小球藻光生物反應器固定CO2的研究

姜鳳 劉旭東 鄭麗娜 唐永

【摘要】為研究小球藻光生物反應器運行的適宜條件，提高小球藻對CO?的利用率和生物轉化量，本實驗自行搭建小球藻光生物反應器。在同一光照條件下，通過靜態吸收的方法研究了，海水小球藻的生長特性、小球藻固定二氧化碳的速率以及不同通氣速率對二氧化碳去除率的影響。結果表明，通入CO?使小球藻對數增長期明顯延長，此階段小球藻對CO?固定速率高于其它時期，且氣體流量為9mL/min時，其固定二氧化碳效率最高，達到35%；結果對微藻光生物反應器的實踐應用具有一定的參考價值。

【關鍵詞】二氧化碳；微藻；碳固定；小球藻；光生物反應器

近日，相關數據顯示，中國的碳排放總量占全球碳排放總量的28%，已超越美國（14%）和歐盟（10%）之和，成為全球碳排放總量最多的國家。CO?減排已成為當今社會高度關注的問題之一[ ]。目前，固定CO?的技術主要分為物理法、化學法、生物法。綜合技術及經濟因素，微藻生物技術是較簡單高效的固碳技術，已成為國內外研究的熱點。小球藻在固定二氧化碳方面具有較高的轉化效率，且環境適應能力強，將CO?轉化為碳水化合物并生產多種高附加值產品[ ]。微藻固碳包括物理過程和生物轉化過程，目前研究多處于實驗室階段，其產業化進程尚有許多待解決的問題[ ]。

1.實驗裝置、材料及方法

1.1小球藻光生物反應器的構造

實驗采用封閉式垂直管式微藻光生物反應器，可減少細胞之間的遮擋效應，這種遮擋效應在開放池中尤為嚴重[ ]。

實驗裝置由純二氧化碳氣罐、氣體分布管、兩個圓柱體玻璃反應罐、內置溫度計、外置光源、氣體流量計組成。

1.2小球藻的篩選與馴化

本實驗受試藻種為海水小球藻（ Chlorella sp）。基本生理特性為： 耐受溫度為10～30℃，適宜溫度和光強分別為25℃ 和4800lx，適宜pH 值介于6-8。培養基采用BG11 培養基[ ]，營養元素NaNO3、K2HPO4、MgSO4·7H2O、CaCl·2H2O、檸檬酸、檸檬酸鐵、EDTA 和NaCO3濃度組成依次為： 1.5、0.04、0.075、0.036、0.006、0.006、0.001 和0.02 g /L，藻種靜置在20℃恒溫光照培養箱中進行保藏。

1.3實驗設計

將入口通氣速率按照表1所示梯度進行試驗，培養溫度為20-25℃，pH為6-8，光照強度為4800lx。每隔24h在最大吸收波長（540nm）處，測定藻液吸光度值。

1.4實驗分析方法

通過測定藻液吸光度值來衡量小球藻的生長狀況；

CO?固定速率的計算式[ ]：

式中， 表示CO?固定速率 ； 表示生物量產率 ； 表示微藻干細胞含碳量（經元素分析測定為0.446）； 表示CO?的相對分子質量； 表示C相對原子質量

CO?去除率的計算：

式中， 表示CO?去除率； 表示進口氣體流量； 表示出口氣體流量； 表示通氣時間。

2.實驗結果與討論

2.1通入純二氧化碳對海水小球藻生長特性的影響

實驗將配制好的BG11培養基作為海水小球藻的全培養液，取5ml全培養液 、2L海水小球藻液分別接種到1號、2號玻璃反應器中，而后加入滅菌后的海水至液體體積為3L，在室溫為20-25℃條件下，培養30天，海水小球藻生長情況如圖1所示。1號反應器為空白對照組，2號反應器為實驗組

圖1 海水小球藻生長狀況曲線

由圖1可知，小球藻的生長遲緩期為5天，而后進入對數增長期，通入CO?使實驗組小球藻對數增長期明顯延長，小球藻細胞密度高于空白對照組，這是由于充足的CO?保證了小球藻的光合作用，使小球藻大量繁殖，同時藻細胞的增多又提高了小球藻固定CO?的效率。培養時間為12h左右，空白對照組小球藻進入衰亡期，而培養時間為22天時，實驗組小球藻進入衰亡期，通入純CO?使小球藻生長周期明顯延長，利于小球藻的生長及對固定二氧化碳。

2.2 純二氧化碳條件下海水小球藻固定二氧化碳速率分析

在小球藻的生長周期內，實驗組小球藻固定二氧化碳的速率變化情況如圖2。實驗初期固定二氧化碳的速率明顯高與后期。隨著藻液逐漸趨于飽和狀態，固定二氧化碳速率逐漸變小，趨于穩定。當培養時間達到10d，此時二氧化碳的固定速率為真實固定率，固定的二氧化碳全部用于小球藻細胞的生長與繁殖，其平均固定率已達到25%。實際應用中，小球藻光生物反應器主要用于煙道氣體的脫碳，且煙道氣體中二氧化碳的含量為2-15%[ ]，所以實驗組小球藻光生物反應器中小球藻的整個生長周期內CO?固定率均具有實際的應用價值。

圖2純二氧化碳條件下海水小球藻固碳效率曲線

3.3通入的二氧化碳流量對二氧化碳去除率的影響

保持其他環境條件不變，改變實驗組小球藻的入口CO?流量，探究氣體流量對二氧化碳去除率的影響。如圖3所示，當氣體流量為8ml/min時，二氧化碳氣體在藻液中的停留時間，適宜藻細胞與氣體充分接觸，此時海水小球藻脫除 CO?性能最好，二氧化碳去除率最大。通入氣體的流量高于或低于8ml/min均不利于光生物反應器對 CO?的去除。由此可得，純二氧化碳條件下應將氣體流量控制在8ml/min，確保較高的二氧化碳去除率。

圖3 通氣速率對二氧化碳去除率的影響

4.結論

a.海水小球藻對于通入純CO?條件需要一定的適應階段，適應期大概為一周左右。因此，實驗之前應該對海水小球藻先進行一周左右的馴化，從而縮短實驗周期。

b.海水小球藻固定二氧化碳效率分為三個階段，第1-13天為第一階段，為海水小球藻穩定期，CO?固定效率出現峰值主要是由于CO?溶于藻液中而形成的；第14-17天為第二階段，此時海水小球藻已經適應了二氧化碳條件，藻細胞大量繁殖，為小球藻生長的對數增長期，固碳效率再次達到峰值。第18天之后，海水小球藻逐漸進入衰亡期，其固碳效率逐漸降低，直到將至不在有固碳能力。

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作者簡介：

姜鳳，（1992～），女，碩士生，環境科學與工程領域，592064858@qq.com

遼寧省教育廳科學研究一般項目（No.99601314）；遼寧省財政科研基金項目（No.13C019）；遼寧省大學生創新訓練項目（2014）；大連海洋大學大學生創新創業訓練計劃項目（2013）