微藻（酶）膜反应器去除密闭环境空气中CO2的研究

论文摘要

载人航天器或潜艇等密闭环境中CO2的去除和O2及时补充,是环控生保系统的重要任务之一。密闭空气中CO2去除技术首先要求高效、稳定和安全,其次是装置体积小、重量轻、能耗低、寿命长,以及操作和维护简便。本论文围绕上述目标,基于中空纤维膜传质比表面大、设备体积小的优势,选定小球藻（Chlorella vulgaris）和碳酸酐酶（CA）两种作为CO2固定与转化的高效传递载体,研制中空纤维膜式光生物反应器和中空纤维酶膜反应器,分别用于去除CO2的系统性研究。 小球藻比C4植物光合速率高、繁殖快、环境适应性强,是一种高效的CO2固定转化载体。本文在3L简易式光生物反应器中,首先开展小球藻对去除CO2的效果试验,考察了碳源、pH、温度、光照强度和供气条件等影响因素。在光强3500 lx、温度25～30℃条件下,采用孔径为0.33μm的中空纤维膜组件曝气,流量为600 ml/min,当进气CO2浓度为1%时,CO2去除率约为50%,最大CO2去除速率达到118 mg/（L·h）。 其次,采用分批补料和碳源补充法,在10 L气升式光生物反应器中进行小球藻的高密度培养,使细胞密度从补料前2.3×107cells/ml提高到2.675×108cells/ml。在一定的气速下,进气浓度对小球藻光合固定CO2和产O2的影响较大,实验结果表明,当进气CO2浓度为0.04%左右时,不能满足微藻生长所需碳源,当CO2浓度提高到1%时,藻液pH下降到8.5左右,通常能使细胞密度增加到1.0×108cells/ml以上;另外,降低进气中O2的含量,有利于小球藻光合产O2,但对反应器的CO2去除速率影响并不显著。研究还表明小球藻光合固定CO2和产生O2能力与细胞的生长周期紧密相关,在分批式培养过程中,进入静止期后的细胞利用CO2和产生O2能力锐减。由此可知,增强单位反应器处理CO2能力不能一味依赖细胞密度的增加。 然后,在原10 L光生物反应器上串联中空纤维膜组件,采用中空纤维死端流曝气法以改善小球藻供碳方式。试验发现,该法不但能使气泡更加细小均匀,而且气体在藻液中的停留时间由原来的2秒提高到20秒以上,有利于藻液中溶

论文目录

• 第一章 绪论
• 2水平及危害'>1.1 CO₂水平及危害
• 2去除技术'>1.2 密闭空气中CO₂去除技术
• 1.2.1 固胺树脂吸附法
• 1.2.2 金属氧化物法
• 1.2.3 分子筛法
• 1.2.4 膜分离法
• 1.2.4.1 固载活性基团膜
• 1.2.4.2 支撑液膜
• 1.2.4.3 膜基气体吸收
• 1.2.5 生物法
• 1.2.5.1 光合细菌
• 1.2.5.2 高等植物
• 1.2.5.3 微藻
• 2去除技术筛选'>1.2.6 密闭空气中CO₂去除技术筛选
• 2研究进展'>1.3 微藻固定CO₂研究进展
• 1.3.1 藻种的筛选和培养
• 1.3.1.1 藻种的筛选
• 1.3.1.2 微藻的高密度光自养培养
• 2微藻的基因工程研究'>1.3.1.3 高效固定CO₂微藻的基因工程研究
• 2机理'>1.3.2 微藻固定CO₂机理
• 1.3.2.1 无机碳利用形式
• 1.3.2.2 无机碳浓缩机制（CCM）
• 2浓度影响'>1.3.2.3 CO₂浓度影响
• 2反应器及其集成技术'>1.3.3 微藻固定CO₂反应器及其集成技术
• 1.3.3.1 高效光生物反应器制备
• 1.3.3.2 膜组件在光生物反应器中的应用
• 1.3.3.3 中空纤维膜接触器
• 2技术'>1.3.4 微藻膜式光生物反应器去除CO₂技术
• 2'>1.4 碳酸酐酶膜反应器去除空气中CO₂
• 1.4.1 碳酸酐酶
• 1.4.2 碳酸酐酶固定化
• 1.4.3 （微藻）酶固定化凝胶
• 2机理'>1.4.4 碳酸酐酶膜反应器分离CO₂机理
• 2技术'>1.4.5 酶膜反应器去除CO₂技术
• 1.5 论文立题思路
• 1.5.1 课题的提出与意义
• 1.5.2 课题实验方案
• 1.5.2.1 小球藻高密度光自养培养
• 2'>1.5.2.2 小球藻光生物反应器去除CO₂
• 2'>1.5.2.3 小球藻膜式光生物反应器去除CO₂
• 2动力学模型'>1.5.2.4 小球藻气升式光生物反应器去除CO₂动力学模型
• 2'>1.5.2.5 中空纤维含酶液膜反应器去除CO₂
• 1.5.2.6 高吸水性树脂制备及其凝胶固载酶膜反应器
• 第二章 实验材料与方法
• 2.1 实验仪器
• 2.2 藻种和培养基
• 2.2.1 藻种及藻种保藏
• 2.2.2 培养基
• 2.3 培养方式
• 2.3.1 种子培养
• 2.3.2 摇瓶培养
• 2.3.3 光生物反应器培养
• 2.3.4 10L光生物反应器操作
• 2.4 分析方法
• 2.4.1 细胞形态
• 2.4.2 细胞浓度
• 2.4.2.1 细胞计数
• 2.4.2.2 细胞光密度
• 2.4.2.3 细胞重量
• 2.4.2.4 细胞计数、光密度和干重表示法之间的相关性
• 2.4.3 光强测定
• 2.4.4 叶绿素含量测定
• 3-N、NO₂-N、NO₃-N、PO₄-P浓度的测定'>2.4.5 藻液中NH₃-N、NO₂-N、NO₃-N、PO₄-P浓度的测定
• 2.4.6 元素与灰份分析
• 2系统'>2.5 微藻固定空气中CO₂系统
• 2.5.1 实验装置
• 2.5.1.1 3L简易光生物反应器
• 2.5.1.2 10L高密度光生物反应器
• 2.5.2 配气方案
• 2.5.3 膜组件的有关特性参数
• 2和O₂含量的测定'>2.5.4 气相中CO₂和O₂含量的测定
• 2.5.5 微藻光合摄碳计算
• 2.6 碳酸酐酶测定
• 第三章 小球藻高密度光自养培养
• 3.1 前言
• 3.2 小球藻
• 3.3 小球藻生长影响因素
• 3.4 小球藻简易光生物反应器培养
• 3.4.1 碳源
• 3.4.1.1 空白对照
• 3.4.1.2 碳源补加
• 3.4.2 pH
• 3.4.3 温度
• 3.4.4 光照条件
• 3.4.5 混合传质
• 3.4.5.1 进气流速
• 3.4.5.2 气泡大小
• 3.4.6 培养时间
• 3.5 小球藻高密度光生物反应器培养
• 3.5.1 小球藻分批培养
• 3.5.1.1 氮源
• 3.5.1.2 磷源
• 3.5.1.3 氮磷比
• 3.5.2 小球藻分批补料培养
• 3.6 小球藻营养元素的平衡计算
• 3.6.1 实验室配方
• 3.6.2 传统N-8培养基
• 3.6.3 优化培养基设计—M-8培养基
• 3.6.4 三种培养基配方的比较
• 3.7 小结
• 2'>第四章 小球藻光生物反应器去除CO₂
• 4.1 前言
• 2转化的因素'>4.2 影响CO₂转化的因素
• 4.2.1 进气流速
• 2浓度'>4.2.2 进气CO₂浓度
• 2为0.04％'>4.2.2.1 空气CO₂为0.04％
• 2从0.04％增至1％'>4.2.2.2 进气中CO₂从0.04％增至1％
• 2浓度1％'>4.2.2.3 进气CO₂浓度1％
• 2浓度'>4.2.2.4 不同进气CO₂浓度
• 2浓度'>4.2.3 进气中O₂浓度
• 2浓度（进气CO₂浓度1％）'>4.2.3.1 不同进气O₂浓度（进气CO₂浓度1％）
• 2含量递增（进气CO₂浓度1％）'>4.2.3.2 进气中O₂含量递增（进气CO₂浓度1％）
• 2和O₂浓度'>4.2.3.3 进气中不同CO₂和O₂浓度
• 4.2.4 生长周期
• 4.3 光合摄碳和放氧动力学
• 4.3.1 光合放氧原位测定
• 2传质系数K_La'>4.3.2 动态法测定体积CO₂传质系数K_La
• 2传质系数K_La影响'>4.3.3 通气速率对体积CO₂传质系数K_La影响
• 4.3.4 细胞密度对光合摄碳速率影响
• 4.4 基于生物量产率的碳源计算
• 4.5 小结
• 2'>第五章 小球藻膜式光生物反应器去除CO₂
• 5.1 前言
• 5.2 膜式光生物反应器制备
• 2'>5.3 膜式光生物反应器转化CO₂
• 5.3.1 串接膜组件前后T、pH和DO变化
• 5.3.1.1 串接前空气进气
• 5.3.1.2 串接后空气进气
• 5.3.1.3 串接后连续光照培养
• 2、O₂含量的变化'>5.3.2 串接组件前后出气CO₂、O₂含量的变化
• 2浓度一定'>5.3.2.1 进气CO₂浓度一定
• 2浓度变化'>5.3.2.2 进气CO₂浓度变化
• 2脱除率和CO₂固定速率'>5.3.3 串接组件前后CO₂脱除率和CO₂固定速率
• 2浓度为1％'>5.3.3.1 进气CO₂浓度为1％
• 2浓度变化'>5.3.3.2 进气CO₂浓度变化
• 2浓度和进气气速'>5.3.3.3 不同进气CO₂浓度和进气气速
• 5.4 膜接触器的影响因素
• 5.4.1 膜比表面积和孔径
• 5.4.2 操作条件
• 5.4.2.1 死端模式和流过模式
• 5.4.2.2 循环气液速
• 2补充同步、异步'>5.4.2.3 光照和CO₂补充同步、异步
• 5.5 光生物反应器体积计算
• 5.6 小结
• 2模型'>第六章 气升式光生物反应器去除CO₂模型
• 6.1 前言
• 6.2 气升式光生物反应器
• 6.3 数学模型的建立
• 6.3.1 气液传质总方程
• 6.3.1.1 时间离散化分析
• 6.3.1.2 集中参数法分析
• 2]与pH三者关系分析'>6.3.1.3 [Cr]、[CO₂]与pH三者关系分析
• 6.3.2 参数计算
• 6.3.2.1 藻液流动速率
• 6.3.2.2 反应器中气含率
• 6.3.2.3 传质系数
• 6.3.2.4 反应速率
• 6.4 模型计算与验证
• 6.4.1 模型计算
• 6.4.2 模型模拟、预测与验证
• 6.4.2.1 进气组成为空气
• 2'>6.4.2.2 进气组成为0.5％ CO₂
• 2'>6.4.2.3 进气组成为1％ CO₂
• 6.5 小结
• 2'>第七章 碳酸酐酶膜反应器去除CO₂
• 7.1 前言
• 7.2 中空纤维含酶液膜反应器制备
• 2因素'>7.3 影响酶膜反应器去除CO₂因素
• 7.3.1 吹扫气作为推动力
• 7.3.2 原料气和吹扫气气速
• 7.3.3 Ar吹扫和空气吹扫
• 2浓度'>7.3.4 进气CO₂浓度
• 7.3.5 碳酸酐酶（CA）
• 2转化数计算'>7.3.5.1 CA对CO₂转化数计算
• 7.3.5.2 CA浓度
• 7.3.6 不同组件和液膜厚度
• 7.3.7 空白试验
• 7.3.8 装置运行稳定性
• 7.4 膜面积计算
• 7.5 小结
• 第八章 生物相容高吸水性树脂的研制
• 8.1 前言
• 8.2 高吸水性树脂吸水机理
• 8.3 抗盐高吸水性树脂
• 8.3.1 盐类对高吸水性树脂的影响
• 8.3.2 提高树脂耐盐性方法
• 8.3.3 耐盐高吸水性聚丙烯酸系树脂
• 8.4 聚丙烯酸—丙烯酰胺高吸水性树脂制备
• 8.5 树脂的结构表征和性能测试
• 8.5.1 树脂的结构表征
• 8.5.1.1 分子结构的表征
• 8.5.1.2 颗粒结构的表征
• 8.5.2 树脂的性能测试
• 8.5.2.1 吸水倍率
• 8.5.2.2 吸盐水倍率
• 8.6 树脂的性能研究
• 8.6.1 吸水性能研究
• 8.6.1.1 交联剂用量对吸水率的影响
• 8.6.1.2 单体中和度对吸水率的影响
• 8.6.1.3 体系油水比对吸水率的影响
• 8.6.1.4 脱水量对吸水率的影响
• 8.6.1.5 丙烯酰胺量对吸水率的影响
• 8.6.2 吸液性能研究
• 8.6.2.1 丙烯酰胺量对吸液率的影响
• 8.6.2.2 交联剂和中和度对吸液率的影响
• 8.6.3 抗盐高吸水性能研究
• 8.6.4 溶胀脱水后凝胶表征
• 8.7 凝胶固定化微藻培养
• 8.8 碳酸酐酶凝胶固定化
• 2'>8.9 中空纤维凝胶固载酶膜反应器去除CO₂
• 8.10 小结
• 第九章 结论与展望
• 9.1 结论
• 9.2 不足与展望
• 本文创新点
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的论文
• 致谢