微藻生物膜光生物反應(yīng)器內(nèi)傳遞與生化反應(yīng)特性的研究.pdf

1、微藻作為一種最具有潛力的新型生物質(zhì)，具有光合效率高、零凈碳值、易培養(yǎng)、生長周期短、油脂含量高、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點。微藻吸附式生物膜培養(yǎng)可有效提高光生物反應(yīng)器內(nèi)單位體積生物量，且具有操作穩(wěn)定、采收方便、節(jié)能等優(yōu)點，相比于懸浮態(tài)微藻培養(yǎng)技術(shù)具有更大優(yōu)勢。因此本文采用普通小球藻作為實驗藻種，以瓊脂凝膠作為微藻營養(yǎng)物質(zhì)的供給源層，微孔濾膜作為微藻生物膜吸附基質(zhì)構(gòu)建了源層/基質(zhì)層雙層結(jié)構(gòu)微藻生物膜反應(yīng)器，在相同環(huán)境條件下，分別利用柱式光生物反應(yīng)器

2、和雙層結(jié)構(gòu)微藻生物膜反應(yīng)器進行了微藻懸浮式培養(yǎng)和吸附式生物膜培養(yǎng)，研究了光傳遞及 CO2供應(yīng)對微藻懸浮細胞和生物膜生長的影響，從而從光傳遞角度和 CO2供給角度解釋微藻生物膜培養(yǎng)的優(yōu)勢所在。然后，基于雙層結(jié)構(gòu)微藻生物膜反應(yīng)器研究了營養(yǎng)液供給對生物膜形態(tài)、微藻生長以及微藻油脂積累的影響，為微藻生物膜培養(yǎng)方法的發(fā)展和應(yīng)用提供實驗指導。最后，為了高密度培養(yǎng)微藻并節(jié)約水資源投入、減少采收脫水能耗，參考膜生物反應(yīng)器的構(gòu)造，采用強度高、生物相容性好

3、的永久性親水PVDF/PTFE復合濾膜材料作為微藻吸附基質(zhì)，設(shè)計了密閉腔式微藻生物膜光生物反應(yīng)器及其實驗系統(tǒng)，并進行了該培養(yǎng)系統(tǒng)的性能優(yōu)化實驗，以獲得其運行最佳條件，并評估了該培養(yǎng)系統(tǒng)的水資源投入情況。全文主要結(jié)論如下：
　　①吸附式生物膜培養(yǎng)達到穩(wěn)定時，生物質(zhì)面積密度為99.44g/m2，比懸浮式培養(yǎng)最終生物質(zhì)面積密度高35.07％；入射光為120μmol/(m2·s)時，在相同生物質(zhì)面積密度條件下，光在生物膜內(nèi)穿透優(yōu)于懸浮液，

4、有效照射比例明顯高于懸浮液生物膜培養(yǎng)中。光能有效穿透微41.35±3.73μm厚度的藻生物膜（對應(yīng)40 g/m2），當生物膜面積密度低于40g/m2時，光能穿透整個生物膜，當面積密度為100g/m2時，生物膜上層40%的部分被有效照射，而懸浮液有效照光照比例僅為2.5%。當初始接種密度為12.5g/m2時，微藻生物膜的生長速度最大為27.85g/(m2·day)，光能穿透整個生物膜，繼續(xù)提高接種密度，微藻生物膜生長速度降低。
　　

5、②以相同濃度的CO2作為碳源時，生物膜培養(yǎng)生物量高于懸浮態(tài)培養(yǎng)；空氣作為碳源時，生物膜有較好的生長，而懸浮細胞幾乎不生長；生物膜培養(yǎng) CO2的飽和點為1.5%，懸浮培養(yǎng) CO2飽和點為4.5%，生物膜對 CO2具有更好的親和能力。
　?、蹱I養(yǎng)液供給對生物膜結(jié)構(gòu)影響明顯，當瓊脂濃度從0.125%升高到8%時，生物膜含水量降低，微藻細胞縮水變小，微藻生物膜變得更加致密，微藻生物膜厚度從91.23降到62.33μm；營養(yǎng)液供給對微藻光合

6、生長影響明顯，瓊脂濃度從0.125%升高到8%時，單位厚度生物膜內(nèi)含水量（第2天）從18.12降低至9.19mg/μm，光和 CO2向生物膜內(nèi)部傳遞阻力減小，加速了微藻光合生長，使得最終生物膜密度從40.56提高45.9%至59.16g/m2；營養(yǎng)液供給對微藻油脂積累影響明顯，相對較低的生物膜含水量有利于油脂積累，當瓊脂濃度從0.125%升高到8%時，油脂含量從25.21%提高到28.24%，油脂產(chǎn)量提高了63.39%。
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7、于光和CO2的傳遞及含水量的影響，設(shè)計了密閉腔式微藻生物膜膜式反應(yīng)器，最佳運行條件為反應(yīng)器設(shè)計高度5cm，最佳光照強度為200μmol/(m2·s)，最佳培養(yǎng)基方案為0.1N-BG11×20，最佳率為0.018VVM，最低培養(yǎng)基體積為5L/m2；微藻生物膜膜式反應(yīng)器性能優(yōu)良，生物質(zhì)產(chǎn)量高達178.25g/m2，油脂含量為20.25%，油脂產(chǎn)量高達36.10g/m2；微藻生物膜膜式反應(yīng)器生產(chǎn)1kg干藻和1kg油脂的水足跡分別為28.05L