分批補加NH4HCO3對化學吸收-微藻轉化耦合系統(tǒng)的影響

李鵬程，李美狄，尹慶蓉，毛煒煒，宋春風

(天津大學 環(huán)境科學與工程學院，天津 300072)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計，我國每年排放到大氣中CO2約33.4億t，其中40%的CO2由燃煤電廠產生[1-2]。工業(yè)CO2排放帶來一系列環(huán)境問題，如氣候變暖、冰川融化等[3-4]。如何高效進行CO2捕集和資源化利用成為關注重點。

對燃煤電廠煙氣中CO2捕集與封存能大幅減少排放到大氣中的CO2[5]。與燃燒前捕集相比，燃燒后捕集技術更加成熟，包括化學吸收、物理吸附、膜分離和微藻生物固碳等技術[6-8]?；瘜W吸收法具有吸收速率快、效率高等優(yōu)點，但CO2解吸過程存在高能耗問題[9]。近年來，微藻生物固碳由于其綠色、經濟，無二次污染備受關注。微藻經光合作用將CO2轉化為化學能，生成色素、食品和油脂等高價值產品。每產生1 t生物質干重消耗CO21.83 t[10]。微藻固碳技術得到廣泛研究，WANG等[11]研究表明通過微藻馴化，可提高微藻對高濃度CO2毒性的耐受程度。張響東[12]利用亞精胺增強了小球藻對燃煤電廠煙氣中體積分數(shù)15%的CO2和高光強(30 000 LX)的抗逆性，顯著提高了固碳效率。微藻固碳大規(guī)模應用前仍有問題需要解決，如CO2在基質中的傳質效率低，存在CO2逃逸問題，導致微藻固碳率較低。

1 試 驗

1.1 藻種和材料

圖1 化學吸收耦合微藻固碳的BECCS系統(tǒng)Fig.1 Chemical absorption-microalgae hybrid BECCS system

對照組的總氮量為Zarrouk培養(yǎng)基中的總氮量，參照LI等[20]研究結果，NH4HCO3和NaNO3質量濃度比設置為1∶4。對照組不涉及任何補料，所有試驗組初始接種量OD560(波長560 nm下的紫外分光光度值)=0.2。試驗周期為15 d，每3 d取樣測定OD560、總氮、氨氮、無機碳等指標，試驗結束后測定產物中油脂、碳水化合物、蛋白質等含量。批次試驗設計方法見表1。

表1 批次試驗氮源添加量Table 1 Amount of nitrogen source added in batch experiment

1.2 培養(yǎng)條件

首先用Zarrouk培養(yǎng)基對誘變螺旋藻進行預培養(yǎng)，并以0.1 cm3/min流速通入5%的CO2(5% CO2+95% N2)，將處于對數(shù)生長期的誘變鈍頂螺旋藻作為接種藻株。試驗過程中，在250 mL錐形瓶中裝入200 mL上述不同NH4HCO3與NaNO3比例的培養(yǎng)液，初始接種OD560為0.2，培養(yǎng)溫度為(30±1)℃，全天光照，光照強度4 000 LX，每組3個平行試驗，每天固定時間搖瓶震蕩。

1.3 分析方法

1.3.1 螺旋藻生物量的測定

螺旋藻生物量與OD560存在一定線性關系，可將藻液OD560轉化成生物質干重。標準曲線表示為

X=0.404OD560-0.001 6，R2=0.998，

(1)

式中，X為生物質干重質量濃度，g/L。

每3 d取樣一次，測定OD560，計算生物質干重。生物質生產率計算公式為

P=ΔX/Δt，

(2)

式中，P為生物質產率，mg/(L·d)；ΔX為Δt時間內的生物質質量濃度變化量，g/L；Δt為培養(yǎng)周期，d。

1.3.2 溶液中氮含量及固氮率

NF=XN/TN，

(3)

式中，NF為固碳率，%；TN為系統(tǒng)中添加的氨態(tài)氮和硝態(tài)氮總和，mg/L；N為通過元素分析儀測定的生物質中氮元素含量，%。

1.3.3 固碳能力

參考SONG等[22]研究方法計算固碳量A，具體表示方式為

A=44PC/12，

(4)

式中，C為螺旋藻碳元素含量，%。

1.3.4 油脂、多糖、碳水化合物和蛋白質

油脂含量采用尼羅紅染色法測定[23]，多糖和碳水化合物采用改良的苯酚硫酸法測定[24]。根據(jù)氮含量和蛋白質產量的關系乘以系數(shù)6.25，計算蛋白質質量濃度[25]。

D=6.25XN，

(5)

式中，D為蛋白質質量濃度，mg/L。

1.3.5 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析(ANOVA)進行統(tǒng)計分析。試驗結果以均數(shù)±標準誤差表示。平均值基于平行試驗得到，且在95%置信區(qū)間。所有試驗組設置3個平行試驗。

2 結果與討論

2.1 分批補料對微藻生長的影響

圖2 不同分批補料模式下微藻生物質干重變化Fig.2 Dry weight variation of microalgae biomass under different feding-batch modes

2.2 耦合系統(tǒng)中的氮分布

分批補料模式下氮的去向有3種：被螺旋藻吸收利用、由于氨的揮發(fā)損失、殘留在培養(yǎng)基中。不同組別下氮分布情況如圖3所示。由圖3可以看出，第1～4組培養(yǎng)期間的總氮量分別為540、440、470和526 mg/L，表明分批補料可以降低培養(yǎng)過程中總氮量，且第2組分批補料模式下所需總氮量最少，但生物質干重卻與對照組相近(圖2)。第2組螺旋藻的固氮率為32.33%，與對照組相比，提高了51.00%。這與SONG等[23]研究結果一致，即分批補料可提高微藻的固氮效率。

2.3 分批補料對微藻固碳能力的影響

圖4 不同分批補料模式下的固碳量Fig.4 Carbon sequestration under different feding-batch modes

2.4 分批補料對螺旋藻后期產物的影響

2.4.1 油脂和蛋白質質量濃度變化

圖5 不同分批補料模式下油脂和蛋白質含量Fig.5 Lipid and protein yield under different feding-batch cultivation modes

2.4.2 多糖和碳水化合物質量濃度變化

分批補料對螺旋藻多糖和碳水化合物的影響如圖6所示。由圖6可以看出，對照組的多糖質量濃度為112.30 g/L，第1～4組中多糖質量濃度分別為22.93、33.49、157.02和27.15 mg/L。與蛋白質不同，多糖質量濃度最高的為第3組。碳水化合物是碳分子大骨架，對照組的碳水化合物質量濃度為1 298.73 mg/L，第3組獲得最大碳水化合物質量濃度為1 632.86 mg/L。綜上可知，補料方式影響油脂、蛋白質、多糖和碳水化合物等后期產物的合成，可根據(jù)實際目標產物選擇理想的分批補料形式。

圖6 不同分批補料模式下多糖和碳水化合物含量Fig.6 Carbohydrate and polysaccharide yield under different feding-batch cultivation modes

3 結 論

2)批次補料條件下，第2組獲得了最高的蛋白質質量濃度及固碳量，分別為889.17 mg/L和149.24 mg/(L·d)；第3組獲得了最高的油脂和碳水化合物質量濃度，分別為169.32和1 632.86 mg/L。因此，可根據(jù)目標產物來選擇理想的分批補料模式。

3)批次補料形式下的化學吸收-微藻轉化耦合體系具有替代傳統(tǒng)單一化學吸收或微藻固碳技術的潛力及應用前景，在減排CO2的同時產生經濟價值，為碳中和國家戰(zhàn)略提供可持續(xù)的技術選擇。