布朗葡萄藻的培养优化与分离技术

论文摘要

微藻是生产生物柴油和生物质油的优良原料来源,为了实现微藻的大规模工业化生产,微藻的培养和分离技术成为当前研究的重点。布朗葡萄藻与其他微藻相比具有含烃量高、产物易于提取的优点,因而受到研究者的广泛关注。本研究首先进行了布朗葡萄藻培养基的选择及其产物代谢规律的探索,建立了布朗葡萄藻的冷冻保藏方法;在培养的基础上进行了布朗葡萄藻的分批补料培养的研究;然后建立了基于计算流体力学技术的反应器内部结构优化方法;最后针对布朗葡萄藻的特点,建立了两种新的微藻分离策略。研究得到以下主要结论:1) Chu13培养基最有利于该布朗葡萄藻（B品系）的生长和烃的合成,在2 L气升式光照生物反应器中培养15天后,其生物量和烃含量分别为1.82 g/L和58.7%。N和P是布朗葡萄藻生长的重要营养元素,烃含量随着生物量的增加而逐渐增大,生长周期中烃的组成保持一致,所用B族布朗葡萄藻的烃主要由C33H56和C34H58两种葡萄烃组成,其中C34H58至少存在三种同分异构体。在布朗葡萄藻生长周期中,棕榈酸、油酸和亚麻酸是布朗葡萄藻脂肪酸的主要组成成分。通过对布朗葡萄藻冷冻保藏过程中冷冻保护剂的选择和不同降温方式的比较,确定了布朗葡萄藻冷冻保藏的条件。在6%甲醇和程序降温的条件下,布朗葡萄藻的冷冻保藏存活率能够达到98.9%。此外,培养时间对葡萄藻的冷冻保藏效果影响显著,选择对数生长阶段后期的藻体进行冷冻保藏有利于保持较高的存活率。2) 2 L气升式光照生物反应器中布朗葡萄藻培养的最佳补料策略是培养15天和17天后分别补料各一次。其中,反应器中硝酸盐浓度补加至原Chu 13培养基的硝酸盐水平,磷酸盐浓度补加至Chu 13培养基的磷酸盐水平的1/4。在这种补料方式下,气升反应器培养布朗葡萄藻19天后达到最大的生物量2.87 g/L,烃含量64.3%,烃生产强度比不进行补料的分批培养提高了40.3%。3)建立了基于计算流体力学技术的2 L气升式光照生物反应器内部结构的优化方法。气含率、湍动能、光暗循环周期和光照时间比率成为影响反应器中葡萄藻生长的主要因素。2 L气升式光照生物反应器的最优内部结构参数为:Ad/Ar = 2.92,h0 = 2 cm,h1 = 2～4 cm;可获得的理论最大生物量为:1.81 g/L。在内部结构优化的40 L气升式光照反应器进行布朗葡萄藻的分批培养获得1.79 g/L的生物量和58.8%的烃含量,生长周期延长3天;采用已有的补料策略,经分批补料培养后,布朗葡萄藻的生物量达到2.84 g/L,烃含量达到63.8%,与放大前相比均维持在较高的水平。4)采用气浮辅助电絮凝方法并采用合适的通气策略可以有效回收布朗葡萄藻细胞,当电源电压60 V通气量为30 mL/min时,使用通气10 min后停止通气的策略,18 min后布朗葡萄藻细胞回收率为98.6%。而在电压相同的条件下,无气浮辅助的单独电絮凝28 min,回收率达到92.5%。气浮辅助电絮凝方法与之相比,操作时间缩短了35.7%,能量消耗减少了35.0%,布朗葡萄藻细胞的回收率得到进一步提高。磁性纳米Fe3O4颗粒可以对布朗葡萄藻细胞进行磁性分离,该方法用时短、效果好;低pH值和提高磁性纳米颗粒用量都更有利于提高磁性分离的效果;磁性纳米Fe3O4颗粒对布朗葡萄藻细胞的吸附符合Langmuir吸附。磁性纳米颗粒分离法所消耗能量较少,比气浮辅助电絮凝法更占优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 能源现状和能源微藻
• 1.1.1 简介
• 1.1.2 能源微藻的优势
• 1.1.3 能源微藻的种类
• 1.2 布朗葡萄藻
• 1.2.1 布朗葡萄藻形态学研究
• 1.2.2 布朗葡萄藻的分类
• 1.2.3 布朗葡萄藻的优势
• 1.3 布朗葡萄藻的培养
• 1.3.1 培养基的选择与优化
• 1.3.2 培养条件选择与优化
• 1.4 微藻的大规模培养
• 1.4.1 开放式培养系统
• 1.4.2 封闭式培养系统
• 1.4.3 布朗葡萄藻的反应器培养
• 1.4.4 反应器的模型化发展
• 1.5 布朗葡萄藻的分离采收和烃类物质提取
• 1.5.1 微藻的分离采收
• 1.5.2 布朗葡萄藻的烃类物质提取
• 1.6 微藻的冷冻保藏
• 1.7 本课题的立题依据与研究内容
• 第二章 布朗葡萄藻的培养和冷冻保藏
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 实验材料与仪器
• 2.2.2 培养基
• 2.2.3 气升式反应器
• 2.2.4 培养方法
• 2.2.5 冷冻保藏方法
• 2.2.6 分析方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 三种不同培养基对布朗葡萄藻生长及其代谢产物的影响
• 2.3.2 Chu13 培养基中布朗葡萄藻的生长和代谢规律
• 2.3.3 布朗葡萄藻细胞的形态观察和成分分析
• 2.3.4 布朗葡萄藻细胞的冷冻保藏
• 2.4 本章小结
• 第三章 布朗葡萄藻的分批补料培养
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 实验材料与仪器
• 3.2.2 培养基和培养方法
• 3.2.3 分批补料方法
• 3.2.4 分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 补料时间对葡萄藻分批补料培养的影响
• 3.3.2 补料浓度对葡萄藻分批补料培养的影响
• 3.3.3 补料策略对葡萄藻分批补料培养的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 气升式光照生物反应器的内部结构优化与放大
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 实验材料与仪器
• 4.2.2 培养基
• 4.2.3 气升式反应器
• 4.2.4 培养方法
• 4.2.5 测定方法
• 4.2.6 实验设计与模拟
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 2 L 气升式光照反应器内部结构优化方法的建立
• 4.3.2 40 L 气升式光照反应器内部结构优化结果
• 4.3.3 40 L 气升式光照反应器中微藻放大培养和补料培养
• 4.4 本章小结
• 第五章 布朗葡萄藻分离方法的研究
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 实验材料与仪器
• 5.2.2 培养基和培养方法
• 5.2.3 气浮辅助电絮凝方法
• 5.2.4 磁性纳米颗粒分离法
• 5.2.5 分析方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 气浮辅助电絮凝法对布朗葡萄藻细胞回收率的影响
• 3O₄ 对布朗葡萄藻细胞进行磁性分离'>5.3.2 磁性纳米颗粒 Fe₃O₄对布朗葡萄藻细胞进行磁性分离
• 5.3.3 分离方法比较
• 5.4 本章小结
• 主要结论与展望
• 论文主要创新点
• 注释表
• 致谢
• 参考文献
• 附录: 作者在攻读博士学位期间发表的论文