一种基于微藻生物技术从空气中高效捕捉和利用CO制造技术

本发明专利技术涉及基于生物技术的碳减排技术领域，提供了一种在极端碱性条件下基于微藻生物技术的从空气中高效捕捉和固定CO

【技术实现步骤摘要】
一种基于微藻生物技术从空气中高效捕捉和利用CO2的方法
本专利技术涉及基于微藻生物质生产的CO2减排
，具体涉及微藻培养及CO2减排方法，特别是涉及一种利用极端嗜盐碱藻高效固定空气中二氧化碳的技术。
技术介绍
全球气候变暖及其带来的巨大环境问题是人类可持续发展面临和必须解决的一个重大问题，而这主要是由人为大量排放CO2造成的温室效应所导致的。因此，CO2的减排已经成为社会发展的一个重要方向。针对这个问题，目前已经开发了多种CO2减排技术，如生物能结合碳捕捉与封存技术、CO2化学吸附减排技术、以及矿物碳化等减排方法。虽然上述技术具有各自的有点，但是由于它们的运行成本和能耗成本太高，目前很难实现产业化应用。与传统的从高浓度气体源中捕获CO2技术相比，直接从空气中进行CO2固定和减排的技术具有很大的优势：不需要建设大量的CO2收集装置；不需要将CO2从释放点运输至固定点；而且空气中的CO2随处可得，不受地点的限制，因此该技术具有很大的应用潜力。近些年来，由于具有较高的可行性和反应速率快等优点，基于NaOH、KOH等强碱的空气CO2减排技术得到越来越多的重视，但是该技术需要耗费大量的能量来再生这些化学吸附剂，例如需要加热到900℃才能将CO2从碳酸盐解分离出来。另外，由于空气中的CO2浓度很低，该方法也需要消耗大量的能量将空气泵进反应系统中，即空气的压缩运输成本很高。与高能耗的化学解离方法相比，自然界的一些蓝细菌和微藻能够在常温条件下(25-35℃)快速将CO2从碳酸盐上解离下来，并能高效利用解离下来的CO2用于自身快速的生长。更为重要的是，由于具有较高的生长速率和光合作用效率，以及较高的油脂含量和产率，微藻被认为是用于碳减排和生物质能源生产最有潜力的生物质资源。然而目前该技术的微藻生物质生产成本较高，很难进一步应用，这主要是因为在微藻培养过程中需要人为的提供碳源来支持微藻的高效生产，但该成本很高。虽然有些学者建议直接利用空气中CO2来培养微藻，但是空气中的CO2浓度很低，不足以支持微藻的高效生长。为了提高该过程的效率，一些研究者通过提高培养pH的方法来加速空气中的CO2向培养液的传递速率，但是这些研究得到的微藻生物质产率都很低(小于<0.4gL-1d-1)。这是因为虽然增加培养液的pH能够增强CO2的传递，但CO2在水中的溶解度极低(小于0.013gL-1)，在光照充足时，该浓度远不足以满足微藻快速生长的需要，而通过吸收空气中二氧化碳来补充，即使在高pH情况下也存在传质限制，难以满足这一需求。因此，仅仅通过调高培养液pH的方法不足以达到高效固定空气中CO2和微藻高效培养的目的。
技术实现思路
为了克服目前技术的不足，本专利技术提供了一种在极端碱性条件下基于微藻生物技术的从空气中高效捕捉和固定CO2的新方法，即在提高培养基pH的同时，在培养基中加入高浓度的碳酸氢盐，形成“碳池”。碳池的重要作用在于解决碳传质和碳利用之间不同步的矛盾。事实上，空气中二氧化碳从气相传递到培养基中速率有限，但该过程一天24小时都在进行，所以此过程供碳的形式是“细水长流”；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，碳的利用形式是“短时间内集中消耗”，而细水长流的供碳形式和短时间内集中消耗的用碳形式是存在矛盾的，不匹配的。传统微藻培养过程由于没有碳池高效提供碳源，在阳光充足时，受限于“细水长流”的供碳形式，不能提供与充足光照相匹配的充足碳源，造成阳光能量的浪费，光合作用效率低，微藻生物质生产效率低。本专利技术公开的方法是在初始培养基中加入高浓度碳酸氢盐，形成人工“碳池”，提供充足的无机碳，在微藻生长过程中，碳酸氢盐被解离成二氧化碳和氢氧根离子，二氧化碳被微藻固定为生物质，而氢氧根离子造成的高pH可以提高空气中二氧化碳流入培养基中的传质速率，因此，只有同时具备了高pH和高浓度碳酸氢盐的系统，才能高效从空气中吸收二氧化碳，而且高效地利用二氧化碳，实现微藻的高效生长。在本技术公开之前，现有技术仅提高培养基pH，虽然可以增加二氧化碳传质，但在阳光充足、温度适宜时，能实时提供的碳源仍然是有限的，所以其生物质生产效率普遍偏低。当然，现有技术中也有利用碳酸氢盐提供碳源为微藻生长高效供碳的，但其消耗的是碳酸氢盐中所含有的二氧化碳，无法利用空气中的低浓度二氧化碳进行补充，其培养基中碳酸氢盐的成本昂贵，最终造成微藻培养成本过高。虽然现有技术中也有利用高浓度二氧化碳对碳酸氢盐培养微藻的系统进行碳源补充的，但高浓度二氧化碳的纯化和运输等成本均很高，且需要建设成本高昂的管道系统，因此所生产微藻成本很高。相比之下，本专利技术所公开的技术利用空气中低浓度二氧化碳对所消耗的碳源进行补充，不需要建设复杂的二氧化碳运输管道，具有更好的经济性。由于空气中二氧化碳浓度很低，其高效吸收存在很大技术挑战。为解决此问题，本专利技术所利用的微藻培养基是高pH值的碱性溶液。在pH高于10.0的环境下，才可以高效快速的从空气中吸收低浓度的CO2，从而加快CO2的传质速率。而吸收的CO2可以和溶液中的氢氧根反应并生成能被微藻利用的高浓度碳酸盐，即形成一个可以为藻提供充足碳源的碳池。更为重要的是该碳池在有光的时候可以为微藻提供充足的碳源；而在没有光照的时候，微藻利用碳源产生的碱液可以重复吸收CO2，从而储备和补充由于微藻光合作用而消耗的碳源。该过程不仅充分利用了碱性吸收CO2的高效性和微藻从碳酸化合物解离CO2的低能耗的优势，而且该过程中的晚上碱液吸收CO2和白天微藻解离固定CO2的时间分配与微藻的生长周期规律形成了完美的时间契合。在同时满足高pH(>10.0)和高碳酸氢盐浓度环境下，一般的藻种难以生存，更不用说高效生长。因此，本专利技术所公开的技术中利用了在此极端环境中仍然能够高效生长的微藻。例如，本专利技术所公开的螺旋藻种可以在pH高到12.0的环境下，仍然可以达到0.25d-1的比生长速率。现有技术通过提高培养基pH来提高空气中二氧化碳的吸收效率，即便如此，此过程中供碳的速率仍然是“细水长流”(即从空气中吸收二氧化碳速率过慢)，在光照充足时仍然难以满足微藻高效生长时对碳的消耗，为解决此矛盾，本专利技术公开的技术在提高pH的同时在培养基中加入高浓度的碳酸氢盐，形成碳池，以满足微藻高效生长时的碳需求。微藻在白天高效生长之后，形成更高的pH环境，提高空气中二氧化碳的吸收速率，在没有光照的黑夜为碳池补充碳源，为下一个光照周期储备碳源，通过这种方法，解决了现有技术不能解决的问题，即“细水长流”的供碳和短时间内集中消耗的用碳之间的显著矛盾。该微藻培养过程日夜不停吸收空气中CO2，为在白天光照充足时微藻的高效生长提供充足碳源。更为重要的是，本专利技术过程空气压缩运输的能量可完全由自然能量提供。例如，本专利技术公开的方法中，利用波浪能压缩空气对培养系统进行通气，以解决空气中低浓度二氧化碳吸收需要在培养基中大量通入空气所需能耗巨大的问题。因此，本专利技术可同时降低微藻的生物质生产成本和CO2固定成本。具体的，本专利技术的技术方案如下：一种基于微藻生物技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微藻生物技术从空气中高效捕捉和利用CO

【技术特征摘要】
1.一种基于微藻生物技术从空气中高效捕捉和利用CO2的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将微藻培养基装入微藻培养系统中，再将微藻接种到所述培养基中，并向培养系统中通入空气，在光暗交替模式下进行微藻培养；
其中，所述微藻培养基含有至少0.01molL-1的碳酸氢盐；
所述微藻培养过程中pH为10.0以上。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述培养基中碳酸氢盐浓度为0.1-0.5molL-1。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述培养过程中pH为10.0-12.5。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微藻藻种为嗜盐碱藻种，包括螺旋藻(Spirulinasp)、念珠藻(Nostocsp)、杜氏盐藻(Dunaliellasp)、超嗜盐杆藻(Euhalothecesp)、富油新绿藻(Neochlorisoleoabundans)、微拟球藻(Nannochloropsissp)、微绿球藻(Nannochlorissp)、胶网藻(Trebouxiophytesp)、细鞘丝藻(Leptolyngbyasp.)中的至少一种。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的微藻培养系统均安装有通气装置，用于整个或部分培养液的通气；所述的微藻培养系统为开放式培养池、鼓泡式光生物反应器、平板式光生物反应器、管道式反应器或漂浮式微藻培养系统。...

【专利技术属性】
技术研发人员：迟占有，朱陈霸，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21