基本信息
- 项目名称：
- 微藻生产生物柴油的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 为提高微藻产油量，本文以蛋白核小球藻为研究对象，提出适合于提高微藻产油率的的方法和技术，主要包括蛋白核小球藻生物量快速准确检测方法的建立、微藻光合自养培养体系的优化和培养微藻的光生物反应器的设计。
- 详细介绍：
- 为提高微藻产油量，本文以蛋白核小球藻为研究对象，提出适合于提高微藻产油率的的方法和技术，主要包括蛋白核小球藻生物量快速准确检测方法的建立、微藻光合自养培养体系的优化和培养微藻的光生物反应器的设计。 蛋白核小球藻生物量检测是利用分光光度计测定蛋白核小球藻藻液的吸光值，以此快速准确评估其生物量。在200~800nm对蛋白核小球藻进行吸光扫描，发现藻液在517nm下吸光值最灵敏，其吸光值与其生物量之间存在良好的线性关系：Y=0.2578X-0.0051，线性系数 R^2=.9956。 微藻光合自养培养体系的优化主要基于正交优化，确定微藻的最佳培养条件。研究发现，采用光强为2500lx、波长为517nm的绿光照射时，微藻产油率最高；添加二氧化碳固定剂碳酸钠可以显著提高微藻产油率，且碳酸钠浓度为0.25g/L、二氧化碳通气量为0.4VVM时微藻产油率最高。 新型光生物反应器的设计主要以环保、节能、提高产率为目的，从提高二氧化碳和光能利用率两方面进行创新。反应器中加入二氧化碳固定剂来延长二氧化碳在藻液中的停留时间。基于光纤传导和漫反射原理，设计反应器筒体外壳为双层玻璃结构（两者折射率不同）、底部为漫反射表面，以达到使光线多进少出、多次反射利用的目的。采用数学模型的方法精确地计算出圆环结构的光源发射器的安装位置和密度，以提高光能利用率。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 研究目的:旨在解决微藻生产生物柴油的过程中，存在的二氧化碳固定率低、光能利用率低、成本过高等问题。撰写思路:①基于光密度法建立了快速测定蛋白核小球藻生物量的方法。②确定培养微藻的最佳波长，以此为辅助光源，并经一步优化最适光强、二氧化碳固定剂浓度和二氧化碳通气量。③设计了一种可高效利用光能和二氧化碳的光生物反应器。
科学性、先进性及独特之处
- ①目前，关于提高微藻光能利用率的研究多从光强和光周期角度出发，从增强微藻固定二氧化碳能力的角度提高微藻对二氧化碳利用率的报道还未见。②传统的反应器多采用单层玻璃、平整底面，且灯光分布随意，造成光能分布不均，流失严重。我们利用光纤传导原理和漫反射理论，把光反应器的壁设计成两层折射率不同的玻璃，底部为漫反射表面，达到使光线多进少出、均匀分布的目的。
应用价值和现实意义
- ①完善了微藻光合自养培养体系，为微藻大规模生产生物柴油提供可靠的理论依据和实施方法。绿光照明系统的使用、二氧化碳固定剂的添加等都有效地提高了培养体系的产油效率，为突破微藻生产生物柴油的两大瓶颈提供了新思路。②快速测定微藻生物量方法的建立有助于快速准确地评估生长状况，为同类微藻细胞生物量的测定提供了方法参考。③新型微藻生物反应器的设计为微藻高效、低能耗、一体化产油提供了良好的设备基础。
学术论文摘要
- 蛋白核小球藻生物量检测是利用分光光度计测定蛋白核小球藻藻液的吸光值，以此快速准确评估其生物量。在200~800nm对蛋白核小球藻进行吸光扫描，发现藻液在517nm下吸光值与其生物量之间存在良好的线性关系：Y=0.2578X-0.0051，线性系数 R^2=.9956。 微藻光合自养培养体系的优化主要基于正交优化，确定微藻的最佳培养条件。研究发现，采用光强为2500lx、波长为517nm的绿光照射时，微藻产油率最高；添加二氧化碳固定剂碳酸钠可以显著提高微藻产油率，且碳酸钠浓度为0.25g/L、二氧化碳通气量为0.4VVM时微藻产油率最高。 新型光生物反应器的设计主要以环保、节能、提高产率为目的，从提高二氧化碳和光能利用率两方面进行创新。反应器中加入二氧化碳 固定剂来延长二氧化碳在藻液中的停留时间。基于光纤传导和漫反射原理，设计反应器筒体外壳为双层玻璃结构（两者折射率不同）、底部为漫反射表面，以达到使光线多进少出、多次反射利用的目的。采用数学模型的方法精确地计算出圆环结构的光源发射器的安装位置和密度，以提高光能利用率。
获奖情况
- 1. 申请国家发明专利1项 [1]王英娟，李壮，黄嘉骏，贺敬，唐泽丽，吕腾，李红伟：培养产油微藻的光生物反应器，专利申请号：201120069375.5。 2. 发表论文4篇 [1]贺敬，李壮，唐泽丽，黄嘉骏，王英娟*：蛋白核小球藻生物量快速准确检测技术的研究。《西北大学学报》审稿中。 [2]唐泽丽，李壮，贺敬，黄嘉骏，王英娟*：产油蛋白核小球藻光合自养培养体系的研究。《西北大学学报》审稿中。 [3]贺敬，李壮，王英娟*，马涛，蒋海亮．微藻的固定化技术及应用研究 微创医学，2010，（6）：600-603。 [4]李壮，贺敬，王英娟*．微藻光合作用产氢的研究进展．吉林农业，2010，（12）：80-81。 3. 获国家大学生创新性实验计划项目资助1项 [1]贺敬，李壮，李娜：环保高效制备生物柴油（No.101069710）。研究经费20，000元，实批20，000元，起止时间为2010.10～2012.04。指导教师：王英娟。 4. 获奖1项 [1]李壮，贺敬：在“第23届全国青少年科技创新大赛：节能减排”中获创意类优秀奖。指导老师：王英娟。
鉴定结果
- 属实
参考文献
- [1]薛志忠，吴新海．国内外生物柴油研究进展[J]．现代农业科技，2010，16：293-297． [2]孙平，江清阳．生物柴油对能源和环境影响分析[J]．农业工程学报，2004，19(1) ：5． [3]李雪静，张璐瑶，乔明，等．藻类生物燃料研究开发进展[J]．中外能源，2009，14(4) ：23-26． [4]朱建良，张冠杰．国内外生物柴油研究生产现状及发展趋势[J] ．化工时刊，2004，18(1) ：23-27． [5]梁国斌，李小华．利用微藻制备生物柴油的研究进展[J] ．江苏技术师范学院学报，2010，16(3) ：10-13． [6]礼玲，张杰，李潇萍，等．微藻培养模式的研究进展[J] ．可再生能源，2010，28(1) ：56-62． [7]宋东辉，侯李君，施定基．生物柴油原料资源高油脂微藻的开发利用[J] ．生物工程学报，2008，24(3) ：341-348． [8]姜进举，苗凤萍，冯大伟，等．微藻生物柴油技术的研究现状及展望[J] ．中国生物工程杂志，2010，30(2) ：134-140． [9] Auschra C.M.,et al.Crystallization behavior of neat biodiesel and biodiesel treated with ozonized vegetable oil[J].European Journal of Lipid Science and Technology,2005,107(9):107-110. [10]王蒙，李纯厚，戴明．以海洋微藻为原料提取生物燃料的研究进展与发展趋势[J] ．南方水产，2009，5(1):74-80．
同类课题研究水平概述
- 在光合自养培养体系的构建过程中，国际上探索了很多利于微藻生长和产油的生理培养条件。由于光能利用率和二氧化碳利用率低仍是制约微藻生产生物柴油进入商业化的瓶颈，因此，探究如何解决这两大问题成为微藻生产生物柴油研究的核心。 目前，关于提高微藻光能利用率的文献报道较多，例如李荷芳、曾艳艺等研究了不同光强对海洋微藻脂肪酸含量和成分的影响，孙岁寒探究了不同的光周期对海洋微藻的影响，但从优化光质角度提高光能利用率的报道还较少；而关于提高二氧化碳利用率的文献报道几乎为零。 本研究参考微藻细胞的波长扫描结果，对比不同光质对微藻生物量和产油量的影响后，用绿光代替白光作为辅助光源培养微藻，提高其光能利用率。基于碳酸钠对二氧化碳的固定作用，在藻液中添加碳酸钠并优化了最佳碳酸钠浓度，增大了气液接触面积，延长了二氧化碳气体在藻液中的停留时间。 目前光生物反应器由于其集成、高效、自动化等优点应用在培养微藻生长代谢产物、育种等领域。但传统的光生物反应器在培养微藻时尚存在以下问题：①光能利用率不高。光生物反应器的采光方式主要有室外直接采光和人造光源采光两种。采用室外采光的方案不能保证持续稳定的光能供给，在光能利用过程中存在着采集难、流失多的问题；采用人造光源则存在大量消耗电能的弊端，不利于降低微藻大规模培养的成本。②二氧化碳利用率不高。目前多采用带有一个出口的管路系统将空气通入微藻悬浮液中。这种方法得到的二氧化碳量较少、气泡直径较大，在藻液中停留的时间短，导致二氧化碳利用率低，影响微藻的产量。 本论文设计的光生物反应器基于光纤传导原理和漫反射理论，在微藻光反应釜筒体外壳采用两层折射率不同的玻璃，底部采用漫反射粗糙结构，达到使光线在斧体内多次反射、多进少出的目的；利用数学建模的方法计算出内置环状光栅系统安装位置和密度，达到在满足微藻基本光照需求的同时最大限度减少光能浪费。
