明德至善好學(xué)力行第15章微藻固碳技術(shù)2目錄15.1

概述15.2

微藻固碳基礎(chǔ)理論15.3

光生物反應(yīng)器與主要影響因素微藻是什么？15.1概述微藻（microalgae）是含有葉綠素A并能進(jìn)行光合作用的自養(yǎng)和混合營(yíng)養(yǎng)微生物，具有單細(xì)胞（unicellular）、鏈狀（inchains）或群體（ingroups）的形式，大小范圍從幾微米到幾百微米不等。各種單細(xì)胞和群體的淡水微藻（圖片來(lái)自Wikipedia）微藻的生態(tài)作用15.1概述微藻是地球上最古老的生物之一，微藻通過(guò)光合作用產(chǎn)生地球上~50%O2，并利用CO2光自養(yǎng)生長(zhǎng)。每年提供全球約32%光合產(chǎn)物，是世界上最大的初級(jí)生產(chǎn)者。DOI:10.2174/2211550105666160127002552浮游動(dòng)物/10.1007/s11270-022-05917-x微藻的生長(zhǎng)環(huán)境15.1概述微藻可以在自然水體如河流、湖泊和海洋中良好生長(zhǎng)，也能在農(nóng)業(yè)、生活和工業(yè)廢水中進(jìn)行培養(yǎng)。/10.1016/j.jclepro.2022.134521本研究旨在評(píng)估新型GreenDune光生物反應(yīng)器在使用自然微藻群落進(jìn)行廢水深度處理、廢水回用和藻體生物質(zhì)應(yīng)用中的效率。海洋微藻可在不適合種植糧食作物的貧瘠土地上生長(zhǎng)，避免了土地競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。它們不需要淡水，而是能在豐富的海水中生長(zhǎng)。微藻的固碳能力15.1概述微藻的固碳效率是陸生植物的10至50倍。這種優(yōu)勢(shì)主要?dú)w因于微藻較高的光合效率和快速的生長(zhǎng)速率。微藻光合效率可達(dá)10%，而陸生植物在1%至2%之間。微藻細(xì)胞的碳含量通常占干重的50%以上，例如生產(chǎn)1噸微藻生物質(zhì)需要固定約1.83噸CO2。年固碳量超20噸微藻的固碳能力15.1概述FromMarkCrocker以燃煤煙氣為原料氣的微藻固碳工藝流程微藻可用于食品、能源、營(yíng)養(yǎng)品、肥料、藥品、化妝品、污染控制和水產(chǎn)養(yǎng)殖等多個(gè)領(lǐng)域。/10.1016/j.chemosphere.2021.129800微藻的其他應(yīng)用15.1概述9目錄15.1

概述15.2

微藻固碳基礎(chǔ)理論15.3

光生物反應(yīng)器與主要影響因素微藻分類15.2微藻固碳基礎(chǔ)理論地球上的藻類物種超過(guò)一百萬(wàn)種，已鑒定出50,000種。通常按大?。ㄎ⒃搴途拊澹┖皖伾t藻門(mén)-紅色、金藻綱-金色、褐藻綱-褐色和綠藻門(mén)-綠色等）分類。/10.1039/D3GC02286B微藻大致分為真核微藻（eukaryoticmicroalgae,如杜氏鹽藻，大小為2-100μm）和原核藍(lán)藻細(xì)菌(prokaryoticcyanobacteria)，也稱為藍(lán)綠微藻或產(chǎn)氧光細(xì)菌（如鈍頂螺旋藻，大小為0.5-60μm）。微藻固碳途徑15.2微藻固碳基礎(chǔ)理論光能自養(yǎng)模式異養(yǎng)模式混養(yǎng)模式微藻生長(zhǎng)模式photoautotrophicmodeheterotrophicmodemixotrophicmode存在光能、CO2和微量營(yíng)養(yǎng)元素使用葡萄糖、甘油等作為碳源以滿足在沒(méi)有光能的情況下的能量需求異養(yǎng)（第一階段）和自養(yǎng)（第二階段）模式的結(jié)合自養(yǎng)生長(zhǎng)的最大缺點(diǎn)，即需要光能，可以克服；異養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的CO2可以顯著減少；可以獲得更高的生物量生產(chǎn)率、脂類含量和色素積累光能自養(yǎng)模式15.2微藻固碳基礎(chǔ)理論微藻細(xì)胞示意圖(突出顯示在葉綠體中發(fā)生的光合作用反應(yīng))細(xì)胞質(zhì)膜葉綠體線粒體葉綠體類囊體膜/10.1016/B978-0-12-819657-1.00017-7CBB循環(huán)光能自養(yǎng)模式15.2微藻固碳基礎(chǔ)理論微藻固碳過(guò)程示意圖微藻通過(guò)光合作用將溶解態(tài)無(wú)機(jī)碳（DIC）固定為有機(jī)物。DIC通過(guò)細(xì)胞壁、膜等多個(gè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運(yùn)至

RuBisCo，進(jìn)行固碳反應(yīng)。固碳過(guò)程在CBB循環(huán)中進(jìn)行，通過(guò)一系列反應(yīng)（羧化?還原?再生?產(chǎn)物）轉(zhuǎn)化為碳水化合物。

微藻固碳總反應(yīng)RuBisCO：核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶異養(yǎng)模式15.2微藻固碳基礎(chǔ)理論微藻在暗條件下吸收外部有機(jī)碳合成細(xì)胞生物質(zhì)并繁殖。異養(yǎng)模式不依賴外部溶解態(tài)無(wú)機(jī)碳（DIC）和光能，因此光合作用減少，但細(xì)胞密度和生物量相對(duì)增加。然而，并非所有微藻都能進(jìn)行異養(yǎng)生長(zhǎng)。初步放大實(shí)驗(yàn)使用異養(yǎng)培養(yǎng)的小球藻（Chlorellavulgaris），放大至5升發(fā)酵罐（異養(yǎng)途徑）。該過(guò)程與標(biāo)準(zhǔn)放大過(guò)程進(jìn)行了比較，后者的接種物為在瓶中光自養(yǎng)培養(yǎng)的小球藻細(xì)胞，最大培養(yǎng)體積為5升（自養(yǎng)途徑）。兩種接種物均用于接種1立方米的平板光生物反應(yīng)器，并在戶外光自養(yǎng)條件下運(yùn)行。/10.1038/s41598-019-50206-z小球藻的自養(yǎng)與異養(yǎng)途徑的時(shí)間消耗對(duì)比混養(yǎng)模式15.2微藻固碳基礎(chǔ)理論微藻可以利用光能和外部無(wú)機(jī)碳提供光合作用所需的CO?，同時(shí)吸收外部有機(jī)碳為生長(zhǎng)提供能量。微藻可以獲得暗反應(yīng)所需的能量和TCA所需的氧氣，并利用無(wú)機(jī)碳儲(chǔ)存暗反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分解代謝。/10.3389/fbioe.2023.1196948光呼吸（Photorespiration）15.2微藻固碳基礎(chǔ)理論2-phosphoglycolate(2-磷酸甘油酸，2PG)指在光照條件下，核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）與O2結(jié)合，生成3-磷酸甘油酸（3PGA）和2-磷酸甘油酸（2PG），隨后通過(guò)碳氧化途徑釋放CO?。由于2PG對(duì)光合作用中許多酶有毒，在氧化有機(jī)碳時(shí)似乎不產(chǎn)生ATP，光呼吸被視為wastefulprocess。微藻光呼吸在高光照和低CO?條件下尤為顯著，可能導(dǎo)致固碳效率下降超過(guò)25%。碳濃縮機(jī)制（CCM）15.2微藻固碳基礎(chǔ)理論微藻通過(guò)將RuBisCO隔離在CO2濃縮的區(qū)域（如淀粉體或羧酶體）中，減少光呼吸并提高CO?的固定效率。碳酸酐酶（CA）在CCM中起著關(guān)鍵作用，通過(guò)將HCO??轉(zhuǎn)化為CO?，提高CO?濃度，減少氧化作用。HCO??轉(zhuǎn)化為CO2的非催化轉(zhuǎn)化速率比RuBisCO固定CO2的速率慢10000倍。SchematicrepresentationoftheCCMinmicroalgalandcyanobacterialcells.ThefontsizereflectstherelativeconcentrationsofCO2andHCO3?intheexternalenvironmentandinsidethecell.ThickarrowsshowthemaindirectionofCiflow.*EnergyrequirementsforthepromotedCO2uptakearecurrentlyapprovedonlyforcyanobacteria./10.3390/plants1207156918目錄15.1

概述15.2

微藻固碳基礎(chǔ)理論15.3

光生物反應(yīng)器與主要影響因素光生物反應(yīng)器（PBRs）15.3光生物反應(yīng)器與主要影響因素光生物反應(yīng)器（photobioreactors,PBRs）是指利用人工光源或太陽(yáng)光促進(jìn)光合作用，用于培養(yǎng)微藻等光能營(yíng)養(yǎng)型生物的系統(tǒng)。主要類型：開(kāi)放式PBRs與封閉式PBRs。/10.1016/j.gce.2023.10.004開(kāi)放式PBRs15.3光生物反應(yīng)器與主要影響因素15.3光生物反應(yīng)器與主要影響因素開(kāi)放式PBRs系統(tǒng)類型結(jié)構(gòu)與運(yùn)行參數(shù)主要優(yōu)勢(shì)主要局限典型應(yīng)用/產(chǎn)量靜止池（Unstirredpond）深度約50cm（<1m），池底鋪塑料膜；可加透明塑料罩降低污染；無(wú)機(jī)械攪拌易建、成本低，已在商業(yè)上應(yīng)用缺乏混合，不適合更大規(guī)模；污染風(fēng)險(xiǎn)高適用于Dunaliellasalina；東南亞天然湖泊年收干藻≈30t跑道池（Racewaypond）深度30–70cm，單／多通道；槳輪保持≥30cms?1流速；開(kāi)放式蒸發(fā)降溫全球約95%微藻產(chǎn)量來(lái)自此系統(tǒng)；生產(chǎn)率60–100mg(干重)L?1·d?1；規(guī)?；墒焓軞夂蛴绊懀珻O?利用效率低；占地大商業(yè)培養(yǎng)Chlorella、Spirulina、Haematococcus、Dunaliella圓形池（Circularpond）直徑≤45m混凝土池，深度30–70cm；旋轉(zhuǎn)臂攪拌歷史最久；可加溫室罩提升產(chǎn)量溫度控制差；資本和運(yùn)行成本高；污染風(fēng)險(xiǎn)大東南亞大規(guī)模Chlorella

培養(yǎng)15.3光生物反應(yīng)器與主要影響因素開(kāi)放式PBRs優(yōu)勢(shì)挑戰(zhàn)建造、維護(hù)與運(yùn)行成本低廉，屬于最便宜的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)光照、溫度與蒸發(fā)難以調(diào)控，強(qiáng)烈依賴外界環(huán)境操作與維護(hù)簡(jiǎn)單，能耗最低，便于日常管理CO?傳質(zhì)受限，僅0.03–0.06%的大氣CO?難以滿足需求，限制生長(zhǎng)；如供給高濃度CO2，損失大系統(tǒng)易于清洗，適合大規(guī)模擴(kuò)張并可獲得較高生物量產(chǎn)出占地面積大，只能利用荒地，且蒸發(fā)導(dǎo)致補(bǔ)水需求高已在商業(yè)上廣泛用于Spirulina、Chlorella等耐逆物種的批量生產(chǎn)易受污染：捕食者、真菌、酵母和細(xì)菌等生物入侵，僅少數(shù)物種能長(zhǎng)期穩(wěn)定培養(yǎng)可通過(guò)槳輪或攪拌裝置實(shí)現(xiàn)基本混合，放大經(jīng)驗(yàn)成熟生物量收獲成本高，生產(chǎn)率和控制精度仍低于封閉式光生物反應(yīng)器15.3光生物反應(yīng)器與主要影響因素封閉式PBRs15.3光生物反應(yīng)器與主要影響因素封閉式PBRs系統(tǒng)類型結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn)主要優(yōu)勢(shì)主要局限代表性生產(chǎn)率／案例水平管式（Horizontaltubular）透明管徑<10cm，戶外直射陽(yáng)光；培養(yǎng)基由機(jī)械／氣升泵循環(huán)，保持高湍流大表面積-體積比，充分曝光；可連續(xù)采收目前多為0–20L實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，缺乏大型化數(shù)據(jù)；氧積累風(fēng)險(xiǎn)Nannochloropsis109–264gm?3d?1；Chlorella32.5–95.3gm?3d?1氣泡柱（Bubble-column）高度≈直徑2倍，S/V高；可配內(nèi)部光源；典型裝置直徑5cm、高2.3m（4.5L）傳熱與傳質(zhì)良好，光照充足商業(yè)可行性尚待驗(yàn)證Monoraphidium23gm?3d?1氣升式（Airlift）設(shè)擋板／導(dǎo)流筒分隔流區(qū)，形成大循環(huán)；攪拌依靠鼓泡或機(jī)械穿孔管傳質(zhì)系數(shù)高、剪切低、能耗低，易于無(wú)菌操作流動(dòng)模式復(fù)雜，放大困難高S/V，比表面積大、細(xì)胞密度高（具體產(chǎn)率文中未給）平板式（Flatpanel/flatplate）垂直板式，氣泡混合；單元容積1000–2000L；500L裝置實(shí)測(cè)0.27gL?1d?1受光面大，O?積累少，易清洗，戶外應(yīng)用成熟溫度控制與水力剪切管理困難；光抑制風(fēng)險(xiǎn)0.27gL?1d?1（500L玻璃平板）塑料袋式（Plastic-bag）透明聚乙烯袋，底部鼓泡混合；可懸掛或放置框架；常配袖套防細(xì)胞沉降裝置簡(jiǎn)易，可利用自然光，操作靈活易發(fā)生光抑制與細(xì)胞沉降50L袋式湍流恒化運(yùn)行成功15.3光生物反應(yīng)器與主要影響因素FactorsOpenPhotobioreactorsClosedphotobioreactorsSpacerequirement10,000

m2100

m2EvaporationrateHighNoevaporationWaterlossVeryhighLowCO2-lossHigherLowerBiomassconcentration0.5–1

kg

m?35

kg

m?3Photoconversionefficiency±1.5%±5%Energy(powerandheat)requirement±57

MJ

m?2

y?1±207

MJ

m?2

y?1Volumetricalgalproductivity0.12–0.48

g

L?1

d?10.2–3.8

g

L?1d?1TemperatureVariableCoolingisrequiredWeatherdependencyHighLowProcess-controlDifficultEasyShearLowerHigherCleaningNoneedRequiredContaminationHigherNoneQualityofbiomassVariableReproducibleHarvestingefficiencyLowerHigherHarvestingcostHigherLowerLight-efficiencyPoorGoodMostexpensiveparameterMixingTemperaturecontrolCostofalgalbiomass2.66$Kg?12.66$Kg?1/10.1016/j.gce.2023.10.004封閉式PBRsVS.開(kāi)放式PBRs15.3光生物反應(yīng)器與主要影響因素封閉式PBRsVS.開(kāi)放式PBRs封閉式PBRs相比開(kāi)放式PBRs有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：可以最大限度地減少污染并允許單一藻類無(wú)菌培養(yǎng)；反應(yīng)器能實(shí)現(xiàn)pH值、溫度、光照、二氧化碳濃度等條件的更好控制；可以減少二氧化碳損失并防止水分蒸發(fā)；允許更高的微藻細(xì)胞濃度。15.3光生物反應(yīng)器與主要影響因素/10.1016/j.gce.2023.10.004影響微藻固碳性能的主要因素光強(qiáng)度比生長(zhǎng)速率無(wú)細(xì)胞生長(zhǎng)光限制光飽和光抑制高細(xì)胞濃度引起自遮光，抑制生長(zhǎng)。光周期調(diào)節(jié)生長(zhǎng)、繁殖與產(chǎn)物合成。15.3光生物反應(yīng)器與主要影響因素光照15.3光生物反應(yīng)器與主要影響因素溫度溫度通過(guò)酶活性影響生長(zhǎng)：低于最佳升溫促進(jìn)生長(zhǎng)，高于最佳酶失活抑制生長(zhǎng)。溫度改變CO?/O?溶解度：高溫降低CO?溶解度，但可提升生長(zhǎng)速率。高O?溶解度誘導(dǎo)活性氧產(chǎn)生，造成氧化應(yīng)激。部分微藻在高溫下脂質(zhì)含量增加。15.3光生物反應(yīng)器與主要影響因素pH值pH是調(diào)節(jié)微藻生理-生化過(guò)程的關(guān)鍵因子，直接影響細(xì)胞生長(zhǎng)、酶活性和營(yíng)養(yǎng)吸收效率