提高光合作用效率和光能利用率。但其系统基建投资较高和运营维护复杂。图1.3A是常见板式光生物反应器的运行示意图。根据板式构筑物的不同，研究人员们设计制作了各种板式反应器，有增大入射光接受面积的螺纹板式反应器，有为降低基建投资而设计的塑料悬浮袋式反应器，亦有平板反应器与建筑相结合充分利用建筑的非功能部分的绿色节能建筑。图 1.3D 是荷兰瓦赫宁根大学 AlgaePARC 的中试悬浮袋式反应器[23]，以平板悬浮培养袋代替了造价昂贵的玻璃板式反应器，且系统的温度可由使其悬浮的大容积水所很好的调节。图 1.3C 是奥雅纳（ARUP）公司推出的绿色节能建筑，建筑外表面的非功能区设置了平板光生物反应器。图 1.3（A）平板光生物反应器示意图[22]，（B）多层平板光生物反应器实物图（图片来源于www.google.com），（C）奥雅纳 （ARUP）所开发设计的节能建筑上的平板光生物反应器（图片来源于 www.arup.com）

【参考文献】

相关博士学位论文 前1条

1 付鹏;生物质热解气化气相产物释放特性和焦结构演化行为研究[D];华中科技大学;2010年

本文编号：2716168