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题名	微藻固定CO2动力学的研究
作者	李树文
学位类别	博士
答辩日期	2013-06
授予单位	中国科学院研究生院
授予地点	北京
导师	郭荣波
关键词	微藻 二氧化碳 动力学 封闭式跑道池 光生物反应器
学位专业	生物化学与分子生物学
中文摘要	微藻是光能驱动的将CO2、水和矿物质元素转变为生物质和氧气的光合微生物。其生物质可用于可再生能源（如生物柴油、生物乙醇、生物燃气）、健康食品、医药、化妆品、动物饲料、色素、脂肪酸以及其它高附加值产品的生产。CO2是光能自养微藻必须的碳源，碳占微藻干重的43.6-54.5%，则生产1 ton生物质需要吸收固定1.6-2 ton CO2，因此微藻固定CO2效率的提高可降低微藻生物质规模化培养所需碳源的成本。微藻固定CO2动力学的研究为CO2的供应、溶解、传递和微藻吸收固定提供了理论模型，为微藻高效率的固碳培养提供实践指导。本论文在研究微藻生理特性的基础上，建立了不同光生物反应器培养微藻固定CO2的动力学方程，阐明了CO2的供应、溶解、传递和微藻吸收固定之间的规律以及微藻生长的限速机理并提出了高效固碳培养模式，主要的创新性研究结果如下：（1）本研究开发了一种新型封闭式跑道池光生物反应器，与传统开放式跑道池比较，微藻产率提高41%，具有高的CO2溶解效率、溶解氧的排出效率以及微藻固碳效率，其构造简单，可在现有开放式跑道池基础上加工改造而成，易于建造和维护。同时系统地研究了该跑道池的CO2的供应、溶解、传递和微藻吸收固定之间的规律，建立了微藻固定CO2动力学方程和高效固碳培养模式，依据该模式，微藻固碳效率由56%提高至95%。本研究的封闭式跑道池及其CO2固定动力学规律为新型光生物反应器的设计和开发提供参考，为微藻固定CO2效率的提高提供了计算模型。（2）本研究创新性的将双膜理论、气泡内气体溶解速率方程和气泡直径与气泡上升速度之间的关系整合，建立了柱式反应器和平板反应器固定CO2动力学方程，阐述了柱式和平板反应器固碳特性，明确了气泡直径和培养液高度是影响微藻固碳效率提高的2个重要因素。本研究的固碳动力学可依据气泡直径大小计算不同流量和浓度CO2在不同高度反应器的固碳效率和微藻产率，为柱式和平板式反应器培养微藻高效率固定CO2提供了理论模型和实践指导。在动力学方程的指导下，柱式和平板反应器固碳效率分别达到70%和71%。
英文摘要	Microalgae are light-driven photomicroorganisms which translate carbon dioxide, water and mineral elements into biomass and oxygen. Microalgal biomass can be used for the production of sustainable energy (e.g. biodiesel, bioethanol, biogas), health food, medicine, cosmetic, animal feed, pigment, fat acid and other products with high added value. Beacause CO2 is essential carbon source to photoautotrophic microalgae and the percentage of carbon in mcroalgal dry weight ranges from 43.6% to 54.5%, 1 ton of algal dry cell weight utilizes 1.6-2 tons of CO2. Therefore, the improvement of CO2 fixation efficiency by microalgae reduces the cost of carbon source used for microalgal mass culture. The dynamics of CO2 fixation by microalgae provides theoretical model for the supply, dissolution, transfer and microalgal comsumption of CO2, and provides practical guidance for CO2 fixation by microalgae with high efficiency. In the present work, on the premise of the microalgal physiological characteristics, the dynamics of CO2 fixation by microalgae in different photobioreactors were established, and the law between the supply, dissolution, transfer and microalgal consumption of CO2 , and the microalgal grow-limiting mechanisms were clarified, and the cultural model of CO2 fixation with high efficiency was proposed. The mainly innovative experimental results are as the following:(1) In this work, a new closed raceway pond photobioreactor was designed and developed. Compared with microalgal productivity in a traditional open raceway pond, microalgal productivity in the closed raceway pond increased by 41% and the closed raceway pond had high efficiency in CO2 dissolution, removal of dissolved oxygen and CO2 fixation by microalgae. Its structure was simple, which can be easily constructed by covering the existing open raceway pond, and it was easy to maintain. Moreover, the law between the supply, dissolution, transfer and microalgal consumption of CO2 was systematically investigated, and the dynamic equation of CO2 fixation by microalgae and the model of CO2 fixation with high efficiency by microalgae were established. According to this model, the efficiency of CO2 fixation by microalgae increased from 56% to 95%. In this work, the developed closed raceway pond and its dynamics of CO2 fixation by microalgae provided the reference for the design and the development of new photobioreactors, and provided the calculation model for the improvement of CO2 fixation efficiency by microalgae. (2) In this study, two-film theory, the equation of CO2 dissolution rate of CO2 enriched gas bubbles in water, and the relation between the bubble buoyancy velocity and the size of bubble diameter were innovatively combined, and the dynamic equation of CO2 fixation by microalgae in bubble column and flat panel photobioreators was established, and the characteristics of CO2 fixation by microalgae in photobioreactors was clarified. According to microalgal growth, it can be concluded that bubble diameter and the height of culture liquid in photobioreactor were two major factors to improve CO2 fixation efficiency by microalgae. In this work, according to the size of bubble diameter, CO2 fixation efficiency and microalgal productivity in different heights of photobioreactors aerated with different gas flow rates and concentrations of CO2 can be calculated, which provided the theoretical model and practical guidance for CO2 fixation with high efficiency by microalgae in bubble column and flat panel photobioreactors. According to the developed dynamic equation, the CO2 fixation efficiency of bubble column photobioreactor and flat panel photobioreactor attained 70% and 71%, respectively.
语种	中文
学科主题	生物制氢与沼气
公开日期	2013-07-13
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.qibebt.ac.cn:8080/handle/337004/1504]
专题	青岛生物能源与过程研究所_生物制氢与沼气团队
推荐引用方式 GB/T 7714	李树文. 微藻固定CO2动力学的研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2013.

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