基于微藻固定化培养的膜式光生物反应器内多相流动传输与代谢调控机理研究

The permeable membrane-biofilm photo-bioreactor used for high-density cultivation of algae by immobilized-cell method is a complicated reaction system with processes of gas and liquid flow accompanying with photo-biochemical reactions. In this project, characteristics of mass and light transfer, as well as biofilm formation during carbon fixation by chlorella cells under the conditions of gas-liquid flow will be investigated. It can provide theoretical basis to the high-density cultivation of photosynthetic microalgae. Specifically, the microcosmic mechanism of photo-biochemical reaction within algae cells will be first discussed to reflect the effect of energy and mass transfer on growth kinetics of cells. Then, the effects of gas-liquid flow, light energy and CO2 transfer on movement and adsorption of chlorella cells, biofilm formation will be respectively studied in order to reveal the coupling relationship between energy - mass transfer and biofilm formation. Based on above research results, a CA model on biofilm growth and a theoretical model on energy-mass transfer and multiphase fluid flow accompanying photo-biochemical reactions will be established in the bioreactor to indicate the characteristics of flow of heat and mass, as well as response mechanism to environment of algae. Finally, a integration theory on multi-objective optimization and metabolic regulation will be obtained to intensify biofilm growth and photo-biochemical conversion of algae in view of interactions of mass transfer with light transmission.

基于光合微藻高密度固定化培养的多孔选择性渗透膜-生物膜光生物反应器是一个含气、液流动和光生化反应的的复杂能质传输反应体系。本项目以小球藻为研究对象，主要研究气、液流动条件下小球藻光合固碳过程中CO2、光能传递及与生物膜生长代谢间的耦合作用关系。课题首先开展藻细胞光生化反应的微观机理研究，获得能、质传输对光合微藻细胞生长动力学的影响规律；分别研究气液流动、光能和CO2传递对细胞运动和吸附、生物膜生长代谢的影响规律，以揭示能质传递对细胞运动、吸附与生物膜形成的耦合作用关系。在此基础上，建立渗透膜-生物膜光生物反应器内含光能和CO2传递影响的生物膜生长元胞自动机模型和成熟生物膜内含光生化反应的多元多相流体流动与传输理论模型，揭示能源微藻光自养培养系统中的能质流动特性及环境应答机制，提出基于能质耦合传递影响以强化生物膜生长及光生化转化为目的的多目标优化与代谢调控集成理论。

基于光合微藻固定化培养的多孔选择性渗透膜-生物膜光生物反应器是一个含气、液流动和光生化反应的复杂能质传输与反应体系。本项目以小球藻等为研究对象，主要研究了气、液流动条件下能质传递特性及对生物膜生长、代谢的耦合性影响。首先开展了改性膜材料表面的小球藻细胞吸附特性及反应动力学研究，通过溶胶凝胶法对选择透过性PTFE材料表面进行改性，研究了膜材料表面亲疏水特性对气液分离的膜式光生物反应器内小球藻细胞吸附与生长、传质特性的影响，建立了考虑CO2等传递特性影响下的小球藻生化反应动力学模型。在此基础上，开展了气液分离的膜式生物反应器中气液流体流动等特性对小球藻生物量生长和胞内代谢成分的影响研究，获得了不同参数条件下小球藻细胞内叶绿素、淀粉、蛋白质、脂肪酸含量、脂肪酸组成的变化规律，并优化了相应的培养与操作条件，建立了气液分离膜生物反应器中考虑CO2传输特性与含生化反应的理论模型，揭示了渗透膜-生物膜光生物反应器内气液流动、CO2传输特性与生物膜光生化反应的耦合作用关系。最后，开展了小球藻细胞生长与油脂生物合成的代谢调控特性研究，考虑了不同操作参数（含氮、磷、硫）对细胞生长、胞内组分的调控特性，探索了膜生物反应器内基于能质传递影响的以强化生物膜生长及油脂生物合成为目的的代谢调控措施。此外，基于微藻生物质综合利用考虑，课题还研究了基于外加电场强化下纤维素基质酶解糖化性能研究，并探索了微生物电解池中纤维素基质发酵产氢特性，分析了微生物电解池内传输与产氢特性的耦合关系。本项目研究为微藻生物能源的应用及生物能源的转化技术奠定了理论基础，促进了工程热物理学科与生物工程等学科的交叉融合和发展。.此外，为进一步揭示能质传递对细胞代谢的调控机制，气-液流动环境下选择渗透膜表面细胞运动研究、油脂生物合成的多目标优化与代谢调控集成的理论研究尚在深入进行。