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低浓度二氧化碳培养微藻的吸收强化和烟道气组分调变

孙中亮  
【摘要】:实现微藻生物固碳,建立以CO2为原料、以太阳能为能源,大规模生产大宗食物、柴油、化学品的固碳产业是目前工业研究的热点,提高微藻生物量产率、降低营养盐成本是固碳技术能够规模化应用的关键。本文以一株产油绿藻(二形栅藻)为研究对象,主要从以下两个方面展开研究:通过对烟道气等低浓度C02混合气体传质特性的研究,提出了吸收强化的策略,以期解决微藻规模化培养过程中CO2利用率低和补碳能力不足的问题;实验考察了烟道气中硫氧化物和氮氧化物对微藻生长过程的影响,并结合烟道气的气液传质特性和微藻细胞对营养盐的代谢动力学,提出了对烟道气组分和浓度的调变原则。在上述研究的基础上,提出了直接使用烟道气培养微藻的前处理工艺,并对其进行了生物过程评价。首先进行了低浓度CO2混合气体在阱式补碳装置中的吸收特性的研究,考察了气体流量和液相pH值对CO2吸收速率和吸收率的影响。发现利用低浓度CO2混合气体培养微藻时,存在的主要问题:一是C02吸收率低,尤其是在近中性pH(6-8)的微藻培养条件下:二是整体补碳能力不足,不能满足微藻细胞生长对碳源的需求。基于CO2的物理吸收作用,考察了甲醇、碳酸丙烯酯、N-甲基吡咯烷酮和聚乙二醇二甲醚等作为物理吸收强化剂添加到微藻培养体系中时,对微藻生长和C02利用率的影响。结果表明添加此类强化剂显著提高了培养液对低浓度C02气体的吸收率以及微藻生物量产率。借鉴C02捕集与封存技术中常用的化学吸收剂——单乙醇胺(MEA),将其作为化学吸收强化剂应用到微藻培养中。通过冷模吸收实验,发现添加MEA可以显著提高培养液对C02的吸收量,并在较宽的pH值(6.5~10.0)范围内能够保持培养液对C02的高效吸收(吸收率大于60%)。在半连续培养二形栅藻的过程中,添加0~100 mg/L的MEA,可显著提高微藻生物量产率和CO2利用率,且MEA没有损失,可以起到循环利用、反复固碳的效果。然而,当MEA添加浓度超过150mg/L时,对微藻细胞产生毒害作用,影响了生物量产率。三羟甲基氨基甲烷(Tris)具有与MEA类似的吸收原理和相近的CO2吸收量,且更具有生物相容性。在2~8 mmol/L添加浓度时,对微藻细胞无毒无害。经户外2m2开放式跑道池验证,添加6 mmol/LTris使微藻生物量产率提高了32~33%,CO2利用率提高了5.9~11.6%。同样地,Tris不被微藻细胞所消耗,可以在培养液中循环利用。氨作为CO2的吸收剂具有诸多优势,同时,氨也可以作为廉价的氮源应用到微藻培养过程中。户外2m2开放式跑道池培养实验表明,氨作为替代氮源培养微藻时,CO2利用率是硝酸钠作为氮源使用时的1.2倍;此外,在微藻对氮源的得率相近的情况下,氨作为替代氮源获得的生物量产率与硝酸钠相比最大提高了32.8%。采用模拟的烟道气研究了其不同组分在传质单元的吸收特性,发现SO2的存在影响了CO2的吸收;高浓度的O2提高了NO的吸收率。基于此结果,并结合微藻细胞对营养元素的代谢动力学,提出了对烟道气组分的调变原则,即(1)部分脱硫、不脱硝;(2)为提高NO的利用率,还可以考虑将其氧化后利用。根据调变原则,提出了藻厂直接使用烟道气培养微藻的前处理工艺,并通过微藻培养实验对其进行了评价。实验结果表明,当烟道气中含10% CO2、60 ppmSO2时,对微藻培养过程没有影响,且SO2可以提供微藻生长所需的硫源。将烟道气中的NO氧化处理后,其吸收率由47%提高至83%,并可以支撑获得更高的微藻生物量浓度,降低了氮源成本。若使用烟道气作为唯一的C/N/S源,可以获得使用正常BG11培养基培养条件下的75.5%的油脂产率。


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