CN108048299A - 一种应用螺旋藻吸收固定二氧化碳的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用螺旋藻吸收固定二氧化碳的方法，属于生物技术领域。本发明以串联方式连接密封光生物反应器，所述的光生物反应器连接有pH计、蠕动泵，pH计的pH探头浸没在光生物反应器内的藻液中，用于连续探测藻液中的pH值，pH计的另一端通过信号线连接到蠕动泵的开关；蠕动泵的一端通过硅胶管连接到碱液储存器，另一端通过硅胶管进入光生物反应器内部的藻液中，蠕动泵可将碱液从储存器中转输到光生物反应器中，从而提高藻液的pH值，当藻液的pH值达到11.0或者更高时，pH计控制的蠕动泵开关将自动关闭，蠕动泵停止将碱液从储存瓶中转输到光生物反应器中。应用本发明的方法，空气中的大部分二氧化碳可以被吸收固定，且本发明描述的方法也可以适用于其它螺旋藻品种和其它嗜碱性微藻品种。

Description

一种应用螺旋藻吸收固定二氧化碳的方法
技术领域
本发明属于生物技术领域，具体涉及一种在串联式密封的光生物反应器中培养嗜碱性蓝藻螺旋藻以吸收固定二氧化碳的方法。
背景技术
世界经济的增长与能源的来源与消耗紧密相关，特别是离不开低成本的化石能源，例如煤、石油、天然气。然而，使用这些化石燃料必然导致二氧化碳的排放，并因此而造成全球性的气候变化。为了能够持续使用化石燃料作为有效的能源供应，必须开发出有效的、低成本的技术，将二氧化碳在排放到大气之前进行吸收固定。迄今为止，吸收固定二氧化碳的各类物理方法和化学方法均被测试，但是并没有一种方法可以广泛地推广使用，因为这些技术的使用成本太高，为了解决这个问题，低成本、对环境友好的二氧化碳吸收固定方法成为研发的热点。
吸收固定二氧化碳的各类物理方法和化学方法中，生物法曾经被广泛的建议和实施，比如在空旷的地区大量植树，但这种方法的缺点是不能用于点源二氧化碳的吸收固定，例如发电厂和其它工业源，而这些地点是二氧化碳的主要生产点；又比如微藻吸收固定二氧化碳，微藻具有很高的光合作用效率比（常规作物高20-30倍）、适应于各种自然条件，且有些微藻品种可以合成积累大量的蛋白质、油脂和色素，这些成分具有广泛的用途，这使微藻在吸收固定二氧化碳的同时还可以产生额外的经济效益，因此，微藻作为最有潜力的吸收固定二氧化碳的生物系统的概念已经被广泛地认可。然而，微藻在吸收固定二氧化碳方面的巨大潜力却没有真正地得以实施，主要因为缺失可以高效吸收固定二氧化碳的合适藻种，以及缺乏可以支持大规模、低成本养殖微藻的高效光生物反应器。
目前，钝顶螺旋藻的养殖遍及全球。由于含有丰富的蛋白质等营养成分，钝顶螺旋藻已被广泛用于食品补充剂以及水产和畜禽的饲料添加剂。使用螺旋藻吸收固定二氧化碳的可行性已经被许多科研人员反复研究，然而这些研究的重点在于培养基的成分、二氧化碳的浓度、光生物反应器以及螺旋藻中的副产品，至今已发表的各类研究结果展示了在各种培养条件下使用不同的光生物反应器养殖螺旋藻进行二氧化碳吸收固定的可行性。然而，最佳培养条件和最适吸收固定二氧化碳的方式还没有建立，对于二氧化碳吸收效率的定量分析仅限于使用间接的计算螺旋藻生物量中碳的含量来推算。有鉴于此，本发明聚焦于用于最大化吸收固定二氧化碳的最佳运行方式。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明展示一种在室外条件下，以串联方式连接密封光生物反应器，来培养钝顶螺旋藻Spirulina platensis吸收固定二氧化碳的新方法，应用本发明的方法，空气中的大部分二氧化碳可以被吸收固定，且本发明描述的方法也可以适用于其它螺旋藻品种和其它嗜碱性微藻品种，另外本发明的方法也适用于其它类型的光生物反应器培养系统，比如平板式、立柱式、管道式的光生物反应器、或者跑道池式培养系统。
发明人经过大量实验和不懈努力，终于获得了一种应用螺旋藻吸收固定二氧化碳的方法，该方法以串联方式连接多个密封光生物反应器，所述密封光生物反应器（5）连接有pH计（4）、蠕动泵（2）；
所述的pH计的pH探头（6）浸没在光生物反应器内的藻液中，用于连续探测藻液中的pH值，pH计的另一端通过信号线连接到蠕动泵的开关（3）；当藻液中的pH值小于或者等于10.3时，pH计控制的蠕动泵开关将打开，启动蠕动泵，当藻液的pH值达到11.0或者更高时， pH计控制的蠕动泵开关将自动关闭；
所述蠕动泵的一端通过硅胶管连接到碱液储存器（1），另一端通过硅胶管进入光生物反应器的藻液中；所述蠕动泵可将碱液从储存器中同时分别转输到两个以上的光生物反应器中（即每个反应器中都含有一个输送碱液的管道，使碱液从储存器中经蠕动泵同时分别转输到1到多个反应器中），从而提高藻液中的pH值，当藻液的pH值≥11.0时， pH计控制的蠕动泵开关将自动关闭，蠕动泵停止将碱液从储存瓶中转输到光生物反应器。
优选地，如上所述的一种应用螺旋藻吸收固定二氧化碳的方法，所述的多个密封光生物反应器的串联连接方式为：空气泵将空气或烟道气压缩后通过硬质进气管道（PVC或者金属管道）进入含有清水的0#光生物反应器中，从0#光生物反应器的出口排出的气体通过硬质进气管道（PVC或者金属管道）进入含有藻液的1#光生物反应器中.而从1#光生物反应器出口排出的气体又以同样的方式进入2#光生物反应器中，其余的光生物反应器也是以同样的方式相互连接，每个光生物反应器中的进气管末端必须在液面一下、直达底部；而其中的出气管的末端必须保持在液面的上方，以确保液体不会进入出气管。
优选地，如上所述的一种应用螺旋藻吸收固定二氧化碳的方法，所述的以串联方式连接多个密封光生物反应器，所述的0#光生物反应器中为清水，而其它的光生物反应器中为螺旋藻藻液。
优选地，如上所述的一种应用螺旋藻吸收固定二氧化碳的方法，所述的藻液为可以在碱性条件下生长的藻类、蓝细菌、细菌和其它光合生物中的任一种，优选钝顶螺旋藻藻液；所述藻液的起始细胞浓度控制在细胞干重0.1g/L以上。
优选地，如上所述的一种应用螺旋藻吸收固定二氧化碳的方法，所述螺旋藻
液中含有碳酸氢钠，其浓度为16.8g.L-1，在吸收固定二氧化碳时碳酸氢钠浓度可以降低到3.5 g.L-1。
优选地，如上所述的一种应用螺旋藻吸收固定二氧化碳的方法，所述的储存器中的碱液可以是任何种类的碱液，优选氢氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾，碱液的浓度不低于1毫摩尔。
优选地，如上所述的一种应用螺旋藻吸收固定二氧化碳的方法，所述的光生物反应器可以为平板式、管道式、立柱式、或者开放跑道池中的任一种。
优选地，如上所述的一种应用螺旋藻吸收固定二氧化碳的方法，其特征在于：所述多个密封光生物反应器至少为两个。
与现有技术相比，本发明的优点为：
1、本发明提供了一个创新性的工艺过程，将密封式的光生物反应器串联使用，可以显著提高对二氧化碳的吸收固定效率。该方法也适用于其它类型的光生物反应器。
2、本发明提供的工艺过程可以有效地将藻液的pH值维持在大于10.3的水平，有利于螺旋藻快速生长并高效吸收二氧化碳。
3、本发明提供的工艺过程可以将CO2的吸收固定效率达到0.27 g·L-1·d-1以上，对空气中二氧化碳的去除率可以达到90%以上；且通过增加密封式光生物反应器的数量，可以进一步将二氧化碳的去除率进一步提高到接近100%。
4、本发明提供的工艺过程，不仅可以用于吸收固定空气中的二氧化碳，也可以用于吸收固定点源二氧化碳，例如发电厂的烟道气中的二氧化碳。
5、本发明提供的工艺过程中的藻类不仅限于各种螺旋藻，还可使用其它能够在较高pH值（大于pH 9）的环境中生长的藻类、蓝细菌、光合细菌、和其它光合生物。
附图说明
图1为本发明的生物反应器示意图。
图2为一个含有五个连续连接的串联式光生物反应器系统，其中2A是含有五个连续连接的串联式光生物反应器系统的示意图，2B是实物图。
图3为使用本发明的串联式光生物反应器系统而获得的运行结果图。
具体实施例
为能清楚说明本发明方案的技术特点，下面结合具体实施例，对本发明进行阐述。但是本发明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。
实施例1
图2展示了一个含有五个连续连接的串联式光生物反应器系统，该系统由一个pH计、一个蠕动泵 、一个碱液储存器与5个反应器串联而成；所述的pH计的pH探头（6）浸没在光生物反应器的藻液内，用于连续探测藻液的pH值，pH计的另一端通过信号线连接到蠕动泵的开关（3），当藻液的pH值≤10.3时，pH计控制的蠕动泵开关将打开，启动蠕动泵，当藻液的pH值≥11.0时， pH计控制的蠕动泵开关将自动关闭。
所述的每个反应器中还含有一个输送碱液的管道，使碱液从储存器中经蠕动泵同时分别转输到1到多个反应器中。
所述蠕动泵的一端通过硅胶管连接到碱液储存器（1），另一端通过硅胶管进入光生物反应器的藻液中；所述蠕动泵可将碱液从储存器中同时分别转输到两个以上的光生物反应器中，从而提高藻液中的pH值，当藻液的pH值≥11.0时， pH计控制的蠕动泵开关将自动关闭，蠕动泵停止将碱液从储存器中转输到光生物反应器。
其中0#光生物反应器中注有清水，用于清除空气或者烟道气中的灰尘，而其它的光生物反应器中则注有螺旋藻藻液。每个光生物反应器中的通气和搅拌是通过气体压缩泵以每小时350升、每天24小时连续提供压缩空气而实现。从0#光生物反应器的出口排出的气体通过连接硅胶管进入1#光生物反应器，而从1#光生物反应器出口排出的气体又以同样的方式进入2#光生物反应器中，3#、4#、和5#光生物反应器也是以同样的方式相互连接。
当每个光生物反应器中螺旋藻液的pH值小于10.3时（图3A），CO2从每个光生物反应器中大量溢出而不是被吸收固定，因为从1# 到5#的光生物反应器的出口处的CO2浓度远高于从0#光生物反应器的出口处的浓度（由于0#光生物反应器中仅含有水，所以其出口处的CO2浓度等同于空气中CO2的浓度）。当每个光生物反应器中螺旋藻液的pH值大于10.3时（图3B），CO2在每个光生物反应器中被吸收固定，因为从1# 到5#的光生物反应器的出口处的CO2浓度都低于从0#光生物反应器的出口处的浓度。在5#光生物反应器的出口处，CO2的浓度低于空气中CO2浓度的10%，说明空气中的CO2已被有效地吸收了。

Claims (8)

1.一种应用螺旋藻吸收固定二氧化碳的方法，该方法以串联方式连接多个密封光生物反应器，其特征在于：所述密封光生物反应器（5）连接有pH计（4）、蠕动泵（2）；
所述的pH计的pH探头（6）浸没在光生物反应器的藻液内，用于连续探测藻液的pH值，pH计的另一端通过信号线连接到蠕动泵的开关（3），当藻液的pH值≤10.3时，pH计控制的蠕动泵开关将打开，启动蠕动泵，当藻液的pH值≥11.0时， pH计控制的蠕动泵开关将自动关闭；
所述蠕动泵的一端通过硅胶管连接到碱液储存器（1），另一端通过硅胶管进入光生物反应器的藻液中，所述蠕动泵可将碱液从储存器中同时分别转输到两个以上的光生物反应器中，从而提高藻液中的pH值，当藻液的pH值≥11.0时， pH计控制的蠕动泵开关将自动关闭，蠕动泵停止将碱液从储存器中转输到光生物反应器。
2.如权利要求1所述的一种应用螺旋藻吸收固定二氧化碳的方法，其特征在于:所述的多个光生物反应器的串联连接方式为：空气泵将空气或烟道气压缩后通过进气管道进入含有清水的0#光生物反应器中，从0#光生物反应器的出口排出的气体通过进气管道进入含有藻液的1#光生物反应器中,而从1#光生物反应器出口排出的气体又以同样的方式进入2#光生物反应器中,其余光生物反应器也以同样的方式相互连接；每个光生物反应器中的进气管末端必须在液面一下、直达底部,而其中的出气管的末端必须保持在液面的上方，以确保液体不会进入出气管。
3.如权利要求2所述的一种应用螺旋藻吸收固定二氧化碳的方法，其特征在于：所述的0#反应器中为清水，其它的光生物反应器中为藻液。
4.如权利要求3所述的一种应用螺旋藻吸收固定二氧化碳的方法，其特征在
于：所述藻液中含有碳酸氢钠，其浓度为16.g.L-1。
5.如权利要求1所述的一种应用螺旋藻吸收固定二氧化碳的方法，其特征在于：所述储存器中的碱液可以是任何种类的碱液，优选氢氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾，碱液的浓度不低于1毫摩尔。
6.如权利要求1所述的一种应用螺旋藻吸收固定二氧化碳的方法，其特征在于：所述的光生物反应器可以为平板式、管道式、立柱式、开放跑道池中的任一种。
7.如权利要求1-3任一项所述的一种应用螺旋藻吸收固定二氧化碳的方法，其特征在于：所述的藻液为可在碱性条件下生长的藻类、蓝细菌、细菌和其它光合生物中的任一种，优选钝顶螺旋藻藻液，且所述藻液的起始细胞浓度控制在细胞干重0.1g/L以上。
8.如权利要求1-6任一项所述的一种应用螺旋藻吸收固定二氧化碳的方法，其特征在于：所述多个密封光生物反应器至少为两个。
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