微藻固定转化高浓度CO2强化技术-2013.7.24
生化反应工程 酶法和微藻对CO2的固定和转化
生化反应工程论文酶法和微藻对CO2的固定和转化学院生命科学与技术学院姓名张小霞学号2014201091任课老师陈必强冯巍酶法和微藻对CO2的固定和转化生命科学与技术学院张小霞2014201091摘要：CO2是导致温室效应的主要气体，固定和转化CO2已成为近几年研究的重点。
目前，CO2的固定方法有物理法、化学法和生物法，生物法主要指酶法和微藻固定CO2，由于其反应条件温和且绿色无污染，并且微藻固定CO2同时还能产生其他高附加值产品如生物柴油，这也提高了微藻的综合利用，成为最环保、最有发展前景的方法。
本文论述了生物法固定CO2技术存在的困难及可能解决的方法，为其发展提供参考。
关键词：二氧化碳；酶法固定CO2；微藻；菌种选育；基因工程CO2是碳和含碳化合物的最终氧化产物，在地球上储量极为丰富，在大气中的含量约为0.03%～0.04%，总量约为2.75×1012 t。
随着工业化进程的加快，人类大量使用煤和石油等化石燃料，CO2的排放量急剧攀升[1]，严重影响生态平衡，并导致了温室效应以及一系列与人类生活环境紧密相关的生态问题，严重地威胁着人类的生存环境。
因此，CO2的固定和再利用一直是备受关注和亟待解决的问题。
CO2作为未来碳源，既可弥补因石油、天然气的大量消耗而引起的“碳源危机”，又可有效地缓解温室效应问题。
所以，世界各国对CO2开发、利用、转化、固定的高度重视，使得CO2的研究开发工作近年来取得了迅猛的发展。
依据现行技术的特性分类，大致可分为物理CO2固定法、化学CO2固定法和生物CO2固定法三大类。
本文主要论述使用生物法即酶法和微藻对CO2进行固定和转化。
1 生物CO2固定法简介生物CO2固定法是地球上最主要和最有效的固碳方式，在碳循环中起决定作用，利用此法来进行CO2固定和减排，符合自然界循环和节省能源的理想方式。
香山科学会议第279次学术讨论会与会专家认为，生物固碳是最安全有效、经济的固碳工程。
海洋微藻固碳及其培养技术的研究进展
海洋微藻固碳及其培养技术的研究进展
李林;王帅;郑立
【期刊名称】《海洋科学》
【年(卷),期】2015(000)003
【摘要】海洋微藻生物固定CO2是一种可持续性的处理温室气体的方法,海洋微藻不仅能吸收CO2,还能通过固碳产出高附加值产品,比如蛋白、多糖、生物质能[1]等。
与传统的物理和化学法固定 CO2技术相比,海洋微藻固碳具有光合速率高、生长速度快、环境适应性强,且不需要CO2的分离而直接利用等特点[2]。
海洋微藻可以直接利用光合作用经过 CCM 机制捕捉和固定CO2,形成自身生物质能[3]。
目前普遍认为海洋微藻生物制品的生产应该与微藻固碳结合进行综合发展,特别是利用电厂排放的 CO2作为微藻碳源,以降低培养成本,在获得高附加值产品的同时,获得环境效益。
【总页数】6页(P135-140)
【作者】李林;王帅;郑立
【作者单位】青岛科技大学，化学与分子工程学院，山东青岛 266042;国家海洋局第一海洋研究所，海洋生态研究中心，山东青岛 266061;国家海洋局第一海洋研究所，海洋生态研究中心，山东青岛 266061
【正文语种】中文
【中图分类】TK6
【相关文献】
1.海洋微藻的玻璃化冻存技术研究进展 [J], 林小园;刘红全;袁卫生
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4.海洋微藻不饱和脂肪酸人工诱导生成技术研究进展 [J], 朱明;刘兆普;戴传超;阎斌伦
5.“海洋微藻高效培养工程化技术集成示范”课题取得阶段成果 [J],
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微藻固定高浓度CO_2技术的研究进展
第30卷第5期Vol.30No.52009青岛理工大学学报Journal of Qingdao Technological University微藻固定高浓度CO 2技术的研究进展杨启鹏,岳丽宏3,康阿青(青岛理工大学环境与市政工程学院,青岛266033)摘 要:自工业革命以来,不断增长的燃料消耗导致大气中CO 2浓度日益升高,由此所产生的温室效应已经受到全世界的普遍关注.近年来,国际上已经开展了生物固碳技术的相关研究.详细介绍了目前国内外利用微藻固定高浓度CO 2技术的研究现状.关键词:生物固定;微藻;CO 2;温室效应中图分类号:X172 文献标志码:A 文章编号:1673—4602(2009)05—0069—06Course of Biological Fixation of High 2CO 2Using MicroalgaeYAN G Qi 2peng ,YU E Li 2hong 3,KAN G A 2qing(School of Environmental and Municipal Engineering ,Qingdao Technological University ,Qingdao 266033,China )Abstract :Ever since t he Indust rial Revolution ,t he CO 2concent ration in at mo sp here has beendeadly beause of t he increasing consumptio n of fossil f uel.The greenhouse effect ,which is caused by CO 2,has aroused worldwide attention.In recent years ,t he technology ofBiological Fixation of CO 2has been conducted in t he world.In t his paper ,we particularly in 2t roduce t his technology using microalgae.K ey w ords :biological fixation ;microalga ;CO 2;greenhouse effect收稿日期:2009—01—05基金项目:国家自然科学基金项目(50874067);山东省自然科学基金项目(Q2006B03)和青岛市自然科学基金项目(0622222222J CH )作者简介:杨启鹏(19812 ),男,山东青岛人.硕士,研究方向为环境生物技术.E 2mail :yqpbj @.3通讯作者(Corresponding author):岳丽宏,教授,博士.E 2mail :yuelihong @. 近年来,气候变暖问题已经受到全球的普遍关注,其主要原因是大气中CO 2等温室气体浓度的升高[122].工业革命以来,CO 2成为人类活动排放的主要温室气体,在大气中的浓度一直以非常惊人的速度增加,在2000-2006年间,大气中的碳浓度正以每年1193×1026的速度增长,而且在大气中的存留时间非常长.在英国埃克塞特举行的“避免气候恶化国际会议”上,专家提出:如果将全球的温室气体排放量在2050年前减少到1990年的50%甚至30%,人类也只有一半的机会将全球变暖压制到安全底线(气温上升2℃)以内.CO 2浓度的升高通过温室效应使大气温度上升,从而引发了一系列的环境问题,例如海平面上升、洪水泛滥、生态系统分配改变等[3].正因如此,有关CO 2等温室气体的减排控制技术已经成为近些年大气污染控制工程的研究热点.世界各国已积极的就CO 2处理工作展开研究,方法主要包括两类:①物化法.如溶液吸收法、膜分离法、分子筛吸附法、碳封存法及电化学处理法等;②生物法.主要利用林业和农业的碳汇功能吸收大气中的CO 2及利用微生物固定CO 2,其中微藻固碳技术已经得到越来越多的关注.利用微藻处理CO 2有着众多优势[4]:①微藻可以直接利用太阳能进行光合固碳,较物化法节省了大量的能源;②产生的微藻生物质可以青岛理工大学学报第30卷07应用到食品、生物医学等领域,避免了物化处理后带来的二次污染;③微藻的固碳效率是一般陆生植物的10～50倍[5],并且具有占地面积小,生长条件范围广,可在极端条件下生存等优点;④可以同时与废水处理工业相结合,培养微藻的同时有效去除水中氮磷等,保持生态平衡.为了深入研究和推广使用这种固碳技术,笔者对近年来国内外利用微藻固定CO2技术的机理及研究现状进行了评述.1 微藻固碳机理CO2固定是微藻利用光反应产生的A TP和NADP H合成有机物的过程,该过程是由Calvin和Ben2 son发现的,因此被称为Calvin-Benson循环,简称Calvin循环.Calvin循环由13个步骤组成,主要分为羧化、还原和再生3个阶段.羧化阶段仅有一个反应,即在核酮糖21,52二磷酸羧化酶(Rubisco)的作用下,催化核酮糖21,52二磷酸和CO2产生32磷酸甘油酸.还原阶段有两步,首先在32磷酸甘油酸激酶的作用下,32磷酸甘油酸被A TP磷酸化,形成1,32二磷酸甘油酸,然后再在磷酸甘油醛脱氢酶的作用下,被NADP H还原为甘油醛232磷酸.最后是核酮糖21,52二磷酸的再生阶段,甘油醛232磷酸分子在酶与A TP的作用下转变、酸化形成核酮糖21,52二磷酸,核酮糖21,52二磷酸再与CO2结合,完成以上循环,从而实现对CO2的固定[6].2 微藻固定CO2技术的研究现状2.1 固碳微藻的分离驯化技术从目前全世界每年人为的CO2排放比例来看,因化石燃料燃烧而排放到大气中的CO2总量占人类活动排放总量的80%,因此,要控制CO2排放,应该有效地处理因燃料燃烧而排放的CO2.固定高浓度CO2对所用微藻的要求十分严格,要求微藻必须能够耐受高浓度CO2、高温及SO x、NO x等的影响.通常化石燃料燃烧所排放气体中CO2的含量能达到15%(v/v)[7],甚至会高达20%～30%[8].一般微藻适宜生长的CO2浓度是低于5%,而大于5%的高浓度的CO2对微藻会产生毒害作用[9].过高浓度的CO2对微藻细胞质有“毒性”作用,因为酸化导致“麻醉”(Rabinowitch1951),从而降低光合作用的水平.微藻由低浓度的CO2转入高浓度的CO2时,其光系统会受到不同程度的影响,起初光系统Ⅱ(PSⅡ)会处于抑制阶段,活性降低,同时伴随着PSⅡ最大光化学效率和PSⅡ量子产率不同程度的降低.随着微藻生长速度的加快,PS Ⅱ水平逐渐恢复正常[10211].光系统Ⅰ(PSⅠ)则先显著升高,然后再回落至正常水平[12].同时高浓度CO2会明显抑制微藻细胞的碳酸酐酶(CA)活性和CCM的形成,阻碍CO2固定[13].因此,很多研究工作都围绕分离和驯化具有高浓度CO2耐受性的微藻展开,典型的研究成果有:1)Kurano等[14]从韩国釜山海边培养出一种海洋绿球藻Chlorococcum littorale,该藻在10%～20%浓度的CO2条件下能够快速地生长,生长速率达到01078h21.试验采用3种不同容积的培养容器(10mL、4L、20L),分别通入20%、20%、10%浓度的CO2,考察不同环境下微藻的固碳情况,光照强度控制在20000lux左右,结果发现该种绿藻的固定CO2速率分别达到4、0165、0185g/(L・d).另外对从温泉中培养42个样品进行耐热耐酸试验,对藻样通入20%的CO2,设定培养温度为40℃,p H2,结果只有3种红藻存活,分别为:Cy ani di um cal dari um,Gal dieri a p arti ra和Cy ani dilschy z on melorae.进一步提高温度到50℃,调整p H到1,通入10%的CO2及50×1026的NO,3种藻均可以继续生长,紧接着通入50×1026的SO2,经过5d培养,只有Gal dieri a p arti ra能继续生长,5d后藻液浓度增加40%.2)Y oshihara等[15]在日本Kinki地区海洋中通过对74种海藻进行筛选,得到一种海藻N annochloris sp.NOA2113,并研究了NO对该藻的影响.培养过程中,在4L藻液中以150mL/min的流速通入15%的CO2,同时用白炽灯提供9500lux的光照,培养5d后测得该种海藻有较高的固定CO2速率,平均为315 g/(L・d).在培养的第4天通入NO进行试验,浓度为100×1026和300×1026,培养2d,结果表明2种浓度的NO对N annochloris sp.NOA2113有微弱的抑制作用,但生长速率与无NO藻样相差不大.3)Mat sumoto[16]等研究了3种藻N annochloropsis sali na,Phaeodact y l um t ricorm ut um及Tet rasel2 mis sp.TM2S3对实际烟道气CO2固定的效果.烟气源自日本仙台Toho ku电厂,成分主要包括CO2: 1411%;O2:113%;SO x:185×1026;NO x:125×1026.试验证明3种藻在高浓度CO2环境下均可以快速生第5期 杨启鹏,等:微藻固定高浓度CO2技术的研究进展长,其中Tet rasel mis sp.TM2S3的固定CO2速率最高达40g/(m2・d)(长方体培养容器:长215m,宽018m,高0125m).4)Watanabe等[17]从稻田中驯化出一种小球藻HA21,该藻在5%～50%的CO2下,均可以保持生长,并且当浓度在10%,光照55000lux,CO2流速控制在250mL/min时,固定CO2速率达到最大6104 g/(m2・d)(圆柱形培养器:直径8cm,高40cm).5)Morais等[18]对Chlorell a kessleri,Chlorell a v ul garis,S cenedesm us oliquus及S pi ruli na sp.分别进行固定CO2的试验研究.在藻液中分别通入6%,12%,18%浓度的CO2,测试微藻在不同浓度CO2下固碳的效果.结果显示,这4种藻都可以用于固定高浓度CO2,其生长速率见表1.Chlorell a kessleri在2L 培养基中,以300mL/min速度通入18%的CO2,最大固定CO2速率约为0138g/(L・d).S cenedesm us oliquus在4L培养基中,通入6%的CO2,最大固定CO2速率约为0138g/(L・d).Chlorell a v ul garis在2 L培养基中,通入6%的CO2,最大固定CO2速率约为0129g/(L・d).试验结果表明Chlorell a kessleri更适宜在高浓度CO2下存活.表1 4种微藻在不同浓度CO2下的最大生长速率d21 CO2浓度/%S pi rulina sp.2L4LScenedesm us oliquus2L4LChlorella v ul garis2L4LChlorella kessleri2L4L60.380.420.330.220.260.310.250.38120.360.330.330.240.250.200.250.39180.260.180.280.330.210.120.390.386)Brown[19]与Sung[20]等分别培养出微藻M onora p hi di um mi nut um与Chlorell a KR21,虽然没有直接给出2种微藻具体的固碳数据,但试验证明2种微藻都能在高浓度CO2下快速生长.M onora p hi di um mi nut um以大约1×105个/mL的初始浓度接种于300mL培养基中,通入1316%的CO2,200×1026的SO2,150×1026的NO,控制光照10000lux,16∶8光照比,并加以磁力搅动,转速150r/min,培养4d后,藻细胞浓度达到大约1×107个/mL,显示出该种微藻能高效固碳,并且对NO,SO2具有较好的耐受性.7)岳丽宏等[21]从沈阳市南郊稻田取得泥水混合物,培养出Chlorell a sp.ZY21,在光照55000lux,通入的CO2浓度为10%时,小球藻ZY21对CO2的固定速率最大,约为21023g/(L・d).当CO2浓度在10%～20%的范围内,ZY21对CO2的固定速率相差不大,CO2浓度为15%和20%时,Chlorell a sp.ZY21的CO2固定速率分别为11922和11855g/(L・d).当CO2浓度大于30%时,ZY21对CO2的固定速率有下降的趋势.在CO2浓度为70%时,该藻对CO2的固定速率为01234g/(L・d),仍能起到固定作用.同时通过试验说明当气流中含有400×1026SO2时,培养液从初始的p H6.0降至p H3.0,小球藻ZY21生长完全受到抑制,几天后藻液由绿变白直至死亡.8)ED2Haun Chang等[22]通过对台湾湖泊、池塘、温泉、稻田及海洋的调查,在200多种微藻中筛选出1种单细胞绿藻Chlorell a sp.N TU2H15,试验温度采用30℃,并且提供30000lux的光照,发现微藻能在60%浓度CO2的环境中生长,根据藻细胞中碳含量大约占干重的50%计算,其固定CO2速率能达到0111～0113g/(L・d),但最大生长速率出现在CO2浓度为5%的情况下,固定CO2速率达到0151～0157 g/(L・d),当CO2浓度在20%时,固定CO2速率能达到0139～0150g/(L・d).9)郭祯等[23]对亚心形扁藻进行研究,分别将浓度为5%,10%,15%的CO2通入藻液,温度控制在25℃,光照强度为3000lux.经过10d的培养,该藻藻液浓度分别比初始浓度增长316倍,216倍,213倍,藻细胞增加数量约为316×106,216×106,213×106个.10)刘玉环等[24]对微藻S cenedesm us di mor p hus通入3313%的CO2进行研究,p H控制在715时,微藻最大固定CO2速率约为0199g/(L・d).17青岛理工大学学报第30卷272.2 成果对比分析在对固定高浓度CO2微藻的分离驯化研究方面,国内外已经取得了一定的研究成果,这为今后进一步的实际生产应用提供了有力的技术支持.从目前所研究的成果可以看出,环境因素对微藻的生长影响是显著的,不同微藻对各种环境因素的耐受性较为明显.2.2.1 微藻对不同CO2浓度的耐受性一般来说,适合固定高浓度CO2的微藻,其最适宜生长的CO2浓度约在10%～20%.由研究结果可以看出,Brown Chlorococcum littorale的固碳速率最高,在20%浓度CO2下的固定CO2速率可以达到4 g/(L・d).其次是N annochloris sp.NOA2113.随着CO2浓度的提高,其对藻类所产生的“麻醉”效果愈加明显(Rabinowitch1951),绝大多数微藻的固碳速率呈现出下降趋势.例如Chlorell a sp.N TU2H15,CO2浓度在40%时,其固定CO2速率约为0122～0133g/(L・d),当CO2浓度达到60%时,下降到0111～0113 g/(L・d).而Chlorell a sp.ZY21在环境CO2浓度由20%上升到70%时,固定CO2速率从11855g/(L・d)下降到01234g/(L・d),虽然固碳速率有所下降,但是Chlorell a sp.ZY21在CO2浓度为70%的环境中仍有一定的固定效果.2.2.2 微藻对硫化物、氮氧化物的耐受性通常由于化石燃料燃烧所产生的气体中会含有一定量的硫化物或氮氧化物(主要是NO和SO2),如果微藻对硫化物或氮氧化物有一定的耐受性,会大大降低气体预处理成本.试验发现,所研究的微藻对硫化物或氮氧化物都有一定的抗冲击能力,例如Cy ani di um cal d ari um,Gal dieri a p arti ra和Cy ani2 dilschy z on melorae可以在50×1026NO,50×1026SO2下正常生存;而100×1026NO,100×1026SO2会对N annochloris sp.NOA2113产生微弱的抑制作用;N annochloropsis sali na,Phaeodact y l um t ricorm ut um 及Tet raselmis sp.TM2S3能在实际烟气(125×1026NO,185×1026SO2)中正常生长,体现了对NO和SO2良好的耐受性.关于SO2对微藻的影响,有研究表明,其对微藻产生作用的原因主要是改变了藻液的p H,从而影响了微藻的生长.岳丽宏等对Chlorell a sp.ZY21进行研究,将400×1026SO2分别通入2份藻液,其中1份藻液的p H始终控制为6,另一份对p H不加控制.结果发现未控制p H的藻液p H很快下降到3,微藻死亡;控制p H的藻液微藻生长正常.2.2.3 微藻对温度和酸度的耐受性自然界中存在部分嗜热或嗜酸微藻,但能够在高浓度CO2下存活的微藻数量很少,因此对于此类微藻的研究得到普遍关注.大部分微藻适宜生长的温度在25℃左右,但Chlorell a sp.N TU2H15最佳适宜温度为30℃.相比而言,Chlorell a sp.ZY21的最佳生长温度虽然低于30℃,但研究结果发现Chlorell a sp. ZY21可以在40℃的环境中生存,固定CO2速率可以达到0.788g/(L・d),并且此藻可以在p H4的酸性环境中存活.在对温度、酸度耐受性方面表现最突出的是3种红藻Cy ani di um cal dari um,Gal dieri a p ar2 ti ra和Cy ani dilschy z on melorae,不仅可以在高达40℃的高温环境中生存,而且对酸具有更高的耐受性,可在p H2的环境中生存,其中Gal dieri a p arti ra的适应能力最强,可以在50℃,p H1的环境中生存.3 微藻固碳的应用实例随着微藻固碳技术的不断进步,国内外已经有了一些初步的应用,具有代表性的应用模式有:1)夏威夷的蓝藻生物技术公司,利用一些小型能源工厂排放的烟道气作为规模培养螺旋藻和血球藻的碳源.该公司采用小型供能发电站发电产生的CO2作为藻类培养所需碳源.2个功率为180kW的发电装置提供67个培养池搅拌所需的电能和其他消耗,发电过程产生的废气中含8%的CO2回收至CO2吸收塔作为碳源,其回收利用率为75%左右,相当于每个月通过生产36t螺旋藻藻粉,重复消耗67t的CO2,并节省了购置CO2气体所需费用[25].2)台电综合研究所将电厂排放的CO2作为养殖微藻所需碳源.与同样1hm2面积相比,植树一年可捕获25t的CO2,而微藻一年可捕捉58～90t的CO2,减碳成效不容小觑.该研究所利用台湾亚热带环境的优势,于台电大林火力发电厂进行微藻固定CO2先导型微藻养殖减碳试验,自电厂烟道抽取烟气以海水脱第5期 杨启鹏,等:微藻固定高浓度CO2技术的研究进展37硫后供应养殖系统,利用微藻生长特性,吸收太阳光、热及电厂CO2后,进行光合作用.1kg的CO2经过微藻光合作用转换后,可产生0157kg的蓝绿藻和0173kg的氧气,这些蓝绿藻可制成保健食品、动物营养强化剂及微藻美容制品等.台电综合研究所以本土性微藻为研究对象,经过长期观察试验,筛选出适合电厂烟气CO2固定的2种微藻———黄金藻及螺旋藻,并完成大型光合反应器与立体光合反应器的建设工作.3)1990—2000年,日本国际贸易和工业部曾资助了一项名为“地球研究更新技术计划”的项目.该项目利用微藻固定CO2,并着力开发密闭光合生物反应器技术,通过微藻吸收火力发电厂烟气中的CO2来生产生物质能源.该项计划共有大约20多个私人公司和政府的研究机构参与,10年间共投资约25亿美元,筛选出多株耐受高CO2浓度、生长速度快、能形成高细胞密度的藻种,建立起了光合生物反应器的技术平台以及微藻生物质能源开发的技术方案.将微藻固碳应用到工业生产,有着广阔的发展空间和巨大的经济效益.目前,利用微藻进行实际的生产还处于起步阶段,实际应用中还有许多问题需要解决.但随着人们对微藻性质研究的不断深入,通过技术手段不断增强微藻对环境的适应宽度,可以预见,今后微藻应用技术会有更广阔的发展空间.4 存在问题与展望目前,世界各地已经研究出多种适合固定高浓度CO2的微藻,其中大部分藻种属于海洋藻种,利用海洋微藻固定CO2对于运行设备的技术要求相对较高,其中主要是防止海水对设备的腐蚀.因此分离驯化淡水藻种是一条可行的技术路线,但目前这方面的研究还不多.用淡水藻固碳不仅对生产设备要求相对较低,而且最重要的是可以与污水处理工业相结合,不但节省淡水资源,而且可以有效去除污水中多种污染物质,有效地保护环境.基于目前利用微藻固定CO2技术的现状,迫切需要继续加强此项技术的研究,主要集中在以下2个方面:1)藻种的选择、培养、驯化.在微藻的选择上,应尽量选择能够高效固定CO2,有较高经济附加值的淡水藻种,并且通过基因工程技术,提高微藻固碳效率,增强微藻对各种环境因素的耐受性.有较高耐受性微藻的优势在于可以把烟气等包含高浓度CO2的气体经过简单处理后或直接通入藻液中,而且对周围环境条件的要求也相对较宽松,这样不仅在很大程度上节约了生产成本,而且避免了不必要的二次污染.2)开发和放大高效光生物反应器,进一步提高CO2处理量.随着今后工业生产规模的不断增大,排气量也随之增大,开发和放大高效光生物反应器可以有效地适应工业生产的要求,做到最大限度地处理排放气体.当前,世界的CO2排放量每年逐渐增加,尽快完善微藻固碳技术直接关系到世界经济的发展,这对于科研工作者是一项巨大的挑战.参考文献(R eferences):[1] K ondili E M,Kaldellis J K.Biofuel Implementation in East Europe:Current Status and Future Prospect s[J].Renew Sustain EnergyRev,2007,11:213722151.[2] Roman2Leshkov Y,Barrett C J,Liu Z Y,et al.Production of Dimet hylfuran for Liquid Fuels from Biomassderived Carbohydrates[J].Nature,2007,447:9822985.[3] 岳丽宏,陈宝智,王黎,等.利用微藻固定烟道气中CO2的实验研究[J].应用生态学报,2002,13(2):1562158.YU E Li2hong,CH EN Bao2zhi,WAN G Li,et al.An Experimental Study for Fixation of CO2in Stack Gases Wing Microalgae Cultiva2 tion[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2002,13(2):1562158.[4] Murakami M,Ikenouchi M.The Biological CO2Fixation and Utilization Project by RITE(2):Screening and Breeding of Microalgae wit hHigh Capability in Fixing CO2[J].Energy Conversion and Management,1997,38:4932497.[5] Li Y,Horsman M,Nan Wu,et al.Biofuels from Microalgae[J].Biotechnology Progress,2008,24(4):8152820.[6] 韩博平,韩志国.藻类光合作用机理与模型[M].北京:科学出版社,2003:48250.HAN Bo2ping,HAN Zhi2guo.Algal Photosynt hsis:Mechanisms and Models[M].Beijing:Science Press,2003:48250.[7] Maeda K,Owada M,K imura N,et al.CO2Fixation from t he Flue Gas on Coal2Fired Thermal Power Plant by Microalgae[J].EnergyConver Manag,1995,36:7172720.青岛理工大学学报第30卷47[8] 徐敏,刘国祥,胡征宇.耐受极高浓度CO2藻类的研究及其在固碳领域的应用[J].中国科学院研究生院学报,2005,22(5):5292535.XU Min,L IU Guo2xiang,HU Zheng2yu.Progress of t he Study on t he High2CO22Tolerant Algae and It s Application in Carbon Fixation Technology[J].Journal of t he Graduate School of t he Chinese Academy of Sciences,2005,22(5):5292535.[9] Hiroshi Tamiya.藻类的大量培养[C]//中国农业科学院.国外小球藻的实验和研究.上海:上海科学技术出版社,1961:21222.Hiroshi rge Scale Cultivation of Algae[C]//Reference Room of Chinese Academy of Agricult ural Sciences.Overseas Experi2 ment s and Studies in Genus Chlorella.Shanghai:Shanghai Scientific and Technical Publishers,1961:21222.[10] G ilmour D J,Hipkins M F.The Effect of Ionic Stress on Photosynt hesis in Dunaliella Tertiolecta[J].Planta,1985,163:2502256.[11] Iwasaki I,Kurano N.Effect of High2CO2on PhotosystemⅡin a Green Alga,Chlorococcum Littorale,Which Has a Tolerance toHigh CO2[J].Photobiol,1996,36:3272332.[12] Pesheva I,K odama M.Changes in Photosynt hetic Characteristics Induced by Transferring Air2Grow Cells of Chlorococcum Littoraleto CO2Condition[J].Plant Cell Physiol,1994,35:3792387.[13] 程丽华,张林,陈欢林,等.微藻固定CO2研究进展[J].生物工程学报,2005,21(2):1772181.CH EN G Li2hua,ZHAN G Lin,CH EN Huan2lin,et al.Advances on CO2Fixation by Microalgae[J].Chinese Journal of Biotechnolo2 gy,2005,21(2):1772181.[14] Kurano N,Ikemoto H.Fixation and Utilization of Carbon Dioxide by Microalgal Photosynt hesis[J].Energy Convers,1995,36(629):6892692.[15] Y oshihara Ken2ichi,Hiroyasunagase.Biological Elimination of Nit ric Oxide and Carbon Dioxide from Flue Gas by Marine MicroalgaNOA213Cultivated in a Long Tubular Photobioreactor[J].Journal of Fermentation and Bioengineering,1996,82(4):3512354. 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微藻固定转化烟气CO2强化技术
微藻固定转化烟气CO2强化技术姜加伟;程丽华;徐新华;张林;陈欢林【期刊名称】《化工进展》【年(卷),期】2014(33)7【摘要】全球气候变暖和能源危机是21世纪影响人类生存发展的重要问题。
微藻由于具有利用太阳能、固定CO2并转化为油脂等产物的能力以及环境适应性强、光合效率高、繁殖快等优势，微藻固碳技术有望成为缓解温室效应和能源危机的有效方法之一，但是该技术目前仍存在去除烟气 CO2转化油脂效率低的问题。
本文分析了微藻固碳过程中碳传递转化途径，介绍了强化微藻固定与转化烟气 CO2的技术研究，包括微藻固碳与转化油脂的生物强化、微藻固定 CO2的反应器强化、微藻固定与转化 CO2技术的耦合，重点讨论了强化微藻固碳与转化的生物技术和膜技术研究现状及存在问题。
最后指出微藻固碳的生物技术、膜技术及其他多技术的耦合有望进一步提升烟气CO2的高效固定与转化，是强化微藻固定转化烟气CO2的重要研究方向。
%Microalgae has the strong ability to convert CO2 into cellular lipid product , better environmental adaptability , higher photosynthetic efficiency and the higher reproduction rate.Therefore,carbon dioxide fixation by microalgae has become one of the effective solutions to greenhouse effect and energy crisis. The bottle neck of this technology lies in the low efficiency of CO2 fixation and conversion into cellular lipid product. This paper introduced the process of CO2 fixation and conversion into organic carbon components of microalgae cell. The progresses on intensified fixation and conversion of CO2 from fluegas,including the stimulated CO2 fixation and conversion into lipid,the intensified CO2 fixation by membrane technology in a photobioreactor and the coupling of various technologies. The application of biotechnology and the membrane technology in microalgae field were elaborated and discussed. This paper also discussed the integration of microalgae biotechnology,membrane technology and the coupling of other technologies,in order to investigate further improvement of the fixation and conversion of CO2 from flue gas by microalgae,showing its importance of research directions for the microalgal CO2 fixation and conversion from flue gas in the future.【总页数】11页(P1884-1894)【作者】姜加伟;程丽华;徐新华;张林;陈欢林【作者单位】浙江大学环境工程系，浙江杭州 310058;浙江大学环境工程系，浙江杭州 310058;浙江大学环境工程系，浙江杭州 310058;浙江大学化学工程与生物工程学系，浙江杭州 310027;浙江大学化学工程与生物工程学系，浙江杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TK6【相关文献】1.微藻固定CO2技术研究新进展 [J], 陈家城;赵云;沈英;翁斌2.核诱变驯化微藻固定燃煤烟气中的 CO2 [J], 程军;杨宗波;黄云;卢鸿翔;周俊虎;岑可法3.利用微藻固定CO2和生产生物燃料技术的研究进展 [J], 任德刚4.微藻固定高浓度CO2技术的研究进展 [J], 杨启鹏;岳丽宏;康阿青5.微藻固定烟气中CO2的发展及可行性探讨 [J], 王丽艳因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
微藻固碳原理
微藻固碳原理微藻固碳是指微小的海洋植物——微藻通过光合作用将二氧化碳转化为有机物质而固化碳的过程。
这种生物的生长速度快、容易种植，同时具有较高的固碳效率，使其成为了一种有前途的固碳技术。
微藻利用它细小的体积与高效的光能利用效率，在光合作用过程中大量吸收CO2，并释放出氧气。
由于微藻具有生长快速、生长时需求氮、磷、铁等营养元素且在富营养化水域生长能力较强等特点，因此可以实现快速有效的固碳。
1.生长阶段在光线充足的条件下，微藻具有很高的生长速度，同时光合作用使得它们吸收并利用CO2进行生长。
在生长阶段，微藻需要合适的温度、光照和营养物质，如氮、磷、铁、钾等。
合适的光照和水质环境可以使微藻的生长速度更快，同时提高固碳效率。
2.死亡阶段微藻的生命周期很短，且容易死亡。
在死亡阶段，微藻会将吸收的碳作为有机物质积累在细胞内。
当微藻死亡后，其尸体便会沉入水中，同时释放已被固定的碳元素。
3.沉积阶段微藻的尸体沉积在水底附近，然后逐渐降解分解，释放出固定的碳元素。
如果将这些沉积物进行收集和存储，在适当的条件下，碳可以固定在沉积物中长期保存，从而达到固碳的目的。
1.固碳效率高微藻的生长速度快，可在短时间内吸收大量的CO2进行固碳，并将碳固定在其细胞内，固碳效率高达60%左右。
2.适应性强微藻可以在不同环境下生长，如海水、淡水、咸水、污水等，且不会对环境造成污染，具有适应性强的优点。
3.可循环利用微藻在死亡后，其生物质可用于生产肥料、饲料、生物质燃料等，从而实现可循环利用资源，减少对环境的影响。
4.可持续发展微藻是一种可持续发展的生物质资源，不会对能源安全造成影响，且可以替代传统的化石能源，从而为人类提供可持续的能源。
微藻固碳技术是一种具有前景的固碳技术。
通过合理的种植与管理方法，可以提高固碳效率，同时实现可循环利用的目的，为实现可持续发展提供有力支撑。
1.成本高昂微藻的生产技术尚未成熟，目前培养微藻的成本仍然较高，同时微藻的收获、收集、处理和存储技术也需要进一步优化，以降低成本，提高经济效益。
高浓度二氧化碳微藻转化利用关键技术研发与示范
高浓度二氧化碳微藻转化利用关键技术研发与示范下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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微藻固碳_绿能科技
Greenergy微藻固碳研究项目简介绿能科技 筹备处Sep.20102010/12/2 綠能科技籌備處2010 All Rights Reserved二氧化碳固定处理技术目前对于工业所排放的二氧化碳的处理，主要有： １．物理法： 将二氧化碳液化后，加压至深海或地底储存。
２．化学法： 如碳酸化固定处理法、触媒-氢化处理法、有 机合成处理法、 电化学处理法等。
３．生物法： 利用自营生物的光合作用如微藻、森林等绿色 植物，实际消耗二氧化碳，最符合环保。
2010/12/2 綠能科技籌備處2010 All Rights Reserved蚌埠綠能科技籌備處2010 All Rights ReservedGreenergy生物法固定二氧化碳原理SolarCO2Plant Algae FuelsEnergy2010/12/2綠能科技籌備處2010 All Rights Reserved微藻简介微藻是最原始型态的植物，其光合作用的机构 类似于较高等的植物，由于它们简易的细胞结 构，使得它们能更有效率地转化太阳能，以油 脂或淀粉的方式贮存于藻体内。
目前国际上有 许多微藻的应用研究正在进行，其除了具有 CO2的减量效益外，贮存于微藻体内的天然油 脂亦可作为制造健康食品或是提供生质柴油的 来源，且藻体仍可进一步的加值应用，是一项 极具发展潜力的研究课题。
中国东南沿海地处亚热带的气候非常适合微藻 类的养殖。
另外， 海埔新生地、炼钢厂、火力 发电厂旁皆为合适的藻类养殖场址。
2010/12/2 綠能科技籌備處2010 All Rights Reserved*Biodiesel 2020: A Global Market Survey蚌埠綠能科技籌備處2010 All Rights ReservedGreenergy微藻之优点藻类在大量培养下具有下列优点 : 吸引大量二氧化碳，符合国际环保减 碳目标要求 生产成本最低，投资价值极大化； 不具根、茎、叶之分，所有生质体均 可利用； 不受土壤性质影响，不与农粮争地； 按生产排程，每天皆可回收藻体及培 养， 可标准化、自动化批量生产； 对环境污染性低，且不具病源性； 微藻应用广泛，可利用价值高。
微藻生物固碳技术进展和发展趋势_周文广
2014 年
第 44 卷
第 1 期: 63 ~ 78
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
微藻生物固碳技术进展和发展趋势
周文广*, 阮榕生*
美国明尼苏达大学生物加工和生物系统工程系, 生物质精炼中心, 圣保罗 55108, 美国 *通讯作者, E-mail: zhouw@; ruanx001@ 收稿日期: 2013-08-01; 接受日期: 2013-09-09; 网络版发表日期: 2013-12-02 doi: 10.1360/032013-256
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图1
微藻生物固碳及其综合利用系统框架图
Hale Waihona Puke CO2 的藻株 ; 此外 , 还需设计新的光生物反应器 , 以 达到最大的光利用率 , 同时找出在微藻大规模培养 过程中影响 CO2 生物固定的各种参数并优化 , 并开 发低成本的微藻下游处理技术 , 进一步降低微藻生 物固碳的成本 . 本文主要综述微藻的大规模培养现 状及在 CO2 减排方面的应用, 重点介绍高效固定 CO2 微藻的选育、微藻培养反应器、影响微藻大规模培养 及高效固碳的关键因素以及微藻收获技术和微藻生 物质应用的最新研究进展. 此外, 对微藻固碳技术的 经济可行性和未来发展的方向进行了分析和探讨.
微藻在不同 CO2 浓度下的固碳效果, 结果显示, 藻株 Chlorella kessleri 更适于高浓度的 CO2 固定 . 此外, 海洋绿藻在高效 CO2 固定的过程中也发挥了重要作 用 . Kurano 等 [30]从韩国釜山海边分离出一种海洋绿 球 藻 Chlorococcum littorale, 该 藻 在 CO2 浓 度 为 10%~20%条件下生长迅速, 比生长速率达 0.078 h1. 在 3 种不同容积的培养反应器(10 mL、4 L、20 L)中 分别通入 20%、 20%、 10%浓度的 CO2, 结果发现, 该 种绿藻固定 CO2 速率分别为 4、0.65 和 0.85 g/(L d). 对于应用微藻生物技术减排工业废气如烟道废 气、锅炉尾气等, 由于这些气体除含高浓度 CO2 外, 还含有一定量的硫化物和氮氧化物(如 NO 和 SOx)等 有毒气体, 且这些尾气刚出来时温度较高, 不适用直 接通气养藻. 因此, 应用于此类废气中 CO2 脱除的微 藻, 除需满足耐高 CO2 浓度外, 还需满足耐高温及耐 NO 和 SOx 等对微藻细胞生长有抑制作用的气体, 这 些均为筛选优良藻种时需重点考虑的因素. Sakai 等[31] 从日本的温泉中筛选到几株小球藻藻株 , 进一步实 验发现, 这些藻株能在温度高达 42 ℃, CO2 浓度大 于 40%的培养环境中生长, 其耐高温、 高 CO2 浓度的 特性使得这些微藻藻株成为去除工业烟道废气的最 佳载体. Yoshihara 等[32]在日本 Kinki 地区海洋中通过 筛 选 , 得 到 一 株 耐 NO 的 海 藻 Nannochloris sp. NOA-113, 并研究了不同浓度的 NO (100 和 300 ppm) 对该藻生长的影响, 结果显示, 在培养的第 4 天通入 NO, 两种浓度的 NO 对 Nannochloris sp. NOA-113 有 较弱的抑制作用, 但生长速率与无 NO 藻样相差不大. Matsumoto 等[33]研究了日本仙台 Tohoku 电厂废气(主 要成分为: CO2 14.1%; O2 1.3%; SOx 185 ppm; NOx 125 ppm) 对 3 种 微 藻 (Nannochloropsis salina 、 Phaeodactylum tricormutum 和 Tetraselmis sp. TM-S3) 生长及 CO2 固定效果的影响, 结果表明, 3 种微藻均 能在高浓度 CO2 环境下快速生长, 其中 Tetraselmis sp. TM-S3 的固定 CO2 速率最高, 为 40 g/(m2 d), 显示该 藻株在工业废气减排方面良好的应用前景 . Kurano 等 [30] 从高温温泉中筛选出多株微藻样品并进行了耐 高温和耐酸研究, 结果显示, 只有 3 种红藻, 即 Cyanidium caldarium、Galdieria partira 和 Cyanidilschyzon melorae 可在温度高达 40 ℃, pH 2, 且通入 CO2 浓度为 20%的培养条件下继续生长; 当培养温度 提高到 50 ℃, 且 pH 调整为 1, 通入 CO2 和 NO 的浓 度分别为 10%和 50 ppm 时, 以上 3 种红藻均可以继
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微藻固定转化高浓度CO2强化技术*姜加伟1程丽华1**徐新华1张林2陈欢林2(1. 浙江大学环境工程系，杭州310058；2. 浙江大学化学工程与生物工程学系，杭州310027)摘要：化石燃料过度使用造成的全球气候变暖和能源危机是21世纪影响人类生存和发展的重要环境问题。
微藻由于具有利用太阳能固定CO2转化油脂等产物的能力以及环境适应性强、光合速率高、繁殖快等优势，微藻固碳技术成为缓解温室效应和能源危机的有效方法之一。
本文通过微藻固碳过程中碳源传递转化途径的分析，重点讨论了促进高浓度CO2固定转化的技术研究，包括藻种筛选和基因工程改造、光生物反应器气液传质以及微藻固碳系统能量平衡研究，特别是膜组件和耦合系统在微藻固碳中的应用，展望了微藻固定转化高浓度CO2技术的研究方向，旨在通过碳传递途径的强化实现高浓度CO2的微藻高效固定与转化。
关键词：微藻CO2固定转化分子生物学技术膜技术耦合系统中图分类号：TK6 文献标识码：A 文章编号：Intensified High Concentration CO2 Fixation and Conversion by MicroalgaeJiang Jiawei1, Cheng Lihua1**, Xu Xinhua1, Zhang Lin2, Chen Huanlin2(1.Department of Environmental Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China；2.Department of Chemical and Biochemical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027,China)Abstract: The increase of carbon dioxide concentration in atmosphere mainly due to the over combustion of fossil fuels has led to global warming and energy crisis all over the world, which, as a significant environmental issue in twenty-first century, has already caused great impacts on human lives and development. Carbon dioxide fixation by microalgae, owing to the ability of microalgae to convert CO2 into cellular lipid product, better environmental adaptability*国家自然科学基金(No. 21076177, No. 21106130, No. 21276221)；国家863项目(2012AA050101)；高等学校博士学科点专项科研基金(201101011120074)；浙江大学海洋交叉引导基金（2012HY010A）资助.**Corresponding author e-mail: chenglihua@and larger biomass productivity, has become one of the effective solutions to greenhouse warming and energy crisis. In this work, the process of CO2 fixation and conversion into organic carbon components of microalgae cell is first introduced. The progress on high concentration CO2fixation and conversion is then discussed including the algal strain screening, the genetic engineering, the intensified gas-liquid mass transfer of photobioreactor and the energy balance analysis for the microalgal CO2 fixation. In particular, the membrane technology and their coupled systems are elaborated. The problems remained and the future research directions are finally summarized in order to further improve high concentration CO2 fixation and conversion by microalgae.Keywords: Microalgae; CO2 fixation and conversion; Molecular biology technology; Membrane technology; Coupled system;Contents1 Introduction2 Process of CO2 fixation by microalgae3 Microalgae cells3.1 Effect of CO2 on microalgae cells3.2 Screening of microalgae species3.3 Molecular biological technology for CO2 fixation by microalgae4 Mass transfer in photobioreactor4.1 Bubble aeration4.2 Air-lift aeration4.3 Membrane aeration4.3.1 Membrane contactor4.3.2 Membrane sparger4.4 Coupled systems for CO2 fixation5 Energy balance of CO2 fixation by microalgae6 Outlook1.前言自18世纪工业革命以来，人类对于煤、石油、天然气等化石燃料的使用逐渐增多。
化石燃料的大量使用导致大气中CO2浓度迅速增高，从而引发全球气候变化、温室效应及海洋酸化等一系列环境问题，对人类的生存和发展产生巨大影响[1]。
IPCC2012年可再生能源与全球气候变化报告指出，大气中的CO2浓度从工业革命开始持续上升，截止到2010年大气中CO2浓度已经达到0.039%（体积分数），相比于工业革命前上升了39%[2]。
大气中CO2的浓度升高主要来自于化石燃料的燃烧[1]，而化石燃料的过量使用也使得能源危机日益加重。
因此，减少化石燃料燃烧产生的CO2和新型可再生能源的研究对于缓解全球气候变暖以及能源危机等环境问题具有重要的意义。
针对CO2的固定与转化，现有的固碳技术可以分为三种策略：（1）物化去除方法。
例如：用Ca(OH)2等碱溶液进行清洗[3]；用活性炭包裹的胺溶剂吸收[4]；用多壁碳纳米管材料吸附[5]；用高分子配位聚合物进行吸附[6]等。
（2）通过CCS技术将浓缩后的CO2直接注入到地下或者海洋底部[7,8]。
（3）利用微藻等植物的光合作用固定CO2[9,10]。
与前两种方法相比，微藻通过光合作用，利用太阳能将CO2同化为自身物质，具有对环境友好，可生产高附加值生物产品及可再生能源等优点，因此逐步成为固碳领域的研究热点。
微藻生物技术相关研究始于二十世纪七十年代。
美国加州大学的Oswald教授最早将微藻生物技术引入环境治理研究[11], 随后，美国、日本的科学家开始了大量的微藻应用研究[12,13]。
我国微藻固碳领域相关研究已经展开[14-17]，但在高浓度CO2固定中普遍存在固碳效率低、产物转化率低等问题。
碳元素由气体到生物质的转化实现了CO2固定，强化碳传递转化途径不仅可以提高CO2吸收效率，同时可增加固碳产物的积累，实现微藻对高浓度CO2的高效固定与转化。
因此本文主要从微藻固定CO2过程的碳传递转化途径对提高高浓度CO2固定转化效率的促进技术展开讨论分析，阐述了在耐受高浓度CO2藻种筛选、基因工程应用、反应器气液传质、能量平衡等方面，特别是在膜技术及耦合系统应用方面的研究进展，旨在促进我国在高浓度CO2微藻生物固定和转化方面的研究。
2.微藻固碳途径图1 微藻生物固碳转化途径示意图Fig.1 Schematic of carbon fixation and conversion by microalgae微藻固碳过程一般是自养型微藻利用太阳能吸收CO2转化为自身物质。
如图1所示，该过程要经历碳元素形态间的相互转化和传递，最终被微藻细胞吸收利用。
CO2通常以气态形式存在于大气中，CO2由气相进入到培养液，再由培养液进入到微藻内部为生物固定需要经历气相、液相和固相三相间的传递与转化，因此CO2传递和固定效率会受到多方面因素的影响[18]。
气态CO2进入到液相中时会在气液接触界面处形成一层稀薄的气相边界层，经过气液接触面进入到液相边界层，然后扩散到液相中。
溶解在液相中的无机碳主要有CO2、HCO3-、CO32-三种形式，各种形态比例会因为pH的不同而有所差异，同时微藻细胞表面及外部分泌的碳酸酐酶Carbonic Anhydrase (CA)能促进CO2与HCO3-之间的相互转化。
一般情况下，微藻可以直接利用CO2与HCO3-, 而无法利用H2CO3和CO32-形态碳分子[19]。
液相与微藻细胞表面也会形成一层很薄的液层，是生物体与液相进行物质交换的主要环境。
碳分子在液相及细胞膜表面酶的作用下通过被动扩散和主动运输方式进入到细胞内部中，进而完成CO2的传递与固定。
在微藻细胞内部，碳元素的传递经历了形态的转化与运输，最终进入Calvin循环。
Calvin循环由13个步骤组成，主要分为羧化、还原和再生3个阶段：（1）羧化阶段。
在核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶（Rubisco）的作用下，催化核酮糖-1,5-二磷酸和CO2产生3-磷酸甘油酸。
（2）还原阶段3-磷酸甘油酸在3-磷酸甘油酸激酶的催化下被ATP磷酸化，形成1,3-二磷酸甘油酸，然后在磷酸甘油醛脱氢酶的作用下, 被NADPH 还原为甘油醛-3-磷酸，甘油醛-3-磷酸是脂肪酸等物质合成的前体，经过进一步的代谢转化合成生物油脂。