内置LED光源的新型平板式光生物反应器用于微藻高效固定CO_2

【摘要】面对严峻的全球变暖和能源危机形势，利用微藻高效固定CO2并耦合生物柴油生产因具有明显的应用价值和环保效益，受到研究者的广泛关注。目前，该技术的瓶颈之一是开发高效节能的封闭式光生物反应器（PBR）。本论文以封闭式PBR中微藻高效固定CO2为研究目标，从前期获得的四种微藻中选定普通小球藻(Chlorellavulgaris)作为CO2固定与转化的高效传递载体，基于平板式PBR占地面积小、气液传质效果好、易于放大、结构简单等优势，在其中内置LED光源以提高能量产出率，历经两次结构改进，研制了新型的竖直放置气升式内环流平板光生物反应器(ILA-PBR)，用于固定高浓度CO2(15%CO2)。（1）适于微藻生长的光源选择。以前期筛选的具有耐高温、耐高浓度CO2和耐酸性环境特性的普通小球藻(Chl.vulgaris)、盐生杜氏藻(D.salina)、纤细角毛藻(Cha.gracilis)和温泉6#藻(Cy.aponinum)为研究对象，用摇瓶培养方法进行了适宜4种微藻生长的人工光源及光质比选。在柔性红光LED灯带(LED-R)、柔性蓝光LED灯带(LED-B)、柔性白光LED灯带(LED-W)和荧光灯(FL)四种人工光源提供的不同光质照射下，以LED-W最适于普通小球藻、盐生杜氏藻和温泉6#藻生长，而LED-B最适宜纤细角毛藻生长。微藻生长所需的光质条件存在种质差异性，4种微藻的最适光质条件是普通小球藻LED白光（LW）或LED白光+LED蓝光（LW+LB），纤细角毛藻LED蓝光(LB)或FL白光+LB(FW+LB)，温泉6#藻LED白光+LED红光(LW+LR)；而盐生杜氏藻的生长受光质调控不明显。由此认为柔性LED灯带比FL具有更大的应用优势。（2）反应器中4种微藻的固碳产油潜力比较及人工光源确定。构建了第一代ILA-PBR，在通气条件下进行4种微藻的批次培养，微藻对不同浓度CO2有不同的生长响应。微藻生长的最适CO2浓度分别是：普通小球藻（1%~2.5%）、盐生杜氏藻（1%~2.5%）、纤细角毛藻（1%~5%）和温泉6#藻（0.04%）。以最大固碳速率(FD)、基于总脂的能量产出率(ERoil)、油脂产率(LP)为评价指标对4种微藻进行比选，确定普通小球藻固碳产油潜力最大，FD最大值出现在通入1%浓度CO2条件下，为1.18gCO2L-1d-1；最大ERoil和LP分别是盐生杜氏藻、纤细角毛藻、温泉6#藻的4.5倍、4.6倍和21倍。对适于普通小球藻生长的两种光照条件(LED-W和LED-W+LED-B)进行实用性检验发现，藻细胞在两种光源下生长情况接近，但在LED-B的灯管上微藻附着生长现象严重，因此，以LED-W作为普通小球藻的内置光源较为合适。（3）反应器构筑参数优化及光强、CO2浓度对固碳效果的影响。以普通小球藻作为受试藻种，对第一代ILA-PBR进行构筑参数优化。正交试验表明，在采用导流管并进行内部双侧光照条件下，当高径比(H/D)为6:1，降流区与升流区的面积比(Ad/Ar)为3:1，表观气速(SGV)为0.3vvm时，ILA-PBR中的普通小球藻对CO2有最大固定速率。按SGV=0.3vvm通入体积浓度1%的CO2利于普通小球藻快速增殖。在增大初始接种光密度至OD680=0.5的同时提高入射光强至240μmolm2s1，可显著提高微藻对高浓度CO2的固定能力。1%CO2中微藻的FD为1.97gCO2L-1d-1。同样条件下，通入浓度15%的CO2后，FD可达1.00gCO2L-1d-1。（4）降低进气中O2浓度和改变培养模式对微藻固碳效果的影响。向ILA-PBR中通入含低氧的CO2气体，微藻FD能继续提高。配制1%CO2并降低进气中O2含量低于2%(v/v)，最大FD由1.97gCO2L-1d-1提升至2.27gCO2L-1d-1；通入低氧的5%CO2，最大FD由1.41gCO2L-1d-1提升至2.12gCO2L-1d-1，低氧进气方法对微藻固定CO2的促进效果明显。低氧进气条件下开展的微藻培养模式研究表明，半连续培养模式利于维持ILA-PBR中普通小球藻生物固碳的持续高效性。运行期间，除了第1d的FD为1.41gCO2L-1d-1外，其它时间的FD均能保持较高水平（1.77~2.42gCO2L-1d-1）。（5）改变通气方式的新型反应器固碳效果及能量产出分析。采用“数目放大”方法，与通气方式转变相结合，对ILA-PBR进行再改进，构建了第三代ILA-PBR。通入模拟烟气(15%CO2)，混合曝气方法比间歇通气方法所需的工程设备更为简洁，空气+15%CO2通入条件下，FD为1.46gCO2L-1d-1，进行低氧处理后(N2+15%CO2)，FD更高，稳定在1.79gCO2L-1d-1左右，分别比直接通入15%CO2提高了46%和79%，固碳性能优于现有报道中绝大多数封闭式PBR。从节能角度，在ILA-PBR中采用内置LED-W光照模式，与传统的FL外置光源模式相比可节能73.6%。前一光照模式下普通小球藻的ERoil为0.011，而后者仅为0.002，LED-W具有明显的节能优势。利用第三代ILA-PBR培养普通小球藻，在半连续培养模式下通入模拟烟气，基于微藻生物质的能量产出率（ERbiomass）和ERoil分别为0.0219~0.0249，0.0091~0.0104，亦高于大多数其他类型的PBR。结合FD的比较结果，认为本研究提出的第三代ILA-PBR具有高效节能特性，有望成为微藻固定工业烟气CO2的理想设备。
【作者】李永富；
【导师】孟范平；
【作者基本信息】中国海洋大学，环境科学，2014，博士
【关键词】光生物反应器；普通小球藻；LED灯；固碳速率；能量产出率；

【参考文献】
[1]李剑.论我国刑事诉讼翻译制度的立法完善[D].宁波大学,诉讼法,2014,硕士.
[2]丁建良.基于机网协调的大型机组的保护研究[D].南京理工大学,电气工程,2012,硕士.
[3]张莉萍.称谓语性别差异研究[D].中央民族大学,语言学及应用语言学,2004,硕士.
[4]周亚洲,杨娟,孙磊,赵南,程晓农.石墨烯/银复合薄膜的制备及表征[J].无机化学学报,2012,01:137-142.
[5]陈武奇.基于USB3.0高分辨率视频图像高速处理系统设计[D].宁波大学,电路与系统,2014,硕士.
[6]周胜男.青藏高原、亚洲季风区及副热带北美地区夏季降水系统的TRMM资料对比分析[D].中国气象科学研究院,气象学,2014,硕士.
[7]程泽信.湖北家畜品种资源保护的现状分析及对策研究[D].中国农业大学,养殖业,2004,硕士.
[8]刘平.金融资产管理公司IT服务外包全过程管理研究[D].北京交通大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[9]蒋梦捷.六自由度Stewart平台的设计及在光学检测中应用的研究[D].中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）,机械工程,2012,硕士.
[10]那·珠拉.鄂尔多斯长调民歌初探[D].内蒙古师范大学,中国少数民族艺术,2012,硕士.
[11]成南.合并高血压的急性脑血管病患者脑微出血的研究[D].青岛大学,神经病学,2013,硕士.
[12]戴肖东.猴头菌麦角甾醇高产菌株筛选及代谢调控的研究[D].东北林业大学,森林生物工程,2014,博士.
[13]肖明明.经济法视角下的社会受益权研究[D].西南政法大学,经济法学,2012,硕士.
[14]黄兴.低位直肠癌术后吻合口位置与肛门功能关系的研究[D].湖南师范大学,外科学,2013,硕士.
[15]钟丹丹,严俊.新型炭材料的表面电接枝及其应用[J].化工时刊,2012,02:35-37+46.
[16]史华娜.论蒋捷及其《竹山词》[D].陕西师范大学,中国古代文学,2004,硕士.
[17]陈长鑫.脉冲激光轰击原位生长法和CVD基体法制备碳纳米管研究[D].福州大学,材料学,2004,硕士.
[18]谢伟.基于模型预测控制的PWM整流器研究[D].北方工业大学,电力电子与电气传动,2014,硕士.
[19]刘宁宁.北京体育大学武术套路专项训练课程教学内容选择及对策研究[D].北京体育大学,体育教学,2013,硕士.
[20]张琼.英语专业学生英语写作中语块使用情况研究[D].广西民族大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[21]朱正楷.略论普遍价值的特征[D].中共中央党校,马克思主义哲学,2004,硕士.
[22]任健亥.宁波江东现代商城发展战略研究[D].宁波大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[23]全权.剧本创作的诗意追求[D].中国艺术研究院,戏剧戏曲学,2013,硕士.
[24]纪璐.三次单位根时小q-Schur代数u_q（2，r）的生成元与关系式[D].华东师范大学,基础数学,2013,硕士.
[25]平井章子.日本学生习得汉语离合词情况考察[D].复旦大学,对外汉语教学,2012,硕士.
[26]张鹏博.基于多重连接探针扩增技术（MLPA）高灵敏度检测多重microRNA[D].河北大学,生物化学与分子生物学,2014,硕士.
[27]李倩倩.从山核桃蒲壳中提取酸洗缓蚀剂的研究[D].华东交通大学,分析化学,2013,硕士.
[28]曾祥如.电子商务对我国现行税法的冲击及对策[D].内蒙古大学,法律,2014,硕士.
[29]林钦.纤毛虫纳米比亚殖口虫的细胞形态及其皮层纤毛器的形态发生[D].华东师范大学,动物学,2013,硕士.
[30]罗仲宽,尹春丽,吴其兴,王芳,黄洋,李豪君,魏蒙蒙.有机电解液型锂空气电池空气电极研究进展[J].深圳大学学报(理工版),2015,02:111-120.
[31]张旭东,陈仲海,胡良梅,杨慧,董文菁.基于联合模板稀疏表示的目标跟踪方法[J].控制与决策.
[32]牛志妍.艺术类院校体育新闻传播类人才培养的研究[D].河北师范大学,竞赛组织,2013,硕士.
[33]李荣钧.模糊决策的基础——模糊集比较与排序[J].控制与决策,2003,02:221-224.
[34]王海燕.基于模糊元胞自动机的电子口碑演化模型研究[D].宁波大学,企业管理,2014,硕士.
[35]张彰,谢召军,魏进平,周震.镍纳米颗粒与含氮碳片复合材料在锂氧气电池中的应用[J].中国科技论文,2014,12:1333-1335.
[36]王超.块体非晶合金中应力诱发的结构演化特性研究[D].长安大学,材料加工工程,2014,硕士.
[37]张勰柽.三因子模型在沪深A股市场的实证研究[D].复旦大学,金融工程管理,2012,硕士.
[38]刘洋.他汀类药物对冠心病患者空腹血糖及冠脉病变的影响研究[D].吉林大学,临床医学,2014,硕士.
[39]康小燕.基于计算机视觉的生菜氮素营养检测的研究[D].南京农业大学,作物,2013,硕士.
[40]王思远.先秦儒家伦理道德观在高校思想政治教育中的应用[D].东北农业大学,思想政治教育,2013,硕士.
[41]彭馨.节能目标约束下我国出口产品结构调整研究[D].重庆大学,国际贸易学,2014,硕士.
[42]柳栋.江春人民医院固定资产管理模式设计[D].兰州大学,工商管理,2012,硕士.
[43]刘学.财政支出结构与区域经济增长[D].中共中央党校,区域经济学,2013,硕士.
[44]周蕾.ZHYP集团发展战略分析[D].西南交通大学,工商管理,2012,硕士.
[45]马干平.慈善营销对消费者购买决策的影响[D].浙江大学,2014.
[46]王龙超.七氟醚复合丙泊酚静脉麻醉对老年患者腹腔镜胆囊切除术后早期认知功能的影响[D].山东大学,临床麻醉学（专业学位）,2013,硕士.
[47]司昕,安燮南.优化前馈神经网络模型结构的统计分析方法[J].控制与决策,1999,06:707-711.
[48]仇立颖.意向性作用下的语篇组构研究[D].复旦大学,汉语言文字学,2013,博士.
[49]宋金全.X公司带式输送机营销策略研究[D].西安科技大学,工商管理,2014,硕士.
[50]张磊峰.低载荷机械振动对抗骨质疏松的人体实验研究[D].吉林大学,临床医学,2014,硕士.