小球藻光生物反应器固定CO2的研究

姜凤 刘旭东 郑丽娜 唐永

【摘要】为研究小球藻光生物反应器运行的适宜条件，提高小球藻对CO?的利用率和生物转化量，本实验自行搭建小球藻光生物反应器。在同一光照条件下，通过静态吸收的方法研究了，海水小球藻的生长特性、小球藻固定二氧化碳的速率以及不同通气速率对二氧化碳去除率的影响。结果表明，通入CO?使小球藻对数增长期明显延长，此阶段小球藻对CO?固定速率高于其它时期，且气体流量为9mL/min时，其固定二氧化碳效率最高，达到35%；结果对微藻光生物反应器的实践应用具有一定的参考价值。

【关键词】二氧化碳；微藻；碳固定；小球藻；光生物反应器

近日，相關数据显示，中国的碳排放总量占全球碳排放总量的28%，已超越美国（14%）和欧盟（10%）之和，成为全球碳排放总量最多的国家。CO?减排已成为当今社会高度关注的问题之一[ ]。目前，固定CO?的技术主要分为物理法、化学法、生物法。综合技术及经济因素，微藻生物技术是较简单高效的固碳技术，已成为国内外研究的热点。小球藻在固定二氧化碳方面具有较高的转化效率，且环境适应能力强，将CO?转化为碳水化合物并生产多种高附加值产品[ ]。微藻固碳包括物理过程和生物转化过程，目前研究多处于实验室阶段，其产业化进程尚有许多待解决的问题[ ]。

1.实验装置、材料及方法

1.1小球藻光生物反应器的构造

实验采用封闭式垂直管式微藻光生物反应器，可减少细胞之间的遮挡效应，这种遮挡效应在开放池中尤为严重[ ]。

实验装置由纯二氧化碳气罐、气体分布管、两个圆柱体玻璃反应罐、内置温度计、外置光源、气体流量计组成。

1.2小球藻的筛选与驯化

本实验受试藻种为海水小球藻（ Chlorella sp）。基本生理特性为： 耐受温度为10～30℃，适宜温度和光强分别为25℃ 和4800lx，适宜pH 值介于6-8。培养基采用BG11 培养基[ ]，营养元素NaNO3、K2HPO4、MgSO4·7H2O、CaCl·2H2O、柠檬酸、柠檬酸铁、EDTA 和NaCO3浓度组成依次为： 1.5、0.04、0.075、0.036、0.006、0.006、0.001 和0.02 g /L，藻种静置在20℃恒温光照培养箱中进行保藏。

1.3实验设计

将入口通气速率按照表1所示梯度进行试验，培养温度为20-25℃，pH为6-8，光照强度为4800lx。每隔24h在最大吸收波长（540nm）处，测定藻液吸光度值。

1.4实验分析方法

通过测定藻液吸光度值来衡量小球藻的生长状况；

CO?固定速率的计算式[ ]：

式中， 表示CO?固定速率 ； 表示生物量产率 ； 表示微藻干细胞含碳量（经元素分析测定为0.446）； 表示CO?的相对分子质量； 表示C相对原子质量

CO?去除率的计算：

式中， 表示CO?去除率； 表示进口气体流量； 表示出口气体流量； 表示通气时间。

2.实验结果与讨论

2.1通入纯二氧化碳对海水小球藻生长特性的影响

实验将配制好的BG11培养基作为海水小球藻的全培养液，取5ml全培养液 、2L海水小球藻液分别接种到1号、2号玻璃反应器中，而后加入灭菌后的海水至液体体积为3L，在室温为20-25℃条件下，培养30天，海水小球藻生长情况如图1所示。1号反应器为空白对照组，2号反应器为实验组

图1 海水小球藻生长状况曲线

由图1可知，小球藻的生长迟缓期为5天，而后进入对数增长期，通入CO?使实验组小球藻对数增长期明显延长，小球藻细胞密度高于空白对照组，这是由于充足的CO?保证了小球藻的光合作用，使小球藻大量繁殖，同时藻细胞的增多又提高了小球藻固定CO?的效率。培养时间为12h左右，空白对照组小球藻进入衰亡期，而培养时间为22天时，实验组小球藻进入衰亡期，通入纯CO?使小球藻生长周期明显延长，利于小球藻的生长及对固定二氧化碳。

2.2 纯二氧化碳条件下海水小球藻固定二氧化碳速率分析

在小球藻的生长周期内，实验组小球藻固定二氧化碳的速率变化情况如图2。实验初期固定二氧化碳的速率明显高与后期。随着藻液逐渐趋于饱和状态，固定二氧化碳速率逐渐变小，趋于稳定。当培养时间达到10d，此时二氧化碳的固定速率为真实固定率，固定的二氧化碳全部用于小球藻细胞的生长与繁殖，其平均固定率已达到25%。实际应用中，小球藻光生物反应器主要用于烟道气体的脱碳，且烟道气体中二氧化碳的含量为2-15%[ ]，所以实验组小球藻光生物反应器中小球藻的整个生长周期内CO?固定率均具有实际的应用价值。

图2纯二氧化碳条件下海水小球藻固碳效率曲线

3.3通入的二氧化碳流量对二氧化碳去除率的影响

保持其他环境条件不变，改变实验组小球藻的入口CO?流量，探究气体流量对二氧化碳去除率的影响。如图3所示，当气体流量为8ml/min时，二氧化碳气体在藻液中的停留时间，适宜藻细胞与气体充分接触，此时海水小球藻脱除 CO?性能最好，二氧化碳去除率最大。通入气体的流量高于或低于8ml/min均不利于光生物反应器对 CO?的去除。由此可得，纯二氧化碳条件下应将气体流量控制在8ml/min，确保较高的二氧化碳去除率。

图3 通气速率对二氧化碳去除率的影响

4.结论

a.海水小球藻对于通入纯CO?条件需要一定的适应阶段，适应期大概为一周左右。因此，实验之前应该对海水小球藻先进行一周左右的驯化，从而缩短实验周期。

b.海水小球藻固定二氧化碳效率分为三个阶段，第1-13天为第一阶段，为海水小球藻稳定期，CO?固定效率出现峰值主要是由于CO?溶于藻液中而形成的；第14-17天为第二阶段，此时海水小球藻已经适应了二氧化碳条件，藻细胞大量繁殖，为小球藻生长的对数增长期，固碳效率再次达到峰值。第18天之后，海水小球藻逐渐进入衰亡期，其固碳效率逐渐降低，直到将至不在有固碳能力。

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作者简介：

姜凤，（1992～），女，硕士生，环境科学与工程领域，592064858@qq.com

辽宁省教育厅科学研究一般项目（No.99601314）；辽宁省财政科研基金项目（No.13C019）；辽宁省大学生创新训练项目（2014）；大连海洋大学大学生创新创业训练计划项目（2013）