空气中CO2增浓与转化为富油微藻的膜法关键技术研究

With increasing scarcity of extensive use of fossil fuels and petroleum resources, CO2 emission reduction and new energy development has become a top priority for global sustainable development. This project a basic research of microalgae photobioreactor coupled membrane contactor, with the functional monomer transfer medium for CO2 combination, and using for microalgal bioenergy conversion. The main contents include: Screening functional groups of dissolution - diffusion model and transport facilitation, promoting the transfer of membrane contactor, enriching CO2 in the air, and the determination of diffusion selectivity, facilitated transport and penetration rate; Reactor further coupled with microalgae membrane photobioreactor for microalgal bioenergy conversion with CO2 enhancement, and determinating conversion rate of CO2, growth rate and photosynthetic efficiency of microalgae in different conditions such as CO2 intake rate, medium pH and nutritional conditions; Analysis of induction and inhibition of cell growth factors, and optimize the microalgae culture process; Proposing oil-rich microalgae bio-metrology equation to explore the cell growth, decay, metabolic mechanisms and models. Providing basis for CO2 removal and utilization, oil-rich microalgae process optimization and amplification.

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。

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。