微藻固碳技术基础及其生物质应用研究进展 廖莎 薛冬 李晓姝 唐开宇 师文静 李澜鹏 彭绍忠摘 要： 简要综述了近年来国内外微藻固定二氧化碳的研究进展，着重讨论了光照、温度、pH和营养成分对微藻固碳生长的影响从光生物反应器的结构、光的供给、混合与传质入手，合理设计反应器来提高效率探讨了微藻固碳后的采集及其潜在的应用，破解长期存在于经济发展和二氧化碳排放之间的矛盾，对微藻的应用研究有所启示关 键 词： 二氧化碳固定;微藻生长;光生物反应器;生物质利用：Q819 ： A ： 1671-0460（2020）06-1175-06Research Progress in Carbon Dioxide Fixation by Microalgae and Its Biomass ApplicationLIAO Sha*， XUE Dong， LI Xiao-shu， TANG Kai-yu， SHI Wen-jing， LI Lan-peng， PENG Shao-zhong（Sinopec Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals， Dalian Liaoning 116045， China）Abstract： The research status of CO2 fixation using microalgae was summarized. The environmental factors affecting the growth of microalgae were discussed， including light， temperature， pH and nutrition. In addition， key elements for designing suitable reactor to improve CO2 fixation and microalgae growth were presented， including configuration， light， mixing and gas transfer. The biomass harvest and utilization after CO2 fixation were also discussed， in order to resolve the long-standing contradiction between economic development and carbon dioxide emissions.Key words： Carbon dioxide fixation; Microalgae growth; Photobioreactor; Biomass utilization近幾十年来，全球变暖问题是众多地球环境问题中最受关注的，因此二氧化碳（CO2）减排成为全球关注的焦点问题[1]。
常见的减排方法包括物化吸附法、海底储存法以及生物固碳法吸附材料（如LiOH）是典型的不可再生材料，而且需要一定的空间来封存CO2[2]海底储存是直接把CO2注射到深海、地层、废矿场、废油井或盐碱含水层的方法以及CO2矿物碳化法这些方法存在的主要问题是长期封存对空间要求高且CO2容易泄漏[3]因此，从长远来看生物固碳法是一种经济可行且环境友好的减排技术生物燃料在燃烧过程中所释放的碳，进入光合作用循环利用，整个过程不会产生额外的CO2，可以达到营养利用和能源生产持续发展的状态藻类是最原始的生物之一，分布很广，可直接利用太阳能合成有机物质，同时提供好氧生物（包括动物、植物及多数微生物）所必需的O2，整个过程包括光能吸收、能量转换、电子传递、ATP合成到CO2固定，光合效率高于传统生物能源作物[4]微藻经光合作用后利用厌氧细菌发酵可将微藻生物质转化为甲烷或氢气，有的通过调控培养积累油脂或淀粉，进而生产生物柴油或乙醇，有的可在胞内或胞外产生微藻多糖，广泛应用于食品、化妆品领域[4-6]微藻生物质的生产还可偶联电厂和污水处理设备，这样更能推动微藻固定CO2和生产生物燃料技术的发展[7]本文综述了微藻固定CO2技术和显著影响微藻生长和光生物反应器的关键问题，重点阐述了反应器结构和运行的相关特点，讨论了微藻固定CO2后其生物质加工过程中下游高价值产品的生产，为实现微藻的综合利用提供一定参考。
1 微藻固定二氧化碳的关键问题微藻是一种在海洋和陆地分布广泛而且种类繁多的光合微生物，可以是单细胞、链或群体大多数环境相关的因素都会影响到微藻的生长，包括光照、温度、盐度、pH、营养成分、溶氧以及金属元素[8]微藻的生长还可能受反应器操作条件的影响，如水力停留时间、收集率、气体传递和混合设备，这些都影响到CO2的利用率、剪切速率和光照，进而影响微藻生长[9]1.1 环境1.1.1 光照光照是培养微藻最普遍的能量来源，也是影响微藻生长的显著因素不同微藻对光照强度有不同的饱和度范围当光照为唯一的限制因素时，微藻的产率与光照转化效率呈正相关[10]同高等植物相比，微藻需要的光照强度低，如小球藻和栅藻培养时需要的饱和光照强度大约200 μmol·m-2·s-1，但随着光照强度的增加到400 μmol·m-2·s-1，微藻活性通常也会增加[11]光照周期也对微藻光合效率产生一定的影响[8]1.1.2 温度温度是调节微藻细胞形态和生理反应的一个主要因素，关系到微藻固碳效率高温通常会加速微藻的代谢速度，相反低温则抑制微藻的生长[9]不同的微藻其最适温度也不同，而其他环境参数也会影响微藻生长的最佳温度，如光照[12]。
文献报道多数藻种的最适培养温度为15～30 ℃，温度小于15 ℃或者超过35 ℃都会导致微藻生长缓慢[13]1.1.3 pH大多数藻种适合在中性pH条件下培养，也有一些藻种能耐受较高pH或较低pH有文献报道Spirulina platensis耐受pH达到9，Chlorococcum littorale耐受pH达到4[14﹣15]CO2、H2CO3、HCO3-和CO32-相互之间存在一些化学平衡，培养体系中CO2体积分数和pH之间关系复杂增加CO2体积分数可能会提高生物质产率，但同时也会降低pH，可能对微藻产生一定的副作用如在开放池培养微藻时，由于吸收了CO2，即使在pH=10～11下培养微藻也会增加产率;在污水中培养微藻时，提高pH有利于抑制污水中的病原体，但也可能抑制微藻的生长微藻光合系统中pH-NH3分开进行电子传递，同时在氧化反应中同水分子竞争，在光生物反应器中产生NH3和NH4+，并释放O2[14]1.1.4 营养碳、氮、磷等营养元素是微藻细胞合成基础营养成分的种类、形态及质量分数一定程度上影响微藻的光合作用微藻中碳元素质量分数近50%生物固碳就是利用高等植物或微藻光合作用吸收CO2来完成，其中微藻固定CO2过程相对较容易，但不同微藻对CO2的耐受性不同[3， 12]。
常见的CO2来自大气、工业废气（如烟道气和化工厂废气）及可溶性碳酸盐（如NaHCO3和Na2CO3）大气中所含CO2体积分数，一般在0.038 7%左右，还无法满足高浓度微藻生长的需求比较典型的燃烧过程产生的废气，其中CO2体积分数超过15%理论上，燃烧废气中的CO2能够满足微藻大规模生产的需要，但考虑到上游CO2气体的分离成本，因此可以直接将电厂烟道气通入微藻培养系统[3，13]氮也是微藻生长所必需的营养元素，直接影响到微藻的初级代谢，是核酸和蛋白质的组成元素之一[16]不同形式的氮源，微藻的代谢机制不同以硝酸盐作为微藻氮源，培养过程缺乏氮源时，如果间歇性地补充硝酸盐可以促进微藻的生长;如果持续缺氮，微藻处于环境胁迫状态，转而合成更多的脂类储存于胞内Yang 等研究发现，莱茵衣藻经 4 h缺氮处理后，细胞中脂质积累量明显增加[17]磷是微藻生长所必需的第三大营养元素，是构成DNA、RNA、ATP和细胞膜的必要元素[18]由于微藻不能吸收利用所有的磷化合物，因此在培养过程提供过量的磷酸海洋微藻通常在海水中添加工业用的硝酸盐和磷酸盐肥料进行培养[14]为了提高培养效率，通常还会添加一些微量元素，如金属（Fe、Mg、Ca、Mn、Zn、Cu和Mb）和维生素[16]。
Wykoff研究发现，莱茵衣藻在磷限制4 d后，由于细胞中磷浓度降低导致光合磷酸化水平下降，ATP合成、卡尔文循环效率、NADPH和NADP+ 受到影响，从而影响PSI和PSII，最终光合放氧率降低75%[19]1.2 反应器1.2.1 反应器结构光生物反应器是光合生物生长或进行光合反应的反应器，如微生物、微藻及植物细胞[20]微藻光生物反应器一般有两大类，包括开放式光生物反应器和封闭式光生物反应器开放式光生物反应器结构简单、成本低、操作方便，但容易污染封闭式光生物反应器能够很好地控制培养条件、降低污染，从而相比开放式可以获得更高的生物量，但成本也更高，适合高附加值微藻的培养常見的光生物反应器有平板反应器、水平管反应器、螺旋管反应器、垂直管反应器和中空纤维膜反应器等，各类光生物反应器的优缺点见表1但目前还没有一种反应器能有效控制所有参数，实现微藻生长、光合效率和代谢速率的最大化，可以通过改进光的供给和CO2的利用、气体传递及混合等几个方面来增加产率[20﹣21﹣22]1.2.2 光的供给光是微藻生长的基本能量来源，因此光照强度和利用效率对光生物反应器非常重要当微藻达到高密度培养时，光的强度急剧降低。
因此在设计光生物反应器时，要充分考虑光学深度问题，衡量光沿着路径穿过部分透明介质吸收或分散比例除了利用自然光外，一般认为光合有效辐射为43%～45%在高密度培养时，由于高细胞浓度微藻之间的相互遮挡会减弱光的吸收为了实现光吸收最大和光衰减最小，设计表面积/体积比高的生物反应器，同时缩短光线的传输距离有文献报道微藻在光强度为4 000 μmol·m?2·s?1时可以生长较好，此时培养基中的光照强度相当于夏天中午太阳光的2倍[23]相反，如果光照强度超过光饱和点就会产生光抑制，通过缩短微藻培养的光暗循环周期可以抵消产生的抑制[24]光暗比是影响微藻产率的一个关键因素，总摩尔的光量子不一定产生等量的微藻[16]如果光暗循环周期等于光合单元循环时间，光合作用效率达到最大在连续光照培养时，周期性的低光照强度可以明显提高CO2同化速率、微藻生长速率和胞内代谢物产率通过设计人工光源来实现上面类型的光供给，如杂交光源系统[25]不同的灯可以产生不同类型的光谱，不同藻种有不同最佳吸收光研究显示，在不同的辐射能和光谱下Phorphyridum cruentum的指数生长速率都不同，结果表明蓝光（400～500 nm）下培养可以促进微藻细胞的生长和多糖的生产[26]。
目前，在人们设计使用和试验的反应器中，槽面和管式光生物反应器的捕光能力最强1.2.3 混合速率混合速率是光生物反应器是否合格的一个重要参数[27]混合速率过高，可能严重破坏细胞，还需要投入更多的能量;混合速率过低，抑制气相传质，容易产生沉淀不良的混合都可能会产生反应停滞区，区域内光合效率低而且营养利用不充分，一方面造成缺氧的环境，导致产率下降;另一方面停滞区内积累有毒化合物，对培养环境也会产生影响光生物反应器最常用混合方式见表21.2.4 气体传递微藻培养过程中，向生物反应器内通入气体，提供CO2、NOx或SOx等其他气体，其目的是实现反应器内部均匀混合，避免营养成分不均产生的细胞浓度梯度通过CO2的溶解调控pH值，避免细胞浓度梯度;提高所。