科技成果

成果简介

微藻可以通过自身的光合作用高效固定二氧化碳，同时生产生物燃料以及高附加值产品，已成为国内外技术开发的热点。在微藻能源利用工艺流程中，用于微藻培养的光生物反应器占总设备投资和运行成本的一半。由于相关研究工作的缺乏，生物反应器受微藻光合效率、传质以及光照的限制，体积大、占地宽、成本高、产率和效率低。为了强化微藻光生物反应器中光传递，提高光分布的均匀性，构建了内嵌空心导光管的新型平板式微藻光生物反应器，通过空心导光管的引入实现了将光能导入反应器中光衰减严重区域，提高了反应器内藻细胞的产量。在此基础上，为了优化反应器的光分布，设计了内置导光板的光生物反应器，并将其用于工业化中常用的跑道池反应器中（如图1所示），使微藻产量提到了193.33%，生物质产量达到2.31g/L，油脂产量达到1258.65mg/L。导光板目前工艺成熟，成本低廉，对微藻无毒害作用，因此将其用于微藻产业化培养的跑道池反应器中，基本不会增加建造及运营成本。按目前藻粉市场价来算，微藻150元/千克，传统跑道池反应器的收益为0.18元/升，而利用内置导光板的跑道池光生物反应器可获得0.35元/升的收益。同时，在工业化常用的管式反应器的基础上，创新性的提出了一种新型非连续光照管式光生物反应器，通过间断遮光方式，形成了反应器内明区和暗区的周期性分布，实现了微藻在反应器内流动时的规律性明暗交替，从而触发闪光效应，使微藻生长速率提高了15%。

图1.内置导光板的跑道池光生物反应器

在微藻生长到稳定期后，需对反应器中的微藻进行采收。传统的采收方式包括离心、絮凝、气浮、膜过滤等，这些方法均耗能较多。为了降低采收成本，提出聚丙烯酸系高吸水性树脂吸收培养基浓缩微藻，吸收后可通过高温烟气脱水回收再利用。利用采收后的湿藻进行水热液化的预处理方式，将藻细胞破壁，使细胞内的多糖、蛋白质、油脂等析出并解聚成小分子的单糖、氨基酸、脂肪酸，之后这些小分子物质经微生物发酵，产出甲烷、氢气等高热值的生物燃料。此外，微藻破壁后，可直接经萃取等过程，得到硫代多糖、二十碳五烯酸（EPA）、二十二碳六烯酸（DHA）、虾青素等高附加值产品。其中，硫代多糖具有抗氧化、抗肿瘤、抗炎、抗病毒等活性，并且可以作为抗凝血剂和免疫调节剂。EPA被称为“血管清道夫”，能促进循环系统的健康和防止胆固醇和脂肪在动脉壁上积聚，并对治疗由自身免疫缺陷引起的炎症有效。DHA俗称“脑黄金”，是神经系统细胞生长及维持的一种主要成分，是大脑和视网膜的重要构成成分，在人体大脑皮层中含量高达20%，在眼睛视网膜中所占比例最大约50%。虾青素是已知氧自由基清除能力最强的天然色素，其抗氧化能力是维生素E的1000倍，雨生红球藻是最佳的天然虾青素来源，含量达到3%-5%，是目前唯一被美国FDA审核准许可用于人类直接使用的虾青素产品，我国于2010年批准纳入食品新资源产品目录。

针对微藻生物质高效能源化利用的问题，提出太阳能加热实现微藻水热预处理，再利用水解液和固态残渣厌氧发酵制取富氢甲烷气，实现微藻全组分转化利用，并建立了中试系统（如图2，3）。通过太阳能水热水解，微藻发酵产甲烷过程的速率和转化率得到显著提升。

图2. 太阳能驱动微藻水热水解系统   图3. 微藻浆液连续水解系统