CN103502427A - 集成的碳捕获和藻类培养 - Google Patents

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Abstract

使用来自浓缩源的CO2来培养微藻的可行性受限于CO2捕获及传送的高成本，以及在藻类培养期间CO2的显著损失。另一挑战是在CO2由其来源连续地产生时，藻类在夜晚不能使用CO2。为了解决这些挑战，本发明提供一种方法，其中CO2作为碳酸氢盐被捕获并且用作用于藻类培养的原料。然后，碳酸盐在藻类培养步骤中作为吸收剂被再生以便捕获更多的CO2，该CO2被转变为用作原料等的碳酸氢盐。由于该方法避免了用于碳酸盐再生的能量，故其显著降低了碳捕获成本。此外，传送固体或碳酸氢盐水溶液与传送压缩的CO2相比具有更低的成本，并且与供给CO2气体相比，使用碳酸氢盐提供了更好的选择用于对藻类培养系统的CO2送入。

Description

集成的碳捕获和藻类培养
技术领域
本发明通常涉及利用CO2作为微生物用原料的集成的方法和系统。特别地，本发明提供一种方法，用于捕获CO2，将其转变为碳酸氢盐，然后使用碳酸氢盐作为碳源用于光合藻类和蓝藻菌的培养。
背景技术
捕获CO2用于藻类培养的挑战
用于能源的化石燃料例如煤、石油以及天然气的燃烧是大气中CO2浓度增加的主要原因，并且这引起人们日益关注其对全球气候变化以及海洋酸化的影响（Iglesias-Rodriguez等，2008）。通常，产生1kWh的电力导致0.95kg来自煤燃烧的CO2排放（DOE&EPA，2000）。一个50MW的小燃煤电厂生产约1,140公吨（MT）CO2/天，而一个中等规模的500MW电厂生产11,400MTCO2/天（EPA，2011）。
一个降低CO2排放的可能方式是，在地质层构成（geologic formations）中捕获、传输并储存CO2。然而，与没有碳捕获的方法相比，具有碳捕获及储存的煤燃烧方法具有非常高的成本，于是该方法仅在CO2的排放价格达到67美元/MT时才变为优选技术(NETL,2010，Plasynski等，2009)。此外，CO2在地质层构成中的储存会产生新的环境问题例如诱发地震活动、CO2渗漏的危险或者可能污染地下水（Plasynski等，2009；Sminchak和Gupta，2001）。
代替在地质层构成中的储存，用于捕获CO2的理想方法是将其转变成生物质，以便CO2能再循环成生物碳池，或者作为有机或无机碳储存在土壤碳池中（Lal，2004；Lee等，2010；Ramanan等，2010）。由生成的生物质中生产生物燃料会降低化石燃料的使用，这同样地有助于降低CO2排放（Packer，2009；Pienkos和Darzins，2009）。
生物柴油可由各种传统的油料作物比如大豆、油菜籽、棕榈、玉米以及麻风树制得。然而，这些农作物会抢夺食物资源，从而在未来可能遭受生产限制。微藻类培养确保了更好的替代，这是由于其具有如下显著的优点：高产量、不抢夺食物资源、以及产生有价值的副产品（Chen等，2010；Chisti，2007）。然而，在将培养物准备用于工业应用之前，仍要解决一些关键挑战，比如藻类生物质生产的高成本、产量以及油提炼。原料CO2的高成本是生产藻类生物质的主要障碍。目前所有的碳捕获技术均要求大量的额外能量以便再生吸收剂，这导致显著降低的电厂效率、以及相应增加的电力成本（COE）。例如，基于该反应： 霍尼韦尔集团的UOP公司的BenfieldTM工艺开发出一种方法，其使用高浓度的碳酸钾吸收CO2，并将其转变为碳酸氢钾（Plasynski等，2009）。然后，通过加热释放CO2来使碳酸氢盐变回为碳酸盐。该方法消耗1,381-2,549MJ的额外热能以便除去1MT的CO2（Furukawa和Bartoo，1997），并且该附加的能量消耗占生产的电力的约36.4%-67.3%。
通常，发电厂周围可用的土地是有限的，于是CO2必须被捕获并传送到较远距离的藻类池。然而，这受限于碳传送所需的高成本。典型地，CO2被压缩至150个大气压以便经由管道传送。该压缩过程消耗相当大的能量，并会增加运输成本。Kadam等（1997）估计传送100km的成本分别是用于压缩和干燥的8.48美元/MTCO2，以及用于管道传送的3.30美元/MTCO2。
利用捕获的碳而用于藻类培养也面临其他的主要挑战。例如，捕获的CO2在藻类不生长的夜晚时间或冬季不能被临时储存。此外，如果藻类在开放式系统中培养，那么由于漏气会导致CO2的显著损失。作为这些问题的结果，典型地通过藻类培养仅捕获最大量为25%的CO2（Benemann，2009）。这对于要求燃料气体中90%的CO2被回收的成功的碳捕获方法来说是令人不满意的（Benemann，2009；NETL，2010）。
总之，目前使用来自浓缩源的CO2用于藻类培养的技术受限于碳捕获的高成本、高传送成本、难以临时储存CO2、以及低效率。工业规模的藻类生物质生产系统要求用于CO2捕获、传送、以及释放的可替代方法。
发明内容
本发明提供集成的方法和系统，用于捕获CO2并将捕获的CO2转变成碳酸氢盐、将碳酸氢盐传送到比如嗜碱藻类或蓝藻菌培养系统中（其中碳酸氢盐用作微生物用碳源）、以及再循环来自培养系统的培养基（该培养基通过反复捕获CO2并将其转变为碳酸氢盐而包含高浓度的溶解CO2）等，该培养基然后被用于嗜碱藻类或蓝藻菌培养系统中。于是CO2因此可无限次地再循环。如果CO2的原始来源为培养系统，那么该方法实际上为闭合循环方法。然而，原始输入的（或随后输入的）CO2可以来自其他来源（比如工业来源），在该情况中，该方法是部分闭合的，但可连续为闭合式循环系统。此外，碳酸氢盐（可以是固态形式或溶液形式）可用作用于微生物的唯一碳源，或者可选地，其他碳源也可被使用。
本发明还提供了用于实施该方法的系统。该系统包括用于i）捕获CO2以及ii）转化CO2的装置或设备、合适的培养系统，以及用于将CO2和碳酸氢盐从一个系统组件中传送到另一个系统组件的集成装置。该方法和系统是部分有利的，因为碳酸氢盐的传送与CO2气体的传送相比成本更低、并且危险更少。
附图说明
图1：用于集成的碳捕获和藻类培养方法的系统概略图。
图2A和B：用碳酸氢钠作为唯一碳源的普氏杜氏藻（Dunaliella primolecta）菌株培养，（a）培养中的pH变化，（b）光分布。
图3A和B：使用不同的无机碳供给方法的普氏杜氏藻（Dunaliella primolecta）菌株培养，（a）培养中的pH变化，（b）光分布。
图4A和B：使用1M碳酸氢钠溶液的单细胞蓝绿藻（Euhalothece）ZM001培养，（a）培养中的pH变化，（b）光分布。
具体实施方式
将捕获的碳处理为水溶液
在分析这些与CO2传送相关的问题时，可以推定这些问题因捕获的碳被处理为压缩的CO2而不是标准大气压力下的水溶液而存在。幸运地，无机碳（Ci）不仅作为CO2气体存在，而且作为碳酸盐或碳酸氢盐存在。某些碳酸盐在水中的溶解度是非常高的。例如，碳酸氢钠在25℃处的溶解度为103g/L或10.3%（w/v）。如果捕获的碳被转变为碳酸氢盐/碳酸盐水溶液，那么其在标准压力下容易在水管中传送。
Zhou和Richard（2005）估计通过运河水平运输水100km的成本为0.05-0.06美元/m3，以及通过输水道水平运输水100km的成本为0.104-0.125美元/m3。可以预料，碳酸氢盐溶液将比相应的压缩CO2具有更低的运输成本。此外，如果运输距离缩短，那么水溶液的运输成本可线性地减少，而压缩对于任何距离的CO2气体传送来说均是必须的。
对于藻类培养方法，碳酸氢盐水溶液可在冬天或夜晚储存，并且在夏天或白天被提供给藻类培养系统。例如，来自50MW小电厂的每日排放的1,140吨CO2可作为22,800m3碳酸氢钠溶液被储存。可以注意到，该碳酸氢盐溶液向藻类培养系统的传送并不要求气体喷射系统。此外，高pH下的藻类培养将防止侵入的不良品种污染指定的培养系统。
实际上存在许多将CO2转变为碳酸氢盐的CO2捕获方法，并且所有的这些方法均可用作在该集成系统中的方法。如果碳酸氢盐作为固体被生产，那么其可作为固体被储存和/或传送，这将节省用于压缩CO2的高成本。如果碳酸氢盐作为水溶液被生产，那么如图1所示，其可被储存和/或通过水管、或开放式水道传送。这也节省了用于压缩CO2的成本。为了储存和传送目的，优选高浓度的水溶液中的碳酸氢盐，这是由于这将降低待传送的碳酸氢盐水溶液的体积。
碳酸氢盐作为用于光合作用的原料
一旦被引入到细胞内，CO2或HCO3 -就主要作为HCO3 -被积累。类脂膜对CO2的可渗透性超过其对HCO3 -的可渗透性的约1000倍，并且如果在胞液中迅速达到CO2与HCO3 -之间的平衡，那么会发生严重渗漏。因此，HCO3 -通常被保持在稳态下，其中尽管细胞外的CO2浓度在淡水中为15μΜ，在海水中为2mM(Priceetal.，2008)，HCO3 -的浓度仍可达到20-40mM。
根据平衡式
Figure BDA00003638491400041
可知，H+被消耗从而将HCO3 -转变为CO2，并且CO2最终通过光合作用中的1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco）被固定。因此，使用稳态的HCO3 -作为用于光合作用的原始碳源可将OH-留在细胞中，而OH-必须用细胞外环境中吸收的H+中和。培养基中H+的减少不可避免地导致增加的pH，这随后会改变不同Ci种类之间的平衡。淡水中的HCO3 -在25℃和1atm下的pKa为10.33；于是一对酸性碳酸氢盐／碱性碳酸盐可作为在该pH周围的强缓冲液使用。增加的pH最终将导致更高比率的CO3 2-/HCO3 -。由该论点可知，藻类培养方法实际上通过太阳能再生了碳酸盐。
天然碱湖中的嗜碱藻类和蓝藻菌
虽然看来是有前景的，但这种培养系统的潜力取决于可获得能在高浓度碳酸氢盐环境中生长的藻类菌株。为了在该环境中生长，真核藻或蓝藻菌必须克服高pH以及高离子强度。幸运地，同样的挑战天然存在于许多碱湖中。Zavarzin等总结了一些碱湖的参数，并且证实它们的pH范围为8.4-10.8，以及CO3 2-浓度为0.3-90.2g/L（1.5M）（Fleming和Prufert-Bebout，2010；Gerasimenko和Mikhodyuk，2009；Oberholster等，2009；Zavarzin等，1999）。
甚至在该极端环境中，也能出现茂盛的蓝藻菌，并且它们的生物质生产率能达到10克碳/平方米/天（Zavarzin等，1999）。如果制得的藻类生物质中的碳含量为50%，那么干的生物质生产率将是约20克/平方米/天，这与指定的用于生物燃料生产的人造开放池藻类培养系统具有相同水平（Sheehan等，1998）。我们关于在pH为9.5-10.5内的嗜碱蓝藻菌培养的未发表的研究结果是0.1克/升/天，这非常类似于报道的其他常用微藻的0.117克/升/天的生长率（Chisti，2007）。期待关于培养条件最优化的进一步努力以提高生产率。
这些嗜盐并嗜碱的蓝藻菌菌株可以被分离，并用于图2所示的集成培养系统中。据报道，由Magadi湖中分离出的海底蓝藻菌包括盐生集胞藻（Synechocystis salina）、静水隐杆藻（Aphanothece stagnina）、亚球形管孢藻（Chamaesiphon subglobosus）、线形棒条藻（Rhabdoderma lineare）、长形聚球藻（Synechococcus elongates）、可疑席藻（Phormidiumambiguum）、窝形席藻（Phormidium foveolarum）、韧氏席藻（Phormidium retzii）、巨颤藻（Oscillatoria splendid）、沼泽颤藻（Sscillatoria limnetica）、纺锤状螺旋藻（Spirulina fusiformis），以及宽松螺旋藻（Spirulina laxissima）。所有的这些菌株均是极度嗜碱的，其适宜在pH9.9-10.4处生长。其中，从Tuva湖中分离出的东方席藻（P.orientale）适宜使用145g/L的总矿盐浓度在pH10.3和100g/L碳酸钠下生长（Zavarzin等，1999）。可疑席藻（P.ambiguum）适宜使用165g/L的总矿盐浓度在pH9.9、105g/L碳酸钠下生长。此外，发现微鞘藻（Microcoleussp.）是在pH9.5的Khilganta湖中生长的蓝藻菌席（cyanobacteria mat）中的主要品种。除了这些例子之外，在pH10.2以及200-260g/L碳酸钠浓度下生长的真核绿藻也已经从Magadi湖中分离出来（Zavarzin等，1999）。
用于藻类培养和碳捕获的碳酸盐的闭环式再循环的优点
具有高浓度的碳酸氢盐的水溶液对大部分微生物是致命的，但一些光合蓝藻菌和微藻却能在其中生长（Mikhodyuk等，2008）。培养利用碳酸氢盐作为它们光合作用的碳源、并且可容忍高浓度碳酸氢盐的藻类或蓝藻菌是该藻类培养方法的关键。
自然界中存在一些嗜碱的藻类或蓝藻菌（Pikuta等，2007），它们能用于该系统中。更优选可容忍高的盐浓度（例如高的钠浓度）的嗜碱藻类菌株。更优选可容忍高浓度的碳酸氢盐（例如碳酸氢钠）的嗜碱藻类菌株。最优选可在饱和碳酸氢钠或碳酸钠溶液中生长的藻类菌株。
从碱湖中分离出的藻类或蓝藻菌菌株对于该方法是理想的，这是因为碱湖通常具有高的pH、高的盐浓度，以及高的碳酸氢盐或碳酸盐浓度。极度嗜碱并嗜盐的藻类可从该环境中分离出来。这些菌株可以来自、但不限于蓝藻菌例如集胞藻、蓝杆藻（Cyanothece sp.）、微鞘藻、单细胞蓝绿藻（Euhalothece）、螺旋藻（Spirulina sp.），以及真核微藻小球藻（Chlorella）和杜氏藻（Dunaliella）。此外，其他具有类似特性但从其他环境中分离出来的藻类菌株也可用于该培养系统中。
可用于该系统的藻类培养系统包括、但不限于开放式池系统、闭合式光生物反应器系统、以及任何其他已知的或新设计的藻类培养系统。
该藻类培养系统中的pH为从中性（pH=7.0）至强碱性（pH>11.0），只要培养藻类或蓝藻菌可存活并生长即可。随着藻类培养方法中的碳酸氢盐的消耗，pH逐渐增加。
除了碳捕获之外，该藻类培养系统的主要目的是生产藻类产品。人们发现藻类是用于许多化学品的良好制造者，并且其已经被用作食品和各种其他生物产物的来源。这些产品包括但不限于用于生物燃料的藻类油、用于保健食品的藻类油（例如ω-3脂肪酸）、颜料（例如类胡萝卜素）、藻酸盐、肥料，以及任何可由藻类制得的其他生物产物。通过此处所述的微生物培养制得的产物被本发明所覆盖。进一步地，本发明的方法可进一步包括由培养的有机物获得这类产物的步骤，例如通过采集并提取产物而获得，或者通过在产物中直接使用采集的有机物（例如肥料）而获得，或者通过从有机体在其内生长的培养基中提取产物而获得，等。
值得注意的是，高浓度的碳酸氢盐可以生产高密度的藻类生物质。进行该计算并将结果列于表2中。如表中所示，只要0.1mol/L的碳酸氢盐被消耗，就可以制得2.4g/L的藻类生物质。如果更多的碳酸氢盐被消耗，那么藻类生物质产量可以更高。然而，藻类培养通常受限于光源，并且单次培养工序可能产生有限的藻类生物质密度，并且残留可用于藻类培养的另一循环的高浓度碳酸氢盐。因此，重复培养可用于该藻类培养方法中。在该状态下，培养的藻类生物质被分离和采集，并且水被排入用于另一轮藻类培养的另一个藻类培养系统中。
因此，本发明提供一种用于CO2捕获和藻类培养的方法、以及可实施该方法的系统。该方法包括如下步骤或过程：
1）将CO2转变为碳酸氢盐的CO2捕获步骤；2）将制得的碳酸氢盐作为水溶液或固态碳酸氢盐传送到一个以上藻类培养系统中；3）用传送的碳酸氢盐作为碳源之一在藻类培养系统中培养嗜碱藻类或嗜碱蓝藻菌以生产藻类或蓝藻菌生物产物；以及4）传送来自藻类培养步骤的用后水（残留物）用于CO2捕获。在一些实施方式中，碳酸氢盐作为盐比如钠盐出现。
然而，也可以使用其他盐（比如钾盐、铵盐）。因此，在各种实施方式中，碳酸氢盐溶液或碳酸氢盐可以是例如碳酸氢钠或碳酸氢钾或碳酸氢铵，或者它们的混合物。
CO2捕获步骤通常是制造碳酸氢盐作为其产物之一的方法。这些方法包括但不限于使用碳酸盐作为吸收剂，或者使用碳酸酐酶作为催化剂，或者使用氨和氯化钠作为原料来生产碳酸氢盐，例如，索耳维法（Solvay process）和侯氏制碱法（Hou’s process）（Plasynski等，2009）。
被捕获的CO2的来源包括、但不限于：热电厂（例如煤厂、天然气厂、或燃油厂）、发酵方法、厌氧消化方法、氨厂、空气、废气、以及任何其他CO2源。
如果碳酸氢盐作为液态溶液被储存，那么运输方法包括、但不限于闭合管道、或开放式管道、液罐车、铁路运输槽、或者任何适于液体的其他运输方法。在该实施方式中，被传送的碳酸氢盐溶液具有至少0.01mol/L的浓度，例如约0.01mol/L至完全饱和碳酸氢钠溶液的浓度范围。在一些实施方式中，优选其浓度为约0.3mol/L至饱和浓度，即直至碳酸氢钠的饱和溶液。本领域技术人员认识到，饱和浓度是指此处物质的溶液不再能溶解该物质并且额外量的物质将作为沉淀物出现的浓度点。该最大浓度的点、饱和点可能取决于液体的温度使得如果物质在热溶剂中被溶解至该饱和点，那么条件的变化（例如冷却）可能导致过饱和溶液。在一些实施方式中，碳酸氢盐是固态的碳酸氢盐。在该实施方式中，运输方法包括但不限于卡车、铁路、传送条、或任何用于固体的运输方法。
利用碳酸氢盐作为碳源的培养系统可以是任何光养性的微生物或可利用碳酸氢盐作为碳源的微生物组。在一些实施方式中，光养性的微生物为嗜碱藻类和/或蓝藻菌。示例的嗜碱藻类或蓝藻菌包括、但不限于蓝藻菌比如集胞藻、蓝杆藻、微鞘藻、单细胞蓝绿藻、螺旋藻、真核微藻小球藻和杜氏藻。微生物可以从天然源中分离出来，或者可选地，可以使用重组技术来进行基因工程化例如用于提高它们对碳酸氢盐和/或碱性的容忍度。在一些实施方式中，嗜碱藻类或蓝藻菌包括所有能在具有最小约0.01mol／L碳酸氢盐浓度的培养基中生长（即容忍）的光养性微生物。在一些实施方式中，嗜碱藻类或蓝藻菌包括可在浓度范围为约0.01mol／L碳酸氢盐至碳酸氢盐饱和溶液的培养基中生长的光养性微生物。例如，浓度范围可以是至少约0.3mol/L碳酸氢盐至碳酸氢盐饱和溶液。
培养嗜碱藻类或蓝藻菌的pH通常在约8.0至约12的范围内，例如约9.0至约11的pH范围内。嗜碱藻类或蓝藻菌培养可能具有或不具有在藻类培养系统中的pH控制装置，并且可能具有或不具有CO2鼓泡系统。
在本发明的一些实施方式中，嗜碱藻类或蓝藻菌的培养可以使用碳酸氢盐作为唯一的碳源。然而，包括其他碳源的培养系统也被包括，即碳酸氢盐可以是多个碳源中的一个。
示例的培养系统包括、但不限于开放池系统、闭合光-生物反应器系统等。任何合适的培养系统可用于实施本发明。在一些实施方式中，嗜碱藻类或蓝藻菌的培养以分批培养、半连续培养、或连续培养的方式进行。
例如，富含碳酸氢盐的溶液（例如水）可在该方法的一个步骤中使用、或者在多个步骤或多批次中使用。例如，嗜碱藻类或蓝藻菌的培养可在使用相同水的超过一个批次培养（即重复培养）中使用富含碳酸氢盐的水，例如直至pH增加到藻类品种不能存活的范围。
来自藻类培养系统（比如在微生物已经被采集或者从培养中除去后）的用过的（废的、残留的、剩余的等）液体或培养基（通常为水）还被再循环入该系统中。该废培养基具有约8.0至约12.0的pH，例如约9.0至约11.0的pH，包含大量的碳酸盐（并且还可能包含各种溶解盐、矿物、和微生物生长的有机分子副产物等）。富含碳酸盐的废培养基可被再处理以便反复捕获如上所述的固体形式的碳酸盐或具有很高碳酸盐浓度（包括并直至饱和浓度）的液体（例如水）中的碳酸盐。将用过的水传送到合适的处理设备中可使用任何合适的方法例如闭合式管道、开放式管道、或者任何适用于液体的其他运输方法来进行。
本领域技术人员将认识到，许多产物可能作为按此处所述制得的嗜碱藻类或蓝藻菌的培养结果而被制得。一种以上的藻类产物可由单次培养制得，这些产物包括、但不限于用于生物燃料的藻类油、用于保健食品的藻类油（例如ω-3脂肪酸）、颜料（例如类胡萝卜素）、藻酸盐、肥料、以及任何可由藻类制得的其他生物产物。本发明也包括使用本发明的方法和系统通过藻类或蓝藻菌制得的产品。
前述例子被提供以便说明本发明的各种具体实施方式，但不应将其理解为对本发明的任何限制。
实施例
实施例1.
1.菌株和培养基
杜氏盐藻（Dunaliella primolecta）（UTEXLB1000）使用具有降低浓度的钙（原始浓度的5%）和镁（原始浓度的10%）的人造海水培养基（UTEX）进行培养。
2.孔板培养
在24孔板中培养细胞，每个孔为2mL。培养室温度被控制在20℃。不同浓度的碳酸氢钠被用作无机碳源，并且没有CO2气体被送入培养物中。对每个试样使用750nm波长的光测试光分布。
杜氏盐藻在培养的第三天生长至其最大生长量（图2）。当pH超过10.0时，pH在3天培养后进一步增加，并且一些培养物中的最终pH接近于10.5。此外，其在0.3M碳酸氢盐中的生长与使用更低浓度的生长处于同一水平，但0.6M碳酸氢盐导致生长缓慢。该结果表明，杜氏盐藻可容忍0.3M的碳酸氢钠浓度，并且其可容忍高达10.5的高pH。
3.在光生物反应器中培养
在250mL规格的光生物反应器、以及具有降低浓度的钙（原始浓度的5%）和镁（原始浓度的10%）的人造海水培养基中培养细胞。培养室温度被控制在20℃处。使用0.3M碳酸氢钠作为没有气泡的搅拌培养中的无机碳源。作为对比，进行两个其他的培养。一组使用同一培养基，并且喷射2%（v/v）的空气中的CO2。另一组使用没有碳酸氢盐的同一培养基，并且喷射2%（v/v）的空气中的CO2。
没有CO2喷射的搅拌培养与具有该两种CO2喷射控制的培养（使用碳酸氢盐作为额外的碳源、或者不使用碳酸氢盐作为额外的碳源）具有相同的生产率（图3）。这表明碳酸氢钠可在伴随简单搅拌时被用作唯一碳源。CO2喷射培养具有稳定的pH，但没有CO2喷射的搅拌培养的pH逐渐增加。该碱性水可用于吸收更多的CO2并再次提供给培养物。
实施例2.
1.菌株和培养基
单细胞蓝绿藻（Euhalothece）ZM001用1.0M碳酸氢钠浓度培养，并且其组成为：
组成 浓度 参照
NaHCO3 84g/L
KNO3 2.5g/L
KCl 2g/L
Na2SO4 1.4g/L
K2HPO4 0.38g/L
A5痕量元素 1mL/L (Mikhodyuk等，2008)
pH 9.5
2.光-生物反应器中的培养
在光生物反应器中搅动、但不充气地培养细胞。用于光生物反应器的光程为约0.5cm，并且光生物反应器被放置在强度为100μmol/m2/s的光下。培养温度为35℃。
初始pH用氢氧化钠调整到9.5。使用1.2g/L的接种浓度，该培养中的最终生物质浓度为4.8g/L，并且日生产率为0.72g/L/天（图4）。5天培养后，该培养中的pH增加到10.75，并且该培养基可用于吸收更多的CO2。
结论：
这些实施例证明，作为代替CO2气体的碳酸氢盐可将足够的碳源送入藻类培养系统中。使用碳酸氢盐作为无机碳源获得的藻类生物质的生产率与使用CO2气体作为无机碳源的培养处于同一水平。培养单细胞蓝绿藻使用的培养基包含1.0M碳酸氢钠。该浓度被证实在碳酸盐用作用于CO2捕获的吸收剂时是有效的（Plasynski等，2009）。生物质的生产率可达到0.72g/L/天，这表明捕获的碳可以被有效利用并转变为藻类生物质。
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虽然本发明通过其优选实施方式被说明，但本领域技术人员应承认该发明可通过在附后权利要求的精神和范围内的变形方式实施。因此，本发明不应受限于上述实施方式，而应进一步包括在此处提供的说明书的宗旨和范围内的所有变形及等同方式。

Claims (25)

1.一种培养藻类或蓝藻菌的集成方法，其包括如下步骤：
i）捕获来自CO2源的CO2；
ii）将捕获的CO2转变成碳酸氢盐；
iii）使用所述碳酸氢盐作为碳源来培养嗜碱藻类或嗜碱蓝藻菌，以生产藻类生物产物；
iv）使用来自所述培养步骤的废培养基作为所述捕获步骤中的CO2源；以及
v）重复步骤i)至iv）。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳酸氢盐呈选自于由固态碳酸氢盐和液态碳酸氢盐溶液构成的组的形式。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述嗜碱蓝藻菌选自于由集胞藻、蓝杆藻、微鞘藻、单细胞蓝绿藻和螺旋藻构成的组。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述嗜碱藻类是选自于由小球藻和杜氏藻构成的组中的真核微藻。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述培养步骤中使用的培养基的浓度在0.01mol/L碳酸氢盐至饱和浓度的范围内。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述培养步骤中使用的培养基的浓度在0.03mol/L碳酸氢盐至饱和浓度的范围内。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述培养步骤中使用的培养基在8.0-12的pH下进行。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述培养步骤中使用的培养基在9.0-11的pH下进行。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用选自于下组的方法进行所述捕获步骤：使用碳酸盐作为吸收剂、使用碳酸酐酶作为催化剂、以及使用氨和氯化钠作为原料来生产碳酸氢盐。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CO2源选自于下组：热电厂排放、发酵工艺、厌氧消化工艺、氨厂、以及空气。
11.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述液态碳酸氢盐溶液的浓度在0.01mol/L至饱和浓度的范围内。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述液态碳酸氢盐溶液的浓度在0.3mol/L至饱和浓度的范围内。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述嗜碱藻类或所述嗜碱蓝藻菌使用碳酸氢盐作为唯一的碳源。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述嗜碱藻类或所述嗜碱蓝藻菌使用碳酸氢盐作为一种以上碳源中的一种。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在选自于下组的藻类培养系统中进行所述培养步骤：开放池系统、以及闭合光-生物反应器系统。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以分批培养、半连续培养、或连续培养来进行所述培养步骤。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳酸氢盐为选自于由钠盐、钾盐和铵盐构成的组中的盐。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括由所述嗜碱藻类或所述嗜碱蓝藻菌中获得选自于下组的产物的步骤：生物燃料用藻类油、保健食品用藻类油、ω-3脂肪酸、颜料、类胡萝卜素、藻酸盐和肥料。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由CO2源中捕获CO2的步骤和将CO2转变为碳酸氢盐的步骤作为单个步骤进行。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤vi）回收所述生物产物。
21.一种用于培养藻类或蓝藻菌的集成系统，其包括：
用于捕获来自CO2源的CO2的装置；
用于将CO2转变为碳酸氢盐的装置：
培养系统，用于使用所述碳酸氢盐来培养嗜碱藻类或嗜碱蓝藻菌；以及
传送装置，其用于
i）将捕获的来自所述CO2源的CO2传送到用于将CO2转变为碳酸氢盐的所述装置中；以及
ii）将来自用于将CO2转变为碳酸氢盐的装置的碳酸氢盐传送到所述培养系统。
22.如权利要求21所述的集成系统，其特征在于，所述培养系统可选地包括pH控制系统和/或CO2鼓泡系统。
23.如权利要求21所述的集成系统，其特征在于，所述碳酸氢盐以液态溶液存在，所述传送装置选自于由闭合式管道、开放式管道以及槽罐所构成的组。
24.如权利要求21所述的集成系统，其特征在于，所述碳酸氢盐为固体，所述传送装置选自于由卡车和有轨车构成的组。
25.如权利要求21所述的集成系统，其特征在于，用于捕获来自CO2源的CO2的装置以及用于将CO2转变为碳酸氢盐的装置是单个装置。
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