迟占有教授团队突破微藻高效利用空气二氧化碳技术瓶颈

日前,大连理工大学生物工程学院迟占有教授(chizhy@dlut.edu.cn)团队应用“碳池”技术,突破了微藻高效利用空气中低浓度二氧化碳的技术瓶颈,为大幅度降低微藻生产成本、促进产业化应用提供了新思路。

该成果论文:Efficient CO₂ capture from the air for high microalgal biomass production by a bicarbonate pool.(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212982019309163)发表在低碳技术领域权威期刊《Journal of CO₂ Utilization》上, 第一作者为朱陈霸博士。

 

研究结果显示,在10.0-12.5超高pH下利用高浓度碳酸氢盐/碳酸盐形成“碳池”,晚上高效“充碳”,白天高效用碳,螺旋藻生物质产率可达1.0 克每升每天,且固定无机碳来源于空气的比例高达100%。

 

作为光合作用微生物,微藻比高等植物具有更高的生长速率、光合作用效率、CO₂固定效率、以及油脂产率,而且微藻培养不占用宝贵的耕地资源。因此,微藻在生物燃料和生物化学品生产、碳减排、水产养殖、废水处理、航天等各产业领域都有巨大应用潜力,但过高的生产成本限制了其产业应用。

 

与高等植物从空气中无成本获得二氧化碳不同,传统微藻培养过程一般需要人工通入高浓度二氧化碳,供碳成本高,利用率低,是造成微藻生产成本过高和光生物反应器放大困难的根本原因。因此,开发低成本、高效率的供碳技术对大幅度降低微藻生产成本、促进其产业化应用至关重要。

 

利用阳光生长时,微藻碳供应和碳利用存在不同步的矛盾:空气中二氧化碳从气相传递到培养液中速率有限,供碳形式是“细水长流”,但该过程一天24小时都在进行;而微藻对二氧化碳的高效利用仅发生在阳光充足且温度适宜的情况下,碳消耗非常快,细水长流的碳传质速率难以满足,供碳成为限制性因素,导致阳光能量的浪费。传统微藻培养过程持续通入高浓度CO₂气体,但利用效率不足5%,大部分逃逸到空气中。

 

针对上述问题,迟占有教授课题组利用高浓度碳酸氢盐/碳酸盐形成“碳池”,成功解决了碳传质和碳利用不同步的矛盾,高浓度碳酸氢盐在阳光充足时可以高效供碳,微藻光合作用消耗二氧化碳导致pH上升(>10),而超高的pH大大加快了二氧化碳从空气到液相的传质速率,从而形成了夜晚高效“充碳”,白天高效用碳的理想模式(如图1)。

 “碳池”工作原理

“碳池”工作原理

压缩空气为微藻供碳需要消耗很多能量,幸运的是,这可由自然能量驱动。

 

例如,利用漂浮装置,波浪能可以用于压缩空气(图2b),结合迟占有教授团队此前开发的波浪驱动漂浮式光生物反应器(图2a),有望构建完全由自然能量驱动的低成本海上微藻生产系统,为发展微藻海洋农业奠定基础。利用广阔海洋空间大量生产微藻生物质用作食品、饲料、生物燃料和化学品,从而解决全球人口膨胀和陆地资源枯竭的尖锐矛盾,为人类社会可持续发展提供保障。

波浪能驱动的高效海洋微藻农场

波浪能驱动的高效海洋微藻农场

a) 总体示意图    b) 波浪能驱动空气压缩装置

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