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微藻培養與能源化利用

微藻可以通過自身的光合作用高效固定二氧化碳，同時生產生物燃料以及高附加值產品，已成為國內外技術開發的熱點。在微藻能源利用工藝流程中，用于微藻培養的光生物反應器占總設備投資和運行成本的一半。由于相關研究工作的缺乏，生物反應器受微藻光合效率、傳質以及光照的限制，體積大、占地寬、成本高、產率和效率低。為了強化微藻光生物反應器中光傳遞，提高光分布的均勻性，構建了內嵌空心導光管的新型平板式微藻光生物反應器，通過空心導光管的引入實現了將光能導入反應器中光衰減嚴重區域，提高了反應器內藻細胞的產量。在此基礎上，為了優化反應器的光分布，設計了內置導光板的光生物反應器，并將其用于工業化中常用的跑道池反應器中（如圖1所示），使微藻產量提到了 193. 33%,生物質產量達到2. 31g/L,油脂產量達到1258. 65mg/L。導光板目前工藝成熟，成本低廉，對微藻無毒害作用，因此將其用于微藻產業化培養的跑道池反應器中，基本不會增加建造及運營成本。按目前藻粉市場價來算，微藻150 元/千克，傳統跑道池反應器的收益為0.18元/升，而利用內置導光板的跑道池光生物反應器可獲得0.35元/升的收益。同時，在工業化常用的管式反應器的基礎上，創新性的提出了一種新型非連續光照管式光生物反應器，通過間斷遮光方式，形成了反應器內明區和暗區的周期性分布，實現了微藻在反應器內流動時的規律性明暗交替，從而觸發閃光效應，使微藻生長速率提高了 15%。在微藻生長到穩定期后，需對反應器中的微藻進行采收。傳統的采收方式包括離心、絮凝、氣浮、膜過濾等，這些方法均耗能較多。為了降低采收成本，提出聚丙烯酸系高吸水性樹脂吸收培養基濃縮微藻，吸收后可通過高溫煙氣脫水回收再利用。利用采收后的濕藻進行水熱液化的預處理方式，將藻細胞破壁，使細胞內的多糖、蛋白質、油脂等析出并解聚成小分子的單糖、氨基酸、脂肪酸，之后這些小分子物質經微生物發酵，產出甲烷、氫氣等高熱值的生物燃料。此外，微藻破壁后，可直接經萃取等過程，得到硫代多糖、二十碳五烯酸（EPA）、二十二碳六烯酸（DHA）、蝦青素等高附加值產品。其中，硫代多糖具有抗氧化、抗腫瘤、抗炎、抗病毒等活性，并且可以作為抗凝血劑和免疫調節劑。EPA被稱為“血管清道夫"，能促進循環系統的健康和防止膽固醇和脂肪在動脈壁上積聚，并對治療由自身免疫缺陷引起的炎癥有效。DHA俗稱“腦黃金”，是神經系統細胞生長及維持的一種主要成分，是大腦和視網膜的重要構成成分，在人體大腦皮層中含量高達20%,在眼睛視網膜中所占比例最大約50%。蝦青素是已知氧自由基清除能力最強的天然色素，其抗氧化能力是維生素E的1000倍，雨生紅球藻是最佳的天然蝦青素來源，含量達到3%-5%,是目前唯一被美國FDA審核準許可用于人類直接使用的蝦青素產品，我國于2010年批準納入食品新資源產品目錄。針對微藻生物質高效能源化利用的問題，提出太陽能加熱實現微藻水熱預處理，再利用水解液和固態殘渣厭氧發酵制取富氫甲烷氣，實現微藻全組分轉化利用，并建立了中試系統（如圖2, 3）o通過太陽能水熱水解，微藻發酵產甲烷過程的速率和轉化率得到顯著提升。

重慶大學 2021-04-11

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