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关键词： 菌藻共生   壳聚糖   絮凝   染料去除   光生物反应器  

摘要： 菌-藻体系在污水处理过程中有处理效率高、启动时间快、微藻易于回收等优势,具有很好的应用前景,真菌-小球藻复合体系被证实可以去除废水中染料,但是经过长时间运行存在贴壁、出水安全性,稳定性不佳等问题。因此本文以Aspergillus ***-2,*** XJK为基础,用于去除水体中活性艳蓝X-BR染料,通过添加壳聚糖,构建菌藻-壳聚糖体系,增强菌藻体系稳定性,提高出水水质,促进光生物反应器的有效运行。菌藻-壳聚糖体系的构建:通过优化添加顺序和添加量,构建的菌藻-壳聚糖体系,12h内对小球藻絮凝效率为99.58%,24 h内对活性艳蓝X-BR染料脱色率为98.81%。对菌藻-壳聚糖体系进行形貌分析、XPS、FITR表征,结果显示壳聚糖的加入,C–C、C–O、C=O、-NH等官能团含量发生变化,对培养基上清液进行EEM检测,结果显示可溶性蛋白信号增强,菌藻絮凝的增强可能和以上基团和可溶性蛋白的相对含量正相关。菌藻-壳聚糖体系稳定性研究:菌藻-壳聚糖体系在光照强度3300 Lux,曝气量1 L·min的条件下,在管式反应器中,通过每96 h补加100 mg·L模拟染料废水,考察体系脱色能力。结果显示加入壳聚糖后,水体中游离藻的量显著减少。该体系在第一、二循环后对染料去除率均在95%以上,对水中的COD可以有效去除,在第三、四循环脱色率降低至22.6%。菌藻-壳聚糖体系在3 L·min高曝气量下,对活性艳蓝X-BR的去除率仍在95%以上。说明壳聚糖的添加,可以有效提高体系的稳定性。光生物反应器的优化与放大:设计柱式光生物反应器,补充内置光源(光照强度3300 Lux)调整曝气方式为微孔曝气,增大径高比为1∶2。在1 L柱式光生物反应器中,菌藻-壳聚糖体系在12 h内对活性艳蓝X-BR染料的去除率达99.8%,将反应器放大到5 L时,12 h内活性艳蓝X-BR的脱色率仍在95%以上。通过壳聚糖的添加,可以提高小球藻的絮凝效率,菌藻-壳聚糖体系在对活性艳蓝X-BR染料的脱色过程中更加稳定。为菌藻-壳聚糖体系在实际废水处理中的应用奠定基础。

关键词： 聚乙烯电池隔膜   膜生物反应器   膜污染   膜清洗   Hermia模型  

摘要： 我国水环境污染问题日益严峻,城市污水的有效处理是解决水环境污染的重要途径。膜生物反应器（Membrane bioreactors,MBR）是结合了生物法和膜分离技术的高效处理生活污水的技术,因为出水水质高、占地面积小、剩余污泥量小、易于自动化管理等优点,被广泛应用在水处理领域。但是膜污染和膜组件的成本问题限制了MBR的推广和应用。近年来,随着MBR中最常用的PVDF膜材料成本的不断增加,研究人员开始寻求一种廉价的MBR膜材料。 本研究采用一种成本低廉的亲水聚乙烯（Polyethylene,PE）电池隔膜,构建MBR（PE-MBR）,重点研究其处理模拟生活污水的膜污染与膜清洗行为。对亲水PE电池隔膜进行基本表征,孔径为50～60 nm,接触角为77.65°,纯水渗透率为412.17 LMH/bar,与目前MBR常用超滤膜水平相当。基于临界通量的测定,研究曝气量（1.3、2、2.6 L/min）和过滤通量（15、18、21 LMH,分别对应亚临界、临界和超临界通量）对膜污染发展的影响。曝气量为2.6 L/min的膜污染速率最慢,运行时长52天(以跨膜压差（Transmembrane pressure,TMP）达到25 k Pa为终点),TMP平均升高速率为0.39 k Pa/d。随着通量的降低,PE-MBR的运行时长由8.2天增加至52天,TMP平均升高速率由2.13 k Pa/d减小至0.39 k Pa/d,说明临界通量对减缓膜污染具有重要的指导意义。Hermia模型拟合结果表明,PE电池隔膜在3种通量下的初期膜污染均由滤饼层形成引起,运行后期膜污染类型因为通量不同发生改变。分析污染后的PE电池隔膜,多糖是主要污染物,含量为1876.33 mg/m。PE-MBR在上述运行条件下的COD去除率均高于90%。 进一步研究了PE-MBR的在线清洗和离线清洗方案。在线清洗以次氯酸钠和氢氧化钠为清洗试剂,膜通量恢复效果不理想,原因是2种清洗试剂均破坏混合液中微生物的正常生长,导致上清液COD浓度升高。离线清洗以草酸、柠檬酸、氢氧化钠、乙二胺四乙酸二钠（Disodium ethylenediamine tetraacetate,EDTA）为清洗试剂。结果表明,单独碱洗使膜阻力减少了37.95%,酸洗+碱洗使膜阻力减少了65.76%,加入螯合剂后膜阻力减少了76.26%。最佳清洗方案为1 g/L草酸（2.5小时）+（3 g/L Na OH+100 mg/L EDTA）(2.5小时),表明膜上主要污染物是有机物,还有少量无机离子与有机物螯合。上述清洗剂组合不会影响PE电池隔膜的本征水渗透性。膜组件再次运行的初始TMP为12.55 k Pa,基本恢复至新膜初始运行时的水平（10.81 k Pa）。本研究证明了PE电池隔膜应用于MBR的可行性,为降低运行成本和拓宽MBR在污水处理中的实际应用提供了一种新策略。

关键词： 硝化   短程反硝化   厌氧氨氧化   低溶解氧   分段进水  

摘要： 短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺因其极具工程应用价值,成为了当前污水生物脱氮领域研究热点。然而,实际城市污水中很少检测到NO3--N,因缺乏底物NO3--N制约了其在城市污水处理领域的应用。本论文提出了一种新型一体式硝化-短程反硝化-厌氧氨氧化（INPDA）工艺,在微好氧/缺氧交替序批式反应器中采用分步进水策略实现城市污水高效脱氮。首先通过长期运行调控研究微曝气强度和分段进水比对系统脱氮影响,以及系统微生物群落结构及其演替;其次研究氮负荷冲击下系统运行特性及其功能基因协同关系;最后以实际城市污水为处理对象,考察其对系统脱氮效能的影响以及系统微生物结构及其功能基因丰度变化,为该系统处理城市污水的实际应用提供参考。 主要研究结果如下: 1)在PDA序批式反应器中添加微曝气装置,通过分步进水策略合理分配进水为不同微生物提供适当的基质,快速启动INPDA-SBR系统并研究不同微曝气强度和分段进水比下系统运行特性。借助典型周期批次试验研究氮素转化途径及污泥活性,并通过高通量微生物分析方法研究系统微生物群落结构及其演替。结果表明,INPDA-SBR系统可以获得高达94.5%的总氮去除率,出水总氮浓度低至2.3mg/L。溶解氧浓度为0.36±0.01 mg/L的微好氧环境可以将第一次进水的NH4+-N氧化为NO3--N。通过优化进水分配比至5:3,第二次进水为NO3--N还原为NO2--N提供足够有机物,NH4+-N和NO2--N通过Anammox去除。根据质量平衡分析,Anammox是主要的脱氮途径（87.9%）。微生物结果分析表明,好氧硝化细菌Nitrosomonas（1.2%）和Nitrospira（0.9%）确保了完全硝化作用,而PD细菌Thauera（27.1%）与Anammox细菌Candidatus Brocadia（1.3%）协同代谢是系统高效脱氮的关键。 2)为进一步提高系统脱氮负荷,研究氮负荷冲击下INPDA-SBR系统的运行特性。通过梯度缩短缺氧阶段反应时间降低系统水力停留时间,将系统进水氮负荷从0.147 kg N/（m3·d）依次提升至0.170、0.194和0.240 kg N/（m3·d）,研究系统脱氮效能变化,并通过宏基因组学分析系统氮途径功能微生物及其基因丰度变化。结果表明,逐渐降低水力停留时间提升系统处于微曝氧气环境频率有利于实现低溶解氧全程硝化,并增强PDA的协同作用,系统物质运输越发活跃,与外界物质交换频繁,各种功能菌属之间的协作能力得到强化。随着进水氮负荷的提升,最终系统氮去除负荷提升至0.224 kg N/（m3·d）,总氮去除效率为94.1%。宏基因组学分析表明典型NOB菌属Nitrosospira拥有硝化途径所有功能基因,可以在低氮浓度低DO（<0.5mg/L）环境下实现全程硝化,相对丰度增加至3.26%—4.65%,系统中NO2-与NO3-相互转化的能力最强,功能基因nar（narG/H/I）/nir（nirK/S）比值高达四倍之多,是实现高效PD过程的关键。另外,较低水力停留时间不利于An AOB的滞留与生长,功能基因hzs和hdh丰度下降。 3)为研究实际城市污水水质对系统脱氮效能影响,维持上阶段运行工况不变,引入实际城市污水继续运行2个月。结果表明,实际城市污水中复杂碳源对系统反硝化菌属影响较大,出水NO3--N浓度增加,尽管如此,系统仍能实现89.8%的总氮去除率。宏基因组学分析表明,典型NOB菌属Nitrosospira主导硝化作用,功能基因amo、hao和nxr丰度增加1.2—2.4倍,是系统实现低DO环境全程硝化的关键。上阶段优势反硝化菌属Thauera相对丰度从5.7%减少至2.2%,nclassified o Anaerolineales成为反硝化优势菌属,而Candidatus Brocadia相对丰度逐渐增加至0.75%,功能基因hzh和hzs表达增强保证了系统以Anammox为主要脱氮途径的脱氮效能。

关键词： MFC-AnMBR的耦合系统   膜污染控制   生物电化学   有机膜污染物降解  

摘要： 近年来厌氧膜生物反应器（AnMBR）由于理论上可维持极高的污泥浓度,在大幅度提高去除负荷的同时,还具有低浓度有机废水处理潜力大、占地面积小等优势,因此受到了极大关注。然而,AnMBR严重的膜污染问题限制了该工艺的进一步推广。近年来利用生物电化学系统减缓AnMBR膜污染的相关研究取得了较为瞩目的进展,这些研究主要是利用电场形成的静电斥力来达到膜污染控制的目的,未能有效利用生物电化学作用对膜污染物原位降解以及迁移去除的重要效能。本研究从微生物燃料电池（MFC）原理出发,首先制备出具有高电导性的微滤膜,并将其作为AnMBR滤膜及MFC的阳极,构建出新型电化学厌氧膜生物反应器,即MFC-AnMBR的耦合系统。通过MFC-AnMBR耦合系统的生物电化学作用实现有机膜污染物的降解,同时利用内部产生的电场驱动无机阳离子的迁移去除,最终通过原位降解与电场迁移这两种协同作用,实现AnMBR中复合膜污染的同步有效去除。 本研究以膜污染去除为目标,在解析制备的导电膜本身具有良好的物理化学性能以及防污性能的基础上,着重研究了阳极导电膜对有机膜污染物以及有机-无机复合膜污染物的去除特性,并最终阐明了阳极导电膜对膜污染的控制机制,具体结论如下: （1）将蒽醌-2,6-磺酸盐（AQDS）掺杂入聚吡咯（PPy）溶液中,以聚四氟乙烯（PTFE）为基膜,通过表面改性制备出PPy/AQDS/PTFE导电膜,其电导率为0.26±0.06 S/mm。接触角分析和固体表面Zeta电位显示出PPy的加入提高了导电膜的亲水性和膜表面的静电排斥性能。此外,将海藻酸钠（SA）、牛血清白蛋白（BSA）和植物油分别用作膜污染物多糖、蛋白质和脂质的代表物质,对PTFE基膜和导电膜进行了本身防污性能的测试。相比于PTFE,导电膜对SA、BSA和脂质的截留效果分别增加了2.18、1.73和1.79倍。同时,导电膜在吸附过滤有机物后也显示出比PTFE更为优异的通量恢复率。上述研究表明制备的导电膜,具有较为优异的亲水性、截留性和防污性能。 （2）将制备出的PPy/AQDS/PTFE导电膜用作MFC-AnMBR耦合系统的滤膜和阳极,构建新型MFC-AnMBR耦合系统。随着外阻的减小,电流的增加,阳极导电膜的运行周期明显延长。在单个运行周期内,闭路实验组最长运行了101天,比开路对照组的运行周期显著延长了89天。相比于开路对照组含有的多糖和蛋白质,闭路实验组含有的多糖和蛋白质分别降低了81.37%和35.87%。结果表明阳极导电膜在生物电化学作用下,可有效去除多糖、蛋白质等有机膜污染物,从而减缓膜污染。 （3）探究不同进水Ca2+浓度条件下的生物电化学作用对复合膜污染去除特性的影响。结果显示随着进水Ca2+浓度的增加,输出电流、电压逐渐增加,而膜污染速率呈现先降低后增加的趋势,但其膜污染速率相较于开路对照组仍明显减小了52.27%至70.89%。当进水Ca2+浓度不大于150 mg/L时,膜表面沉积的Ca2+浓度略微增加,多糖、蛋白质等有机膜污染物被高效降解,其浓度从1747.08 mg/g·MLSS大幅降低至216.21mg/g·MLSS,最终导致膜污染速率从1.56 k Pa/d降低至0.96 k Pa/d。然而,当进水的Ca2+浓度继续增加时,活性增强的微生物产生了更多的多糖和蛋白质,同时高浓度Ca2+形成的无机沉淀进一步加剧了膜污染,使得膜污染速率从0.96 k Pa/d增加至1.20 k Pa/d。 （4）探究不同外阻条件下的生物电化学作用对复合膜污染去除特性的影响。结果显示随着外阻的增加,输出电流逐渐减小,多糖、蛋白质等膜污染物浓度逐渐增加;而随着外阻的增加,输出电压逐渐增加,Ca2+在电压的作用下发生迁移,使膜表面的Ca2+浓度从71.18 mg/L逐渐降低至48.23 mg/L,最终膜污染速率从1.20 k Pa/d降低至0.49k Pa/d。这表明在较高的无机膜污染物浓度条件下,复合膜污染的去除主要受电压控制。 （5）超滤膜过滤和二维异质相关光谱分析表明闭路实验组膜表面的高分子量有机膜污染物可在生物电化学作用下降解为低分子量的有机膜污染物,低分子量有机膜污染物更易被微生物降解利用。同时,三维荧光光谱分析也表明,闭路实验组膜表面的难生物降解膜污染物可在生物电化学作用下降解为易生物降解膜污染物。高通量测序分析表明电活性微生物在闭路实验组膜表面的富集是膜污染物实现高效降解的关键。因此,MFC-AnMBR耦合系统可显著减缓有机膜污染的原因在于:随着电活性微生物相对丰度的增加,更多的易生物降解有机膜污染物被作为底物而被降解利用;同时电活性微生物可促进难生物降解有机膜污染物降解转化为易生物降解有机膜污染物,易/难生物降解有机膜污染物相互促进的高效降解过程,进一步提升了膜污染的控

关键词： 厌氧电膜生物反应器   市政污水   磷回收   膜污染  

摘要： 在资源能源危机与碳中和背景下,传统以能耗换水质的好氧污水处理工艺面临严峻挑战,厌氧处理工艺由于具有低能耗、低碳排、可实现能源回收的特点,近年来愈发受到重视与推崇。厌氧膜生物反应器(AnMBR)作为一种新型厌氧处理工艺,可通过膜截留实现反应器内水力停留时间(HRT)与污泥停留时间(SRT)解耦,在增加厌氧微生物总量、提升能源回收方面具有显著优势。然而,由于厌氧处理工艺本身的局限性,氮、磷营养盐的进一步去除已成为AnMBR出水达标排放与回用的关注热点。将阳极电化学与AnMBR结合构建厌氧电膜生物反应器(AnEMBR),一方面可通过电场强化膜污染控制;另一方面,阳极活泼金属可释放高价金属离子,通过化学方法实现磷的去除与回收,是AnMBR技术升级的重要方向。针对上述设想,本研究构建以铁为阳极的AnEMBR系统,研究了电场作用下AnMBR处理市政污水的污染物去除效能与膜污染特征,分析了AnEMBR中的磷去除路径,提出污染物去除和膜污染控制高效协同的关键参数。主要研究结论如下:(1)研究了AnEMBR强化有机物去除与产甲烷性能效果及作用方式。与投加铁盐和对照组AnMBR相比,AnEMBR的COD平均去除率提高了1.3%和2.1%,达到96.5±0.39%,平均出水COD浓度降低至17.1±2.40 mg/L,76%以上的COD经过厌氧消化转化为甲烷,甲烷产量达到0.224 LCH/g COD。污泥电子传递体系活性结果表明电场及其释放的铁离子刺激了厌氧微生物的呼吸、分解代谢,加速了微生物胞外电子传递,从而提高了有机物去除效率及产甲烷性能。(2)解析了AnEMBR中磷赋存形态,阐明了阳极释铁强化磷去除的作用机理。投加铁盐后AnMBR系统的TP去除率最高达到33.2%,AnEMBR则稳定实现了近乎100%的TP去除。投加铁盐后AnMBR中铁结合态磷(23.1%)、碳酸盐吸附磷(55.3%)和水溶性磷(14.9%)是磷的主要赋存形态,而在AnEMBR中铁结合态磷增加至76.2%,碳酸盐吸附磷和水溶性磷显著降低。通过扫描电镜和X射线能谱分析以及X射线衍射仪分析了AnEMBR污泥晶体沉淀的元素和物相组成,进一步证实生成的蓝铁石Fe(PO)·8HO是AnEMBR中铁去除的主要途径。(3)揭示了AnEMBR的膜污染特征,提出了AnEMBR高效运行策略。混合液特性分析结果表明AnEMBR中溶解性微生物代谢产物浓度显著降低,污泥絮体表面电荷量减小,粒径增大,过滤比阻显著降低(与对照组相比大于60%),有利于改善膜过滤性能。然而,与铁离子释放速率有关的铁离子浓度会直接影响膜污染进程,铁离子浓度过高导致富铁无机污染物在膜表面大量积累。因此,调整电压/电流维持适当的铁浓度AnEMBR高效运行的关键。

关键词： 环境污染   正渗透膜生物反应器   胞外聚合物   汲取液   抗生素抗性基因   水平转移  

摘要： 抗生素会诱导耐药菌(Antibiotic resistance bacteria,ARB)和抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs) 的产生，从而加快抗生素抗性在环境中的传播和扩散，严重威胁人类的健康。即使没有环境选择性压力(如抗生素)，抗性基因(ARGs)也可以通过致病菌和环境细菌之间的水平基因转移扩散到水生生态系统中，因此环境细菌可能会成为ARGs转移的载体。正渗透膜生物反应器(Osmotic membrane bioreactor,OMBR)是一种集正渗透膜的截留作用和活性污泥的降解作用为一体的反应器。然而，反渗透通量(Reverse solute flux,RSF)和正渗透(Forward osmosis,FO)膜的浓缩效应引起的盐度积累可能会抑制微生物的生长和活性，导致生物反应器中ARGs去除率降低。虽然已有研究证明盐度对ARGs丰度控制有不利影响，但逐渐增加的盐度对OMBR生物反应器中ARGs丰度的影响以及盐度积累过程中ARGs与细菌群落的关系尚不清楚。需要说明的是，在OMBR生物反应器中，随着盐度逐渐积累，细菌可能通过分泌更多的胞外聚合物(Extracellular polymeric substance,EPS)形成渗透屏障，最终形成一个稳定的微生境来抵御ARGs入侵，从而减轻盐度对ARGs去除的影响。然而，另一方面EPS可以通过增强细菌之间的粘附，从而促进ARGs的水平转移。因此，盐度可能通过调节EPS来影响ARGs的丰度。为了更好地了解盐度调节下EPS对ARGs丰度的影响，选择了不同浓度的NaCl溶液作为汲取液，研究OMBR生物反应器在运行中盐度积累、EPS浓度和微生物群落之间的关系。此外，我们还选取了 5种常用的相同浓度的盐溶液作为汲取液(NaCl、Na2SO4、NaHCO3、NH4Cl、NaOAc),探讨了不同种类盐溶液作为汲取液时EPS对ARGs丰度的影响。主要总结如下:　　(1)不同浓度NaCl和不同种类盐溶液作为汲取液对OMBR反应器性能的影响。较高的盐度促进了抗性基因的增殖，而适度的盐度可以随着汲取液浓度的增加(0.5M NaCl和1.0M NaCl)稳定ARGs的丰度。除了 NaHCO3作为汲取液，其余汲取液种类下OMBR中总ARGs丰度都低于NaCl作为汲取液时OMBR中总ARGs丰度。随着汲取液NaCl浓度从0.1 M增加到 0.5 M,ARGs总丰度从2.05×106copies/mL增加到 5.32×106copies/mL,随着 NaCl 浓度进一步增加到 1.0 M,ARGs总丰度达到一个平台(即4.64×106copies/mL),而当汲取液NaCl的浓度达到2.0 M时,ARGs总丰度急剧增加到1.62×107 copies/mL。先前的研究表明，生物膜的形成有助于耐药性，NaHCO3中的碳酸氢盐可以调节信使分子水平来抑制生物膜的形成。此外，NaOAc可以增加微生物多样性，有助于提高tetM宿主细菌丰度，从而导致tetM丰度最高。　　(2)不同浓度NaCl和不同种类盐溶液作为汲取液对微生物释放EPS的影响。较高的盐度会促使微生物分泌EPS来抵御不利环境，在不同浓度NaCl作为汲取液时，其中当NaCl汲取液浓度为0.5M时，EPS的含量最高。另外，在不同种类盐溶液作为汲取液时，NaOAc作为汲取液时，OMBR中原料液侧EPS的含量远高于其他汲取液种类。随着汲取液NaCl浓度从0.1 M增加到0.5 M,EPS的 TOC 含量基本从 37.60±2.66 mg/L 增加到 186.25±5.14 mg/L,而当 NaCl 浓度达到1.0 M时，EPS的TOC含量下降到80.19±1.37 mg/L,随后随着汲取液NaCl的浓度进一步增加到2.0 M,EPS的TOC含量略有增加。其中0.5 M NaCl作为汲取液时的TOC含量极高，可能与盐度逐渐升高对微生物群落的影响不同有关。而NaOAc作为汲取液时的高EPS含量考虑因为其易于生物降解且可以增加微生物多样性,有助于提高一些宿主细菌丰度,从而导致微生物释放大量的EPS。　　（3）不同汲取液浓度和种类下EPS对抗性基因接合转移的影响。在不额外添加抗生素的污泥中，较低的EPS含量可能会降低抗性基因的接合转移，而较高的EPS含量可能反而促进抗性基因的接合转移，接合转移频率是对照组的1.6倍，高达2.07×10-4。这可能是因为当EPS含量较低，EPS作为屏障包裹细菌，阻隔了细菌间的接合转移。而EPS含量较高时，细菌间粘附率是对照组的1.06倍，由于较高的粘附率，使细菌产生团聚现象，增加了细菌间的接触，从而提高细菌间的接合转移频率。不同浓度的NaCl溶液（0.1 M、0.5 M、1.0M、2.0 M）和不同

关键词： 桑树   白藜芦醇   定向通道   流体扰动   连续流体催化  

摘要： 桑树在我国拥有数千年的历史,作为家蚕重要的食物来源,在我国蚕桑资源中发挥重要作用。作为一种药食两用植物,桑树中的酚类物质因其含量多、活性高已被广泛用于医疗、食品等多个领域。但桑树中的酚类活性成分多以生物利用度较低的糖苷为主。目前已有研究证明,糖苷酚类只有在脱去糖基转变为苷元结构后才能发挥其真正的药理活性。因此,本文以桑树活性成分中白藜芦醇苷为研究对象,受天然木材定向通道结构的启发,通过构建木质部连续流体生物催化系统,探究其转化糖苷活性成分为苷元(白藜芦醇)的可行性。其次对生物反应器进行优化,采用纤维素人工制备仿木质部定向通道结构,检验反应器的催化性能,探究反应器内部传质情况对催化性能的影响。最后构建纤维素双尺度定向微通道反应器,对反应器内部结构进行调控,探究内部通道结构对传质传热以及催化性能的影响,实现反应器催化性能的进一步优化,使苷元活性成分的转化效益最大化。具体研究结果如下:1.以天然椴木为基底,采用脱木质素以及DMAc/Li Cl处理将木材内部通道及孔隙完全暴露。利用其天然的定向通道及多孔内壁结构固定β-葡萄糖苷酶制备生物反应器,在连续流体催化系统下对白藜芦醇苷进行催化转化。在p H 6,60℃下进行5 h的催化反应后转化效率达到98.15%。该反应器具有良好的重复使用及储存稳定性。证实了以木质部为基底制备生物反应器转化桑树糖苷活性成分的可行性。2.以棉短绒纤维为原料,通过冷冻铸造方式实现木质部定向通道及多孔内壁结构的人工快速制备,对所得材料进行Ni O纳米粒子的修饰,亲和固定工程菌株表达的酶蛋白(带组氨酸标签的β-葡萄糖苷酶)。制备的生物反应器在3 h内即可实现白藜芦醇98.69%转化率,高于已有的其他反应器报道结果,同时反应器也具有良好的稳定性。此外,研究发现多孔内壁的定向通道不仅可以保持流体在反应器内部的低压快速流动,还可以使流体在运动过程中产生“微扰动”,提高底物与催化剂的接触概率,加强反应传质过程。3.以不同的金属合金材料作为冷冻基底对纤维素材料的内部通道结构进行调控,实现双尺度定向微通道反应器的构筑。探究通道结构对反应器催化性能的影响。经过共价固定β-葡萄糖苷酶后,在最佳条件下反应2.5 h可达到98.84%的高转化率,证实了双尺度微通道结构在生物催化中的巨大潜力。即使在20 m L/h的高流速下反应器也能在0.20 k Pa的低压下维持80%以上的转化率。双尺度的定向微通道赋予了反应器更快的物质输送速度和更大的运输容量,使得流体在反应器内部拥有更快的扩散速率以及更剧烈的“微扰动”,加速了整个反应的传质状态,进一步提升了其催化性能,该结构为流体生物催化反应器的构筑提供了新的思路。本文构筑的多种定向微通道反应器实现了白藜芦醇的高效转化(转化率均大于98%),同时反应器具有良好的稳定性和重复利用性(储存15天以上活性仅下降约10%)。与目前大多数反应器相比,该类具有多孔内壁定向通道结构的生物反应器具有更优异的催化性能,拥有巨大的应用潜力。为桑树苷元活性成分的转化提供了更便捷、绿色的方式,拓宽了桑资源在营养保健领域的应用策略。

关键词： 光生物反应器   绿色能源   风光发电储能系统   双轴追光装置   微藻培养   MODBUS  

摘要： 微藻类生物在废水治理、食品加工、生物燃料等方面应用广泛,微藻培养成为了国内外研究热点,但微藻产业化一直受到多方面因素的制约,其中人工费用和能耗是阻碍微藻培养行业发展的最主要因素。研发自动化光自养生物反应器能够大幅降低中试阶段微藻生产的直接人工费用,提升微藻产量,目前市面上应用较多的光生物反应器有气升式和泵驱式两类光生物反应器,气升式光生物反应器能耗低,但是容积和产藻量较小,泵驱式光生物反应器产量和容积大,但其能耗偏高。 本设计为国家重点研发计划“先进技术”定向项目的子课题,从工程应用角度,设计了可容纳250L藻液的光自养生物反应器。反应器将高透光度的硼玻璃管道和反应柱相结合,增加容量的同时提高了藻液的受光面积,设计了与管道匹配的LED补光阵列。基于工业化培养的需求,通过不同季节微藻培养实验,采集了大量运行数据,获取了最佳微藻培养时间以及各培养周期区间段内多个负载耗电量,在此基础上结合泵驱式光生物反应器的要求设计了风光发电储能系统。 以光伏发电为主、风力发电为辅设计了由22kW的光伏和1kW的风电组成的风光发电储能系统,能满足微藻培养周期的耗能特性,分析了储能成本以及经济效益,并结合工程所在地的光伏资源,设计了双轴光伏追光装置,提升光伏发电效率,对比了1kW固定支架光伏和1kW双轴太阳能追光装置发电量。双轴追光装置硬件部分主要分为电源模块、控制模块、角度传感模块、风速检测模块、光照检测模块、无线通信模块六个部分,各模块之间采用MODBUS总线进行连接。设计了控制软件和人机对话界面,方便用户管理数据,优化能效。 从工程角度对微藻培养、控制软件、发电效率三方面进行了测试和数据分析,各项功能达到了设计的要求,实现风光发电储能系统和光生物反应器的有益结合。