一種促進螺旋藻固定煤化工廠煙氣CO2速率的編制網曝氣器

郭王彪，劉書政，程軍，喬占山，蘇勇寧，郭彩鳳，劉海軍，李玉國

(1.浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室，浙江杭州，310027；2.鄂爾多斯市加力螺旋藻業(yè)有限責任公司，內蒙古鄂爾多斯，016199；3.內蒙古再回首生物工程有限公司，內蒙古鄂爾多斯，016199)

2020年習近平總書記在聯(lián)合國大會講話指出：“中國CO2排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。我國CO2排放主要來源于燃煤電廠和煤化工廠煙氣，其中，燃煤電廠煙氣富含體積分數(shù)為10%～15%的CO2，煤化工廠煙氣富含體積分數(shù)為99%的CO2[1?5]。

螺旋藻相較于其他微藻種類(例如小球藻和微擬球藻等)具有生長速率極快[6?7]，采收周期短[8?9]以及主要利用碳酸氫根作為外加碳源的特點。而螺旋藻培養(yǎng)過程中會不斷產生氫氧根到培養(yǎng)液中[8]，因此，螺旋藻培養(yǎng)液中CO32?質量濃度會逐漸增高。若將含體積分數(shù)為99%的CO2的煤化工廠煙氣通入螺旋藻培養(yǎng)液中，則可直接產生高質量濃度HCO-3，用于螺旋藻的培養(yǎng)[10?12]。進一步地，將煤化工廠煙氣CO2凈化提純至食品級CO2，則可生產出食品級螺旋藻藻粉，從而產生巨大經濟效益。在煤化工廠煙氣CO2與螺旋藻培養(yǎng)液反應過程中，如何延長CO2與螺旋藻培養(yǎng)液的反應時間，提高CO2利用效率，避免CO2回流至大氣中是關鍵問題。

在實際應用中，通常采用曝氣器在跑道池中直接曝氣的方式為跑道池補充CO2[13?14]，然而，該方法產生的CO2氣泡的生成直徑大(通常為毫米級)，在藻液中的溶解與反應過程的時間短(通常為毫秒級)，反應壓力小(通常為常壓)，造成CO2利用效率低，多數(shù)CO2分子再次回流至大氣中。若在進入跑道池前的循環(huán)液中通入CO2，利用循環(huán)液與CO2儲罐的巨大壓力(通常為0.2～0.5 MPa)，輔助以微米級曝氣器產生CO2微小氣泡延長反應時間[15]，則可顯著提高CO2與Na2CO3的反應效率，將氣態(tài)的碳轉化為液態(tài)的碳儲存于藻循環(huán)液中用于螺旋藻細胞生長，解決CO2氣泡在培養(yǎng)液中停留時間與螺旋藻細胞CO2利用時間不匹配的難題[10]。

本文研制一種編制網式曝氣器，應用于煤化工廠煙氣CO2與螺旋藻循環(huán)液的反應，促進螺旋藻的規(guī)模化培養(yǎng)，對比煤化工廠煙氣CO2補充前、傳統(tǒng)曝氣條式曝氣器和編制網式曝氣器反應前后的Na2CO3質量濃度、NaHCO3質量濃度、螺旋藻藻絲螺距和長度以及螺旋藻細胞光合反應效率等參數(shù)，證實了編制網式曝氣器對于螺旋藻生物質密度具有顯著提升作用。

1 材料與方法

1.1 微藻固定煤化工廠煙氣CO2工藝流程

實驗在內蒙古鄂爾多斯螺旋藻產業(yè)園開展，測試區(qū)域內布置有92 個相同的跑道池，跑道池長度為110 m，寬度為6 m，平均液位深度為31.2 cm。跑道池依靠單漿輪驅動，每2個跑道池安裝1個電機驅動漿輪，電機功率為1.5 kW，漿輪轉速為40 r/min。漿輪每天7∶00開，22∶00關。為避免外界污染，在跑道池上方建有塑料大棚。

本文所用食品級CO2來源于低溫甲醇洗脫碳裝置回收的二氧化碳工業(yè)廢氣(體積分數(shù)為98%)，經過預脫硫、氣體壓縮、有機硫水解、精脫硫、冷卻除濕、分子篩吸附干燥、吸附脫醇、低溫液化、低溫精餾提純和成品儲存等工序流程及氨制冷等輔助工序，生產得到質量符合GB 10621—2006“食品添加劑液體二氧化碳”的食品級二氧化碳產品，所產生的CO2純度達到99.99%，然后經罐車運輸儲存至螺旋藻產業(yè)園內的CO2液體儲罐中。

圖1所示為螺旋藻在跑道池反應器內培養(yǎng)、CO2利用、藻液過濾吸收和藻粉烘干收獲運行模式圖。由圖1可見：

圖1 螺旋藻在跑道池內固碳培養(yǎng)運行模式和CO2利用圖Fig.1 Schematic diagram of Spirulina biomass cultivation and CO2 gas utilization at raceway ponds

1)跑道池中螺旋藻藻液在第4 d培養(yǎng)期，將跑道池中一半體積的藻液經過靜置除沙池沉降凈化，然后通過過濾篩絹(孔徑約40 μm)進行過濾收獲，在該階段的螺旋藻細胞密度較高，NaHCO3質量濃度較低；

2)過濾后的(低藻細胞密度、低NaHCO3質量濃度)藻液通過管道與氣化后的CO2氣體在曝氣器中混合反應，氣化后的CO2氣體具有0.2～0.3 MPa的壓力，曝氣器上布滿微孔可降低CO2氣泡直徑，從而促進CO2氣體與Na2CO3反應產生NaHCO3；

3)反應后的(低藻細胞密度、高NaHCO3質量濃度)微藻循環(huán)液作為新鮮培養(yǎng)基進入下一輪培養(yǎng)周期；

4)經篩絹過濾后的藻液通過噴霧干燥機和封裝機烘干封裝，得到食品級螺旋藻粉產品。

1.2 編制網式曝氣器研制

為提高CO2氣體與循環(huán)液中高質量濃度Na2CO3在短時間內(通常為幾毫秒)的反應速率，在CO2氣體與循環(huán)液混合區(qū)域布置微米曝氣器產生微氣泡是一種經濟高效的方式。目前在螺旋藻產業(yè)園中最流行的曝氣器形式是曝氣條式曝氣器，該曝氣器為橡膠條材質，通過機械打孔控制孔徑為0.7～1.0 mm。

本文研制了一種編制網式曝氣器以降低CO2氣泡生成直徑，提高CO2吸收速率。該編制網式曝氣器為不銹鋼3層變孔編制網結構，其中，第1層為橫向矩形編織網(孔徑為300～500 μm)，第2 層為縱向矩形編織網(孔徑為100～150 μm)，第3 層為圓孔曝氣層(孔徑為10～20 μm)。通過法蘭與曝氣器布置區(qū)域兩側連接。實際運行時，所有過濾后的循環(huán)液均需通過曝氣器與CO2氣體反應后再次回流至跑道池中。

2 藻液中無機碳濃度及螺旋藻光化學效率測試

2.1 藻液中無機碳濃度測試

藻液中Na2CO3和NaHCO3質量濃度采用雙指示劑法進行測試[16?17]。測試時，吸取10 mL 過濾的藻液于100 mL 錐形瓶中加1 滴酚酞指示劑，用0.1 mol/L的H2SO4標液滴定至無色，記此時消耗的H2SO4標液的體積為V1(CO2-3+H+→HCO-3)。再加2滴甲基橙指示劑用0.1 mol/L的H2SO4標液滴定由黃變?yōu)槌壬?，記此時消耗的H2SO4標液的體積為V2(HCO-3+H+→CO2+H2O)。則藻液中Na2CO3和NaHCO3質量濃度為

ρ(Na2CO3)=c×V1×w/10，

ρ(NaHCO3)=c×(V2?V1)×w/10。

式中：ρ為質量濃度，g/L；c為H+濃度，即0.2 mol/L；w為質量分數(shù)，每次測試至少重復2次。

2.2 藻絲螺距和藻絲長度測試

實驗過程中藻絲形態(tài)、藻絲螺距和藻絲長度通過顯微鏡(XSP-8CA，中國)觀察。藻絲長度為螺旋藻藻絲的總長度，螺旋藻藻絲為波浪形狀，具有典型的波峰波谷，藻絲螺距為相鄰波峰(波谷)之間的距離。測試前通過目微尺(C1)標定顯微鏡的實際刻度，通過ISCaptue 軟件進行測試，樣品選取盡可能保持大小均勻，藻絲無壞死現(xiàn)象，為保證數(shù)據的準確性，每組數(shù)據至少重復100次。

2.3 螺旋藻光化學效率測試

采用螺旋藻細胞暗適應下PSII 的最大量子產額和單位反應中心吸收的光能表征螺旋藻細胞生長過程中光化學效率[18]。本文使用植物效率分析儀(Handy PEA，Hansatech，英國)測試螺旋藻細胞的葉綠素OJIP 熒光誘導動力學曲線，每秒連續(xù)記錄10 萬次熒光蹤跡數(shù)據。根據OJIP 熒光曲線可直接讀出最大量子產額和單位反應中心吸收光能。測試前將螺旋藻細胞暗適應10～15 min，然后在黑暗條件下快速測試，對每個樣品每種狀況至少重復2次。

螺旋藻細胞生物質干重采用過濾法測試[1]。測試時，取1 L 藻液用39 μm 孔徑篩絹過濾，用去離子水清洗3 遍，于90 ℃烘干24 h 至恒質量，稱質量計算得到生物質質量濃度，每組測試重復2次。

3 結果與討論

3.1 編制網曝氣器提高藻循環(huán)液NaHCO3 質量濃度

曝氣器內所發(fā)生的反應主要為Na2CO3+CO2+H2O→2NaHCO3，該反應與反應壓力、CO2氣泡直徑和反應時間等有直接關系。反應壓力受CO2儲罐罐體壓力所控制，反應壓力越大，反應速率越快。然而，過大反應壓力會造成管道連接不穩(wěn)定，因此，為提高循環(huán)液中NaHCO3質量濃度促進螺旋藻細胞生長，降低CO2氣泡生成直徑、延長反應時間是最經濟、可行且高效的方式。本文研制的編制網式曝氣器通過不銹鋼三層變孔編織，使得曝氣器孔徑降低至10～20 μm，從而提高了循環(huán)液中NaHCO3質量濃度。

圖2所示為跑道池內循環(huán)液與CO2氣體在編制網曝氣器和曝氣條中反應后NaHCO3質量濃度，由圖2可見：采用曝氣條式曝氣器反應后NaHCO3質量濃度從2.7 g/L 升高至3.4 g/L，Na2CO3質量濃度從9.4 g/L 降低至9.3 g/L，而采用編制網曝氣器反應后NaHCO3質量濃度從2.7 g/L 升高至3.7 g/L，Na2CO3質量濃度從9.4 g/L 降低至9.2 g/L。相較于曝氣條式曝氣器，在編制網曝氣器內NaHCO3質量濃度從0.7 g/L 提高至1.0 g/L，提升了43%，而Na2CO3質量濃度從0.1 g/L 提高至0.2 g/L。由此可見，編制網曝氣器可有效促進CO2氣體與Na2CO3的反應。其主要原因在于編制網曝氣器的微小孔徑大幅度降低了CO2氣泡的直徑(第1層提供橫向剪切力，第2層提供縱向剪切力，最后圓孔曝氣層提供氣泡剪切作用)，從而增加了CO2分子與CO2-3離子的接觸時間，延長了反應時間，進而增大了反應效率。而反應后的高NaHCO3質量濃度循環(huán)液在跑道池中充分混合后，由于跑道池中仍有一半體積藻液，因此，NaHCO3質量濃度會有所下降，Na2CO3質量濃度會有所上升。

圖2 跑道池內循環(huán)液與CO2氣體在編制網曝氣器和曝氣條中反應后NaHCO3質量濃度Fig.2 NaHCO3 mass concentration after reaction of circulatory solution with CO2 gas at staggered woven mesh and rubber aerator

3.2 編制網曝氣器對藻液NaHCO3 質量濃度的影響

反應后的循環(huán)液與跑道池中保有的藻種體積的一半充分混合后開啟下一周期的螺旋藻培養(yǎng)。在自然界的長期進化過程中，由于空氣中CO2含量較低，無法滿足細胞機體對碳的需求量，螺旋藻等微藻細胞體內進化出“碳濃縮機制(CCM)”[19?24]，即利用細胞體外的NaHCO3或Na2CO3作為補充碳源以滿足機體生長所需碳源。螺旋藻細胞通過膜上碳酸酐酶(CA)將HCO-3轉運至細胞內，然后穿過類囊體膜轉化為CO2分子，最后被羧酶體(carboxysomes)[23]中的Rubisco 酶[22?24]固定參與到卡爾文循環(huán)中。在這一過程中，螺旋藻培養(yǎng)液中的HCO-3被源源不斷吸收，同時釋放出OH?(其具體機制尚有待考究)，產生的OH?導致藻液中的CO2-3質量濃度逐漸增大，其主要反應式為HCO-3+OH?→CO2-3+H2O。

圖3(a)所示為螺旋藻細胞接種后，跑道池培養(yǎng)過程中，藻液NaHCO3和Na2CO3質量濃度變化。由圖3(a)可見：螺旋藻細胞在跑道池中培養(yǎng)過程中，藻液中NaHCO3質量濃度逐漸降低，而Na2CO3質量濃度逐漸升高。特別注意的是，在72 h 培養(yǎng)周期內，在未補充CO2以前，NaHCO3質量濃度從2.4 g/L降低至1.7 g/L，采用曝氣條曝氣器補充CO2以后，NaHCO3質量濃度從2.8 g/L 降低至2.1 g/L，而采用編制網曝氣器補充CO2以后，NaHCO3質量濃度從3.1 g/L 降低至2.0 g/L。相應地，在未補充CO2以前，Na2CO3質量濃度從9.6 g/L升高至10.2 g/L，采用曝氣條曝氣器補充CO2以后，Na2CO3質量濃度從9.4 g/L 升高至9.8 g/L，而采用編制網曝氣器補充CO2以后，Na2CO3質量濃度從9.3 g/L 升高至9.6 g/L。這與圖2所示結果相吻合，補充CO2以后，藻液中初始NaHCO3質量濃度上升，而更小孔徑的微米級編制網曝氣器有利于微米級CO2氣泡的產生，從而提高接種后藻液中的初始NaHCO3質量濃度。較高的初始NaHCO3質量濃度導致螺旋藻細胞生長速率加快，進而導致藻液中NaHCO3質量濃度消耗速率加快，因而，編制網曝氣器跑道池內初始NaHCO3質量濃度最高，同時，NaHCO3消耗速率也最快。

3.3 編制網曝氣器對藻絲螺距和藻絲長度的影響

螺旋藻細胞在跑道池培養(yǎng)過程中，編織網曝氣器造成培養(yǎng)液中初始NaHCO3和Na2CO3質量濃度不同，從而對螺旋藻藻絲螺距和長度產生影響[25?26]，如圖3(b)所示。螺旋藻細胞在跑道池內培養(yǎng)過程中，螺旋藻藻絲螺距和藻絲長度均逐漸增大，在72 h培養(yǎng)周期內，在未補充CO2以前，藻絲螺距從71 μm提高至89 μm，藻絲長度從703 μm提高至875 μm。采用曝氣條曝氣器補充CO2以后，藻絲螺距和長度分別提高至92 μm 和876 μm。而采用編制網曝氣器補充CO2以后，藻絲螺距和長度分別提高至107 μm 和983 μm。由此可見，相較于曝氣條曝氣器，采用編制網曝氣器補充CO2后在跑道池中培養(yǎng)的螺旋藻藻絲螺距和長度在培養(yǎng)72 h后分別提高了16%和12%。

圖3 跑道池內培養(yǎng)螺旋藻過程中藻絲生長的光合作用及營養(yǎng)鹽消耗變化規(guī)律Fig.3 Law variation of photosynthesis of microalgal trichome and nutrients consumption in the Spirulina cultivation at the raceway ponds

如前所述，編制網曝氣器的微米級孔徑導致CO2氣泡直徑減小，從而促進了CO2與Na2CO3的反應，導致藻液中初始NaHCO3質量濃度升高。充分供應碳源促進了螺旋藻細胞的暗反應，導致細胞內積累了更多的營養(yǎng)物質，進而加速細胞分裂，導致螺旋藻藻絲長度增加，而光合暗反應的促進引起藻細胞對于ATP和NADPH的需求增加，進而導致光反應速率增加。通過增加藻絲螺距，增大藻細胞內類囊體膜與光量子的接觸面積，進而促進光反應[27]。因此，采用編制網曝氣器補充CO2后，相較于曝氣條曝氣器，藻絲螺距和長度均有所增加。

3.4 編制網曝氣器對螺旋藻細胞光合速率的影響

編制網曝氣器和曝氣條曝氣器造成跑道池內藻液的初始NaHCO3質量濃度提升，從而提高了螺旋藻細胞光合作用能力。由如圖3(c)可見：在72 h培養(yǎng)周期內，在未補充CO2以前，螺旋藻細胞暗適應下PSII最大量子產率從0.32增加至0.51，單位反應中心吸收光能從4.4增加至5.1。采用曝氣條曝氣器補充CO2以后，暗適應下PSII 最大量子產率從0.36 增加至0.52，單位反應中心吸收光能從5.8 增加至8.2。采用編制網曝氣器補充CO2后暗適應下PSII最大量子產率從0.48增加至0.63，單位反應中心吸收光能從5.3 增加至10.5。相較于曝氣條曝氣器，采用編制網曝氣器補充CO2后的循環(huán)液在跑道池中培養(yǎng)的螺旋藻細胞，在培養(yǎng)72 h 后，暗適應下PSII 最大量子產率和單位反應中心吸收光能分別提高了21%和28%。

最大量子產率亦稱為最大PSII光能轉換效率，增加藻絲螺距導致螺旋藻細胞內天線色素的受光面積增加[28?29]，從而可能導致螺旋藻細胞的單位反應中心吸收光能和最大PSII 光能轉換效率增加。另一方面，供應充足的NaHCO3碳源導致螺旋藻細胞的卡爾文循環(huán)反應速率增加，對ATP 的需求量增大，從而導致光合光反應速率增加，使單位反應中心吸收光能和最大PSII光能轉換效率增加。

3.5 編制網式曝氣器對螺旋藻生長速率的影響

在螺旋藻循環(huán)液中添加CO2與循環(huán)液中高質量濃度Na2CO3反應產生NaHCO3用于螺旋藻培養(yǎng)是一種行之有效的提高螺旋藻生長固碳速率的方式。采用編制網式微米級曝氣器可進一步提高螺旋藻生長固碳速率。如圖3(d)所示，在72 h 培養(yǎng)周期內，在未補充CO2以前，螺旋藻生物質質量濃度從0.15 g/L 增加至0.39 g/L，而采用曝氣條曝氣器和編制網曝氣器補充CO2以后，螺旋藻生物質質量濃度分別增加至0.41 g/L和0.45 g/L，分別提高了5%和15%。這是由于曝氣器產生的微氣泡可提高CO2與Na2CO3的反應時間，從而產生更多的NaHCO3，進而提高了跑道池中接種液的碳源質量濃度，由于微藻細胞的碳濃縮機制，螺旋藻細胞可優(yōu)先利用HCO-3離子，高質量濃度NaHCO3藻液促進了螺旋藻細胞的卡爾文循環(huán)，為滿足光合暗反應所需的光能，螺旋藻藻絲的藻絲螺距和藻絲長度增加，螺旋藻細胞的單位反應中心吸收光能和最大PSII光能轉換效率增加，從而導致螺旋藻生物質密度增加。

藻液pH 隨著螺旋藻生物質質量濃度增加而升高，這主要是螺旋藻細胞生長過程中產生的OH?引起的。編制網式微米級曝氣器反應后的螺旋藻液pH相較于未補充CO2前普遍偏低，這與NaHCO3質量濃度有關，NaHCO3質量濃度越大，藻液pH 越低(純NaHCO3溶液pH為8.4)。

4 應用前景展望

該編制網式曝氣器在螺旋藻的規(guī)?；囵B(yǎng)中具有廣闊的應用前景。相較于通過曝氣器在跑道池中直接曝氣補充CO2形式，在進入跑道池前的循環(huán)液中通入CO2與Na2CO3反應，將氣態(tài)的碳轉化為液態(tài)的碳用于螺旋藻細胞的生長，無論從反應效率上還是從CO2利用率上均有較大提高。而傳統(tǒng)的曝氣條式曝氣器受作業(yè)方式的限制，孔徑最小可達0.7 mm，所產生的CO2氣泡通常為1.0 mm 以上，不利于CO2與Na2CO3反應。編制網式曝氣器通過不銹鋼鋼絲的3 層編制，出口孔徑為10～20 μm，可使得CO2氣泡受到多層剪切，大幅延長了CO2與Na2CO3的反應時間，從而提高了螺旋藻的生物質質量濃度。從實際應用看，編制網式曝氣器安裝簡單，不易塞孔，具有廣闊的應用前景。

5 結論

1)研制了一種編制網式曝氣器產生微米級CO2氣泡，編制網曝氣器的微小孔徑大幅度降低了CO2氣泡的生成直徑(第1層提供橫向剪切力，第2層提供縱向剪切力，最后圓孔曝氣層提供氣泡剪切作用)，從而增加了CO2分子與CO2-3離子的反應時間，導致螺旋藻過濾采收后循環(huán)液中NaHCO3質量濃度提升，相較于傳統(tǒng)曝氣提高了43%，進而提高了螺旋藻的生長固碳速率。

2)采用在編制網曝氣器補充CO2后的循環(huán)液作為新鮮培養(yǎng)液培養(yǎng)螺旋藻72 h，由于藻液中初始NaHCO3質量濃度升高，充分供應碳源促進了螺旋藻細胞的暗反應，導致細胞內積累了更多的營養(yǎng)物質，進而加速了細胞分裂，螺旋藻藻絲長度增加，而光合暗反應引起藻細胞對于ATP 和NADPH 的需求增加，進而導致光反應速率增加，從而使得螺旋藻藻絲螺距和長度分別提高了16%和12%。

3)采用編制網曝氣器補充CO2后，供應充足的NaHCO3碳源導致藻細胞的卡爾文循環(huán)反應速率增加，對ATP 的需求量增大，從而導致光合光反應速率增加，螺旋藻藻細胞單位反應中心吸收光能提高了28%，螺旋藻生物質質量濃度相較于未補充CO2提高了15%。