《二氧化碳转化原理与技术》课件 第15章 微藻固碳技术

明德至善好学力行第15章微藻固碳技术2目录15.1

概述15.2

微藻固碳基础理论15.3

光生物反应器与主要影响因素微藻是什么？15.1概述微藻（microalgae）是含有叶绿素A并能进行光合作用的自养和混合营养微生物，具有单细胞（unicellular）、链状（inchains）或群体（ingroups）的形式，大小范围从几微米到几百微米不等。各种单细胞和群体的淡水微藻（图片来自Wikipedia）微藻的生态作用15.1概述微藻是地球上最古老的生物之一，微藻通过光合作用产生地球上~50%O2，并利用CO2光自养生长。每年提供全球约32%光合产物，是世界上最大的初级生产者。DOI:10.2174/2211550105666160127002552浮游动物/10.1007/s11270-022-05917-x微藻的生长环境15.1概述微藻可以在自然水体如河流、湖泊和海洋中良好生长，也能在农业、生活和工业废水中进行培养。/10.1016/j.jclepro.2022.134521本研究旨在评估新型GreenDune光生物反应器在使用自然微藻群落进行废水深度处理、废水回用和藻体生物质应用中的效率。海洋微藻可在不适合种植粮食作物的贫瘠土地上生长，避免了土地竞争问题。它们不需要淡水，而是能在丰富的海水中生长。微藻的固碳能力15.1概述微藻的固碳效率是陆生植物的10至50倍。这种优势主要归因于微藻较高的光合效率和快速的生长速率。微藻光合效率可达10%，而陆生植物在1%至2%之间。微藻细胞的碳含量通常占干重的50%以上，例如生产1吨微藻生物质需要固定约1.83吨CO2。年固碳量超20吨微藻的固碳能力15.1概述FromMarkCrocker以燃煤烟气为原料气的微藻固碳工艺流程微藻可用于食品、能源、营养品、肥料、药品、化妆品、污染控制和水产养殖等多个领域。/10.1016/j.chemosphere.2021.129800微藻的其他应用15.1概述9目录15.1

概述15.2

微藻固碳基础理论15.3

光生物反应器与主要影响因素微藻分类15.2微藻固碳基础理论地球上的藻类物种超过一百万种，已鉴定出50,000种。通常按大小（微藻和巨藻）和颜色（红藻门-红色、金藻纲-金色、褐藻纲-褐色和绿藻门-绿色等）分类。/10.1039/D3GC02286B微藻大致分为真核微藻（eukaryoticmicroalgae,如杜氏盐藻，大小为2-100μm）和原核蓝藻细菌(prokaryoticcyanobacteria)，也称为蓝绿微藻或产氧光细菌（如钝顶螺旋藻，大小为0.5-60μm）。微藻固碳途径15.2微藻固碳基础理论光能自养模式异养模式混养模式微藻生长模式photoautotrophicmodeheterotrophicmodemixotrophicmode存在光能、CO2和微量营养元素使用葡萄糖、甘油等作为碳源以满足在没有光能的情况下的能量需求异养（第一阶段）和自养（第二阶段）模式的结合自养生长的最大缺点，即需要光能，可以克服；异养生长过程中产生的CO2可以显著减少；可以获得更高的生物量生产率、脂类含量和色素积累光能自养模式15.2微藻固碳基础理论微藻细胞示意图(突出显示在叶绿体中发生的光合作用反应)细胞质膜叶绿体线粒体叶绿体类囊体膜/10.1016/B978-0-12-819657-1.00017-7CBB循环光能自养模式15.2微藻固碳基础理论微藻固碳过程示意图微藻通过光合作用将溶解态无机碳（DIC）固定为有机物。DIC通过细胞壁、膜等多个结构转运至

RuBisCo，进行固碳反应。固碳过程在CBB循环中进行，通过一系列反应（羧化➜还原➜再生➜产物）转化为碳水化合物。

微藻固碳总反应RuBisCO：核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶异养模式15.2微藻固碳基础理论微藻在暗条件下吸收外部有机碳合成细胞生物质并繁殖。异养模式不依赖外部溶解态无机碳（DIC）和光能，因此光合作用减少，但细胞密度和生物量相对增加。然而，并非所有微藻都能进行异养生长。初步放大实验使用异养培养的小球藻（Chlorellavulgaris），放大至5升发酵罐（异养途径）。该过程与标准放大过程进行了比较，后者的接种物为在瓶中光自养培养的小球藻细胞，最大培养体积为5升（自养途径）。两种接种物均用于接种1立方米的平板光生物反应器，并在户外光自养条件下运行。/10.1038/s41598-019-50206-z小球藻的自养与异养途径的时间消耗对比混养模式15.2微藻固碳基础理论微藻可以利用光能和外部无机碳提供光合作用所需的CO₂，同时吸收外部有机碳为生长提供能量。微藻可以获得暗反应所需的能量和TCA所需的氧气，并利用无机碳储存暗反应产物进行分解代谢。/10.3389/fbioe.2023.1196948光呼吸（Photorespiration）15.2微藻固碳基础理论2-phosphoglycolate(2-磷酸甘油酸，2PG)指在光照条件下，核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）与O2结合，生成3-磷酸甘油酸（3PGA）和2-磷酸甘油酸（2PG），随后通过碳氧化途径释放CO₂。由于2PG对光合作用中许多酶有毒，在氧化有机碳时似乎不产生ATP，光呼吸被视为wastefulprocess。微藻光呼吸在高光照和低CO₂条件下尤为显著，可能导致固碳效率下降超过25%。碳浓缩机制（CCM）15.2微藻固碳基础理论微藻通过将RuBisCO隔离在CO2浓缩的区域（如淀粉体或羧酶体）中，减少光呼吸并提高CO₂的固定效率。碳酸酐酶（CA）在CCM中起着关键作用，通过将HCO₃⁻转化为CO₂，提高CO₂浓度，减少氧化作用。HCO₃⁻转化为CO2的非催化转化速率比RuBisCO固定CO2的速率慢10000倍。SchematicrepresentationoftheCCMinmicroalgalandcyanobacterialcells.ThefontsizereflectstherelativeconcentrationsofCO2andHCO3−intheexternalenvironmentandinsidethecell.ThickarrowsshowthemaindirectionofCiflow.*EnergyrequirementsforthepromotedCO2uptakearecurrentlyapprovedonlyforcyanobacteria./10.3390/plants1207156918目录15.1

概述15.2

微藻固碳基础理论15.3

光生物反应器与主要影响因素光生物反应器（PBRs）15.3光生物反应器与主要影响因素光生物反应器（photobioreactors,PBRs）是指利用人工光源或太阳光促进光合作用，用于培养微藻等光能营养型生物的系统。主要类型：开放式PBRs与封闭式PBRs。/10.1016/j.gce.2023.10.004开放式PBRs15.3光生物反应器与主要影响因素15.3光生物反应器与主要影响因素开放式PBRs系统类型结构与运行参数主要优势主要局限典型应用/产量静止池（Unstirredpond）深度约50cm（<1m），池底铺塑料膜；可加透明塑料罩降低污染；无机械搅拌易建、成本低，已在商业上应用缺乏混合，不适合更大规模；污染风险高适用于Dunaliellasalina；东南亚天然湖泊年收干藻≈30t跑道池（Racewaypond）深度30–70cm，单／多通道；桨轮保持≥30cms⁻¹流速；开放式蒸发降温全球约95%微藻产量来自此系统；生产率60–100mg(干重)L⁻¹·d⁻¹；规模化成熟受气候影响，CO₂利用效率低；占地大商业培养Chlorella、Spirulina、Haematococcus、Dunaliella圆形池（Circularpond）直径≤45m混凝土池，深度30–70cm；旋转臂搅拌历史最久；可加温室罩提升产量温度控制差；资本和运行成本高；污染风险大东南亚大规模Chlorella

培养15.3光生物反应器与主要影响因素开放式PBRs优势挑战建造、维护与运行成本低廉，属于最便宜的微藻培养系统光照、温度与蒸发难以调控，强烈依赖外界环境操作与维护简单，能耗最低，便于日常管理CO₂传质受限，仅0.03–0.06%的大气CO₂难以满足需求，限制生长；如供给高浓度CO2，损失大系统易于清洗，适合大规模扩张并可获得较高生物量产出占地面积大，只能利用荒地，且蒸发导致补水需求高已在商业上广泛用于Spirulina、Chlorella等耐逆物种的批量生产易受污染：捕食者、真菌、酵母和细菌等生物入侵，仅少数物种能长期稳定培养可通过桨轮或搅拌装置实现基本混合，放大经验成熟生物量收获成本高，生产率和控制精度仍低于封闭式光生物反应器15.3光生物反应器与主要影响因素封闭式PBRs15.3光生物反应器与主要影响因素封闭式PBRs系统类型结构与运行特点主要优势主要局限代表性生产率／案例水平管式（Horizontaltubular）透明管径<10cm，户外直射阳光；培养基由机械／气升泵循环，保持高湍流大表面积-体积比，充分曝光；可连续采收目前多为0–20L实验室规模，缺乏大型化数据；氧积累风险Nannochloropsis109–264gm⁻³d⁻¹；Chlorella32.5–95.3gm⁻³d⁻¹气泡柱（Bubble-column）高度≈直径2倍，S/V高；可配内部光源；典型装置直径5cm、高2.3m（4.5L）传热与传质良好，光照充足商业可行性尚待验证Monoraphidium23gm⁻³d⁻¹气升式（Airlift）设挡板／导流筒分隔流区，形成大循环；搅拌依靠鼓泡或机械穿孔管传质系数高、剪切低、能耗低，易于无菌操作流动模式复杂，放大困难高S/V，比表面积大、细胞密度高（具体产率文中未给）平板式（Flatpanel/flatplate）垂直板式，气泡混合；单元容积1000–2000L；500L装置实测0.27gL⁻¹d⁻¹受光面大，O₂积累少，易清洗，户外应用成熟温度控制与水力剪切管理困难；光抑制风险0.27gL⁻¹d⁻¹（500L玻璃平板）塑料袋式（Plastic-bag）透明聚乙烯袋，底部鼓泡混合；可悬挂或放置框架；常配袖套防细胞沉降装置简易，可利用自然光，操作灵活易发生光抑制与细胞沉降50L袋式湍流恒化运行成功15.3光生物反应器与主要影响因素FactorsOpenPhotobioreactorsClosedphotobioreactorsSpacerequirement10,000

m2100

m2EvaporationrateHighNoevaporationWaterlossVeryhighLowCO2-lossHigherLowerBiomassconcentration0.5–1

kg

m−35

kg

m−3Photoconversionefficiency±1.5%±5%Energy(powerandheat)requirement±57

MJ

m−2

y−1±207

MJ

m−2

y−1Volumetricalgalproductivity0.12–0.48

g

L−1

d−10.2–3.8

g

L−1d−1TemperatureVariableCoolingisrequiredWeatherdependencyHighLowProcess-controlDifficultEasyShearLowerHigherCleaningNoneedRequiredContaminationHigherNoneQualityofbiomassVariableReproducibleHarvestingefficiencyLowerHigherHarvestingcostHigherLowerLight-efficiencyPoorGoodMostexpensiveparameterMixingTemperaturecontrolCostofalgalbiomass2.66$Kg−12.66$Kg−1/10.1016/j.gce.2023.10.004封闭式PBRsVS.开放式PBRs15.3光生物反应器与主要影响因素封闭式PBRsVS.开放式PBRs封闭式PBRs相比开放式PBRs有以下几个优点：可以最大限度地减少污染并允许单一藻类无菌培养；反应器能实现pH值、温度、光照、二氧化碳浓度等条件的更好控制；可以减少二氧化碳损失并防止水分蒸发；允许更高的微藻细胞浓度。15.3光生物反应器与主要影响因素/10.1016/j.gce.2023.10.004影响微藻固碳性能的主要因素光强度比生长速率无细胞生长光限制光饱和光抑制高细胞浓度引起自遮光，抑制生长。光周期调节生长、繁殖与产物合成。15.3光生物反应器与主要影响因素光照15.3光生物反应器与主要影响因素温度温度通过酶活性影响生长：低于最佳升温促进生长，高于最佳酶失活抑制生长。温度改变CO₂/O₂溶解度：高温降低CO₂溶解度，但可提升生长速率。高O₂溶解度诱导活性氧产生，造成氧化应激。部分微藻在高温下脂质含量增加。15.3光生物反应器与主要影响因素pH值pH是调节微藻生理-生化过程的关键因子，直接影响细胞生长、酶活性和营养吸收效率