普通小球藻固定模擬煙氣中CO2的實(shí)驗(yàn)研究

羅夢(mèng)圓，楊俊紅，鞏啟濤，左鵬鵬，康利改

（中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072）

大氣中CO2濃度增加造成的全球變暖已成為一個(gè)重要的環(huán)境問題。因此，發(fā)展固碳技術(shù)來(lái)控制CO2排放，分離、回收與利用CO2尤為重要[1-2]。

近年來(lái)，人們開發(fā)了物理、化學(xué)和生物等多種固碳方法[2-3]。其中，物理和化學(xué)方法屬人工固碳，處理成本高且封存容量有限[4-5]。生物固碳屬于自然的碳封存過程，不需提純CO2，可節(jié)省分離、捕獲和壓縮CO2的成本[6]；且生物固碳是碳永久封存，不存在CO2逃逸風(fēng)險(xiǎn)。因此，生物固碳法是一種很有前景的固碳方法[7]。

利用微藻光合作用的生物固碳法被認(rèn)為是一種有效的生物固碳方法[8]。微藻具有油脂含量高、光合效率高及生長(zhǎng)周期短等優(yōu)勢(shì)，且微藻對(duì)環(huán)境條件要求不高，適應(yīng)能力強(qiáng)，許多微藻能夠耐受高濃度的CO2[9-10]。利用微藻生產(chǎn)生物燃料可與微藻減排CO2直接聯(lián)合起來(lái)[11]。

在微藻固碳領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量研究工作，尤其在CO2藻種的篩選和高效光生物反應(yīng)器的開發(fā)兩方面。不少研究結(jié)果表明，普通小球藻固碳效果較好，且有較高的CO2耐性[4，12]，因此普通小球藻是一種適用于研究CO2環(huán)境下微藻固碳效應(yīng)的藻種。光生物反應(yīng)器是高效、大量培養(yǎng)微藻的關(guān)鍵設(shè)備。在管式、平板式和柱狀氣升式等眾多光生物反應(yīng)器形式中，管式光生物反應(yīng)器由于其較高的微藻生長(zhǎng)速率及光照比表面積大等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最適于培養(yǎng)微藻的光生物反應(yīng)器形式[13-15]。

因此，本工作以普通小球藻為研究對(duì)象，利用自行設(shè)計(jì)的沿程曝氣型套管式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)小球藻，研究不同CO2體積分?jǐn)?shù)（5%、10%、15%、20%）的模擬煙氣對(duì)普通小球藻的生長(zhǎng)及固碳速率的影響，以期為普通小球藻固定工業(yè)煙氣中CO2技術(shù)開發(fā)提供研究基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 藻種和培養(yǎng)基

本研究采用普通小球藻（Chlorella vulgarisFACHB-1227）作為實(shí)驗(yàn)藻種，藻種采購(gòu)于中國(guó)科學(xué)院典型培養(yǎng)物保藏委員會(huì)淡水藻種庫(kù)（FACHB-Collection）。

實(shí)驗(yàn)選用SE無(wú)碳培養(yǎng)基[16]培養(yǎng)小球藻，其配方如下：NaNO30.25g/L，K2HPO4·3H2O 0.075g/L，MgSO4·7H2O 0.075g/L，CaCl2·2H2O 0.025g/L，KH2PO40.175g/L，NaCl 0.025g/L，Soil extract 40mL，F(xiàn)eCl3·6H2O 0.005g/L，F(xiàn)e-EDTA 1mL，A5 solution 1mL。

1.2 光生物反應(yīng)器、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 光生物反應(yīng)器

實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)過程在自制的沿程曝氣型套管式光生物反應(yīng)器中進(jìn)行。反應(yīng)器材質(zhì)為透明有機(jī)玻璃，外管內(nèi)徑為200mm，壁厚為8mm，外管上端有直徑為30mm的玻璃排氣孔；內(nèi)部套管外徑為100mm，壁厚為5mm，內(nèi)部套管軸向壁面上等距布置49個(gè)直徑1mm的曝氣孔，位于內(nèi)管背光斜下角45°位置。內(nèi)外管管長(zhǎng)均為1000mm。沿程曝氣型套管式光生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

采用作者課題組設(shè)計(jì)的的固碳產(chǎn)油微藻高效規(guī)?；囵B(yǎng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖2。

圖1 沿程曝氣型套管式光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 固碳產(chǎn)油微藻高效規(guī)模化培養(yǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分藻液的流動(dòng)循環(huán)和氣體循環(huán)。

藻液的流動(dòng)循環(huán)：蠕動(dòng)泵9作為藻液循環(huán)動(dòng)力，將藻液從封閉的儲(chǔ)液槽8中泵入光生物反應(yīng)器6內(nèi)，此時(shí)儲(chǔ)液槽內(nèi)由于藻液的減少導(dǎo)致槽內(nèi)氣壓降低，使得光生物反應(yīng)器6中的藻液流入儲(chǔ)液槽8中，完成一次藻液的流動(dòng)循環(huán)。

氣體循環(huán)：培養(yǎng)開始時(shí)關(guān)閉節(jié)流閥16，打開節(jié)流閥14、15及排氣閥17，由空氣泵2吸入空氣，經(jīng)節(jié)流閥15控制進(jìn)入混氣室3，同時(shí)CO2氣瓶1通過節(jié)流閥14控制將CO2氣體通入混氣室3，混氣室中的氣體通過氣體分析儀4測(cè)量CO2含量，調(diào)節(jié)節(jié)流閥14控制CO2的流量，配置CO2濃度至設(shè)定濃度后關(guān)閉節(jié)流閥14。打開節(jié)流閥16并關(guān)閉儲(chǔ)氣罐排氣閥17，開啟空氣泵2開始培養(yǎng)微藻，待CO2體積分?jǐn)?shù)下降0.5%時(shí)，打開節(jié)流閥14適當(dāng)補(bǔ)充CO2，待濃度達(dá)到設(shè)定濃度時(shí)，關(guān)閉節(jié)流閥14，反復(fù)進(jìn)行。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備

實(shí)驗(yàn)主要用到的設(shè)備有：SX-500型高壓滅菌器，Tomy Digital Biology Co. Ltd；XDS-200D型倒置生物顯微鏡，上海蔡康光學(xué)儀器有限公司；LG10-2.4A型高速離心機(jī)，北京京立離心機(jī)有限公司； 101-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3 培養(yǎng)條件

藻液初始接種密度為3×105cells/mL，反應(yīng)器裝液量為35L。恒溫水浴池提供25℃的恒溫水浴，采用日光燈提供光源，光照強(qiáng)度為3960lux，光暗周期為12h∶12h，藻液循環(huán)速率為1.5L/min。實(shí)驗(yàn)采用間歇性曝氣，空氣流量為10L/min，每天9：00開始曝氣并開啟光源，每隔1h曝氣一次，每次曝氣0.5h，晚上21：00關(guān)閉光源并停止曝氣。模擬煙氣采用含5%、10%、15%和20%CO2的空氣，同時(shí)與通入純空氣對(duì)比。

1.4 測(cè)量方法

1.4.1 藻細(xì)胞密度和干重的測(cè)定

藻細(xì)胞密度的測(cè)定采用血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)法[17]，每天早晚各記錄一次。

藻細(xì)胞干重的測(cè)定采用干重法。取待測(cè)藻液在高速離心機(jī)中4000r/min轉(zhuǎn)速下離心10min，去除上清液，將沉淀物置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中，在105℃下烘干2h至恒重[18-19]，冷卻至室溫其稱干重。

1.4.2 微藻固碳率的計(jì)算

小球藻的固碳率可利用藻細(xì)胞的干重及其含碳率來(lái)計(jì)算，見式（1）[20]。

式中，V為小球藻的固碳率，g/(L·d)；，MCO2為CO2分子量，g/mol；MC為碳的原子量，g/mol，X0和X1分別為初始接種和培養(yǎng)結(jié)束時(shí)微藻干重，g/L；T為培養(yǎng)時(shí)間，天。C為微藻的含碳率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），根據(jù)微藻的經(jīng)驗(yàn)分子式計(jì)算確定微藻的含碳率[7，21]。

1.4.3 藻液溶氧量、pH值的測(cè)定 由儲(chǔ)液槽內(nèi)安裝的pH計(jì)和溶氧儀分別測(cè)量。

2 結(jié)果和討論

微藻利用CO2進(jìn)行光合作用并產(chǎn)生O2，不同的CO2通入量對(duì)藻體的生長(zhǎng)有直接的影響，進(jìn)而影響微藻的固碳速率。同時(shí)，由于CO2的通入，藻液的pH值及藻液溶氧量也會(huì)受到影響。

2.1 不同CO2濃度對(duì)小球藻細(xì)胞密度及固碳速率的影響

不同濃度CO2對(duì)普通小球藻細(xì)胞密度及固碳速率的影響見圖3。

圖3 不同濃度CO2下普通小球藻細(xì)胞密度隨時(shí)間的變化

由圖3知，培養(yǎng)前4天，空氣組與模擬煙氣組小球藻處于生長(zhǎng)適應(yīng)期，生長(zhǎng)情況一致，如圖3中Ⅱ所示。第5天開始，空氣組小球藻細(xì)胞密度開始高于模擬煙氣組，且生長(zhǎng)趨勢(shì)較好，小球藻開始進(jìn)入生長(zhǎng)期；而模擬煙氣組在前5天小球藻的生長(zhǎng)情況一致，第6天開始10%CO2組藻細(xì)胞密度高于5%、15%和20%CO2組，5%組要優(yōu)于15%和20%CO2組。整個(gè)生長(zhǎng)期，空氣組藻細(xì)胞生長(zhǎng)情況都要優(yōu)于模擬煙氣組，模擬煙氣組中10%CO2組小球藻生長(zhǎng)情況要優(yōu)于5%、15%和20%CO2組，如圖3中Ⅱ所示。第14天時(shí)，空氣組、5%、15%和20%CO2模擬煙氣組都進(jìn)入穩(wěn)定期；但10%CO2模擬煙氣組仍處于生長(zhǎng)期，且增長(zhǎng)趨勢(shì)較好，第16天時(shí)，10%CO2組小球藻的細(xì)胞密度達(dá)到空氣組的細(xì)胞密度，第17天時(shí)高于空氣組，且仍處于增長(zhǎng)趨勢(shì)，如圖3中Ⅲ所示。

經(jīng)過17天的培養(yǎng)，小球藻在不同濃度CO2下細(xì)胞密度及固碳率比較見表1。由表1知，17天后，空氣組藻細(xì)胞密度達(dá)到7.67×106cells/mL。模擬煙氣組在10%CO2時(shí)藻細(xì)胞密度達(dá)最大值8.76×106cells/mL，相比于5%、15%組和20%組分別提高了54.23%、66.86%和76.97%；其固碳率達(dá)30.18mg/(L·d)，較5%、15%組和20%組分別提高了57.27%、70.89%和81.91%。

表1 培養(yǎng)17天后不同濃度CO2下普通小球藻細(xì)胞密度及固碳率

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，普通小球藻在10%CO2下細(xì)胞密度和固碳率達(dá)最大。許多學(xué)者也得出了類似結(jié)論。鞏三強(qiáng)等[22]采用BG-l1培養(yǎng)基在2.4L的氣升式光生物反應(yīng)器中通入5%和15% CO2的模擬煙氣培養(yǎng)小球藻（Chlorella sorokinianaCS-01），結(jié)果表明，10%CO2的模擬煙氣中小球藻生長(zhǎng)最好，固碳率最大[240mg/(L·d)]。徐強(qiáng)等[23]采用SE培養(yǎng)基在自制的微藻培養(yǎng)反應(yīng)裝置中通入含7.0873%，9.5313%，15.0248%CO2的空氣培養(yǎng)小球藻，結(jié)果表明，小球藻在通入9.5313%CO2時(shí)生長(zhǎng)較好，CO2吸收率最大（26.1108%）。

2.2 不同CO2下微藻藻液的pH值變化

培養(yǎng)期間空氣組和模擬煙氣組的普通小球藻藻液pH值變化如圖4。

由圖4知，空氣組的藻液pH值前9天一直緩慢上升，第9天之后開始穩(wěn)定在9.00附近。模擬煙氣組的藻液pH值都由初始值急劇下降，5%、10%、15%和20%CO2模擬煙氣組的pH值由最初的7.40第二天分別急劇下降到5.83、5.38、5.07和5.16，然后緩慢上升基本穩(wěn)定，最后分別達(dá)到5.96、5.78、5.54和5.57。模擬煙氣組藻液pH值基本穩(wěn)定在 5.00～6.25。

圖4 不同濃度CO2下普通小球藻藻液pH值隨時(shí)間的變化

藻液的pH值變化主要受到小球藻的生長(zhǎng)代謝和通入CO2的影響。空氣組藻液pH值上升主要是受微藻生長(zhǎng)代謝的影響，藻細(xì)胞通過自身生長(zhǎng)代謝活動(dòng)改變培養(yǎng)基的pH值[24]。模擬煙氣組的藻液pH值變低主要受到通入的CO2的影響，CO2被藻液吸收后會(huì)與H2O作用生成H2CO3。H2CO3在藻液中轉(zhuǎn)變?yōu)镠CO3-和CO32-形式的碳源，同時(shí)產(chǎn)生了H+，并且H+濃度隨著CO2溶解量的增大而升高，從而導(dǎo)致藻液pH值降低[4]。本實(shí)驗(yàn)條件下模擬煙氣組的藻液pH值一直處于較低范圍（5.0～6.25），偏離普通小球藻適宜生長(zhǎng)的最適pH值（10.0）[25]，這對(duì)小球藻的生長(zhǎng)不利，所以出現(xiàn)了生長(zhǎng)情況不如空氣組。

2.3 不同CO2下藻液的溶氧量的變化

藻液中的溶氧主要是小球藻通過光合作用產(chǎn)生，培養(yǎng)期間空氣組和模擬煙氣組的普通小球藻藻液溶氧值變化如圖5。

由圖5知，培養(yǎng)期間空氣組和模擬煙氣組藻液溶氧量在前11天波動(dòng)較大，第14天開始基本保持穩(wěn)定。空氣組的藻液溶氧值整體處于6.0～6.5mg/L范圍內(nèi)，第14天開始基本穩(wěn)定在6.5mg/L附近。5%模擬煙氣組藻液溶氧值整體處于7.2mg/L附近；10% 模擬煙氣組藻液溶氧值整體處于5.7～6.3mg/L范圍內(nèi)，第14天開始基本穩(wěn)定在5.8mg/L附近；15%和20%模擬煙氣組藻液溶氧值整體處于6.4～6.8mg/L范圍內(nèi)，第14天開始基本穩(wěn)定在6.5mg/L附近。

圖5 不同濃度CO2下普通小球藻藻液溶氧量隨時(shí)間的變化

實(shí)驗(yàn)中藻液溶氧量處于5.7～7.2mg/L范圍內(nèi)，均低于微藻生長(zhǎng)可承受溶氧值（7.5mg/L）[26]?？梢?，本實(shí)驗(yàn)采用的沿程曝氣型套管式光生物反應(yīng)器，能夠及時(shí)排除藻液中積累的溶解氧，可改善由于溶解氧積累抑制微藻生長(zhǎng)的不利情況。

3 結(jié) 論

通過在自行設(shè)計(jì)的沿程曝氣型套管式光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)普通小球藻，研究不同濃度CO2的模擬煙氣對(duì)小球藻細(xì)胞密度、平均固碳率、藻液pH值和溶氧量影響，可得出如下結(jié)論。

（1）普通小球藻在10% CO2的模擬煙氣下細(xì)胞密度和固碳速率最大?？刂茻煔庵械腃O2濃度在微藻適合生長(zhǎng)的范圍內(nèi)有利于提高小球藻的固碳速率，更有效去除煙氣中的CO2。

（2）由于通入CO2的影響，模擬煙氣組的藻液pH值一直處于較低范圍內(nèi)（5.0～6.25），遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離普通小球藻生長(zhǎng)的最適pH值，這對(duì)小球藻的生長(zhǎng)不利。

（3）培養(yǎng)過程中藻液溶氧值處于微藻生長(zhǎng)適宜范圍內(nèi)（≤7.5mg/L）?？梢?，沿程曝氣型套管式光生物反應(yīng)器中的內(nèi)管曝氣結(jié)構(gòu)，可緩解由于溶解氧積累抑制微藻生長(zhǎng)的不利情況。

不同濃度CO2的模擬煙氣對(duì)普通小球藻的細(xì)胞密度及固碳速率的影響，為小球藻固定CO2技術(shù)開發(fā)提供一定研究基礎(chǔ)。

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