近几十年来,高速发展的人类社会愈发凸显出对能源的高度依赖。目前主要能源形式为化石燃料,因其不可再生与对环境造成的危害,人们开始将开发目光转向具有可持续性、环保的清洁可再生能源。微藻生物柴油在作为化石燃料的替代能源方面具有很大潜力。微藻具有生长速率快、含油量高、光能利用率高、油脂成分适宜作为生物柴油原料等特点,开始受越来越多的关注。尽管微藻的培养、收获、微藻油的提取和精炼在技术上都是可以实现的,但是目前各环节均存在效率低、成本高的现实问题,因此鲜见成功的商业化运作。本文将研究重点放在微藻的培养环节,着力于微藻的固定化培养方式,研究固定化培养中不同氮源以及氮浓度对微藻的影响、固定化培养微藻生长和能量积累的动力学模型、以及悬挂吸附式固定化反应器设计及模型的验证,具体的工作和结论如下：本文选取淡水藻种Scenedesmus dimorphus和盐水藻种Nannochloropsis oculata进行固定化培养,分别采用不同初始氮浓度的尿素、KN03及甘氨酸作为氮源,研究微藻固定化培养中的氮元素条件；比较不同光照刺激策略(氮抑制、高光刺激及二者结合)对固定化培养中微藻含油量的影响。实验结果为：1)氮元素条件方面,S. dimorphus以初始氮浓度为12 mM的KN03作为氮元素条件,所得最高固定化产率为11.02±0.05 g m-2 d-1,吸附率为98.50±0.10%; N. oculata以初始氮浓度为18 mM的甘氨酸作为氮元素条件,所得最高固定化产率为6.89±0.24 g m-2 d-,吸附率为77.09±0.42%。2)含油量刺激策略方面,S. dimorphus采用氮抑制策略,得到的含油量为32.97+0.22%;N. oculata采用氮抑制与高光刺激的组合策略,得到的含油量为20.24±0.06%。3)氮抑制策略能够有效刺激固定化培养微藻提升含油量。4)从含油量和固定化产率的角度来说,氮抑制+高光刺激是最优方法。本文针对固定化培养微藻建立描述生物质X、储能单元S、叶绿素B以及氮元素N动力学模型,用MATLAB SIMULINK平台进行建模和仿真,并利用其参数估计(Parameter Estimation)模块对模型中涉及的参数进行拟合。待拟合的参数初值和范围由经验确定。以拟合得到的参数对另一个实验条件下的培养进行仿真,得到的仿真结果与实验数据相吻合,说明拟合得到的参数是准确的。本动力学模型在预测固定化培养微藻的生长情况方面具有可操作性,在反应器设计、培养条件确定方面具有应用价值。本文提出悬挂吸附式固定化反应器。其中微藻以主动吸附的方式固定在吸附载体上,通过培养液循环系统为固定的微藻生物质提供营养。多组吸附载体垂直于地面布置,占地面积小；载体平面与入射光方向平行,利用“光稀释”效应提高对光能的利用,避免光抑制效应。根据设计方案制作实验室规模的固定化反应器,设计容量为71,占地面积0.06 m2；在室内人工光源和室外自然光源条件下对S. dimorphus的培养取得：最高吸附产率为22.35g m-2 d-1,吸附率为84.43%,含油量为16.60%。从吸附载体上收获微藻生物质只需适当的挤压即可得到低含水率的微藻生物质,相比于悬浮培养降低了收获难度和脱水成本。利用GC-MS对取得的微藻生物油的油品进行分析,其主要成分为脂肪酸,碳链长度为C16-C18,适合作为生产生物柴油的原料。利用动力学模型对该固定化反应器进行仿真的结果与实验数据基本吻合。悬挂吸附式固定化反应器能够实现微藻的高密度、高效率培养,并使得微藻生物质的收获难度降低,在商业应用中具有降低收获成本、放大培养规模的潜力。