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石油作为化石燃料中主要成员,极大地推动了现代文明和社会的发展。但是石油燃烧所产生大量的CO2导致全球出现气温上升、冰川消融、海平面上升等问题,严重威胁着人类未来在地球上的发展。同时其储备日益减少迫使全球面临能源短缺的重大问题,因此,寻找绿色可再生无污染友好型的能源成为世界各国普遍关注的问题。
生物柴油是以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的清洁燃料。与石油柴油相比,生物柴油具有可再生、易生物降解、无毒、不污染环境等特点,可作为一种重要新能源部分替代石油柴油。
目前用作生产生物柴油的的原料主要有大豆油、菜籽油、玉米油、动物油脂或废弃油等,但油料作物和木本油料植物均不适合我国国情,而微藻由于具有生长速率快、油脂含量高、不需要占用农业耕地,可以在盐碱地、半干旱地区、干旱地区甚至沙漠地区等进行培养,同时也可在淡水、盐湖、海水等不同水域中进行生长等优点成为了生产生物柴油的潜力原料。
但是微藻培养由于没有合适的藻种和不成熟的微藻养殖技术受到成本过高的限制。许多微藻在实验室条件下小规模培养生物量和油脂含量都不错,但一旦移到大规模反应器或者室外跑道池中进行培养,由于天气、杂藻竞争等人为不能控制的原因,藻株生长速度慢,产油量低。设计出更优化的大规模生物反应器和摸索更合适的培养条件是微藻养殖中的难题。
本研究根据国情,首先从筛选藻种入手,然后对筛选出来的藻种进行生长因子条件的摸索与实验,最终运用到新型太阳能分光光合生物反应器中。得出结论如下:
1.在三株藻种的筛选中,发现GN38在干重方面远远超过了Chlorellavuglaris(CV)和Chlorellazofingiensis(CZ)的最高干重,由于GN38在干重方面的明显优势,所以选取GN38作为下一步的研究对象,来进行影响因子对微藻生长和油脂积累的研究。
2.光强与氮源是影响微藻生长与物质积累的重要因子,本文研究了光强、氮源、氮源浓度对一株自然条件下分离的绿球藻GN38的生长和油脂积累的影响。本实验通过在不同光照强度(226μmol/m2/s和125μmol/m2/s)条件下,分别以具浓度梯度(1N,1/3N,1/5N)的NaNO3和CO(NH2)2为氮源培养绿球藻,获得了GN38生长与产油的较佳条件。结果表明,较高光强能促进GN38生长和总脂积累;CO(NH2)2有利于GN38积累油脂;不同氮源都表现出氮源浓度与生物量成正比;无氮组除外,226μmol/m2/s光强、1/5N时GN38的总脂含量最高。综合考虑,产油微藻GN38的最佳培养条件为226μmol/m2/s光强和0.528g/LCO(NH2)2,在此条件下干重达到6.7g/L,总脂含量为38%,总脂产量为2.54g/L,脂肪酸成分中C16和C18含量高达95.15%。
3.通过将GN38投入基于LED光源的光合生物反应器中进行实验得出的结果可以发现,新型太阳能光合生物反应器需要从以下几个方面来进行改进:大幅度增强传导入反应器中的光强,寻找传导效率高的光纤材质,提高最终进入反应器藻液中的光照强度;适量增加在内筒和外筒中通气口的数量,确保能加藻液在反应器中有效的循环;内筒的高度有待进一步实验考证从而改进;考虑整体藻液透气和散热的问题。