微藻（酶）膜反應(yīng)器去除密閉環(huán)境空氣中CO-,2-的研究.pdf

1、載人航天器或潛艇等密閉環(huán)境中CO2的去除和O2及時補充，是環(huán)控生保系統(tǒng)的重要任務(wù)之一。密閉空氣中CO2去除技術(shù)首先要求高效、穩(wěn)定和安全，其次是裝置體積小、重量輕、能耗低、壽命長，以及操作和維護簡便。本論文圍繞上述目標，基于中空纖維膜傳質(zhì)比表面大、設(shè)備體積小的優(yōu)勢，選定小球藻(Chlorella vulgaris)和碳酸酐酶(CA)兩種作為CO2固定與轉(zhuǎn)化的高效傳遞載體，研制中空纖維膜式光生物反應(yīng)器和中空纖維酶膜反應(yīng)器，分別用于去除CO2

2、的系統(tǒng)性研究。 小球藻比C4植物光合速率高、繁殖快、環(huán)境適應(yīng)性強，是一種高效的CO2固定轉(zhuǎn)化載體。本文在3 L簡易式光生物反應(yīng)器中，首先開展小球藻對去除CO2的效果試驗，考察了碳源、pH、溫度、光照強度和供氣條件等影響因素。在光強3500 lx、溫度25～30℃條件下，采用孔徑為0.33μm的中空纖維膜組件曝氣，流量為600 ml/min，當進氣CO2濃度為1％時，CO2去除率約為50％，最大CO2去除速率達到118 mg/(L

3、·h)。 其次，采用分批補料和碳源補充法，在10 L氣升式光生物反應(yīng)器中進行小球藻的高密度培養(yǎng)，使細胞密度從補料前2.3×107 cells/ml提高到2.675×108 cells/ml。在一定的氣速下，進氣濃度對小球藻光合固定CO2和產(chǎn)O2的影響較大，實驗結(jié)果表明，當進氣CO2濃度為0.04％左右時，不能滿足微藻生長所需碳源，當CO2濃度提高到1％時，藻液pH下降到8.5左右，通常能使細胞密度增加到1.0×108cells/

4、ml以上；另外，降低進氣中O2的含量，有利于小球藻光合產(chǎn)O2，但對反應(yīng)器的CO2去除速率影響并不顯著。研究還表明小球藻光合固定CO2和產(chǎn)生O2能力與細胞的生長周期緊密相關(guān)，在分批式培養(yǎng)過程中，進入靜止期后的細胞利用CO2和產(chǎn)生O2能力銳減。由此可知，增強單位反應(yīng)器處理CO2能力不能一味依賴細胞密度的增加。 然后，在原10 L光生物反應(yīng)器上串聯(lián)中空纖維膜組件，采用中空纖維死端流曝氣法以改善小球藻供碳方式。試驗發(fā)現(xiàn)，該法不但能使氣泡

5、更加細小均勻，而且氣體在藻液中的停留時間由原來的2秒提高到20秒以上，有利于藻液中溶氧及時解吸。當細胞密度為2.0×107cells/mL時，在光強10000 lx，溫度25～30℃、進氣流速3 L/min的操作條件下，CO2濃度可從1.0％降低到0.3％；在相同流速下，用室內(nèi)空氣(0.04％CO2)進氣，出氣CO2濃度可降到色譜檢測極限(0.01％)，CO2去除速率則由原來的80 mg/(L·h)增強到260 mg/(L·h)。

6、 基于以上實驗數(shù)據(jù)，建立了氣升式光生物反應(yīng)器去除CO2的動力學(xué)模型，推導(dǎo)出模型的兩種簡化形式，并用于模擬氣升式柱型光生物反應(yīng)器藻液中pH、DO隨時間變化情況和進氣CO2濃度影響，預(yù)測光照條件下出氣CO2、O2濃度變化趨勢，其預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本吻合。該模型對于光生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計和微藻的高密度培養(yǎng)、用于密閉空氣中微量CO2去除的模擬和預(yù)測具有指導(dǎo)意義。 論文的另一主題是關(guān)于高效載體碳酸酐酶(CA)去除CO2能力的研究，CA

7、對CO2具有可逆催化轉(zhuǎn)化作用。在由兩股中空纖維束組成的一個特制組件(一束膜管程通原料氣，另一束膜管程通吹掃氣)的殼程填充CA及其緩沖溶液，研制成中空纖維含酶液膜反應(yīng)器，用于低濃度CO2去除。當CA濃度為10 mg/L，酶活2200 U/mg，Tris-HCl緩沖溶液濃度0.02 M(pH=8.0，25℃)，原料氣進口氣速100 ml/min，吹掃氣速進口200 ml/min時，采用5級串連就可以將進氣CO2濃度為1％的呼吸氣處理下降至一

8、般大氣CO2水平(0.035％)以下。該中空纖維含酶液膜反應(yīng)器連續(xù)操作穩(wěn)定，通過Ar吹掃能夠恢復(fù)酶活性，再生后的CA酶膜反應(yīng)器CO2去除能力不下降。 最后，本文還制備了一系列聚丙烯酸—丙烯酰胺耐鹽高吸水性樹脂，用于微藻和CA的凝膠固定。發(fā)現(xiàn)該凝膠不適合微藻的固定化培養(yǎng)，但適合CA的凝膠固定化。CA分子能夠進入其中一種具有生物相容性的聚丙烯酸—丙烯酰胺凝膠分子網(wǎng)絡(luò)，該CA凝膠(4℃)存放半年以上未見酶的明顯失活。所制備的中空纖維凝