日前，大連理工大學(xué)生物工程學(xué)院遲占有教授（[email protected]）團(tuán)隊?wèi)?yīng)用“碳池”技術(shù)，突破了微藻高效利用空氣中低濃度二氧化碳的技術(shù)瓶頸，為大幅度降低微藻生產(chǎn)成本、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了新思路。
該成果論文：Efficient CO? capture from the air for high microalgal biomass production by a bicarbonate pool.（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212982019309163）發(fā)表在低碳技術(shù)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Journal of CO? Utilization》上, 第一作者為朱陳霸博士。
研究結(jié)果顯示，在10.0-12.5超高pH下利用高濃度碳酸氫鹽/碳酸鹽形成“碳池”，晚上高效“充碳”，白天高效用碳，螺旋藻生物質(zhì)產(chǎn)率可達(dá)1.0 克每升每天，且固定無機碳來源于空氣的比例高達(dá)100%。
作為光合作用微生物，微藻比高等植物具有更高的生長速率、光合作用效率、CO?固定效率、以及油脂產(chǎn)率，而且微藻培養(yǎng)不占用寶貴的耕地資源。因此，微藻在生物燃料和生物化學(xué)品生產(chǎn)、碳減排、水產(chǎn)養(yǎng)殖、廢水處理、航天等各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都有巨大應(yīng)用潛力，但過高的生產(chǎn)成本限制了其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
與高等植物從空氣中無成本獲得二氧化碳不同，傳統(tǒng)微藻培養(yǎng)過程一般需要人工通入高濃度二氧化碳，供碳成本高，利用率低，是造成微藻生產(chǎn)成本過高和光生物反應(yīng)器放大困難的根本原因。因此，開發(fā)低成本、高效率的供碳技術(shù)對大幅度降低微藻生產(chǎn)成本、促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用至關(guān)重要。
利用陽光生長時，微藻碳供應(yīng)和碳利用存在不同步的矛盾：空氣中二氧化碳從氣相傳遞到培養(yǎng)液中速率有限，供碳形式是“細(xì)水長流”，但該過程一天24小時都在進(jìn)行；而微藻對二氧化碳的高效利用僅發(fā)生在陽光充足且溫度適宜的情況下，碳消耗非?？?，細(xì)水長流的碳傳質(zhì)速率難以滿足，供碳成為限制性因素，導(dǎo)致陽光能量的浪費。傳統(tǒng)微藻培養(yǎng)過程持續(xù)通入高濃度CO?氣體，但利用效率不足5%，大部分逃逸到空氣中。
針對上述問題，遲占有教授課題組利用高濃度碳酸氫鹽/碳酸鹽形成“碳池”，成功解決了碳傳質(zhì)和碳利用不同步的矛盾，高濃度碳酸氫鹽在陽光充足時可以高效供碳，微藻光合作用消耗二氧化碳導(dǎo)致pH上升（>10），而超高的pH大大加快了二氧化碳從空氣到液相的傳質(zhì)速率，從而形成了夜晚高效“充碳”，白天高效用碳的理想模式（如圖1）。
壓縮空氣為微藻供碳需要消耗很多能量，幸運的是，這可由自然能量驅(qū)動。
例如，利用漂浮裝置，波浪能可以用于壓縮空氣（圖2b），結(jié)合遲占有教授團(tuán)隊此前開發(fā)的波浪驅(qū)動漂浮式光生物反應(yīng)器（圖2a），有望構(gòu)建完全由自然能量驅(qū)動的低成本海上微藻生產(chǎn)系統(tǒng)，為發(fā)展微藻海洋農(nóng)業(yè)奠定基礎(chǔ)。利用廣闊海洋空間大量生產(chǎn)微藻生物質(zhì)用作食品、飼料、生物燃料和化學(xué)品，從而解決全球人口膨脹和陸地資源枯竭的尖銳矛盾，為人類社會可持續(xù)發(fā)展提供保障。
a) 總體示意圖? ??b) 波浪能驅(qū)動空氣壓縮裝置