小球藻CHLORELLA VULGARIS油脂积累特性及以污水为底物的油脂制备研究

Chlorellavulgaris论文 微藻油脂论文 混养代谢论文 电混凝论文
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由于能源危机和温室效应的挑战,可再生且不增加温室气体排放的微藻能源近年来得到了广泛关注。微藻作为生物能源的原料,具有生长速度快,能量转换效率高,潜在生产规模大的优势。但是微藻培养和收集过程的营养物和能量消耗,提高了生产成本,限制了微藻能源的工业化生产,利用污水作为微藻培养的底物可以有效的降低微藻培养成本,并且同时对污水进行处理。本论文以污水中常见的Chlorella vulgaris为研究对象,考察了C. vulgaris不同代谢类型时的生长特性,然后测定了藻细胞在不同培养条件下的脂含量变化,对C. vulgaris的混养代谢和油脂积累过程进行了分析。通过对化学混凝和电混凝的优化比较,确定了C. vulgaris的收集方法,并对C. vulgaris生物质在不同温度下的干燥结果进行了比较。在对以污水为底物的C. vulgaris油脂积累过程进行研究后,构建了C. vulgaris油脂制备系统,对系统运行的结果进行了分析和评价。以BG11为基础培养基,通过有机碳源和光照的调节使C. vulgaris分别进行自养、异养和混养代谢。未曝气时,自养和异养代谢的比生长速率分别仅为0.0018h-1和0.0083h-1,而混养代谢则达到0.0204h-1。与乙醇、乙酸钠相比,葡萄糖更适于作为C. vulgaris的有机碳源。曝气能够显著提高不同代谢类型的比生长速率,空气曝气时的混养代谢比生长速率提高到0.1008h-1,而以20%CO2为气源时,比生长速率则下降到0.0930h-1。对C. vulgaris不同代谢类型的生长特性分析表明,在C. vulgaris的混养代谢过程中,光合自养和有机异养同时发生,并且两种代谢途径互相影响,共同决定藻细胞的组成和比生长速率。调节培养液中的初始营养物浓度,考察了C. vulgaris的油脂积累特性。氮缺乏能够显著提高藻细胞的脂含量,3.75g/LNaNO3时脂含量仅为7.59%,而0.1g/L NaNO3时则达到22.58%。在氮缺乏基础上,磷含量对脂含量的影响不显著。葡萄糖对油脂的积累十分重要,5g/L葡萄糖的培养液,96h脂含量达到17.40%,此后由于葡萄糖不足,240h时脂含量下降到10.07%。对藻细胞在不同营养条件下脂含量变化的分析表明,当细胞由于营养限制而停止生长后,需要继续获取充足的光照或有机底物,才能够促进细胞油脂的积累。通过对搅拌速度、曝气量、电流密度、初始细胞密度和pH等因素的研究,建立了C. vulgaris的电混凝收集方法,当初始细胞密度为0.241g/L, pH5.0,电流密度0.42mA/cm2,50rpm持续时,电混凝15min时收集率达到97%,能耗仅为0.610kWh/kg。对不同培养条件的C. vulgaris培养液收集结果显示,与硫酸铝混凝相比,电混凝在收集率和油脂回收率方面均较高,20min时的收集率达到99%100%,油脂回收率为99%100%,但是出水中Al3+含量是硫酸铝混凝的1.972.33倍。较高的干燥温度会改变C. vulgaris生物质的组成,与-70°C冻干相比,105°C烘干时C. vulgaris的干重、脂含量和油脂中的酯含量分别降低了3.30%、7.73%和26.30%,而40°C烘干所得到的C. vulgaris生物质各项性质与冻干相近。分别以人工配水和生活污水培养C. vulgaris,由于生活污水中污染物较为复杂,因此细胞密度由人工配水时的1.496g/L降低到生活污水的0.575g/L;灭菌后的生活污水中C. vulgaris生长较快,但是未灭菌组的污染物去除效率较高。曝气、光照和底物浓度均会对污水中C. vulgaris的油脂积累产生影响,适当提高CO2浓度和曝气量能够提高C. vulgaris细胞密度和脂含量,光照强度和光照时间的增加也可以改善C. vulgaris的培养效果,通过向污水中投加葡萄糖提高培养液的COD:TN,能够显著的提高细胞密度和脂含量,当COD:TN为50:1时,细胞密度达到1.181g/L,脂含量为14.38%。根据以上研究的结果,构建了C. vulgaris油脂制备系统,对生活污水进行抽滤、稀释预处理后,投加适量KH2PO4和葡萄糖使其COD:TN:TP达到300:6:1,灭菌后用于C. vulgaris的培养,5%CO2曝气。在2000lx和7000lx的光照强度下,藻细胞密度分别达到0.954g/L和1.203g/L,脂含量为14.49%和15.75%,污水中的COD、TN和TP的去除率分别达到70%,90%和96%以上。成本分析结果表明,以生活污水为底物时,C. vulgaris油脂制备成本明显低于缺氮培养基,2000lx光照时的成本为71.57元/kg,仅是缺氮培养基的58.29%。如果以高浓度有机废水代谢葡萄糖、利用自然光提供光照并考虑污水处理收益后,则C.vulgaris油脂成本还可以进一步降低到22.86元/kg。
摘要第4-6页
ABSTRACT第6-8页
CONTENTS第12-15页
第1章 绪论第15-36页
    1.1 课题来源及研究的目的和意义第15-16页
        1.1.1 课题来源第15页
        1.1.2 研究目的和意义第15-16页
    1.2 化石能源的困境第16-18页
    1.3 微藻生物能源的发展第18-27页
        1.3.1 微藻能源的种类第19-22页
        1.3.2 微藻生物柴油的发展第22-23页
        1.3.3 微藻油脂的积累第23-27页
    1.4 微藻在环境治理中的应用第27-30页
        1.4.1 微藻对废水的处理第27-28页
        1.4.2 微藻对 CO_2的固定第28-30页
    1.5 微藻的收集方法第30-33页
        1.5.1 离心第31页
        1.5.2 化学混凝第31-32页
        1.5.3 电混凝第32页
        1.5.4 过滤和气浮第32-33页
    1.6 主要研究内容第33-36页
第2章 实验材料与方法第36-46页
    2.1 藻种来源与培养基第36页
    2.2 试验装置第36-38页
        2.2.1 发酵罐第36-37页
        2.2.2 气升式光生物反应器第37-38页
        2.2.3 电混凝反应器第38页
    2.3 实验药品和仪器第38-40页
    2.4 C. vulgaris 生物质指标和检测方法第40-42页
        2.4.1 细胞密度的测定第40页
        2.4.2 藻细胞组分检测第40-42页
        2.4.3 光饱和曲线测定第42页
    2.5 藻细胞收集指标和检测方法第42-44页
        2.5.1 藻细胞收集率计算第42-43页
        2.5.2 C. vulgaris 絮体检测第43-44页
        2.5.3 电混凝收集能耗测定第44页
        2.5.4 油脂回收率测定第44页
        2.5.5 出水铝含量测定第44页
    2.6 水质指标测定方法第44-46页
第3章 Chlorella vulgaris 的代谢类型分析和油脂积累研究第46-65页
    3.1 引言第46页
    3.2 C. vulgaris 生长特性分析第46-54页
        3.2.1 C. vulgaris 藻细胞的光饱和曲线第46-48页
        3.2.2 不同代谢类型比较第48-49页
        3.2.3 有机碳源种类对 C. vulgaris 生长的影响第49-50页
        3.2.4 空气曝气对 C. vulgaris 生长的促进第50-52页
        3.2.5 CO_2对 C. vulgaris 生长的影响第52-54页
    3.3 C. vulgaris 代谢类型分析第54-56页
        3.3.1 不同代谢类型细胞组成比较第54-55页
        3.3.2 C. vulgaris 的混养代谢分析第55-56页
    3.4 营养底物对 C. vulgaris 脂含量的影响第56-64页
        3.4.1 NaNO3浓度对脂含量的影响第57-59页
        3.4.2 KH2PO4浓度对脂含量的影响第59-61页
        3.4.3 葡萄糖浓度对脂含量的影响第61-63页
        3.4.4 C. vulgaris 的油脂积累过程分析第63-64页
    3.5 本章小结第64-65页
第4章 Chlorella vulgaris 细胞的收集和干燥过程研究第65-86页
    4.1 引言第65页
    4.2 C. vulgaris 的化学混凝收集第65-73页
        4.2.1 分离方法比较第65-66页
        4.2.2 不同种类混凝剂收集结果比较第66-71页
        4.2.3 初始 pH 对硫酸铝混凝收集的影响第71-72页
        4.2.4 初始细胞密度对硫酸铝收集的影响第72-73页
    4.3 C. vulgaris 的电混凝收集第73-80页
        4.3.1 不同搅拌速度对电混凝收集的影响第73-75页
        4.3.2 不同曝气量对电混凝收集的影响第75-76页
        4.3.3 电流密度对电混凝收集的影响第76-77页
        4.3.4 初始细胞密度对电混凝收集的影响第77-79页
        4.3.5 初始 pH 对电混凝收集的影响第79-80页
    4.4 硫酸铝混凝和电混凝收集效果比较第80-82页
    4.5 不同干燥温度下 C. vulgaris 细胞组分的变化第82-85页
    4.6 本章小结第85-86页
第5章 以污水为底物的 Chlorella vulgaris 油脂制备第86-106页
    5.1 引言第86页
    5.2 不同种类污水 C. vulgaris 培养比较第86-90页
        5.2.1 人工配水培养 C. vulgaris第86-88页
        5.2.2 生活污水培养 C. vulgaris第88-90页
    5.3 以生活污水为底物的 C. vulgaris 油脂积累第90-99页
        5.3.1 曝气对 C. vulgaris 油脂积累的影响第91-93页
        5.3.2 光照对 C. vulgaris 油脂积累的影响第93-96页
        5.3.3 底物浓度对 C. vulgaris 油脂积累的影响第96-99页
    5.4 C. vulgaris 油脂制备系统构建及运行第99-104页
        5.4.1 系统构建第99-100页
        5.4.2 运行结果第100-102页
        5.4.3 成本分析第102-104页
    5.5 本章小结第104-106页
结论第106-108页
参考文献第108-124页
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果第124-127页
致谢第127-128页
个人简历第128页
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