（环境科学与工程专业论文）小球藻chlorella+vulgaris固碳效能及油脂积累影响因素研究.pdf

国内图书分类号：x703.1 学校代码：10213 国际图书分类号：628.3 密级：公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 小球藻（chlorella vulgaris）固碳效能及油脂 积累影响因素研究 硕 士 研 究 生 ： 初晓婉 导 师 ： 冯玉杰教授 申请学位 ： 工学硕士 学科 ： 环境科学与工程 所 在 单 位 ： 市政环境工程学院 答 辩 日 期 ： 2012 年 7 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 classified index: x703.1 u.d.c: 628.3 dissertation for the master degree in engineering the study of influencing factors on lipid accumulation and carbon fixation of chlorella vulgaris candidate： chu xiaowan supervisor： prof. feng yujie academic degree applied for： master of engineering specialty： environmental science and engineering affiliation： school of municipal and environmental engineering date of defence： july, 2012 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘摘 要要 微藻增殖速度快且油脂含量高，被认为是生产生物柴油的理想原料。同时， 微藻固碳技术具有巨大的经济和环境效益。因此，将微藻应用于烟道气中 co2的 固定/废水的处理/油脂的生产的耦合系统已经引起了各国研究者的高度重视。本文 通过单因素试验方法，采用 bg11、市政污水为培养基，系统考察了不同环境条件 下普通小球藻油脂积累及固碳的规律，包括培养模式、co2、通气速率、光照条件 及营养物质等因素。本研究还设置了连续流试验，考察了小球藻在积累油脂的同 时，同步实现了废水的处理及 co2的固定。 首先考查了不同培养模式下小球藻油脂积累及固碳的规律。在异养和混合营 养模式下小球藻的油脂产率较高，分别是自养模式下的 1.9 倍和 2.6 倍；自养模式 有利于小球藻对 co2固定，co2平均固定率是混合营养模式下的 1.63 倍；异养模 式下有利于小球藻吸收有机物，其 cod 去除率达到了 90%以上，而混合营养模式 下仅为 80%。 其次考查了不同通气条件下小球藻固碳及油脂积累规律，结果表明：首先， co2的加入可以增加细胞密度，减小油脂含量，随 co2浓度的增加，co2固定率及 cod 的去除率降低。co2为 5%时， co2平均固定率最大，达到了 13.69%；除空 气组外，其他组 cod 出水均在 65mg/l 以上。其次，随通气速率的增加，小球藻 细胞密度增大， 而油脂含量及先增加后减少， co2固定率降低。 通气速率为 0.1l/min 时， co2平均固定率最大且cod的去除率最小， 三者对应分别是29.32%及为57%； 通气速率在 0.20.6l/min 范围内，小球藻脂含量及油脂产率均较高。 再次，研究了不同光照条件下小球藻油脂积累及固碳规律：1）8000lx 下为生 长、油脂积累及 co2固定的最佳光强，在不同的光照强度下小球藻对 cod 的去除 率均能达到 65%以上。2）随光照时间的增加，小球藻生长速度加快且生长周期缩 短。油脂含量在 11%14%之间，光照时间为 16h 时，co2平均固定率及 cod 去除 率均最大，分别达到了 19.5%及 86%，出水在 50mg/l 以下。 最后，对营养底物对小球藻油脂积累及固碳规律的影响进行了研究：1）生活 污水含量为 50%时小球藻生长、 油脂含量及油脂产率均最大， 分别达到了 0.31g/l、 16.02%，及 49.20mg/l；生活污水含量为 25%时，co2平均固定率最大为 15.44%； 小球藻对 cod 的去除率相差不大。2）磷含量的加入延长了小球藻的对数期。氮 磷比例为 6:1 时，小球藻最终藻密度、油脂含量及 co2平均固定率最大；随氮磷比 例的减小，cod 去除率增大。3）外加葡萄糖可以促进小球藻的生长及脂含量的增 加， 但会降低 co2的固定。 cod:tn 比例为 230:1时油脂含量最高， 达到了 15.89%， 脂产率也较高，为 180.35mg/l。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - 在连续流情况下，对生活污水进行不同预处理得到的小球藻油脂积累、co2 固定及废水处理规律：灭菌组小球藻生长及油脂积累情况较好，但固碳及废水处 理较差。“运行” 阶段结束后， 灭菌组小球藻干重为1.23g/l， 脂产率达到了295.7mg/l， 不灭菌组分别是 1.08g/l 和 257.8mg/l，不灭菌组出水达到了城镇污水处理厂污 染物排放标准一级 a 标准。小球藻在不灭菌的情况下可以利用 co2及市政废水 进行自身油脂积累，同步实现了对 co2的固定及市政废水的有效处理。 关键词：普通小球藻；油脂积累；co2固定；废水处理；连续流 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iii - abstract as the suitable feedstock for biodiesel production, microalgae can grow extremely rapidly and are rich in oils. at the same time, there are many enormous and environmental benefits in the micro-algae carbon fixation technology. many researchers in the word focus on the application of microalgae fixed co2 from flu-gas, wastewater treatment and lipid products. this thesis has used single factor experiment method to investigate various environmental factors, on the growth of algae in bg11 and real wastewater, including cultivation modes, co2 injection, turbulence, lighting condition and nutrients. this study also set up a continuous flow experiment to investigate lipid products coupled with wastewater treatment and flu gas emission. firstly, the carbon fixation and lipid product lows of chlorella vulgaris which was studied under different cultivation mode. chlorella vulgaris exhibited the highest growth ratesunder mixotrophic and heterotrophic condition. the lipid production rate of chlorella vulgaris under heterotrophic and mixotrophic condition were 0.9 times and 1.6 times more than that under phototrophic condition. co2 fixed rate was 0.63 times under phototrophic condition than that under mixotrophic condition. cod removeal rate was higher than 90% under heterotrophic condition but just 80% under mixotrophic condition. secondly, the carbon fixation and lipid products lows of chlorella vulgaris was studied under different aeration conditions. 1) the addition of co2 in system significantly increased the cell density and decreased lipid products. as the co2 concentration increased co2 fixation and cod removal rate was decreased. when co2 concentration was 5%, co2 fixed rate were the biggest. cod in effluent was higher than 65mg/l when co2 was added. 2) as the aeration rate was increased the cell density was increased and co2 fixed rate was decreased, but lipid contents and has a reduction after an amplify. when aeration rate was 0.1l/min, chlorella vulgaris has the slowest growth, the biggest co2 average fixed rate and the smallest cod removal rate, which were 0.32g/l, 29.32% and 57%. chlorella vulgaris has a high lipid products when aeration between 0.2 l/min and 0.6l/min. thirdly, the carbon fixation and lipid products laws of chlorella vulgaris was studied under different lighting conditions. 1) 8000lx was the most suitable light intensity for chlorella vulgaris growth, lipid accumulation and co2 fixed. under different light intensity, cod removal rate could reach 65%. 2) with the increase of the time of light, growth speeded and of chlorella vulgaris. lipid content was between 11% and 14%. when light time was 16h, co2 average fixed rate and cod removal rate were the biggest, which were 19.5% and 86%, and cod of effluent was under 50mg/l. lastly, the carbon fixation and lipid products laws of chlorella vulgaris was 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - studied under different nutrient conditions. 1) algae cell density, lipid content and lipid production rate were the highest when cultivated in 50% wastewater with 50% tap-water, which were 0.31g/l, 16.02% and 49.20mg/l. when cultivated in 25% wastewater with 75% tap-water, co2 average fixed rate was the highest, which was 15.44%. cod removal rate changed little. 2) the addition of phosphorus in system extend the logarithmic period. when tn/tp was 6:1, algae cell density, lipid content ,lipid production rate and co2 average fixed rate were the biggest. with the reduction of proportion of nitrogen and phosphorus, cod removal rate was increased. 3) supplementary glucose could increase algae cell density and lipid content, but decrease co2 fixed rate. when cod/tn was 230:1, lipid content was the highest, which was 15.89%, and lipid production rate was 180.35mg/l. the carbon fixation and lipid products laws of chlorella vulgaris was studied under different pretreatment methods by using continuous flow. chlorella growth and oil accumulation were well, but carbon fixed rate and wastewater treatment were poor when medium was sterilized. after the stage of operation, algae dry weight was 1.23g/l, and lipid production rate was 295.7mg/l when medium was sterilized, and the other group were 1.08g/l and 257.8mg/l. the effluent of system which was not sterilized could meet the first grade a standards of “discharge standard of pollutants for municipal wastewater treatment plant”. chlorella vulgaris could accumulate lipid cultivated in wastewater which was not sterilized, and also could fix co2 and wastewater treatment. keywords: chlorella vulgaris, lipid accumulation, co2 fixed, wastewater treatment, continuous flow 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - v - 目 录 摘 要 . i abstract . iii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.1.1 化石能源危机 . 1 1.1.2 温室效应 . 2 1.2 课题研究的目的及意义 . 3 1.3 微藻生物能源的研究进展. 4 1.3.1 微藻生物能源开发 . 4 1.3.2 高油脂含量微藻培养体系的研究进展 . 6 1.4 微藻培养及碳减排技术的国内外研究动态 . 10 1.4.1 微藻培养及烟道气固碳的研究 . 10 1.4.2 微藻用于废水处理的研究 . 12 1.5 课题来源 . 12 1.6 研究内容 . 13 第 2 章 实验材料和方法 . 15 2.1 藻种来源及培养基 . 15 2.2 实验装置 . 15 2.3 实验药品和仪器 . 18 2.4 实验方法 . 19 2.4.1 小球藻细胞密度及细胞增长率 . 19 2.4.2 藻细胞含量测定 . 20 2.4.3 油脂脂肪酸成分分析 . 20 2.4.4 细胞形态及油脂形态观察 . 21 2.4.5 co2含量测定及固定率计算 . 21 2.4.6 cod、tn、tp 及 ph 值的测定 . 21 2.5 实验设计 . 21 2.5.1 培养条件 . 21 2.5.2 营养底物 . 23 2.5.3 连续流培养 . 23 第 3 章 培养条件对小球藻油脂积累及固碳规律的影响研究 . 25 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - vi - 3.1 培养模式的影响 . 25 3.1.1 小球藻形态大小分析 . 25 3.1.2 小球藻生长及油脂积累特性分析 . 26 3.1.3 小球藻固碳特性分析 . 30 3.2 通气条件的影响 . 31 3.2.1 co2含量的影响 . 32 3.2.2 通气速率的影响 . 34 3.3 光照条件的影响 . 37 3.3.1 光照强度的影响 . 37 3.3.2 光照周期的影响 . 40 3.4 本章小结 . 42 第 4 章 营养底物对小球藻油脂积累及固碳的影响研究 . 44 4.1 培养基中生活污水含量的影响 . 44 4.1.1 小球藻生长及油脂积累的规律研究. 44 4.1.2 小球藻固碳规律研究 . 46 4.2 氮磷比例的影响 . 47 4.2.1 小球藻生长及油脂积累的规律研究. 47 4.2.2 小球藻固碳规律研究 . 49 4.3 碳氮比例对小球藻油脂积累及固碳规律的影响 . 50 4.3.1 小球藻生长及油脂积累规律的研究. 50 4.3.2 小球藻固碳规律的研究 . 51 4.4 本章小结 . 52 第 5 章 基于废水预处理优化的小球藻动态培养研究 . 54 5.1 试验装置 . 54 5.2 小球藻产油固碳特性分析. 55 5.2.1 小球藻生长特性分析 . 55 5.2.2 小球藻油脂积累特性分析 . 57 5.2.3 小球藻固碳特性分析 . 59 5.3 脱氮除磷特性分析 . 61 5.4 本章小结 . 62 结 论 . 63 参考文献 . 65 攻读硕士期间发表的论文及其它成果 . 73 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - vii - 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 74 致 谢 . 75 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 课题背景 1.1.1 化石能源危机 经济及社会的发展与能源有着紧密的联系，一方面能源的开发和利用为人类 的生存和发展提供了坚实的物质和经济基础，另一方面科技的进步又不断应用到 新能源的开发。能源的开发和利用带来了人类物质及精神文明的发展，随着能源 种类的增加， 消费量也不断增加， 图 1-11是 1860 年以来全世界能源消费量的变化 曲线。人类的衣食住行均以能源为载体，特别是近代人类物质成果的极大发展， 更伴随着石油、煤炭等化石能源的大量消耗。没有化石能源的利用，就没有人类 的便捷生活。作为人类的生命及文明之源，化石能源不可或缺。 图 1-1 18602000 年全球能量消费量 然而遗憾的是，经过不断的开采利用，已经给人类的将来带来了不能磨灭的 阴影：不可再生及大量的后遗症排放大量的温室气体，导致环境污染和气候 变化以及严重的生态破坏。2010 年这一年时间里，世界一次能源的消费量达到 12002.4 百万吨油当量2，其中化石能源占据了 87%（10442 百万吨）的席位，其 构成如图 1-2 所示， 而可再生能源仅占 1.3%， 其中水电及核能占到总量的 11.7%。 根据已探明的化石能源储量和现在的开采速度，按照现在的经济发展水平，全世 界石油储量仅能维持 40 年，天然气也将在 2060 年枯竭，煤炭也只能用 200 年2。 我国的能源形势则更是不容乐观，经过初步核算，我国 2011 年一年的能源消费总 量已达 34.8 亿吨标准煤2，与 1978 年的 5.71 亿吨标准煤相比2，增长了 609%。 而且我国的化石能源储量不足，而消费量又不断增加，截止 2010 年 6 月，世界和 我国化石能源的储量及消费量如图 1-32，我国对化石能源的依赖性较强，特别是 煤炭资源。为了保证经济持续稳定发展，我国自 1993 年以来就成为了石油净进口 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 国，截至 2010 年，石油对外依存度已达到 56.5%，严重影响国家安全和我国的长 久发展。 图 1-2 2010 年世界一次能源消费组成 图 1-3 中国化石能源储量及消费量占世界比例 1.1.2 温室效应 除不可再生外，化石能源的使用还会带来全球的气候变化，引发一系列的环 境和生态问题。化石能源等矿物燃料的燃烧是人为温室气体的最大来源，其比例 将近 90%。温室气体排放量的增加导致全球气温不断上上升，在过去的一个多世 纪中，全世界的地面气温升高了 0.5 度左右，气温的增加不仅会引起地表温度的升 高， 而且会导致气候异常及气候带改变， 增加全球极端气候发生的可能性及频率， 严重影响全球生态平衡以及人们的正常生活2。我国自建国以来，随能源消费量的 化石能源 87% 核能 5.2% 水电 6.5% 可再生能源 1.3% 2010年世界一次性能源消费组成 石油石油天然气天然气煤炭煤炭 0 10 20 30 40 50 中国占世界比例中国占世界比例/% 化石能源储量及消费量化石能源储量及消费量 储量比 储量比 消费量比 消费量比 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 攀升，co2排放量有了很大的提高。bp 世界能源统计分析报告显示，2010 年我国 温室气体排放量达到 8332.5 百万吨， 占全球总排放量的 25.1%， 位居世界第一位， 与美国相比，排放量增加了 35.7%2。尽管人均水平远低于发达国家水平，但我国 面临着能源需求的不断增强，环境保护资金匮乏等问题，削减 co2的排放量是我 国需要面临的一大挑战，伴随着工业化和城市化进程的加快，能源消费量和温室 气体排放量还将进一步增加，极大的限制我国经济和社会的发展。 面对能源危机及环境危机给人类带来的一系列问题，迫切需要寻找一种可持 续且环境友好型新能源。生物能源作为化石能源重要的替代品，具有一系列的优 点与环境有较好的相容性、具有较大的潜在产量，特别是具有零碳排放的特 点，不会增加温室气体量，越来越被人类所重视3。同时，随着科学技术的不断发 展，生物能源能量密度逐渐增加，使得生物质能源逐渐融入现代工业体系中。近 年来，各个国家开始逐渐重视生物能源的开发及利用，欧盟计划到 2020 年使用生 物燃料替换所有运输燃料的 10%，其他发达国家也都制定了类似的发展计划7。 1.2 课题研究的目的及意义 经济的发展需要以能源消费量的增加为代价。按照现在的经济发展水平，全 世界石油储量仅能维持 40 年， 天然气也将在 2060年枯竭， 煤炭也只能用 200 年2。 改革开放以来， 我国工业化得到了深入发展的同时， 人们生活水平也在不断提高， 使得我国的能源消费量急剧增加。2011 年我国石油对外依存度高达 56.5%，原油 进口量达到了 25378 万吨8，花费约为 1967 亿美元，为我国能源安全、经济安全 以及国家安全带来了很大威胁，因此，寻找合适的替代能源已成为我国政府和人 民迫切的要求。 生物能源，特别是其中的燃料乙醇和生物柴油，可以有很好的应用，只需对 发动机略加改动即可应用，也可以与相应的化石燃料进行混合，直接用于现有的 工业体系9，因此二者在几十年里有了长足的发展。但是在发展的过程中也存在着 一些问题，以往的生物能源的原料主要是玉米、大豆或油菜籽等粮油作物，生产 成本较高， 最为关键的是影响了粮食供应10,11。 原料的选择很大程度上限制了生物 柴油的产量， 以棕榈油制备生物柴油为例， 如果要替代美国交通燃料消耗量的 50%， 就需要 24%的耕地用于种植棕榈树，如果是使用大豆油来制备生物柴油，则需要 326%的耕地12。在此情况下，需要寻找一种低成本高密度生产生物柴油的原料， 而微藻具有的种类较多、分布很广、生长较快、产量高等优势，使其成为生物柴 油的原料。如果利用微藻油脂作为原料制备生物柴油，假设微藻脂含量为 30%， 则只需 2.5%的耕地即可满足美国 50%的交通燃料需求12。 微藻生物柴油具较大的生产潜力，但是由于微藻培养的高成本及低产量，极 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 大的限制了微藻生物柴油的实际应用及工业化生产。本论文以烟道气无机碳的固 定、废水中有机碳的去除与生物柴油同步转化为总体目标，利用微藻能源技术， 研究了小球藻油脂积累及烟道气中的 co2与生活污水中的有机碳进行生物固定规 律。 既通过小球藻光合作用固定烟道气中的 co2、 通过异养去除废水中的有机物， 还可以实现小球藻的培养、油脂的积累，本文非常系统的考察了不同条件下小球 藻生长、油脂积累及固碳规律，为微藻油脂的进一步研究及工业化生产提供了数 据支持及技术基础。 1.3 微藻生物能源的研究进展 1.3.1 微藻生物能源开发 图 1-4 微藻能源的生产方法和产物 微藻能源具有多种多样的利用形式，当然生产方法也不尽相同，根据开发技 术的不同，可将微藻能源利用分成直接燃烧发电、沼气化、微藻生物质气化13、 微藻生物质液化14等。在微藻培养过程中可以直接合成生物燃料，也可以将整体 藻细胞生物质直接加工为生物燃料，此外，将藻类提取物（主要是脂类物质）进 行转化也进行生物燃料的生产。对应的产物及生产方法如图 1-415所示。具体的反 应过程如下所述。 微藻生物 能源开发 整体生物质 油脂提取物 发酵乙醇 间接液化醇和油 异养代谢甲烷 光合产氢 热化学 直接合成生物 燃料 厌氧消化沼气 生物转化 化学方法 生化方法 酶转化生物柴油 其他 燃烧发电 气化气、液燃料 热解生物原油 直接液化油 转酯化生物柴油 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 1.3.1.1 生物转化 生化转化包括厌氧消化、乙醇发酵、异养代谢产烷烃及光合产氢四种。厌氧 消化是以有机物为底质，在厌氧菌作用下将其转化为 ch4、co2等燃气的过程。厌 氧消化的过程可实现能量转移，转移效率达到 20%40%。厌氧消化适用于含水率 达 80%90%的有机质16，因此可以不经过对微藻进行干燥、提取油脂以及转化等 高成本步骤，直接进行厌氧消化。董诗旭等17利用蓝藻为原料进行沼气发酵，产 期中甲烷可占据 64.91%。微藻生物质厌氧消化所获得的能量与提取微藻油脂所获 得的能量相当18，此外，厌氧消化留下的剩余物可以用于后续的微藻培养 19。 微藻乙醇发酵是将淀粉等多糖类物质通过异养发酵转化为乙醇等物质的过程。 在异养代谢过程中，就可以生产醇类，省去了高成本的藻种收集、提取油脂及其 他环节。干藻生物质中具有较高的的淀粉含量，范围在 27%80%内20，而淀粉转 化为乙醇的效率较高。 nguyen 等人21对微藻进行发酵转化， 乙醇产量达到了 29.3%。 但由于成本较高，需要寻找低成本碳源，可将此过程与微藻光合作用联合，降低 成本。 某些微藻能够通过光合产氢的方法生产 h2 22。依据微藻是否需要光可将制氢 途径分为光驱动产氢（两种）及淀粉发酵23。光驱动途径在有光的前提下，以铁 氧化还原蛋白为电子供体，以水或者 nadph 作为底物释放氢气24。在无光的状 态下，以水或者是淀粉作为电子供体，以质子接受电子产生氢气。微藻光合生物 制氢过程中存在着光能利用率低及 o2抑制氢化酶的限制，淀粉发酵制氢及其他方 式制氢可以解决这一问题，stal 等25以 oscillatoria 为研究对象，发现其可以以固 氮酶作为催化剂生产氢气。 利用糖在无光照的密闭反应器中培养微藻，依据藻种的不同生产不同的烷烃。 特别是在无光照情况下，烷烃产量更高15。 1.3.1.2 化学处理 化学处理包括热化学及化学方法。根据最终产物不同，可将热化学转化技术 分为燃烧、气化、直接液化及热解等技术，将纯化学方法分为间接液化及转酯化。 生物质在 o2存在的条件下直接燃烧，将自身物质中所储存的化学能转化为热 能26，这一过程称之为直接燃烧，产生的热能可以直接利用，也可以通过发电机 组进行发电。直接燃烧通常要求对生物质进行干燥、粉碎等预处理，这会增加额 外的能量消耗，从而增加了成本26。由于微藻细胞的粒径较小，因此可以省略粉 碎的过程，另外微藻燃烧的污染物排放也较低27。总的来说，微藻直接燃烧的研 究还比较少见，关于微藻燃烧的相关研究尚需要进一步深入开展。 直接水热液化，是在亚临界水介质中，利用藻细胞生产液态燃料（生物原油） 的过程14。水热液化是在极短的时间内模拟化石燃料的自然过程。液化的产物热 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 效率较高，用微藻液化产生的产物产率也较高，sawayama 等人28利用布朗葡萄藻 作为原料，300 度液化处理，最终得到的生物原油产率为 75%。 在与氧气隔绝的条件下，当生物质受到高温作用时，会发生化学分解，产生 热解气和热解油。与其他处理方法相比，热解具有反应速率非常极快的优势。在 生物质热解转化方面，前人已进行了大量的研究，在控制较