CN103255048B - 海水体系钝顶螺旋藻生物矿化固定二氧化碳装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海水体系钝顶螺旋藻生物矿化固定二氧化碳装置及方法，属于环境工程环境保护的领域。本发明通过对三次扩大培养的钝顶螺旋藻分装到与海水类似的溶液里，然后分别通入三种不同浓度的二氧化碳，检测溶液里碳酸盐的含量变化，在促进钝顶螺旋藻生长、延长生命周期与增加生物量的同时促进碳酸盐生物矿化沉淀的形成，从而达到固定二氧化碳的目的。所采用的实验条件简单，资源丰富，在常温以及常压下进行，对环境没有负荷，同时符合自然界碳循环的规律。通过微生物碳酸化固定二氧化碳，极大地降低了成本，所固定的二氧化碳可以安全的保存，有很大的应用前景与经济效益。

Description

海水体系钝顶螺旋藻生物矿化固定二氧化碳装置及方法

技术领域

本发明属于环境工程环境保护领域，具体涉及一种在海水体系中应用钝顶螺旋藻碳酸盐生物矿化固定二氧化碳的装置及方法。

背景技术

二氧化碳的急剧增加造成与加速了全球温室效应的进程，而二氧化碳主要来自石油、煤炭等化石燃料的燃烧，如钢铁厂的排放的气体，石油化工企业和汽车排放的尾气等。面对日益增多的二氧化碳气体，二氧化碳的捕集与固定方法的探索与创新受到全球普遍关注，并期望能实现其有效应用。

目前出现的减少CO₂的方法有：分离回收技术，如吸附法、膜分离法；资源化利用技术，如合成尿素、碳酸氢铵；捕集与封存技术，如碳捕集、碳运输及碳封存技术等。然而实际有效采用的方法主要是压力封存二氧化碳技术，该方法可以快速的在高压环境中将二氧化碳变成固体，然后直接输送到海洋底部等那些具有高压环境中将这些温室气体保存起来。然而压力封存技术存在成本过高，所需要的人力和物力特别巨大，压力封存技术具有不稳定性质，如果压力减少，这些固态二氧化碳又会重新释放出来。基于此，人们正在探索与发明更为有效、绿色环保与低成本的二氧化碳吸收、固定与转化技术，其中微生物生长固定CO₂因绿色环保、低成本、温和操作等优点受到普遍关注，已成为目前世界环境保护领域的研究热点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种在模拟海水体系中利用钝顶螺旋藻蓝细菌碳酸盐生物矿化固定二氧化碳的方法及装置，该方法通过在模拟典型海水成分的溶液里对钝顶螺旋藻的进行适应性扩大培养，在5级装有模拟海水成分溶液的生物矿化反应器中加入培养好的适宜性钝顶螺旋藻蓝细菌，然后分别通入高浓度的二氧化碳，调节反应器中螺旋藻生物生长与溶液里碳酸盐含量变化，促进钝顶螺旋藻的生长、延长其生命周期并增加其生物量，通过钝顶螺旋藻生物生长过程固定二氧化碳，同时促进模拟海水体系中碳酸盐类物质的生物矿化与沉淀的形成，实现二氧化碳的生物矿化固定与溶液体系盐分的脱除。

本发明的技术方案是： 海水体系钝顶螺旋藻生物矿化固定二氧化碳装置，该装置由二氧化碳钢瓶、第一气体流量计、空气压缩机、第一缓冲罐、第二缓冲罐、气体取样口、第一反应器、第二反应器、第三反应器、第四反应器、第五反应器、光照培养箱、干燥管、第二气体流量计和气相色谱仪组成；

其中，所述二氧化碳钢瓶通过第一气体流量计所述第一缓冲罐连接，所述空气压缩机与所述第一缓冲罐连接，所述第一缓冲罐与一端所述第二缓冲罐连接，所述第二缓冲罐的另一端通过管路与设置在所述光照培养箱中所述第一反应器、第二反应器、第三反应器、第四反应器和第五反应器的底端并联，所述干燥管的一端通过管路与所述第一反应器、第二反应器、第三反应器、第四反应器和第五反应器的顶端并联，所述干燥管的另一端通过所述第二气体流量计与所述气相色谱仪连接。

本发明还提供上述装置的固定二氧化碳的方法，具体包括以下步骤：

步骤1.培养菌液：取灭菌后的模拟海水培养基100mL置于250mL容量瓶中，接种钝顶螺旋藻原液10mL，放入光照培养箱中培养，光照强度为3000lux，温度35℃，光暗比12：12，培养5天后去少量接种，然后继续在相同的条件下培养，即第二次扩大培养。此溶液作为后续实验接种液待用；取第二代扩大培养的溶液10 ml接种到5L装有模拟海水培养液的锥形瓶中，按照上面的方法对钝顶螺旋藻蓝细菌进行三代接种扩大光照培养，当菌液生物量达到OD560nm为0.6以上时，备用；其中，所述模拟海水溶液成分金属阳离子为Na⁺，K⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，阴离子主要为Cl^-，SO₄ ^2-，Br^-，HCO₃ ^-，CO₃ ^2-；

步骤2：将上述步骤得到的菌液与模拟海水的溶液为原料，按照体积比1:10的比例混合后分别接入设置在光照培养箱中的第一反应器、第二反应器、第三反应器、第四反应器和第五反应器，调节反应器中pH在7.0～11， 调节光照培养箱的温度为35℃，光照强度为3000~4000lux，光暗比12-14:12，所述第一反应器、第二反应器、第三反应器、第四反应器和第五反应器中的钝顶螺旋藻蓝细菌生长率在24.3%以上，生物量产量在2.91g/L以上后，启动空气压缩机，以速率为100~400 mL/min分别向第一反应器、第二反应器、第三反应器、第四反应器和第五反应器中通入二氧化碳浓度为3-12% 的气体，气体流经第一反应器、第二反应器、第三反应器、第四反应器和第五反应器后，排出的气体中二氧化碳浓度降为0.03%，达到大气水平，出水溶液中Ca²⁺、Mg²离子浓度均在0.025mol/L以下，出水pH为7.0；其中：所述第一反应器和第二反应器中模拟海水的Ca²⁺ 浓度0.1～0.4 mol/L，Mg²⁺ 0.1～0.4mol/L，第三反应器、第四反应器和第五反应器中模拟海水的Ca²⁺、Mg²离子浓度为0.06 ～0.02mol/L。

本发明的有益效果是：发明提供了一种相对比较稳定，成本较低的通过生物矿化形成碳酸盐的形式而固定二氧化碳的新方法。作为固定二氧化碳的生物源，选取的钝顶螺旋藻蓝细菌是一种常见的自然界微生物；设计了一种生物矿化二氧化碳反应器装置与技术路线，该过程生物培养与二氧化碳生物矿化固定的反应条件温和，二氧化碳固定及溶液中盐类物质的生物矿化通过生物体内与生物表面发生的光合作用与化学反应相结合完成，固定效率受生物量与生物活性及反应器环境的调节控制，二氧化碳转变为生物碳质及通过无机盐离子参与的生物矿化过程生成永久性碳酸盐类矿物质而固定与保存。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。序号代表二氧化碳气体的走向，其中5个反应器（即7-11）是并联在二氧化碳气体走向上。

图2为培育所用的钝顶螺旋藻蓝细菌的显微照片（放大1000倍）示意图。

图3为二氧化碳生物固定与矿化后钝顶螺旋藻蓝细菌的显微照片（1000倍）示意图。

图4为形成碳酸盐的元素含量的XRD分析曲线示意图，

图5为形成碳酸盐的元素含量的XRD分析曲线示意图。

图中：

1.二氧化碳钢瓶、2.第一气体流量计、3.空气压缩机、4.第一缓冲罐、5.第一缓冲罐、6.气体取样口、7.第一反应器、8第一反应器、9.第一反应器、10.第一反应器、11.第一反应器、12.光照培养箱、13、干燥管、14第二气体流量计、15.气相色谱仪。

具体实施方式

如图1所示，为本发明拟海水体系钝顶螺旋藻碳酸盐生物矿化固定二氧化碳的装置，该装置由二氧化碳钢瓶、第一气体流量计、空气压缩机、第一缓冲罐、第一缓冲罐、气体取样口、第一反应器、第二反应器、第三反应器、第四反应器、第五反应器、光照培养箱、干燥管、第二气体流量计和气相色谱仪组成；

其中，所述二氧化碳钢瓶通过第一气体流量计所述第一缓冲罐连接，所述空气压缩机与所述第一缓冲罐连接，所述第一缓冲罐与一端所述第二缓冲罐连接，所述第二缓冲罐的另一端通过管路与设置在所述光照培养箱中所述第一反应器、第二反应器、第三反应器、第四反应器和第五反应器的底端依次并联，所述干燥管的一端通过管路与所述第一反应器、第二反应器、第三反应器、第四反应器和第五反应器的顶端并联，所述干燥管的另一端通过所述第二气体流量计与所述气相色谱仪连接。

实施案例1：

（1）取灭菌后的模拟海水培养基100mL置于250mL容量瓶中，接种钝顶螺旋藻原液10mL，放入光照培养箱中培养，光照强度为3000lux，温度35℃，光暗比12：12，培养5天后去少量接种，然后继续在相同的条件下培养，即第二次扩大培养。此溶液作为后续实验接种液待用；取第二代扩大培养的溶液10 ml接种到5L装有模拟海水培养液的锥形瓶中，按照上面的方法对钝顶螺旋藻蓝细菌进行三代接种扩大光照培养，当菌液生物量达到OD560nm为0.6以上时，将菌液接入5级并联连续反应器中，以钝顶螺旋藻菌液与调节海水成分的溶液为原料，模拟海水溶液成分金属阳离子为Na⁺，K⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，阴离子为Cl^-，SO₄ ^2-，Br^-，HCO₃ ^-、CO₃ ^2-。

(2) 控制反应器温度为35℃，光照强度为3000lux，光暗比12：12，待5个反应器中钝顶螺旋藻蓝细菌生长率在24.3%以上，生物量产量在2.91g/L以上，通过设计装置的空气混合和缓冲罐，通入浓度12%的二氧化碳气体，通入气体速率在100 mL/min，调节前两个反应器模拟海水Ca²⁺ 浓度0.2 mol/L，Mg²⁺ 0.4mol/L，后三个反应器中Ca²⁺、Mg²离子浓度均在0.02mol/L以下，各反应器中pH为9.5，检测溶液里菌体生物量与生物矿化生成的碳酸盐的量，通过调节反应器中螺旋藻生物生长与溶液里碳酸盐含量变化。固定后气体二氧化碳浓度在0.03%，达到大气水平，出水溶液中Ca²⁺、Mg²离子浓度均在0.02mol/L以下，出水pH为7.0，起到了良好的二氧化碳固定与盐类物质生物矿化的效果。

如图2所示为培育所用的钝顶螺旋藻蓝细菌的显微照片（放大1000倍）是示意图。显微镜观察结果，钝顶螺旋藻藻体亮绿色，藻丝蓝绿色，细胞横壁处略缩缢，规则的螺旋卷曲，螺旋宽26~36μm，螺距43~63μm，藻丝末端没有或有非常不明显的的渐窄，末端细胞宽圆，藻丝细胞宽6~8μm，长2~6μm。螺旋藻长时间静置培养时更容易发生形态变异，变成直线形；而在培养温度和光照增强时，藻丝体螺旋度增加，形成紧密螺旋，光强度较低时，螺距变长。

图3～5分别为通入二氧化碳生物固定与矿化后钝顶螺旋藻蓝细菌的显微照片（1000倍）、螺旋藻生长良好，围绕螺旋藻藻壁周围有生物矿化晶体存在，研究确定该晶体是方解石、白云石类碳酸盐矿物晶体。生物矿化后形成的碳酸盐的SEM显微照片、及生物矿化生成碳酸盐的元素含量的XRD图。很好说明了装置中二氧化碳生物固定过程中钝顶螺旋藻蓝细菌生长良好，与钙镁盐类物质矿化结晶充分。

图中出现了碳、钙、镁的峰值，峰值均相对较高，晶体是碳酸钙化合物，亦说明蓝细菌对二氧化碳进行了有效的固定，钙镁盐类物质有效矿化沉淀转变为碳酸盐类矿物。

实施案例2：

（1）取灭菌后的模拟海水培养基100mL置于250mL容量瓶中，接种钝顶螺旋藻原液10mL，放入光照培养箱中培养，光照强度为3000lux，温度35℃，光暗比12：12，培养5天后去少量接种，然后继续在相同的条件下培养，即第二次扩大培养。此溶液作为后续实验接种液待用；取第二代扩大培养的溶液10 ml接种到5L装有模拟海水培养液的锥形瓶中，按照上面的方法对钝顶螺旋藻蓝细菌进行三代接种扩大光照培养，当菌液生物量达到OD560nm为0.6以上时，将菌液接入5级并联连续反应器中，模拟海水溶液成分金属阳离子需主要为Na⁺，K⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，阴离子主要为Cl^-，SO₄ ^2-，Br^-，HCO₃ ^-，CO₃ ^2-。

(2) 控制反应器温度为35℃，光照强度为3000lux，光暗比12：12，待5个反应器中钝顶螺旋藻蓝细菌生长率在24.3%以上，生物量产量在2.91g/L以上，通过设计装置的空气混合和缓冲罐，通入浓度10%的二氧化碳气体，通入气体速率在250 mL/min，调节前两个反应器模拟海水Ca²⁺ 浓度0.2 mol/L，Mg²⁺ 0.2mol/L，后三个反应器中Ca²⁺、Mg²离子浓度均在0.02mol/L以下，各反应器中pH为8.5，检测溶液里菌体生物量与生物矿化生成的碳酸盐的量，通过调节反应器中螺旋藻生物生长与溶液里碳酸盐含量变化。固定后气体二氧化碳浓度在0.03%，达到大气水平，出水溶液中Ca²⁺、Mg²离子浓度均在0.025mol/L以下，出水pH为7.0，起到了良好的二氧化碳固定与盐类物质生物矿化的效果。

实施案例3：

（1）取灭菌后的模拟海水培养基100mL置于250mL容量瓶中，接种钝顶螺旋藻原液10mL，放入光照培养箱中培养，光照强度为3000lux，温度35℃，光暗比12：12，培养5天后去少量接种，然后继续在相同的条件下培养，即第二次扩大培养。此溶液作为后续实验接种液待用；取第二代扩大培养的溶液10 ml接种到5L装有模拟海水培养液的锥形瓶中，按照上面的方法对钝顶螺旋藻蓝细菌进行三代接种扩大光照培养，当菌液生物量达到OD560nm为0.6以上时，将菌液接入5级并联连续反应器中，备用，其中，所述模拟海水溶液成分金属阳离子需主要为Na⁺，K⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，阴离子主要为Cl^-，SO₄ ^2-，Br^-，HCO₃ ^-，CO₃ ^2-。

(2) 控制反应器温度为35℃，光照强度为3000lux，光暗比12：12，5个反应器中钝顶螺旋藻蓝细菌生长率在24.3%以上，生物量产量在2.91g/L以上，通过设计装置的空气混合和缓冲罐，通入含有二氧化碳浓度为5% 的气体，通入气体速率在400 mL/min，调节前两个反应器模拟海水Ca²⁺ 浓度0.1 mol/L，Mg²⁺ 0.15 mol/L，后三个反应器中Ca²⁺、Mg²离子浓度均在0.02mol/L以下，各反应器中pH为8.0，检测溶液里菌体生物量与生物矿化生成的碳酸盐的量，通过调节反应器中螺旋藻生物生长与溶液里碳酸盐含量变化。固定后气体二氧化碳浓度在0.03%，达到大气水平，出水溶液中Ca²⁺、Mg²离子浓度均在0.02mol/L以下，出水pH为7.0，起到了良好的二氧化碳固定与盐类物质生物矿化的效果。

Claims (1)

1. 海水体系钝顶螺旋藻生物矿化固定二氧化碳装置的固定二氧化碳的方法，该装置由二氧化碳钢瓶、第一气体流量计、空气压缩机、第一缓冲罐、第二缓冲罐、气体取样口、第一反应器、第二反应器、第三反应器、第四反应器、第五反应器、光照培养箱、干燥管、第二气体流量计和气相色谱仪组成；

其中，所述二氧化碳钢瓶通过第一气体流量计与所述第一缓冲罐连接，所述空气压缩机与所述第一缓冲罐连接，所述第一缓冲罐与所述第二缓冲罐的一端连接，所述第二缓冲罐的另一端通过管路与设置在所述光照培养箱中所述第一反应器、第二反应器、第三反应器、第四反应器和第五反应器的底端并联，所述干燥管的一端通过管路与所述第一反应器、第二反应器、第三反应器、第四反应器和第五反应器的顶端并联，所述干燥管的另一端通过所述第二气体流量计与所述气相色谱仪连接，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1.培养菌液：取灭菌后的模拟海水培养基100mL置于250mL容量瓶中，接种钝顶螺旋藻原液10mL，放入光照培养箱中培养，光照强度为3000lux，温度35℃，光暗比12：12，培养5天后去少量接种，然后继续在相同的条件下培养，即第二次扩大培养；此溶液作为后续实验接种液待用；取第二代扩大培养的溶液10 ml接种到5L装有模拟海水培养液的锥形瓶中，按照上面的方法对钝顶螺旋藻蓝细菌进行三代接种扩大光照培养，当菌液生物量达到OD560nm为0.6以上时，备用；其中，所述模拟海水溶液成分金属阳离子为Na⁺，K⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，阴离子主要为Cl^-，SO₄ ^2-，Br^-，HCO₃ ^-，CO₃ ^2-；

步骤2：将上述步骤得到的菌液与模拟海水的溶液为原料，按照体积比1:10的比例混合后分别接入设置在光照培养箱中的第一反应器、第二反应器、第三反应器、第四反应器和第五反应器，调节反应器中pH在7.0～11， 调节光照培养箱的温度为35℃，光照强度为3000~4000lux，光暗比12-14:12，所述第一反应器、第二反应器、第三反应器、第四反应器和第五反应器中的钝顶螺旋藻蓝细菌生长率在24.3%以上，生物量产量在2.91g/L以上后，启动空气压缩机，以速率为100~400 mL/min分别向第一反应器、第二反应器、第三反应器、第四反应器和第五反应器中通入二氧化碳浓度为3-12% 的气体，气体流经第一反应器、第二反应器、第三反应器、第四反应器和第五反应器后，排出的气体中二氧化碳浓度降为0.03%，达到大气水平，出水溶液中Ca²⁺、Mg²离子浓度均在0.025mol/L以下，出水pH为7.0；其中：所述第一反应器和第二反应器中模拟海水的Ca²⁺ 浓度0.1～0.4 mol/L，Mg²⁺ 0.1～0.4mol/L，第三反应器、第四反应器和第五反应器中模拟海水的Ca²⁺、Mg²离子浓度为0.06 ～0.02mol/L。