【摘要】：微藻可以通過光合作用將二氧化碳和水合成有機物。同時,微藻也可以利用有機廢水中的碳源(如苯酚)實現(xiàn)微藻生物質(zhì)生產(chǎn)。此外,微藻能夠生產(chǎn)人類生活中所需的蛋白質(zhì)、維生素、油脂、抗生素等物質(zhì)。因此,微藻在固碳、有機廢水處理及生物質(zhì)能源生產(chǎn)等研究領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。目前關(guān)于微藻的培養(yǎng)方法主要有懸浮法和生物膜法。其中微藻生物膜技術(shù)具有生物質(zhì)采收方便、占地面積小、光能利用效率高等優(yōu)點而成為研究熱點。雖然微藻生物膜技術(shù)具有上述諸多優(yōu)點,但其生長代謝過程受到微藻生物膜厚度顯著的影響。其原因在于微藻生物膜厚度是聯(lián)系反應器流體力學和生化反應動力學特性的關(guān)鍵參數(shù),生物膜厚度參數(shù)直接影響微藻生產(chǎn)蛋白質(zhì)、脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)的效率與品質(zhì)及光能與底物利用效率、微藻生物質(zhì)產(chǎn)量及微藻降解CO_2或有機污染物的效率。因此實時監(jiān)測微藻生物膜厚度對人類進行微藻生物質(zhì)能源的大規(guī)模培養(yǎng)、應對未來能源危機、CO_2固定及有機污染物降解都具有十分重要的意義。目前關(guān)于微藻生物膜厚度測量的方法主要有顯微鏡法、電化學方法和光纖法。其中顯微鏡法和電化學方法難以實現(xiàn)對微藻生物膜厚度的實時在線原位測量。雖然光纖傳感器具有靈敏度高、體積小、抗電磁干擾、生物相容性等優(yōu)點可被用于生物膜厚度的測量,但是目前光纖傳感器難以實現(xiàn)對微藻生物膜厚度的準確測量;其原因在于微藻生物膜生長代謝過程中,不僅生物膜厚度(生物膜量)會發(fā)生變化,液相底物及產(chǎn)物濃度也會變化;液相變化信息會對傳感器輸出結(jié)果產(chǎn)生干擾,導致傳感器輸出信號難以實時反映生物膜厚度變化信息。因此,本文為了實現(xiàn)微藻生物膜厚度實時在線準確的測量,首先,利用塑料光纖構(gòu)建了一種高靈敏度塑料光纖折射率傳感器。其次,研制了一種高靈敏度苯酚溶液光纖傳感器。再次,利用研制的高靈敏度光纖傳感器構(gòu)建了用于微藻生物膜在線準確測量的雙探針光纖倏逝波傳感器;其中一個探針作為生物厚度傳感器探針,用于響應生物膜厚度及液相濃度變化信息;另外一個探針作為生物膜厚度參考探針,用于響應生物膜生長代謝過程液相濃度變化信息。為了分析該雙探針光纖傳感器能準確測量微藻生物膜厚度,建立了傳感器理論分析模型。最后,利用構(gòu)建的雙探針光纖傳感器對微藻生物膜在苯酚溶液中的生長過程進行了實時在線測量。本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)高靈敏度塑料光纖折射率傳感器研究。實驗首先利用機械和化學腐蝕的方法將光纖的包層或部分纖芯去除制成不同直徑的D型的光纖傳感器,探究了不同直徑的光纖傳感器的靈敏度的差異,其次,在光纖表面涂敷加拿大樹脂和納米薄膜,探究了不同涂敷厚度對傳感器靈敏度的影響,最后利用D型光纖倏逝波傳感器對不同折射率的葡萄糖和不同濃度的汞(II)離子進行了測量。(2)高靈敏度苯酚溶液響應的光纖傳感器研究。為獲得苯酚響應的高靈敏度響應的光纖傳感器,在(1)的基礎(chǔ)上,在D型光纖傳感器表面涂敷加拿大樹脂薄膜后,在表面再涂敷TiO_2、TiO_2/SiO_2、Er~(3+):YAlO_3/SiO_2/TiO_2三種光催化薄膜,探究了三種光催化薄膜厚度對苯酚溶液響應的靈敏度的影響。(3)在上述研究的基礎(chǔ)上,針對微藻生物膜光生物反應器,構(gòu)建了一種用于苯酚溶液中微藻生物膜厚度在線檢測的雙探針型D型塑料光纖倏逝波生物膜厚度傳感器及其檢測系統(tǒng)。微藻生物膜厚度傳感器由雙探針光纖(傳感臂和參考臂)組成,其中一根傳感器的敏感區(qū)裹上一層核孔膜,用于分離也液相混合溶液和微藻藻細胞,僅響應液相中的濃度相關(guān)信息,記為參考臂;另一根傳感器敏感區(qū)不做處理,用于響應微藻生物膜厚度及液相濃度變化信息,記為傳感臂。同時,本文構(gòu)建了傳感器理論模型。最后,利用該傳感器系統(tǒng)實時在線檢測了液相中微藻生物膜生長過程中的厚度變化信息。
【學位授予單位】：重慶理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP212;Q94-33
【圖文】：

圖 1.1 懸浮核心微結(jié)構(gòu)光纖[40]的檢測，測定非金屬離子的方法主要有重量譜法[41]。其中重量法主要通過沉淀法、揮發(fā)不需要標準液，但操作復雜、誤差較大；分操作簡單、快速，因而被廣泛的應用，但存。氣相色譜法雖然檢測靈敏度極高、測定結(jié)用成本高，操作復雜，對人員操作水平要求不適用。離子色譜法主要針對待測組分中目譜具有快速、靈敏、選擇性好和同時測定多流動相需要現(xiàn)配現(xiàn)用，檢測的濃度范圍低、同帶來不便等缺點。自光纖傳感器的興起在檢測領(lǐng)域，是一種低成本、靈敏度高、抗較大的發(fā)展?jié)摿Γ呀?jīng)涌現(xiàn)出了大量的文用長周期光纖光柵（Long-Period Grating

實驗系統(tǒng)圖及光纖傳感器敏感區(qū)示意圖 1.2 所示。圖 1.2 （a）實驗系統(tǒng)圖；（b）光纖傳感器示意圖1.2.2 光纖氣體傳感器光纖傳感器具有易小型化、可遙測、靈敏度高、響應快等諸多優(yōu)點，依據(jù)傳感原理可分為以下幾種類型：干涉型光纖氣體傳感器、倏逝波光纖氣體傳感器、表面等離子體共振光纖氣體傳感器、光聲光纖氣體傳感器等[43]。干涉型光纖氣體傳感器可分為以下幾種：基于馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）干涉原理氣體傳感器、基于法布里-珀羅（Fabry-Perot）干涉原理氣體傳感器等。馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）干涉?zhèn)鞲衅骺梢苑譃橐韵聨追N：1）錯位熔接型。通過調(diào)節(jié)熔接機的參數(shù)，改變纖芯之間的錯位量來實現(xiàn)模間干涉。2）纖芯失配型。不同芯徑光纖的直接熔融會導致纖芯失配，從而激發(fā)出包層膜而構(gòu)成光纖 M-Z 傳感器。3）氣泡型。用飛秒激光器或者刻蝕的方法在單模光纖上刻出空氣槽，級聯(lián)形成 M-Z 干涉儀。4）通過調(diào)節(jié)光纖熔接機的參數(shù)，對熔點進行推擠或拉伸形成錐點形成模間干涉[44]。成結(jié)[45]等利用波長為 800nm 的飛秒激光器脈沖在普通單模光纖上加工 M-Z 干涉腔，如圖 1.3 所示，并在加工后的槽壁上通過磁控濺射的方法鍍一層鈀（Pd）膜

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本文編號：2725055