分批補加NH4HCO3對化學吸收-微藻轉化耦合系統的影響

李鵬程，李美狄，尹慶蓉，毛煒煒，宋春風

(天津大學 環境科學與工程學院，天津 300072)

0 引 言

據統計，我國每年排放到大氣中CO2約33.4億t，其中40%的CO2由燃煤電廠產生[1-2]。工業CO2排放帶來一系列環境問題，如氣候變暖、冰川融化等[3-4]。如何高效進行CO2捕集和資源化利用成為關注重點。

對燃煤電廠煙氣中CO2捕集與封存能大幅減少排放到大氣中的CO2[5]。與燃燒前捕集相比，燃燒后捕集技術更加成熟，包括化學吸收、物理吸附、膜分離和微藻生物固碳等技術[6-8]。化學吸收法具有吸收速率快、效率高等優點，但CO2解吸過程存在高能耗問題[9]。近年來，微藻生物固碳由于其綠色、經濟，無二次污染備受關注。微藻經光合作用將CO2轉化為化學能，生成色素、食品和油脂等高價值產品。每產生1 t生物質干重消耗CO21.83 t[10]。微藻固碳技術得到廣泛研究，WANG等[11]研究表明通過微藻馴化，可提高微藻對高濃度CO2毒性的耐受程度。張響東[12]利用亞精胺增強了小球藻對燃煤電廠煙氣中體積分數15%的CO2和高光強(30 000 LX)的抗逆性，顯著提高了固碳效率。微藻固碳大規模應用前仍有問題需要解決，如CO2在基質中的傳質效率低，存在CO2逃逸問題，導致微藻固碳率較低。

1 試 驗

1.1 藻種和材料

圖1 化學吸收耦合微藻固碳的BECCS系統Fig.1 Chemical absorption-microalgae hybrid BECCS system

對照組的總氮量為Zarrouk培養基中的總氮量，參照LI等[20]研究結果，NH4HCO3和NaNO3質量濃度比設置為1∶4。對照組不涉及任何補料，所有試驗組初始接種量OD560(波長560 nm下的紫外分光光度值)=0.2。試驗周期為15 d，每3 d取樣測定OD560、總氮、氨氮、無機碳等指標，試驗結束后測定產物中油脂、碳水化合物、蛋白質等含量。批次試驗設計方法見表1。

表1 批次試驗氮源添加量Table 1 Amount of nitrogen source added in batch experiment

1.2 培養條件

首先用Zarrouk培養基對誘變螺旋藻進行預培養，并以0.1 cm3/min流速通入5%的CO2(5% CO2+95% N2)，將處于對數生長期的誘變鈍頂螺旋藻作為接種藻株。試驗過程中，在250 mL錐形瓶中裝入200 mL上述不同NH4HCO3與NaNO3比例的培養液，初始接種OD560為0.2，培養溫度為(30±1)℃，全天光照，光照強度4 000 LX，每組3個平行試驗，每天固定時間搖瓶震蕩。

1.3 分析方法

1.3.1 螺旋藻生物量的測定

螺旋藻生物量與OD560存在一定線性關系，可將藻液OD560轉化成生物質干重。標準曲線表示為

X=0.404OD560-0.001 6，R2=0.998，

(1)

式中，X為生物質干重質量濃度，g/L。

每3 d取樣一次，測定OD560，計算生物質干重。生物質生產率計算公式為

P=ΔX/Δt，

(2)

式中，P為生物質產率，mg/(L·d)；ΔX為Δt時間內的生物質質量濃度變化量，g/L；Δt為培養周期，d。

1.3.2 溶液中氮含量及固氮率

NF=XN/TN，

(3)

式中，NF為固碳率，%；TN為系統中添加的氨態氮和硝態氮總和，mg/L；N為通過元素分析儀測定的生物質中氮元素含量，%。

1.3.3 固碳能力

參考SONG等[22]研究方法計算固碳量A，具體表示方式為

A=44PC/12，

(4)

式中，C為螺旋藻碳元素含量，%。

1.3.4 油脂、多糖、碳水化合物和蛋白質

油脂含量采用尼羅紅染色法測定[23]，多糖和碳水化合物采用改良的苯酚硫酸法測定[24]。根據氮含量和蛋白質產量的關系乘以系數6.25，計算蛋白質質量濃度[25]。

D=6.25XN，

(5)

式中，D為蛋白質質量濃度，mg/L。

1.3.5 數據分析

采用單因素方差分析(ANOVA)進行統計分析。試驗結果以均數±標準誤差表示。平均值基于平行試驗得到，且在95%置信區間。所有試驗組設置3個平行試驗。

2 結果與討論

2.1 分批補料對微藻生長的影響

圖2 不同分批補料模式下微藻生物質干重變化Fig.2 Dry weight variation of microalgae biomass under different feding-batch modes

2.2 耦合系統中的氮分布

分批補料模式下氮的去向有3種：被螺旋藻吸收利用、由于氨的揮發損失、殘留在培養基中。不同組別下氮分布情況如圖3所示。由圖3可以看出，第1～4組培養期間的總氮量分別為540、440、470和526 mg/L，表明分批補料可以降低培養過程中總氮量，且第2組分批補料模式下所需總氮量最少，但生物質干重卻與對照組相近(圖2)。第2組螺旋藻的固氮率為32.33%，與對照組相比，提高了51.00%。這與SONG等[23]研究結果一致，即分批補料可提高微藻的固氮效率。

2.3 分批補料對微藻固碳能力的影響

圖4 不同分批補料模式下的固碳量Fig.4 Carbon sequestration under different feding-batch modes

2.4 分批補料對螺旋藻后期產物的影響

2.4.1 油脂和蛋白質質量濃度變化

圖5 不同分批補料模式下油脂和蛋白質含量Fig.5 Lipid and protein yield under different feding-batch cultivation modes

2.4.2 多糖和碳水化合物質量濃度變化

分批補料對螺旋藻多糖和碳水化合物的影響如圖6所示。由圖6可以看出，對照組的多糖質量濃度為112.30 g/L，第1～4組中多糖質量濃度分別為22.93、33.49、157.02和27.15 mg/L。與蛋白質不同，多糖質量濃度最高的為第3組。碳水化合物是碳分子大骨架，對照組的碳水化合物質量濃度為1 298.73 mg/L，第3組獲得最大碳水化合物質量濃度為1 632.86 mg/L。綜上可知，補料方式影響油脂、蛋白質、多糖和碳水化合物等后期產物的合成，可根據實際目標產物選擇理想的分批補料形式。

圖6 不同分批補料模式下多糖和碳水化合物含量Fig.6 Carbohydrate and polysaccharide yield under different feding-batch cultivation modes

3 結 論

2)批次補料條件下，第2組獲得了最高的蛋白質質量濃度及固碳量，分別為889.17 mg/L和149.24 mg/(L·d)；第3組獲得了最高的油脂和碳水化合物質量濃度，分別為169.32和1 632.86 mg/L。因此，可根據目標產物來選擇理想的分批補料模式。

3)批次補料形式下的化學吸收-微藻轉化耦合體系具有替代傳統單一化學吸收或微藻固碳技術的潛力及應用前景，在減排CO2的同時產生經濟價值，為碳中和國家戰略提供可持續的技術選擇。