空气中CO2增浓与转化为富油微藻的膜法关键技术研究

本项目进行了富集空气中CO2并转化为微藻油脂的研究，在以下几个方面取得了一些具有科学意义的重要结果： 研制和比较了选择性透过CO2的对称和非对称支撑离子液体膜；结果表明，对称膜能装载更多的离子液体，提升CO2溶解量，使CO2的选择性渗透能力提高，其CO2/N2的选择性可达到20。这一实验为CO2富集的进一步研究打下良好基础。 在开展中空纤维膜分散方法进行微藻油脂原位萃取的研究过程中，针对微藻油脂快速分析问题，提出了尼罗红染色和FT-IR两种微藻油脂检测方法，并对它们进行了比较和评价，为微藻油脂含量与生物质组成的检测提供了快速、高效的手段，对于产油微藻培养过程中油脂积累的高频度检测具有重要意义，相关论文已被他引19次。 结合微藻光合固定CO2的机理，分析操作条件变化对微藻高密度生长、氮抑制作用、油脂积累等的影响；根据膜结构特点与功能作用，结合微藻代谢产油脂的路径，设计了双膜通道的膜式光生物反应器，将养分和产物流分流不同通道，初步试验表明：该反应器可较大幅度提高微藻培养密度，并进一步提高微藻固定CO2及产油脂的能力。 初步考察了小球藻、斜生栅藻等利用废水中氮、磷生长与脱氮除磷的效果，发现这些微藻均有很强的脱氮、除磷能力；确认了其最优培养条件；对于小球藻，适当的盐度不仅能促进油脂积累，且可以有效防止杂菌感染；同时，发现油脂积累是由硝态氮的缺乏引起的，对微藻氮代谢的阐释也起到了一定的作用。 以蛋白核小球藻为例，研究了培养过程的放大；构建异养与自养小球藻产TAG过程核心代谢网络，并针对其分析目标提出了代谢途径分析方法。对这些网络模型进行分析，结果表明主要的关键反应包括脂肪酸和TAG的合成反应以及提供NADPH的反应，并部分解释了环境压力对TAG积累的作用，该方法对基因工程藻的开发具有参考意义。 项目研究期间共发表论文11篇，其中SCI收录7篇，累计影响因子为32.96，他引50次，单篇最高他引19次。基于前期研究工作积累，相关成果获2015年度教育部自然科学二等奖一项。 2100433B

化石燃料的大量使用和石油资源日益匮乏，CO2减排和新能源开发已成为全球持续发展的头等大事。本项目以空气中CO2的增浓并转化富油微藻为目标，分别设计出膜接触器和膜生物反应器及其偶联技术， 用于空气中CO2的高效增浓与强化转化成富油微藻的研究。主要内容包括：筛选对CO2具有结合作用的促进传递型功能载体，合成凝胶材料,研发促进传递膜接触器，进行空气中CO2的去除与增浓实验，测定扩散选择性、促进传递与渗透速率；与微藻膜式光生物反应器偶联，进行CO2强化转化为富油微藻试验，测定微藻培养过程中CO2的传递和反应转化速率、细胞生成速率与微藻光合效率; 测试CO2进气速率、培养液pH、营养条件变化对富油微藻组成与合成速率影响；分析细胞生长的诱导与抑制因素，优化微藻培养过程；提出富油微藻生物计量学方程，探究其细胞的生长、衰减与代谢机制与模型。为空气中CO2的去除与利用、富油微藻制备过程的放大提供设计依据。

微藻制油的原理是利用微藻光合作用，将化工生产过程中产生的二氧化碳转化为微藻自身的生物质从而固定了碳元素，再通过诱导反应使微藻自身的碳物质转化为油脂，然后利用物理或化学方法把微藻细胞内的油脂转化到细胞外，再进行提炼加工，从而生产出生物柴油。 即通过藻类的光合作用，将废水中的营养物质和空气中的二氧化碳转化为生物燃料、蛋白质。“这是一个变废为宝的产业，而且还可以生产更多的下游产品。”在石油价格大幅上升，粮食短缺问题日渐突出的今天，该产业有着广阔的发展前景。

利用微藻生长捕集燃煤烟气CO2对于我国节能减排和低碳经济具有重要意义。野生型微藻难以大规模高效率地减排烟气CO2，迫切需要对微藻进行种质创新以提高减排烟气CO2效率。本项目首次采用钴60-γ射线对野生型小球藻进行核辐射诱变，筛检选育出高效固碳的小球藻突变体，并利用烟气高浓度CO2对小球藻进行梯度驯化，通过调控代谢通路和优化生长条件提高了生长固碳速率，使小球藻的生物质产量由1.1g/L显著提高到5.4g/L。基因测序表明：小球藻在高浓度15%CO2下碳酸酐酶几乎为零，CO2不再通过传统输运形式（CO2→HCO3-→CO2）穿过细胞壁，而是在高浓度渗透压下直接进入细胞内部供给光合作用；同时控速光合作用的Rubisco酶活性显著提高，催化光合作用有力促进了固定CO2反应。本项目采用紫外光辅助双氧水将烟气污染物中NO污染物变害为宝，氧化为NO3-为微藻固定CO2补充氮源提高了微藻生长固碳速率。分析了烟气粉尘及重金属对微藻生长过程的影响机理，发现微藻吸附重金属后导致外表面粗糙度增大，外表面积由0.10增大到0.92-1.98 m2/g，但是内孔表面积由0.44减小到0.18m2/g。开发了闪光式跑道池和平板光合养藻反应器，优化反应器结构和藻液流动条件强化了闪光效应，增设扰流件使传质系数提高4.7%并且混合时间下降30.2%，优化曝气器减少气泡生成时间使微藻生长固碳速率提高了29%。基于以上研究成果，本项目已发表22篇SCI和EI期刊论文，其中SCI论文21篇、EI论文1篇，申请公开发明专利4项，培养博士研究生6名(其中3名已毕业)和硕士研究生4名(其中3名已毕业)，参加国际学术会议5次(其中国外5次)。

通过核辐射诱变筛检固碳性能优异的突变藻种，利用微藻光合生长高效捕集燃煤烟气中大量CO2，对于我国节能减排和低碳经济具有重要意义。由于电厂燃煤烟气流量很大、CO2浓度高达15%、含有SO2/NOX/超细粉尘等污染物，故野生型微藻一般难以实现大规模高效率地减排如此大量CO2，迫切需要对微藻进行种质创新以提高减排烟气CO2效率。本项目提出采用γ射线对小球藻等典型藻种进行核辐射诱变，筛检选育出固碳效率高、生长速率快、烟气耐受性强的藻种突变体，通过基因测序揭示诱变藻种固碳酶基因改良的微观机理。设计膜式光合生物反应器促进诱变藻种的高密度快速生长，通过优化调控促进诱变藻种固定大流量高浓度CO2的热动力学反应机制，揭示燃煤烟气中SO2/NOX/超细粉尘等多种污染物对诱变藻种固碳反应的影响控制原理。使诱变藻种适宜生长的CO2浓度提高到15%，并且使微藻固定燃煤烟气中CO2转化为生物质能的效率提高100%。