遲占有教授團隊突破微藻高效利用空氣二氧化碳技術瓶頸

日前,大連理工大學生物工程學院遲占有教授([email protected])團隊應用“碳池”技術,突破了微藻高效利用空氣中低濃度二氧化碳的技術瓶頸,為大幅度降低微藻生產成本、促進產業化應用提供了新思路。

該成果論文:Efficient CO? capture from the air for high microalgal biomass production by a bicarbonate pool.(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212982019309163)發表在低碳技術領域權威期刊《Journal of CO? Utilization》上, 第一作者為朱陳霸博士。

 

研究結果顯示,在10.0-12.5超高pH下利用高濃度碳酸氫鹽/碳酸鹽形成“碳池”,晚上高效“充碳”,白天高效用碳,螺旋藻生物質產率可達1.0 克每升每天,且固定無機碳來源于空氣的比例高達100%。

 

作為光合作用微生物,微藻比高等植物具有更高的生長速率、光合作用效率、CO?固定效率、以及油脂產率,而且微藻培養不占用寶貴的耕地資源。因此,微藻在生物燃料和生物化學品生產、碳減排、水產養殖、廢水處理、航天等各產業領域都有巨大應用潛力,但過高的生產成本限制了其產業應用。

 

與高等植物從空氣中無成本獲得二氧化碳不同,傳統微藻培養過程一般需要人工通入高濃度二氧化碳,供碳成本高,利用率低,是造成微藻生產成本過高和光生物反應器放大困難的根本原因。因此,開發低成本、高效率的供碳技術對大幅度降低微藻生產成本、促進其產業化應用至關重要。

 

利用陽光生長時,微藻碳供應和碳利用存在不同步的矛盾:空氣中二氧化碳從氣相傳遞到培養液中速率有限,供碳形式是“細水長流”,但該過程一天24小時都在進行;而微藻對二氧化碳的高效利用僅發生在陽光充足且溫度適宜的情況下,碳消耗非???,細水長流的碳傳質速率難以滿足,供碳成為限制性因素,導致陽光能量的浪費。傳統微藻培養過程持續通入高濃度CO?氣體,但利用效率不足5%,大部分逃逸到空氣中。

 

針對上述問題,遲占有教授課題組利用高濃度碳酸氫鹽/碳酸鹽形成“碳池”,成功解決了碳傳質和碳利用不同步的矛盾,高濃度碳酸氫鹽在陽光充足時可以高效供碳,微藻光合作用消耗二氧化碳導致pH上升(>10),而超高的pH大大加快了二氧化碳從空氣到液相的傳質速率,從而形成了夜晚高效“充碳”,白天高效用碳的理想模式(如圖1)。

 “碳池”工作原理

“碳池”工作原理

壓縮空氣為微藻供碳需要消耗很多能量,幸運的是,這可由自然能量驅動。

 

例如,利用漂浮裝置,波浪能可以用于壓縮空氣(圖2b),結合遲占有教授團隊此前開發的波浪驅動漂浮式光生物反應器(圖2a),有望構建完全由自然能量驅動的低成本海上微藻生產系統,為發展微藻海洋農業奠定基礎。利用廣闊海洋空間大量生產微藻生物質用作食品、飼料、生物燃料和化學品,從而解決全球人口膨脹和陸地資源枯竭的尖銳矛盾,為人類社會可持續發展提供保障。

波浪能驅動的高效海洋微藻農場

波浪能驅動的高效海洋微藻農場

a) 總體示意圖? ??b) 波浪能驅動空氣壓縮裝置

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