微藻培養(yǎng)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(shí)生產(chǎn)生物燃料以及高 附加值產(chǎn)品,已成為國內(nèi)外技術(shù)開發(fā)的熱點(diǎn)。在微藻能源利用工藝流程中,用于 微藻培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器占總設(shè)備投資和運(yùn)行成本的一半。由于相關(guān)研究工作的 缺乏,生物反應(yīng)器受微藻光合效率、傳質(zhì)以及光照的限制,體積大、占地寬、成 本高、產(chǎn)率和效率低。為了強(qiáng)化微藻光生物反應(yīng)器中光傳遞,提高光分布的均勻 性,構(gòu)建了內(nèi)嵌空心導(dǎo)光管的新型平板式微藻光生物反應(yīng)器,通過空心導(dǎo)光管的 引入實(shí)現(xiàn)了將光能導(dǎo)入反應(yīng)器中光衰減嚴(yán)重區(qū)域,提高了反應(yīng)器內(nèi)藻細(xì)胞的產(chǎn)量。 在此基礎(chǔ)上,為了優(yōu)化反應(yīng)器的光分布,設(shè)計(jì)了內(nèi)置導(dǎo)光板的光生物反應(yīng)器,并 將其用于工業(yè)化中常用的跑道池反應(yīng)器中(如圖1所示),使微藻產(chǎn)量提到了 193. 33%,生物質(zhì)產(chǎn)量達(dá)到2. 31g/L,油脂產(chǎn)量達(dá)到1258. 65mg/L。導(dǎo)光板目前工 藝成熟,成本低廉,對(duì)微藻無毒害作用,因此將其用于微藻產(chǎn)業(yè)化培養(yǎng)的跑道池 反應(yīng)器中,基本不會(huì)增加建造及運(yùn)營成本。按目前藻粉市場價(jià)來算,微藻150 元/千克,傳統(tǒng)跑道池反應(yīng)器的收益為0.18元/升,而利用內(nèi)置導(dǎo)光板的跑道池 光生物反應(yīng)器可獲得0.35元/升的收益。同時(shí),在工業(yè)化常用的管式反應(yīng)器的基 礎(chǔ)上,創(chuàng)新性的提出了一種新型非連續(xù)光照管式光生物反應(yīng)器,通過間斷遮光方 式,形成了反應(yīng)器內(nèi)明區(qū)和暗區(qū)的周期性分布,實(shí)現(xiàn)了微藻在反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)時(shí)的 規(guī)律性明暗交替,從而觸發(fā)閃光效應(yīng),使微藻生長速率提高了 15%。 在微藻生長到穩(wěn)定期后,需對(duì)反應(yīng)器中的微藻進(jìn)行采收。傳統(tǒng)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(yǎng)基濃縮微藻,吸收后可通過高溫?zé)煔饷撍?收再利用。利用采收后的濕藻進(jìn)行水熱液化的預(yù)處理方式,將藻細(xì)胞破壁,使細(xì) 胞內(nèi)的多糖、蛋白質(zhì)、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(zhì)經(jīng)微生物發(fā)酵,產(chǎn)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(jīng)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(chǎn)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?jiǎng)┖兔庖哒{(diào)節(jié)劑。EPA被稱為“血 管清道夫",能促進(jìn)循環(huán)系統(tǒng)的健康和防止膽固醇和脂肪在動(dòng)脈壁上積聚,并對(duì) 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(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞生 長及維持的一種主要成分,是大腦和視網(wǎng)膜的重要構(gòu)成成分,在人體大腦皮層中 含量高達(dá)20%,在眼睛視網(wǎng)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(qiáng)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(dá)到3%-5%,是目前唯一被美國FDA審核準(zhǔn)許可用于 人類直接使用的蝦青素產(chǎn)品,我國于2010年批準(zhǔn)納入食品新資源產(chǎn)品目錄。 針對(duì)微藻生物質(zhì)高效能源化利用的問題,提出太陽能加熱實(shí)現(xiàn)微藻水熱預(yù)處理, 再利用水解液和固態(tài)殘?jiān)鼌捬醢l(fā)酵制取富氫甲烷氣,實(shí)現(xiàn)微藻全組分轉(zhuǎn)化利用, 并建立了中試系統(tǒng)(如圖2, 3)o通過太陽能水熱水解,微藻發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程的 速率和轉(zhuǎn)化率得到顯著提升。
重慶大學(xué)
2021-04-11