微藻培养与能源化利用
微藻可以通过自身的光合作用高效固定二氧化碳,同时生产生物燃料以及高 附加值产品,已成为国内外技术开发的热点。在微藻能源利用工艺流程中,用于 微藻培养的光生物反应器占总设备投资和运行成本的一半。由于相关研究工作的 缺乏,生物反应器受微藻光合效率、传质以及光照的限制,体积大、占地宽、成 本高、产率和效率低。为了强化微藻光生物反应器中光传递,提高光分布的均匀 性,构建了内嵌空心导光管的新型平板式微藻光生物反应器,通过空心导光管的 引入实现了将光能导入反应器中光衰减严重区域,提高了反应器内藻细胞的产量。 在此基础上,为了优化反应器的光分布,设计了内置导光板的光生物反应器,并 将其用于工业化中常用的跑道池反应器中(如图1所示),使微藻产量提到了 193. 33%,生物质产量达到2. 31g/L,油脂产量达到1258. 65mg/L。导光板目前工 艺成熟,成本低廉,对微藻无毒害作用,因此将其用于微藻产业化培养的跑道池 反应器中,基本不会增加建造及运营成本。按目前藻粉市场价来算,微藻150 元/千克,传统跑道池反应器的收益为0.18元/升,而利用内置导光板的跑道池 光生物反应器可获得0.35元/升的收益。同时,在工业化常用的管式反应器的基 础上,创新性的提出了一种新型非连续光照管式光生物反应器,通过间断遮光方 式,形成了反应器内明区和暗区的周期性分布,实现了微藻在反应器内流动时的 规律性明暗交替,从而触发闪光效应,使微藻生长速率提高了 15%。 在微藻生长到稳定期后,需对反应器中的微藻进行采收。传统的采收方式包 括离心、絮凝、气浮、膜过滤等,这些方法均耗能较多。为了降低采收成本,提出聚丙烯酸系高吸水性树脂吸收培养基浓缩微藻,吸收后可通过高温烟气脱水回 收再利用。利用采收后的湿藻进行水热液化的预处理方式,将藻细胞破壁,使细 胞内的多糖、蛋白质、油脂等析出并解聚成小分子的单糖、氨基酸、脂肪酸,之 后这些小分子物质经微生物发酵,产出甲烷、氢气等高热值的生物燃料。此外, 微藻破壁后,可直接经萃取等过程,得到硫代多糖、二十碳五烯酸(EPA)、二十 二碳六烯酸(DHA)、虾青素等高附加值产品。其中,硫代多糖具有抗氧化、抗肿 瘤、抗炎、抗病毒等活性,并且可以作为抗凝血剂和免疫调节剂。EPA被称为“血 管清道夫",能促进循环系统的健康和防止胆固醇和脂肪在动脉壁上积聚,并对 治疗由自身免疫缺陷引起的炎症有效。DHA俗称“脑黄金”,是神经系统细胞生 长及维持的一种主要成分,是大脑和视网膜的重要构成成分,在人体大脑皮层中 含量高达20%,在眼睛视网膜中所占比例最大约50%。虾青素是已知氧自由基清 除能力最强的天然色素,其抗氧化能力是维生素E的1000倍,雨生红球藻是最 佳的天然虾青素来源,含量达到3%-5%,是目前唯一被美国FDA审核准许可用于 人类直接使用的虾青素产品,我国于2010年批准纳入食品新资源产品目录。 针对微藻生物质高效能源化利用的问题,提出太阳能加热实现微藻水热预处理, 再利用水解液和固态残渣厌氧发酵制取富氢甲烷气,实现微藻全组分转化利用, 并建立了中试系统(如图2, 3)o通过太阳能水热水解,微藻发酵产甲烷过程的 速率和转化率得到显著提升。
重庆大学
2021-04-11