CN105483013B - 一种利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的方法和装置 - Google Patents

一种利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的方法，包括如下步骤：1、微藻藻种的选择；2、配制微藻培养基：3、光生物反应器的消毒；4、微藻的接种；5微藻的培养；6、微藻的收获。该装置包括光生物反应器、光照系统、温控系统、pH和烟道气控制系统、交流电源、电源总开关，各系统与光生物反应器相互配合，该装置是专门针对该方法设计的，该方法依托该装置。该方法直接利用烟道气培养产油微藻，在获得微藻油脂(微藻生物柴油的原料)的同时实现烟道气CO2的生物固定、硫氧化物(主要是二氧化硫SO2)和氮氧化物(主要是一氧化氮NO)脱除。该装置结构合理，自动控制烟道气的通入和关闭，对烟道气中CO2、SO2和NO的去除效率高。

Description

一种利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的方法和装置
技术领域
本发明涉及生物能源和环境保护技术领域，具体涉及一种利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的方法，还涉及一种利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的装置。该方法和装置利用含有二氧化碳(CO2)、氮氧化物(主要是一氧化氮NO)和硫氧化物(主要是二氧化硫SO2)的烟道气培养产油微藻，产油微藻利用烟道气中的二氧化碳为碳源、氮氧化物为氮源、硫氧化物为硫源生长繁殖，在细胞中积累总脂，实现同步产油、固碳、脱硫和除硝。
背景技术
当今社会经济发展所需的能源主要依靠传统化石能源，这些化石能源不但不可再生，其燃烧会释放大量温室气体和大气污染物。作为第三代生物质能源的典型代表，微藻生物柴油是最有潜力代替传统化石燃料解决交通运输燃油问题的可再生生物能源(Chisti,Y.2008.Trends in Biotechnology,26,126-131)。目前，产油微藻培养成本居高不下，是制约微藻生物柴油产业化的重要因素(Harun et al.,2011.Biomass&Bioenergy,35,741-747；Sheng et al.,2011.Bioresource Technology,102,11218-11225)。
微藻干重的50％左右是由碳元素组成的，微藻培养的碳源成本占原料成本的60％以上。利用烟道气中的CO2为碳源培养产油微藻，已经成为微藻生物柴油研发的重要指导思想之一(Kumar et al.,2010.Trends Biotechnol,28,371-380；Yen et al.,2015.Biotechnology Journal,10,829-839；梅洪等，2008.武汉植物学研究，26,650-660)。燃煤和燃油烟道气中除了含有约10～15％(v/v)的CO2外，还含有0.01～0.03％SOx(以SO2为主)和0.01～0.05％NOx(以NO为主)等大气污染物(Van Den Hende et al.,2012.Biotechnology Advances,30,1405-1424)。尽管微藻培养系统具有吸收和转化CO2、SO2和NO的途径(Liang et al.,2014.Chinese Journal of Oceanology and Limnology,32,1288-1296；Van Den Hende et al.,2012.Biotechnol Adv,30,1405-1424)，但众多研究表明，烟道气中的SO2和NO会抑制微藻的生长(Lara-Gil et al.,2014.Journal ofApplied Phycology,26,357-368；Lee et al.,2002.Bioresource Technology,82,1-4；Negoro et al.,1991.Applied Biochemistry and Biotechnology,28-29,877-886)，原因在于烟道气溶解于水溶液中易导致基质酸化和HSO3 -/SO3 2-积累(Jiang et al.,2013.Bioresource Technology,128,359-64；Van Den Hende et al.,2012.Biotechnology Advances,30,1405-1424)。一般认为，微藻只能利用无硫无氮或脱硫除硝的烟道气进行生长(Praveenkumar et al.,2014.Bioresource Technology,171,500-505；Zhu et al.,2014.Bioresource Technology,174,53-59)，或者在低浓度的SO2和NO(≤0.01％，v/v)条件下生长(Jiang et al.,2013.Bioresource Technology,128,359-64；Kao et al.,2014.Bioresource Technology,166,485-493；Praveenkumar et al.,2014.Bioprocess and Biosystems Engineering,37,2083-2094)。烟道气经过物理和化学脱硫除硝后再用于产油微藻培养，是工业废气脱硫除硝排放的老路，不能充分实现工业废气培养产油微藻的经济效益和环境效益。如果直接利用烟道气培养产油微藻，不仅能降低微藻生物柴油的原料成本，还能减少温室气体和污染气体的排放，克服工业废气脱硫、除硝(物理、化学方法)设备投资和运行成本高，且产生次生污染物的缺点，发挥微藻生物柴油的环境效益，对于推动微藻生物柴油产业化进程具有重要意义，但目前尚未见利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的报道。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的方法，该方法直接利用烟道气培养产油微藻，在获得微藻油脂(微藻生物柴油的原料)的同时实现烟道气CO2的生物固定、硫氧化物(主要是二氧化硫SO2)和氮氧化物(主要是一氧化氮NO)脱除。
本发明还提供了一种利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的装置，该装置结构合理，自动控制烟道气的通入和关闭，对烟道气中CO2、SO2和NO的去除效率高。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：
一种利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的方法，包括如下步骤：
1.1微藻藻种的选择：
选择的微藻是在营养胁迫条件下可以大量积累油脂的产油微藻，且总脂含量不低于微藻干重的30％；
1.2配制微藻培养基：
配制适合微藻生长所需的培养基，该培养基中各成分的浓度如下：
硝酸钠50-300mg L-1水，三水合磷酸氢二钾50-75mg L-1水，柠檬酸铁6mg L-1水，柠檬酸6mg L-1水，乙二胺四乙酸二钠1mg L-1水，七水合硫酸镁50mg L-1水，二水合氯化钙36mgL-1水，三氧化钼0.0129mg L-1水，六水合氯化钴0.0404mg L-1水，七水合氯化锌0.1043mg L-1水，四水合氯化锰1.8mg L-1水，硼酸2.86mg L-1水，五水合氯化铜0.0546mg L-1水；
1.3光生物反应器的消毒：
将光生物反应器装满质量百分比浓度为0.15％的双氧水溶液，消毒过夜，再用无菌水将光生物反应器内壁冲洗干净；
1.4微藻的接种：
将处于对数生长期的微藻藻种离心收集，接种至培养基中，使微藻的接种浓度为0.05-0.5g L-1；
1.5微藻的培养：
1.5.1、培养条件的控制：
连续光照，第一天光照强度为50-100μmol m–2s–1，之后的光照强度为200-2000μmol m–2s–1，培养基的温度为15-35℃，培养基的pH值为7.0-8.0，连续向光生物反应器底部的气体分散器通入过滤除菌的空气或模拟烟道气，空气和模拟烟道气通过气流切换器进行切换，空气或模拟烟道气经气体分散器形成细小的气泡，气泡在上升过程中对培养基进行搅拌；
1.5.2培养基pH和烟道气通入的控制：
设置pH在线控制器的pH值范围为7.0-8.0，利用pH传感器检测培养基的pH，pH传感器将检测的pH值反馈给pH在线控制器，当pH传感器检测的pH值达到8.0时，pH在线控制器控制气流切换器与烟道气通气管连通，同时与空气管道阻隔，模拟烟道气通过烟道气通气管通入光生物反应器底部的气体分散器中，模拟烟道气经气体分散器形成细小的气泡，在气泡上升的过程中，模拟烟道气中的二氧化碳、硫氧化物和氮氧化物被微藻吸收，微藻吸收二氧化碳、硫氧化物和氮氧化物后，培养基的pH逐步降低，当pH传感器检测到培养基的pH下降至7.0时，pH在线控制器控制气流切换器与烟道气通气管阻隔，同时与空气管道连通，停止向培养基中通入模拟烟道气，停止通入模拟烟道气后，培养基的pH又开始上升，当pH传感器检测到培养基的pH又上升到8.0时，pH在线控制器再次控制气流切换器与烟道气通气管连通，同时与空气管道阻隔，向光生物反应器底部的气体分散器中再次通入烟道气，如此循环反复，间断地向生物反应器底部的气体分散器中通入模拟烟道气；
1.6微藻的收获：
培养5-10天后，培养结束，将含微藻的培养基收集于离心瓶，离心收集藻细胞，冷冻干燥备用。
所述的微藻为蛋白核小球藻。
硝酸钠的初始浓度为0.1g L-1水。
微藻的接种浓度为0.1g L-1。
一种利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的装置，包括光生物反应器、光照系统、温控系统、pH和烟道气控制系统、交流电源、电源总开关，交流电源和电源总开关电气连接，光照系统包括冷白萤光灯和灯控开关，冷白萤光灯有偶数个，偶数个冷白萤光灯对称地设置于光生物反应器的两侧，各冷白萤光灯均通过灯控开关与交流电源电气连接，温控系统包括热交换管、恒温水浴箱，热交换管位于光生物反应器内，恒温水浴箱上设有进水管和出水管，热交换管的一端与进水管连通，另一端与出水管连通，pH和烟道气控制系统包括pH在线控制器、pH传感器、空气泵、模拟烟道气气源、烟道气通气管、气流切换器、烟道气流量计、空气流量计、空气管道和气体分散器，pH传感器安装于光生物反应器内，pH传感器与pH在线控制器电气连接，pH在线控制器与交流电源电气连接，气体分散器安装于光生物反应器的底部上，模拟烟道气气源通过烟道气通气管与气体分散器连通，空气泵通过空气管道与气体分散器连通，气流切换器安装于烟道气通气管和空气管道上，气流切换器与pH在线控制器电气连接，烟道气流量计安装在烟道气通气管上，空气流量计安装在空气管道上。
还包括取样系统，取样系统包括液体取样管、烟道气取样管和排气管，排气管和液体取样管均安装于光生物反应器上，液体取样管的一端位于光生物反应器内的培养基的液面以下，另一端位于光生物反应器外，排气管的一端位于光生物反应器内的培养基的液面以上，另一端位于光生物反应器外，排气管上安装有排气流量计，烟道气取样管通过阀门安装于烟道气通气管上。
烟道气通气管以及恒温水浴箱的进水管和出水管上均安装有止回阀。
本发明的原理如下：
一、概述：
本发明基于产油微藻在一定条件下(主要是氮胁迫)积累油脂(主要成分是三酰甘油，即生物柴油的原料)的特性，以及微藻光合自养液体培养系统具有吸收和利用CO2、SO2和NOX的代谢途径，将含有二氧化碳(CO2)、硫氧化物(主要是二氧化硫SO2)和氮氧化物(主要是一氧化氮NO)的烟道气不经过脱硫与除硝直接通入产油微藻培养液中，通过在线监测pH及pH在线控制器控制烟道气的通入和关闭，将培养基的pH控制在适宜藻种生长和油脂积累的范围，微藻吸收烟道气中二氧化碳，将其转化为溶解态的碳源(碳酸氢根HCO3 -和碳酸根CO3 2-)；吸收硫氧化物(主要是二氧化硫SO2)将其转化为亚硫酸氢根(HSO3 -)和亚硫酸根(SO3 2-)；吸收氮氧化物(主要是一氧化氮NO)，将其转化为亚硝酸根(NO2 -)和硝酸根(NO3 -)。微藻分别利用HCO3 -、HSO3 -/SO3 2-、NO2 -/NO3 -为碳源、硫源、氮源进行生长繁殖，并在细胞中积累油脂，实现同步产油、固碳、脱硫和除硝。
二、微藻利用烟道气的化学和生物化学过程
A、微藻利用烟道气中二氧化碳(CO2)的化学和生物化学过程
CO2被通入到培养基中后，与水反应，首先生成碳酸氢根(HCO3 -)和氢离子(H+)，碳酸氢根(HCO3 -)进一步解离，生成碳酸根(CO3 2-)和氢离子(H+)。培养基中CO2、HCO3 -和CO3 2-的相对数量关系由pH决定(李夜光等，1996.生物工程学报，12,242-248；Dreybrodt et al.,1996.Geochim Cosmochim Acta,60,3375–3381；Van Den Hende et al.,2012.Biotechnology Advances,30,1405-1424)。
这个过程的反应方程式如下：
CO2可以通过自由扩散穿过藻细胞膜进入叶绿体中。HCO3 -通过细胞膜上的离子通道进入藻细胞中。在叶绿体内，碳酸酐酶(CA)将HCO3 -转化为CO2，微藻细胞通过光合作用利用CO2合成大分子有机化合物，如碳水化合物C(H2O)和油脂(如TAG)，这是一个将光能转化为化学能的过程。
这个过程的反应方程式如下：
6CO2+6H2O+8e-→6C(H2O)+6O2
微藻通过Kennedy途径合成三酰甘油(TAG)。首先以乙酰辅酶A为底物进行羧化反应，生成丙二酰基辅酶A；丙二酰基以蛋白ACP作为载体，连续进行缩合、还原、脱水、再次还原反应，最终生成软脂酸(C16)。通过乙酰单元的加成和还原进一步生成硬脂酸(C18)。三分子脂肪酸在脂肪合酶的催化下依次连接到甘油骨架上，生成三酰甘油(TAG)(Hu et al.,2008.The Plant Journal,54,621-39；Van Den Hende et al.,2012.BiotechnologyAdvances,30,1405-1424；Ohlrogge and Browse,1995.Plant Cell,7,957–970；Zeng etal.,2011.Renewable and Sustainable Energy Reviews,15,3252-3260；B.B.布坎南等编，瞿礼嘉等译，2004，植物生物化学与分子生物学，376-377)。
B、微藻利用烟道气中二氧化硫(SO2)的化学和生物化学过程
微藻液体悬浮培养系统吸收、转化SO2(脱硫)的主要化学和生物化学过程如下(Van Den Hende et al.,2012.Biotechnology Advances,30,1405-1424；Liang et al,2014.Chinese Journal of Oceanology and Limnology,32,1288-1296)：
(1)SO2被藻液吸收:
(2)SO3 2-被藻细胞光合作用释放的高浓度溶解氧氧化：
2SO3 2-+O2＝2SO4 2-
SO4 2-被藻细胞吸收后，一部分被转运到叶绿体中参与硫代谢，过量的SO4 2-则储存于液泡中。叶绿体中的SO4 2-与ATP在ATP硫化酶(ATP-S)的作用下生成5-腺苷酰硫酸(APS)，APS再被APS还原酶催化还原为SO3 2-，亚硫酸还原酶将SO3 2-还原为S2-，最后S2-被整合进半胱氨酸(Cys)，加入到各种含硫化合物的代谢途径中(Giordano et al.,2005.NewPhytologist,166,371-382；Van Den Hende et al.,2012.Biotechnology Advances,30,1405-1424；B.B.布坎南等编，瞿礼嘉等译，2004，植物生物化学与分子生物学，669-670)。
C、微藻利用烟道气中氮氧化物(NOX)的化学和生物化学过程
烟道气中的氮氧化物主要以NO和NO2的形式存在，其中NO占95％以上(Pires etal,2012.Renewable and Sustainable Energy Reviews,16,3043-3053)。
NO在水中溶液度很低，微藻液体悬浮培养系统吸收、利用NO的化学和生物化学过程比较复杂：
(1)一部分NO被藻细胞表面吸附，并通过自由扩散进入细胞膜，在细胞内被转化为NO3 -和NO2 -；
(2)一部分NO在细胞外与藻细胞光合作用释放的高浓度溶解氧反应，经水合生成亚硝酸根(NO2 -)和硝酸根(NO3 -)，反应如下(Miller et al,2009.Journal of theAmerican Chemical Society,131,12180-12185；Nagase et al,2001.BiochemicalEngineering Journal,7,241-246；Nagase et al,1997.Journal of Fermentation andBioengineering,83,461-465)：
NO+H2O＝H++NO2 -
2NO+O2＝2NO2
4NO+2H2O+3O2＝4H++4NO3 -
(3)培养基中的NO3 -和NO2 -通过离子通道进入细胞质。
(4)细胞质中的NO3 -首先被硝酸还原酶(nitrate reductase)还原为NO2 -，NO2 -在叶绿体内被亚硝酸还原酶(nitrite reductase)催化还原为NH4 +，进一步形成氨基酸，参与到各种代谢途径中(Van Den Hende et al.,2012.Biotechnology Advances,30,1405-1424；B.B.布坎南等编，瞿礼嘉等译，2004，植物生物化学与分子生物学，665-668)：
NO3 -+NAD(P)H+H+→NO2 -+NAD(P)++H2O
NO2 -+6Fdxred+8H+→NH4 ++6Fdxox+2H2O
Fdxred：还原性铁氧还蛋白，Fdxox：氧化性铁氧还蛋白
NO2易溶于水，被微藻(pH>4)吸收后发生如下化学反应(Miller et al.,2009.Journal of the American Chemical Society,131,13112180-12185)：
2NO2+H2O＝2H++NO3 -+NO2 -
4NO2+2H2O+O2＝4H++4NO3 -
NO2在藻液中形成的NO3 -和NO2 -通过离子通道进入细胞后，代谢途径与NO相同。
三、发明原理
A、利用在线监测pH以及pH反馈控制烟道气的通入和关闭，既能为微藻的生长提供足够的碳源，又避免了培养基过度酸化对微藻产生“毒性”
培养过程中，培养基的pH升高，主要是因为微藻光合作用从培养基中吸收了CO2，培养基中三种无机碳(CO2、HCO3 -、CO3 2-)相互转变的化学平衡发生移动，结果是H+浓度降低。向培养基中通入CO2或含有CO2的气体后，微藻吸收CO2后pH就会下降，当吸收CO2的数量等于微藻光合作用从藻液中吸收的CO2数量，藻液pH降回初始值(李夜光等,1996.生物工程学报，12(增刊,242-248)。根据以上原理，利用pH反馈控制烟道气通入，使培养基的pH在设定的范围内波动，微藻从烟道气中吸收的CO2数量等于微藻细胞光合作用消耗的CO2，也就是说供给的CO2与需要的CO2相等，能够满足微藻生长对碳源的需求。当pH达到设定范围的下限时，系统自动停止充入烟道气，微藻不会因为过量吸收烟道气中CO2硫氧化物(主要是SO2)和氮氧化物(主要是NO)致使pH过度降低产生对微藻的“毒害”作用。
B、培养基中加入适量氮源和硫源，弥补烟道气中氮源和硫源的不足
典型的烟道气含有约15％(V/V)CO2，0.03％(V/V)SOx和0.03％(V/V)NOx(Van DenHende et al.,2012.Biotechnology Advances,30,1405-1424)，硫元素、氮元素与碳元素的质量比是0.0053:0.0023:1。而微藻生物质(干重)的硫、氮、碳元素质量比的平均值是0.021:0.18:1(Grobbelaar J U,2004.Algal nutrition-mineral nutrition.In:Richmond A.(Eds):Handbook of microalgal culture:biotechnology and appliedphycology,97-115)。根据烟道气和微藻生物质(干重)中硫元素、氮元素与碳元素的比值计算得知，当烟道气提供的碳源正好满足微藻对碳元素的需要时，提供的硫源只有微藻需要量的约25％，提供的氮源不足微藻需要量的2％。显然，即使烟道气中的SOx和NOx被培养基中的微藻全部吸收利用，也不能满足微藻对硫、氮元素的需求。一方面，这从理论上说明了微藻有能力消耗掉烟道气中的SOx和NOx，即培养微藻进行脱硫、除硝是可行的；另一方面，需要向培养基中补充适量硫源和氮源来满足微藻细胞的生长需求。
C、微藻产油与固碳、脱硫和除硝过程耦联的原理
产油微藻在营养(主要是氮源)供应充足的条件下，细胞快速分裂繁殖，积累大量的生物质，这个阶段称为“生长阶段”；当营养被消耗，处于营养胁迫(主要是氮源胁迫)条件下，微藻停止分裂，细胞数量不再增加，开始快速积累油脂(以TAG为主)，这个阶段称为“产油阶段”(Wen et al.,2014.Fresenius Environmental Bulletin.,23,2253-2258)，TAG合成的生物化学过程上面已经做了详细说明。
总之，在培养前期，培养基为微藻提供氮源和部分硫源，烟道气为微藻提供所需的CO2、部分硫源和少量氮源，微藻细胞快速分裂增殖，积累生物量。培养后期，培养基中的氮源消耗殆尽，微藻进入氮胁迫状态。pH和烟道气控制系统控制烟道气的通入和关闭，可以提供光合作用所需的碳源和生化过程所需的部分硫源，但是，提供的氮源不足需求量的2％,远远不足以解除氮胁迫状态，微藻持续处于氮胁迫状态下，微藻持续利用光合作用固定CO2来合成脂质，使得微藻细胞的总脂含量持续上升，进而使微藻产油与固碳、脱硫和除硝过程实现了耦联。
本发明与现有技术相比，其有益效果和优点在于：
1、利用烟道气培养产油微藻，建立了产油、固碳、脱硫和除硝一体化模式。
本发明通过控制培养基初始氮源的浓度和烟道气的通入量，成功地实现了微藻产油与固碳、脱硫和除硝过程的耦联，首次建立了产油、固碳、脱硫和除硝一体化模式。本发明解决了利用烟道气培养产油微藻所面临的关键科学问题和技术难题，最大限度地实现微藻生物柴油的经济效益和环境效益，对于推动微藻生物柴油的产业化进程具有重要意义，在生物能源和环境保护领域具有广阔的应用前景。
2、在线监测pH反馈控制烟道气通入和关闭，消除藻液过度酸化对微藻产生“毒性”。
通过pH和烟道气控制系统控制烟道气通入，培养过程中藻液pH一直维持在适合微藻生长的范围内(pH7.0-8.0)，解决了藻液因大量吸收二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)和一氧化氮(NO)而过度酸化的难题，使利用不经过预先脱硫、除硝的烟道气培养微藻成为可能。
3、CO2，SO2和NO的去除效率高。
本发明对烟道气中CO2，SO2和NO的去除率分别达到95.9％，100％和84.2％，高于国内外同类研究的报道，特别是NO的去除率显著高于已有的报道(Jin et al.,2008.Biotechnology and Bioprocess Engineering,13,48-52；Lizzul et al.,2014.Bioresource Technology,151,12-18；Nagase et al.,2001.BiochemicalEngineering Journal,7,241-246；Nagase et al.,1997.Journal of Fermentation andBioengineering,83,461-465；Pires et al.,2012.Renewable and Sustainable EnergyReviews,16,3043-3053；Praveenkumar et al.,2014.Bioprocess and BiosystemsEngineering,37,2083-2094)。烟道气去除效率高的原因有4方面：①培养基深度大，气体分散在液面下80cm处，增加了烟道气与培养基的接触时间；②气体分散器孔径小(孔径平均小于100μm)，产生的气泡小，增加了烟道气与藻液的接触面积；③气流切换器切换空气和烟道气的通入，通入烟道气时，没有空气通入，避免空气将烟道气“吹”出反应器；④最主要的是采用了pH反馈控制烟道气通入的方法，烟道气是间歇通入的，与连续通入烟道气的方法相比，微藻培养基吸收利用烟道气中CO2、SO2和NO的效率提高了。
附图说明
图1为本发明提供的利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的装置的结构示意图。
图2为实验二培养的蛋白核小球藻在培养过程中生物量、总脂含量、总脂产率随培养时间变化而变化的趋势图。
其中，1-模拟烟道气气源、2A-烟道气流量计、2B-空气流量计，2C-排气流量计，3-空气泵(渔亭ACO-005，中国)，4-气流切换器(力典LD6205B，中国)，5-pH在线控制器(JENCO6133，美国)，6-液体取样管，7-光生物反应器，8-pH传感器(JENCO IP-600-9TH，美国)，9-热交换管，10-气体分散器，11-排气管，12-电源总开关，13-灯控开关，14-冷白萤光灯，15-恒温水浴箱(海能FCL6-20，中国)，16-交流电源，17-烟道气取样管、18-烟道气通气管、19-空气管道。
具体实施方式
实施例1：
下面结合具体实施例对本发明提供的利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的方法进行详细说明。
一种利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的方法，其步骤是：
1、微藻藻种的选择：
选择的微藻是蛋白核小球藻Chlorella pyrenoidosa，是中国科学院武汉植物园筛选获得的一株产油微藻优良藻种(Liang et al.,2014.Chinese Journal ofOceanology and Limnology,32,1288-1296；Wen et al.,2014.Bioresource Technology,161,297-303；Wen et al.,2014.Fresenius Environmental Bulletin.,23,2253-2258)，能够在细胞中积累高达55.0％的总脂。此处的微藻也可以选用其他的产油微藻，可能效果不如蛋白核小球藻好。
2、配制微藻培养基
微藻培养的初始培养基成分及浓度如表1所示，为了方便，实际操作时，先配制如表2所示的母液，再配成培养基。
2.1、培养基配方
培养基中化学成分及各组分浓度如表1所示。
表1培养基成分及其浓度(每升水中的含量)
2.2、培养基母液的配制：
培养基母液类型、配方及其用量如表2所示：
表2、培养基母液类型、配方及用量
首先，将配制培养基所需的各种化学成分加入蒸馏水中，配制成培养基母液，配制好的母液经过121-124℃湿热灭菌20min，自然冷却至室温后备用。
配制微藻培养基时，向无菌水中按表2注明的“母液用量”加入母液，每加入一种母液后，均须将该母液混匀，待加完所有母液并且摇动均匀后，用pH计测定培养基的pH值。培养基pH值应该在7.0-8.0范围内，如果超出这一范围，用2mol L-1的NaOH或2mol L-1的HCl将培养基的pH调至7.0-8.0。
3、光生物反应器的消毒：
将质量百分比浓度为0.15％的双氧水溶液装满光生物反应器，消毒过夜，再用无菌水将光生物反应器内壁冲洗干净。
4、蛋白核小球藻的接种：
离心收集处于对数生长期的蛋白核小球藻，再接种至新鲜培养基中，使微藻的接种浓度为0.1g L-1。
5、模拟烟道气的配制：
为了获得成分稳定的烟道气用于实验，并且有良好的重复性，用模拟烟道气代替烟道气进行培养。用于配制模拟烟道气的原料气体二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、一氧化氮(NO)和氮气(N2)浓度分别是99.99％、0.3％、0.3％和99.99％，用流量计准确控制二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、一氧化氮(NO)和氮气(N2)的流量分别为150ml min-1，100ml min-1，100ml min-1和650ml min-1配成模拟烟道气，其二氧化碳(CO2)、一氧化氮(NO)、二氧化硫(SO2)和氮气(N2)浓度分别是15.00％、0.03％、0.03％和84.94％。
6、蛋白核小球藻的培养：
6.1、培养条件的控制：
连续光照，第一天光照强度为100μmol m–2s–1，之后的光照强度为200μmol m–2s–1，培养基的温度为30℃，培养基的pH值为7.0-8.0，连续向光生物反应器底部的气体分散器通入过滤除菌的空气或模拟烟道气，空气和模拟烟道气通过气流切换器进行切换，空气或模拟烟道气经气体分散器形成细小的气泡，气泡在上升过程中对培养基进行搅拌。
6.2培养基pH和烟道气通入的控制：
设置pH在线控制器的pH值范围为7.0-8.0，利用pH传感器检测培养基的pH，pH传感器将检测的pH值反馈给pH在线控制器，当pH传感器检测的pH值达到8.0时，pH在线控制器控制气流切换器与烟道气通气管连通，同时与空气管道阻隔，模拟烟道气通过烟道气通气管通入光生物反应器底部的气体分散器中，模拟烟道气经气体分散器形成细小的气泡，在气泡上升的过程中，模拟烟道气中的二氧化碳、硫氧化物(主要是SO2)和氮氧化物(主要是NO)被微藻吸收，微藻吸收二氧化碳、硫氧化物和氮氧化物后，培养基的pH逐步降低，当pH传感器检测到培养基的pH下降至7.0时，pH在线控制器控制气流切换器与烟道气通气管阻隔，同时与空气管道连通，停止向培养基中通入模拟烟道气，停止通入模拟烟道气后，培养基的pH又开始上升，当pH传感器检测到培养基的pH又上升到8.0时，pH在线控制器再次控制气流切换器与烟道气通气管连通，同时与空气管道阻隔，向光生物反应器底部的气体分散器中再次通入烟道气，如此循环反复，间断地向生物反应器底部的气体分散器中通入模拟烟道气；
6.3、培养过程中采集培养基(含微藻)样品：
培养过程中，每天从采样管采集培养基(含微藻)样品，其中一部分培养基样品经过0.45μm孔径滤膜过滤，用称重法测定生物质干重，其余培养基样品经过离心收集藻细胞，冷冻干燥后用于总脂含量等分析。
7、蛋白核小球藻的收获：
培养6天后，将含蛋白核小球藻的培养基收集于离心瓶，离心收集蛋白核小球藻细胞，冷冻干燥备用。
试验一、模拟烟道气中二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)和一氧化氮(NO)的去除率测定。
在试验过程中，将气体收集袋A连接到烟道气取样管上，收集模拟烟道气样品；再将气体收集袋B连接到排气管上，收集排出气体样品。用烟气分析仪(YQ3000-A，中国青岛)测定模拟烟道气样品和排出气体样品中二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)和一氧化氮(NO)的浓度。
根据进、出气浓度和流速分别计算二氧化碳、二氧化硫和一氧化氮去除率Rr，公式如下：
式中，Cin和Cout分别代表进气浓度、出气浓度，Vin和Vout分别代表进气流速和出气流速。
根据下式计算二氧化碳(CO2)的固定速率(F，g L-1d-1)：
式中，Mco2、MC、B0和B1分别表示CO2的分子量(44g mol-1)、碳元素的原子量(12gmol-1)、微藻的初始干重、培养时间t(天)时微藻的干重。计算得知，二氧化碳的平均固定速率为0.22g L-1d-1。
实验结果为三次培养的平均值，CO2、SO2和NO的进气浓度、出气浓度和去除率如表3所示。
表3模拟烟道气中CO2，SO2和NO的去除率
由表3可知，采用本实施例提供的利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的方法处理模拟烟道气，模拟烟道气中CO2的去除率为94.84-96.96，SO2的去除率为100％，NO的去除率为81.15-87.25。此外，经过6天培养，蛋白核小球藻生物量从0.05g L-1增加到0.83g L-1，以碳元素占小球藻干重的50％计算，CO2平均固定率达到0.22g L-1d-1。由此可见，采用本发明的利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的方法是可以将烟道气用于培养产油微藻的，从而利用产油微藻进行烟道气的固碳、脱硫和除硝处理的。
试验二、微藻总脂含量的测定试验
试验方法：
采用正己烷-乙酸乙酯提取法测定总脂含量(张桂艳等，2011.生态学报，31，2076-2085)。
①称取干藻粉约50mg(重量计为m)，加入适量石英砂，充分研磨破壁后(光学显微镜下看不到完整细胞即为完全破壁)转移至10ml带盖塑料离心管。
②加入5ml乙酸乙酯-正己烷(1/1，V/V)混合有机溶剂，50℃恒温水浴中提取45min，其间震荡离心管3-5次，3000×g离心15min，收集上清液至50ml离心管中，重复提取3次，合并提取液。
③向提取液中加入等体积的蒸馏水，震荡混匀后离心4min(1000×g)，收集上层有机相至已烘干并称量净重的玻璃试管中(试管重量计为W1)。
④将有机相用氮气吹干，再烘2h(80℃)至恒重，称量玻璃试管总重量(计为W2)。
⑤通过以下公式计算藻细胞的油脂含量C(％)：
C＝(W2-W1)/m×100
式中W1、W2分别为玻璃管前后质量，m代表藻粉干重。
按照实施例1的方法3次重复培养蛋白核小球藻Chlorella pyrenoidosa，将经冷冻干燥后所得藻粉用正己烷-乙酸乙酯提取法提取总脂，并测量总脂含量，用柱层析法(Wenet al.,2014.Bioresource Technology,161,297-303)对总脂进行脂质分级，并计算中性脂、糖脂和磷脂的含量，用气相色谱-质谱联用法(Wen et al.,2014.BioresourceTechnology,161,297-303)分析总脂中脂肪酸的组成和含量。各指标取3次重复培养的平均值，总脂含量和脂质分级结果见表4所示，脂肪酸组成及相对含量结果见表5所示。
表4三次培养的总脂含量和脂质分级
表5三次培养的脂肪酸组成及相对含量
由表4可知，三次培养，总脂含量平均值达到37.97％，且总脂成分以中性脂为主，中性脂占到总脂含量的81.2％，而合成生物柴油，主要利用总脂中的中性脂。由表5可知，C16和C18是主要的脂肪酸，占脂肪酸总量的99.46％，而柴油的主要成分就是16个碳和18个碳的烃。由此可见，采用本发明的利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的方法培养蛋白核小球藻，所得的蛋白核小球藻不仅总脂含量高，而且细胞中积累的脂质非常适合作为微藻生物柴油的原料。
另外，在培养过程中，蛋白核小球藻的生物质干重、总脂含量和总脂产率会随培养时间变化而变化，其变化趋势如图2所示。由图2可知，在6天培养过程中，蛋白核小球藻的生物量持续上升。培养的前2天，总脂含量较低，第3天开始，总脂含量快速升高；随之生物量和总脂含量升高，总脂产率逐步提高。经过6天培养，总脂平均含量从12.4％增加到38.0％，总脂平均产率为50.42g L-1d-1。
试验三、测量蛋白核小球藻在不同氮源初始浓度下培养后微藻细胞中的总脂含量
按照实施例1所述的步骤培养蛋白核小球藻Chlorella pyrenoidosa。不同的是，所用培养基中NaNO3的浓度分别调整为0.05g L-1和0.3g L-1，每个NaNO3浓度的培养重复三次。培养6天后，离心收集蛋白核小球藻，按照试验二描述的方法测定蛋白核小球藻的总脂含量。
结果如表6所示。为了方便与氮源浓度NaNO30.1g L-1的培养(实验二)进行比较，表6中包含了氮源浓度NaNO30.1g L-1的结果。
表6不同NaNO3浓度对生物量、总脂含量以及CO2、NO和SO2去除率的影响
由表6可知，NaNO3浓度降低为0.05g L-1和提高为0.3g L-1后，培养过程中培养基对模拟烟道气中CO2,NO和SO2的去除率没有明显变化。与NaNO30.1g L-1的培养相比，NaNO3浓度降低为0.05g L-1，生物量显著降低，总脂含量有所升高；NaNO3浓度提高为0.3g L-1，生物量随之提高，但是总脂含量显著降低。根据生物量和总脂含量计算总脂平均产率，NaNO3浓度0.05g L-1，0.1g L-1和0.3g L-1的总脂产率分别是42.38mg L-1d-1，50.42mg L-1d-1和45.82mgL-1d-1。虽然NaNO3浓度0.3g L-1的生物量比NaNO3浓度0.1g L-1提高了，由于其总脂含量大幅度下降，总脂产率仍低于NaNO3浓度0.1g L-1。由此可见，NaNO30.1g L-1是利用微藻同步产油、固碳、脱硫与除硝的氮源优选浓度。
结果表明，NaNO3浓度0.05-0.3g L-1范围内，蛋白核小球藻Chlorellapyrenoidosa液体悬浮培养系统均能实现同步产油、固碳、脱硫与除硝。
实施例2：
下面结合具体附图对本发明提供的利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的装置进行具体说明。
本发明提供的利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的装置如图1所示，该装置包括光生物反应器7、光照系统、温控系统、pH和烟道气控制系统、电源总开关12、交流电源16、取样系统。电源总开关12与交流电源16电气连接，并控制交流电源的开关。
光生物反应器7为柱式光生物反应器，反应器的侧壁由有机玻璃管制成，反应器的底板和顶盖由有机玻璃板材制成，反应器的底板与反应器侧壁粘接成为一体，反应器的顶盖与反应器壁用螺栓固定在一起，中间放置硅胶密封垫，起到密闭作用，顶盖可以随意取下和安装上去。光生物反应器柱体高100cm，内径11.0cm。光生物反应器是盛放培养基的容器，最大容积9L，工作容积8L。
光照系统包括冷白萤光灯14和灯控开关13，冷白萤光14灯有偶数个，偶数个冷白萤光灯14对称地设置于光生物反应器7的两侧，各冷白萤光灯14均通过灯控开关与交流电源16电气连接，灯控开关13用于控制冷白萤光灯的开关。本实施例中，冷白萤光灯的功率为30W，冷白萤光灯有8个，光生物反应器的每侧各4根。光生物反应器由冷白荧光灯14提供光源，每个冷白萤光灯的功率为30W。冷白萤光灯的数量及其与光生物反应器之间的距离是可以调节的，灯管数量越多，并且灯管距离反应器越近，光照就越强，光生物反应器表面的最大光照强度可调至200μmol m–2s–1。
温控系统包括热交换管9、恒温水浴箱15，热交换管9位于光生物反应器7内，恒温水浴箱15上设有进水管和出水管，热交换管9的一端与进水管连通，另一端与出水管连通，这样就可以形成封闭的水循环管道，恒温水从循环水浴箱中泵出，经过热交换管时与培养基交换热量，最终返回到循环水浴箱中，从而达到控制培养基恒温的目的，温控系统可将培养基的温度控制为5-45℃范围内的任意温度。
pH和烟道气控制系统包括pH在线控制器5、pH传感器8、空气泵3、模拟烟道气气源1、烟道气通气管18、气流切换器4、烟道气流量计2A、空气流量计2B、空气管道19和气体分散器10。pH传感器8安装于光生物反应器7内，pH传感器8与pH在线控制器5电气连接，pH在线控制器5与交流电源16电气连接。
气体分散器10安装于光生物反应器7内的底部上，气体分散器由外径14毫米，内径10毫米，壁厚2毫米的塑胶管制成，塑胶管的一端与通气管连接，另一端密封，塑胶管壁上布满了微孔，微孔的平均孔径≤100微米，气体经过管壁上的微孔，以微小气泡的形式分散于培养液中，气泡上升时对反应器内的液体产生搅动。
模拟烟道气气源1通过烟道气通气管18与气体分散器10连通，空气泵3通过空气管道19与气体分散器10连通。气流切换器4安装于烟道气通气管18和空气管道19上，气流切换器4与pH在线控制器5电气连接。气流切换器是一个二位三通电磁阀，pH传感器将检测到的光生物反应器内培养基的实时pH值实时反馈给pH在线控制器，当pH传感器检测到的pH值为7.0或低于7.0时，pH在线控制器发出关闭烟道气的指令，气流切换器被断电，当气流切换器断电的时候，空气管道与气体分散器的连接处于开通状态，烟道气通气管与气体分散器的连接处于关闭状态，连续通入空气，空气经过气体分散器侧壁上的微孔后以微小气泡的形式分散于培养基中，气泡在上升时对光生物反应器内的液体产生搅拌作用，此时光生物反应器内培养基的pH逐步上升；当pH传感器检测到的pH值为8.0或高于8.0时，pH在线控制器发出接通烟道气的指令，气流切换器通电，空气通气管与气体分散器的连接被切断，烟道气通气管与气体分散器的连接被接通，模拟烟道气通入光生物反应器内，空气经过气体分散器侧壁上的微孔后以微小气泡的形式分散于培养基中，气泡上升的过程中，模拟烟道气中二氧化碳CO2、二氧化硫SO2和一氧化氮NO通过气-液界面进入液相，被微藻吸收和利用，此时光生物反应器内培养基的pH逐步下降；当pH传感器检测到的pH值为7.0或低于7.0时，pH在线控制器再次发出关闭烟道气的指令，气流切换器在此被断电，当气流切换器再次断电的时候，空气管道与气体分散器的连接再次处于开通状态，烟道气通气管与气体分散器的连接处于再次关闭状态，如此循环反复。烟道气流量计安装在烟道气通气管上，空气流量计安装在空气管道上。
取样系统包括液体取样管6、烟道气取样管17和排气管11，排气管11和液体取样管6均安装于光生物反应器7上，液体取样管6的一端位于光生物反应器7内的培养基的液面以下，另一端位于光生物反应器7外，排气管11的一端位于光生物反应器7内的培养基的液面以上，另一端位于光生物反应器7外，排气管上安装有排气流量计2C。烟道气取样管17通过阀门安装于烟道气通气管18上。烟道气取样管用于模拟烟道气样品的采集，模拟烟道气样品的采集：将气体样品收集袋连接到烟道气取样管上，收集模拟烟道气样品。液体取样管用于光生物反应器内培养基的采集，藻液样品采集：将医用注射器连接到液体取样管，吸取所需体积的培养基。排气管的作用有2个：1、通入光生物反应器的空气或烟道气通过排气管排出光生物反应器；2、排出气体样品(用于排出气体成分分析)的采集。排出气体样品的采集：将气体样品收集袋连接到光生物反应器的排气管上，收集排出气体样品。将收集有模拟烟道气样品和排出气体样品的气体样品收集袋连接到烟气分析仪(YQ3000-A，中国青岛)上，测定光生物反应器进气和出气样品中二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)和一氧化氮(NO)的浓度。
空气流量计、排气流量计和烟道气流量计的流量可以调节，流量调节范围每分钟0-3.0升，本实施中，空气和模拟烟道气的流量为每分钟1.0升。
烟道气通气管以及恒温水浴箱的进水管和出水管上均安装有止回阀，避免回流的情况发生。

Claims (1)

1.一种利用微藻同步产油、固碳、脱硫、除硝的方法，其特征在于包括如下步骤：
1.1微藻藻种的选择：
选择的微藻是蛋白核小球藻；
1.2配制微藻培养基：
配制适合微藻生长所需的培养基，该培养基中各成分的浓度如下：
硝酸钠50-300mg L-1水，三水合磷酸氢二钾50-75mg L-1水，柠檬酸铁6mg L-1水，柠檬酸6mg L-1水，乙二胺四乙酸二钠1mg L-1水，七水合硫酸镁50mg L-1水，二水合氯化钙36mg L-1水，三氧化钼0.0129mg L-1水，六水合氯化钴0.0404mg L-1水，七水合氯化锌0.1043mg L-1水，四水合氯化锰1.8mg L-1水，硼酸2.86mg L-1水，五水合氯化铜0.0546mg L-1水；
1.3光生物反应器的消毒：
将光生物反应器装满质量百分比浓度为0.15％的双氧水溶液，消毒过夜，再用无菌水将光生物反应器内壁冲洗干净；
1.4微藻的接种：
将处于对数生长期的微藻藻种离心收集，接种至培养基中，使微藻的接种浓度为0.05-0.5g L-1；
1.5微藻的培养：
1.5.1、培养条件的控制：
连续光照，第一天光照强度为50-100μmol m–2s–1，之后的光照强度为200μmol m–2s–1，培养基的温度为15-35℃，培养基的pH值为7.0-8.0，连续向光生物反应器底部的气体分散器通入过滤除菌的空气或模拟烟道气，空气和模拟烟道气通过气流切换器进行切换，
空气或模拟烟道气经气体分散器形成细小的气泡，气泡在上升过程中对培养基进行搅拌；
1.5.2培养基pH和烟道气通入的控制：
设置pH在线控制器的pH值范围为7.0-8.0，利用pH传感器检测培养基的pH，pH传感器将检测的pH值反馈给pH在线控制器，当pH传感器检测的pH值达到8.0时，pH在线控制器控制气流切换器与烟道气通气管连通，同时与空气管道阻隔，模拟烟道气通过烟道气通气管通入光生物反应器底部的气体分散器中，模拟烟道气经气体分散器形成细小的气泡，在气泡上升的过程中，模拟烟道气中的二氧化碳、硫氧化物和氮氧化物被微藻吸收，微藻吸收二氧化碳、硫氧化物和氮氧化物后，培养基的pH逐步降低，当pH传感器检测到培养基的pH下降至7.0时，pH在线控制器控制气流切换器与烟道气通气管阻隔，同时与空气管道连通，停止向培养基中通入模拟烟道气，停止通入模拟烟道气后，培养基的pH又开始上升，当pH传感器检测到培养基的pH又上升到8.0时，pH在线控制器再次控制气流切换器与烟道气通气管连通，同时与空气管道阻隔，向光生物反应器底部的气体分散器中再次通入烟道气，如此循环反复，间断地向生物反应器底部的气体分散器中通入模拟烟道气。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022229508A1 (en) * 2021-04-27 2022-11-03 Solar Foods Oy Method and system of adding feed medium into bioprocess

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3199620B1 (en) * 2016-01-29 2019-08-21 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Use of nitric oxide or nitric oxide donor for inducing the production of triacylglycerols in microalgae
CN106047712A (zh) * 2016-08-12 2016-10-26 暨南大学 一种利用烟气絮凝微藻的方法及其应用
CN106268290A (zh) * 2016-09-28 2017-01-04 徐明好 一种气体处置装置的设计方法及其装置
CN106613574A (zh) * 2016-09-28 2017-05-10 徐明好 一种大气处置方法
CN106362578A (zh) * 2016-09-28 2017-02-01 徐明好 一种烟气处置方法
CN106994300B (zh) * 2017-05-08 2019-08-02 哈尔滨工业大学 利用生活污水作为水源和营养源的微藻烟道气固碳脱硝装置及其用于烟道气固碳脱硝的方法
CN107435028B (zh) * 2017-08-04 2020-04-17 武汉藻优生物科技有限公司 一种可同时积累油脂和分泌氨基酸的微藻及其应用
CN109876642B (zh) * 2017-12-06 2021-08-06 中国石油化工股份有限公司 一种处理含氮氧化物烟气的方法及装置
CN109880856B (zh) * 2017-12-06 2022-09-09 中国石油化工股份有限公司 一种开放式生产微藻油脂的方法
CN109650555B (zh) * 2019-01-17 2021-09-21 东北师范大学 一种利用微藻处理含磷废水的方法
CN109880741A (zh) * 2019-04-04 2019-06-14 重庆大学 一种混合微藻的稳定培养装置
CN110479080A (zh) * 2019-08-21 2019-11-22 阿尔格生命科学(江苏)有限公司 一种藻类活性高效降霾剂
CN110387315A (zh) * 2019-08-27 2019-10-29 济宁学院 微藻吸附二氧化碳制备生物柴油的装置及方法
CN111607443B (zh) * 2020-05-22 2021-02-26 广东石油化工学院 一种利用微藻固化吸附co2的沼气提纯方法
CN111996103A (zh) * 2020-09-01 2020-11-27 上海海洋大学 一种多模式微藻培养设备
CN112662520A (zh) * 2021-01-15 2021-04-16 金田科技国际有限公司 一种微藻反应器
CN114558564B (zh) * 2022-01-20 2022-12-30 北京科技大学 基于活性藻的生物炭@金属型脱硝催化剂及其制备方法
CN116555039B (zh) * 2023-05-13 2024-01-26 华南理工大学 一种蛋白核小球藻的快速养殖方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Enhanced lipid production in Chlorella pyrenoidosa by continuous culture;Xiaobin Wen等;《Bioresource Technology》;20140325(第161期);全文，特别是摘要，第298页左栏 *
利用烟道气培养微藻的机制与应用;杜奎等;《生物技术通报》;20150226;第31卷(第2期);全文，特别是摘要、第4-6页右栏 *
环境因子对小球藻(Chlorella sp. XQ-20044)光合作用的影响;朱晓艳等;《植物科学学报》;20141231;第32卷(第1期);全文 *
重要理化因子对小球藻生长和油脂产量的影响;张桂艳等;《生态学报》;20111231;第31卷(第8期);全文，特别是第2077页倒数第3行至2078页，表2-表7 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022229508A1 (en) * 2021-04-27 2022-11-03 Solar Foods Oy Method and system of adding feed medium into bioprocess

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