微藻光合固碳技術(shù)及相應(yīng)光生物反應(yīng)器的研究進(jìn)展

汪 晨，孫進(jìn)童，趙長(zhǎng)寧，劉偲嘉，葉 璟，侯梅芳，劉超男，許文武

（1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，上海 201418；2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 生態(tài)技術(shù)與工程學(xué)院，上海 201418；3.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 軌道交通學(xué)院，上海 201418）

碳排量與日俱增，導(dǎo)致溫室效應(yīng)、極端氣候和生態(tài)惡化等環(huán)境問(wèn)題日漸嚴(yán)重[1-2]。二氧化碳（CO2）的減排與控制已成為亟待解決的全球性問(wèn)題[3]。針對(duì)中國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略，急需發(fā)展經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和高效的CO2固定技術(shù)。碳捕集、利用和封存是實(shí)現(xiàn)“碳中和”的核心技術(shù)，主要包括物理法（物理吸附法、溶劑吸收法和膜吸附法）[4-5]、化學(xué)法（溶劑吸收法、吸附法、固定技術(shù)、離子液體法、電化學(xué)法和O2/CO2燃燒法）[4-10]和生物法（植物、微藻和菌類光合固碳）[4,6,11]等。物理法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，化學(xué)法較為安全持久，但兩者所需成本都很高。生物法中，微藻固碳性能最強(qiáng)，全球每年超過(guò)40%的CO2被微藻吸收，微藻合成1.00 kg生物質(zhì)可利用約1.83 kg CO2[12]，具有綠色可持續(xù)、穩(wěn)定高效的優(yōu)勢(shì)，為應(yīng)對(duì)全球氣候變化開(kāi)辟了一條新穎而有效的固碳道路。

如今對(duì)微藻固碳的研究集中在篩選優(yōu)良藻種、基因工程研究、培養(yǎng)條件優(yōu)化、光生物反應(yīng)器（PBR）研究和光合固碳并聯(lián)產(chǎn)高附加值產(chǎn)物5 個(gè)方面[7,13-14]。微藻的培養(yǎng)方式雖然很多，但微藻采收成本高、培養(yǎng)時(shí)的光分布不均、高效性能PBR 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)困難等瓶頸仍未解決。因此，微藻的培養(yǎng)技術(shù)及PBR的設(shè)計(jì)仍有極大研究?jī)r(jià)值[14]。

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外微藻固碳技術(shù)及微藻生物質(zhì)資源應(yīng)用進(jìn)行梳理，著重介紹在工程領(lǐng)域、微藻大規(guī)模培養(yǎng)的影響因子和培養(yǎng)條件，及高效光合固碳反應(yīng)器等方面的研究現(xiàn)狀，并針對(duì)微藻固碳技術(shù)及反應(yīng)器的應(yīng)用可行性和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討，期望為助推中國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略和全球低碳綠色進(jìn)程提供參考。

1 微藻光合固碳原理及生物質(zhì)應(yīng)用

微藻為單/多細(xì)胞光合自養(yǎng)生物，細(xì)胞整體形態(tài)微小且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，已探明藻種超4 × 104種，全世界分布廣泛[12]。微藻可固定的CO2常見(jiàn)來(lái)源包括，（1）大氣，CO2體積分?jǐn)?shù)約為0.0387%；（2）工業(yè)廢氣和交通運(yùn)輸排放的氣體；（3）水體中的可溶性碳酸鹽（Na2CO3、NaHCO3）等化學(xué)形式所固定的CO2[15]。

1.1 微藻光合固碳原理

1.1.1 CO2濃縮機(jī)制

微藻固碳（圖1）主要基于一種細(xì)胞的CO2濃縮機(jī)制（CCM），其依賴于多種無(wú)機(jī)碳吸收系統(tǒng)，CCM可以增加提供給核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）的CO2濃度[16]。Rubisco 只與CO2發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)其達(dá)到飽和，另一種碳酸酐酶被用來(lái)將H2CO3和HCO3-轉(zhuǎn)化為CO2，從而轉(zhuǎn)變?yōu)樯镔|(zhì)。秦燕等[17]發(fā)現(xiàn)，衣藻細(xì)胞中的活性無(wú)機(jī)碳（Ci）、HCO3-對(duì)于CCM 本身起到重要作用。藍(lán)藻是一種光合需氧自養(yǎng)的原核生物，以卡爾文循環(huán)在光合作用下固定CO2。其CCM中存在可誘導(dǎo)無(wú)機(jī)碳質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，硅氧烷體離心技術(shù)更直接證明藍(lán)藻可在細(xì)胞內(nèi)累積活性Ci，在CCM過(guò)程中產(chǎn)生大量Ci進(jìn)行跨膜流動(dòng)，細(xì)胞胞液中的Ci 主要以HCO3-形式存在，其主動(dòng)運(yùn)輸起到了重要作用。

圖1 微藻固碳過(guò)程示意[17]Fig.1 Schematic diagram of microalgae carbon fixation process[17]

1.1.2 卡爾文循環(huán)

氧化型的三羧酸（TCA）循環(huán)需要正向進(jìn)行，而CO2的固定則須反向進(jìn)行，由此產(chǎn)生了一種固定CO2的新機(jī)制，即卡爾文-本森-巴沙姆（CBB）循環(huán)或光合碳循環(huán)（圖2）。

圖2 卡爾文循環(huán)示意[13]Fig.2 Schematic diagram of Calvin cycle[13]

CBB 是一種可使碳以CO2分子形態(tài)進(jìn)入，以糖的形態(tài)離開(kāi)該循環(huán)之后再生的新陳代謝過(guò)程。能量來(lái)源來(lái)自腺嘌呤核苷三磷酸（ATP），還原型輔酶Ⅱ（NADPH）的消耗，是通過(guò)降低能階實(shí)現(xiàn)的，從而產(chǎn)生更多高能電子以合成糖分[18]。CCB 是光能自養(yǎng)及化能自養(yǎng)生物同化CO2的共同主要途徑（還原戊糖磷酸/C3途徑），廣泛存在于植物、真核藻類及自養(yǎng)原核生物中[19]。該循環(huán)的發(fā)生場(chǎng)所為葉綠體基質(zhì)，Rubisco酶可以決定碳同化速率，催化核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）與CO2發(fā)生羧化，進(jìn)而完成CO2固定過(guò)程。因此，為增強(qiáng)微藻的固碳能力，可通過(guò)提高其表達(dá)量實(shí)現(xiàn)。WEⅠ等[20]在海洋微擬球藻中過(guò)表達(dá)了一種預(yù)選Rubisco 活化酶，在CO2濃度（體積分?jǐn)?shù)）0.04%條件下，可將生長(zhǎng)速率提高32%、生物質(zhì)濃度提高46%，增強(qiáng)了細(xì)胞固碳能力。CCB的發(fā)現(xiàn)確定了氧化型三羧酸循環(huán)真實(shí)目的，明確了分離生物固碳以及氧化有機(jī)物的過(guò)程機(jī)制。

1.2 微藻固碳技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

微藻類似于一個(gè)持續(xù)高效固碳的微小工廠，相比傳統(tǒng)方法獨(dú)具優(yōu)勢(shì)：（1）可直接轉(zhuǎn)化利用太陽(yáng)能，節(jié)能[5,7]；（2）能耐受多種極端環(huán)境，不占耕地[21]；（3）儲(chǔ)光能效率和光合固碳效率高于陸生植物的10 倍以上[15]；（4）生長(zhǎng)速率快，繁殖速度遠(yuǎn)快于高等植物；（5）可循環(huán)利用CO2[15]，環(huán)境友好；（6）可利用工廠煙道廢氣和尾氣為無(wú)機(jī)碳源，利用生活污水及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢水作為微藻培養(yǎng)的營(yíng)養(yǎng)源，低成本培養(yǎng)耦合處理廢水[2,22-24]。

1.3 微藻固碳生物質(zhì)的應(yīng)用

微藻固碳生物質(zhì)資源可利用領(lǐng)域見(jiàn)圖3。在吸收CO2后，通過(guò)自身光合機(jī)制將CO2轉(zhuǎn)化為糖類、脂質(zhì)與蛋白等組分，進(jìn)一步分離提取后，還可制成多種具有高附加值的產(chǎn)品。微藻生物有機(jī)質(zhì)含大量的碳、氫元素，可被轉(zhuǎn)化為柴油、甲烷和乙醇等多種重要化工能源產(chǎn)品[12,25-26]。小球藻和螺旋藻等能積累高質(zhì)量蛋白質(zhì)，富含人類必需氨基酸，分布也較均衡，是可作為替代的蛋白質(zhì)來(lái)源[27]；又可添加到豬、兔、魚(yú)等的飼料中，以提高體重和繁殖率[28-29]；褐藻等藻類中多糖具有優(yōu)良生物活性，已被廣泛應(yīng)用于功能食品等領(lǐng)域中。微藻還能合成多不飽和脂肪酸、活性肽等[30]具有抗炎、抗癌、抗生素活性及免疫反應(yīng)的稀有生物活性化合物，可添加在藥品與個(gè)人護(hù)理品中[31]。環(huán)保領(lǐng)域中，可利用其處理廢水和作土壤改良劑[32-33]。微藻固碳已成為一種經(jīng)濟(jì)可行、環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展的天然減排手段，且在各領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，對(duì)緩解溫室效應(yīng)具有重要意義[34]。

圖3 微藻生物資源應(yīng)用Fig.3 Application of microalgae biological resources

2 影響微藻光合固碳效率的因素

2.1 藻種和CO2濃度

實(shí)際上，微藻介導(dǎo)的光合固碳過(guò)程要進(jìn)行大規(guī)模碳固定和減排仍存在一定困難。微藻種類眾多，在不同環(huán)境條件下表現(xiàn)出的CO2固定效率差異較大，其中藍(lán)球藻Cyanidium caldarium的碳捕集效率最高可達(dá)100%[33]。ZHAO等[35]研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)微藻所固定的CO2需保持在一定濃度（0.038%~10.000%）范圍內(nèi)。濃度太低不能滿足生產(chǎn)要求，相反則過(guò)量CO2擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，會(huì)發(fā)生水解產(chǎn)生H+與HCO3-，引起胞內(nèi)酸化，影響碳酸酐酶活性及CCM，致使藻細(xì)胞生長(zhǎng)速度變緩，降低其光合固碳效率，毒害藻細(xì)胞[36]。因此，還需進(jìn)一步篩選、誘導(dǎo)馴化，或借助基因工程等手段，得到可耐受高濃度CO2、抗逆性強(qiáng)、生長(zhǎng)速率快的，同時(shí)進(jìn)行高效光反應(yīng)的藻株。研究發(fā)現(xiàn)，杜氏鹽藻、微擬球藻等可以耐受15%~40%濃度的CO2[37]。生存在極端環(huán)境下的被甲柵藻可以耐受60%濃度的CO2[38]。小球藻.UK001可在40%濃度的CO2中生存，還可從高濃度CO2環(huán)境下直接轉(zhuǎn)為在空氣中培養(yǎng)[39]。典型燃燒廢氣的CO2濃度一般在10%以上，理論上能滿足微藻大規(guī)模生產(chǎn)需要，而上游分離成本較高，可將煙道氣直接通入微藻培養(yǎng)系統(tǒng)[40]。

2.2 光照

光照是藻類最普遍的能量來(lái)源和顯著影響其生長(zhǎng)的因素。當(dāng)光照是唯一限制因子時(shí)，微藻生物量產(chǎn)率與光轉(zhuǎn)化效率之間呈正相關(guān)。微藻生長(zhǎng)所需光照強(qiáng)度遠(yuǎn)低于高等植物。SANTOS 等[41]培養(yǎng)柵藻與小球藻時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩種藻所需飽和光強(qiáng)均在200 μmol/(m2·s)左右，而在光強(qiáng)增加一倍的過(guò)程中，微藻活性也隨之增加。不同微藻的光強(qiáng)飽和度范圍不同，高于光強(qiáng)飽和度，光合速率不再增加，CO2的吸收反而受抑制[42]，會(huì)阻礙微藻的固碳效率[43]。微藻的光合效率也受光照周期的影響[44]。當(dāng)采用藍(lán)光和紅光對(duì)微藻提供光照，將比例設(shè)置為50:50、光強(qiáng)設(shè)定為400 μmol/(m2·s)、光/暗周期為18 h/6 h 時(shí)，最適于藻細(xì)胞生長(zhǎng)[45]。微藻生長(zhǎng)率與光照時(shí)間在一定范圍內(nèi)成正比，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，微藻不會(huì)再增殖，碳固定能力顯著降低[46]。光波長(zhǎng)也會(huì)對(duì)微藻生長(zhǎng)造成影響，其中白光條件最有利于普通小球藻細(xì)胞生長(zhǎng)，碳固定效率最高，可達(dá)11.4 mg/(L·d)[47]。

2.3 溫度

微藻細(xì)胞形態(tài)和生理反應(yīng)會(huì)受到溫度的調(diào)節(jié)。不同微藻的最適生長(zhǎng)溫度不同，一般在15~35 °C之間，過(guò)高溫度一般會(huì)抑制微藻代謝和呼吸，而低溫則抑制Rubisco酶活性、光合作用效率和生長(zhǎng)[48]。光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）是一種色素蛋白復(fù)合體[36]，易熱敏感，高溫時(shí)其活性會(huì)被抑制，光合、呼吸作用也受到影響。高溫不僅會(huì)直接導(dǎo)致其光合系統(tǒng)損傷，而且會(huì)影響光合電子傳遞與光合磷酸化等過(guò)程[49-50]。研究證明，溫度太高會(huì)影響微藻的光合放氧速率，同時(shí)使得固碳速率（FD）和能力降低[51-52]。

2.4 pH

多數(shù)藻種在中性培養(yǎng)體系中生長(zhǎng)最好，少數(shù)藻種可耐受極端pH。鈍頂螺旋藻和斜生柵藻耐受pH達(dá)到9.0以上[53]，眼蟲(chóng)藻耐受pH甚至低至3.5[54]。培養(yǎng)體系的CO2、H2CO3、HCO3-和CO32-之間存在化學(xué)平衡，pH 大小與CO2的濃度，或溶解無(wú)機(jī)碳形態(tài)之間關(guān)聯(lián)復(fù)雜。若其濃度增加，微藻生產(chǎn)力可能會(huì)提高，但體系pH 也會(huì)降低，或?qū)ξ⒃瀹a(chǎn)生毒副作用。中性條件下的蛋白核小球藻與萊茵衣藻的胞外碳酸酐酶活性、葉綠素a含量和實(shí)際光合效率，顯著高于酸或堿性條件[55]。微藻光合系統(tǒng)中的pH-NH3互相進(jìn)行電子傳遞，并在氧化過(guò)程中參與和水分子的競(jìng)爭(zhēng)，在體系中生成NH4+與NH3，并釋放O2。微藻有最適生長(zhǎng)的pH 范圍，超過(guò)該范圍會(huì)抑制Rubisco酶的活性或改變細(xì)胞膜通透性，間接影響細(xì)胞對(duì)無(wú)機(jī)鹽的吸收同化，嚴(yán)重影響微藻固碳效率。

2.5 營(yíng)養(yǎng)元素

碳元素是生物的首要元素，在藻細(xì)胞中碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)近50%，通常以CO2、CO32-或HCO3-這3 種形式被輸入。氮是生物蛋白質(zhì)與核酸的重要組成元素之一，直接影響微藻的初級(jí)代謝。氮源形式不同，微藻的代謝機(jī)制和生長(zhǎng)情況也不同[56]。在常見(jiàn)氮源（NaNO3、NH4HCO3和CO(NH2)2）中，CO(NH2)2最有利于類波氏真眼點(diǎn)藻細(xì)胞生長(zhǎng)及油脂積累[57]。磷是生物生長(zhǎng)必需的第三號(hào)營(yíng)養(yǎng)元素，是形成ATP、（脫氧）核糖核酸和細(xì)胞膜的必要元素。萊茵衣藻在受磷限制時(shí)，胞內(nèi)光合磷酸化水平會(huì)降低，CCB效率、ATP和NADPH及NADP+的合成均受到影響，從而影響光系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ，導(dǎo)致光合放氧速率降低[58]。微藻吸收不了體系中全部含磷化合物，通常會(huì)在培養(yǎng)過(guò)程中添加過(guò)量磷酸。為提高培養(yǎng)效率，一般還會(huì)添加一些鐵、鎂、鈣、錳、鋅、銅和維生素等微量元素。

通入CO2的流量、頻率和傳質(zhì)速度，及溶解氧濃度等，也可直接影響微藻固碳性能。目前，仍未形成最優(yōu)的微藻培養(yǎng)方案。此外，PBR的結(jié)構(gòu)改造也需要研究者們重點(diǎn)關(guān)注。

3 光生物反應(yīng)器

20 世紀(jì)50 年代，PBR 的概念被首次提出，即能夠培養(yǎng)光合藻類，或具有光合能力的細(xì)胞或組織的裝置[59]。在實(shí)際生產(chǎn)中要提高微藻固碳能力，主要有生物技術(shù)與工程化兩種手段。生物技術(shù)包括篩選和馴化固碳性能優(yōu)良的藻種，以及應(yīng)用基因工程技術(shù)去改造藻細(xì)胞。由于轉(zhuǎn)基因飼料與食品等領(lǐng)域涉及倫理爭(zhēng)議和未知安全風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用存在較大限制。在工程化方面，包括最適培養(yǎng)條件和參數(shù)的優(yōu)化，及高效PBR的設(shè)計(jì)等。主流微藻戶外規(guī)?；囵B(yǎng)系統(tǒng)（懸浮式與固定化），及典型反應(yīng)器如圓形池塘、跑道池、平板式和管道式PBR 等已比較成熟。設(shè)計(jì)研發(fā)新型高效的反應(yīng)器和培養(yǎng)系統(tǒng)，是助推微藻規(guī)?；囵B(yǎng)和技術(shù)發(fā)展的重中之重。

3.1 懸浮式PBR

微藻懸浮培養(yǎng)和固定化培養(yǎng)，區(qū)別在于微藻反應(yīng)器中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。前者是目前最傳統(tǒng)，工業(yè)化和商業(yè)化程度最高的一種微藻培養(yǎng)方式。根據(jù)微藻培養(yǎng)介質(zhì)是否與外界環(huán)境直接接觸，又可分為開(kāi)放式和封閉式兩類（圖4）[54-56]。

圖4 開(kāi)放式與封閉式微藻培養(yǎng)系統(tǒng)[14,16]Fig.4 Open and closed microalgae cultivation systems[14,16]

水族箱、跑道式和圓形池塘等開(kāi)放式PBR，由于構(gòu)建簡(jiǎn)單、成本低廉、操作簡(jiǎn)便，使其在螺旋藻、小球藻及鹽藻的工業(yè)化培養(yǎng)中被廣泛應(yīng)用，用太陽(yáng)光作為光源，以環(huán)境中CO2作為碳源。為增加藻吸收光的效率和防止懸浮的藻細(xì)胞發(fā)生沉淀吸附，一般會(huì)在設(shè)備底部增設(shè)葉輪，利用其轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)推動(dòng)藻液循環(huán)和混合。

封閉式PBR一般在密閉容器中接種藻，并在人工封閉環(huán)境下進(jìn)行培養(yǎng)。相比開(kāi)放式，培養(yǎng)條件更加穩(wěn)定，不受外界環(huán)境干擾，可實(shí)現(xiàn)無(wú)菌操作和高密度培養(yǎng)，節(jié)約土地[60-62]，已成為今后PBR的重要發(fā)展方向。根據(jù)幾何構(gòu)型，又可分為平板式、管道式與柱狀氣升式等類型，其結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖5。

圖5 3種封閉式PBR的結(jié)構(gòu)示意[13-14]Fig.5 Schematic diagrams of three types of closed PBR structures[13-14]

平板式PBR，形狀呈扁平長(zhǎng)方體狀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其外殼一般由玻璃等透明材料構(gòu)成，具有高的表面積和體積比，光傳播路線較短。1953年即有研究者用扁平培養(yǎng)瓶培養(yǎng)微藻[13]。1985年，出現(xiàn)了帶熒光燈的平板式PBR，次年，適宜戶外培養(yǎng)的硬聚氯乙烯材質(zhì)反應(yīng)器被成功開(kāi)發(fā)[13]。許波等[62]應(yīng)用平板式PBR 進(jìn)行缺刻緣綠藻的高密度培養(yǎng)，通氣量為1900 ml/L、采收率為20%時(shí)，生物量達(dá)5.15 g/L，F(xiàn)D（CO2）達(dá)1.38 g/(L·d)。目前，對(duì)平板式PBR的研究，主要是對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、供氣方式以及光照條件方面的改進(jìn)，外形上基本沒(méi)有改變。

管道式PBR，目前最普遍的一種封閉式PBR，主體一般用透明且孔徑較小的材料（玻璃或塑料等）構(gòu)成。通過(guò)將這些透明管道彎曲成不同形狀，可以使其水平排列，或呈螺旋狀環(huán)繞成圓筒狀等多種類型?；谄潇`活的排列方式，光照下在透明管道的反應(yīng)器中，微藻會(huì)獲得較高的光轉(zhuǎn)換效率，但也存在光照不均勻、氣液傳質(zhì)差以及管表面易附著微藻等問(wèn)題[14]。

柱狀氣升式PBR，一般是鼓泡柱式反應(yīng)器和氣升式反應(yīng)器兩種，后者是在前者基礎(chǔ)上改進(jìn)，主體一般是由透明材料制成的垂直放置的圓筒?？赏ㄟ^(guò)加裝的鼓泡或氣升裝置，以氣體促進(jìn)藻液循環(huán)，與管道式PBR一樣，不需攪拌。這種設(shè)計(jì)有利于設(shè)備中氣、液、固三相間相互流動(dòng)，顯著增強(qiáng)微藻細(xì)胞的光能利用效率和內(nèi)部傳質(zhì)效率，也可防止培養(yǎng)體系中發(fā)生溶解氧過(guò)飽和的問(wèn)題[63]。KAEWPⅠNTONG 等[61]比較了鼓泡式和雙內(nèi)環(huán)流氣升式PBR 對(duì)雨生紅球藻的培養(yǎng)效果，在氣體流速0.4~3.0 cm/s 時(shí)，后者的藻密度和比生長(zhǎng)速率均高于鼓泡式。GE 等[64]用單內(nèi)環(huán)流氣升式PBR 培養(yǎng)布朗葡萄藻，CO2濃度為20%時(shí)，生物量最大達(dá)到2.32 g/L。

表1比較了幾種反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)和局限。封閉式PBR 相比傳統(tǒng)開(kāi)放式微藻培養(yǎng)系統(tǒng)具有更多顯著的優(yōu)勢(shì)，要實(shí)現(xiàn)規(guī)?；囵B(yǎng)，材料和成本問(wèn)題是限制反應(yīng)器應(yīng)用的主要方面。

表1 4種主流PBR的特點(diǎn)[14,16,60]Table 1 Characteristics of four mainstream PBRs[14,16,60]

3.2 固定化培養(yǎng)系統(tǒng)

雖然懸浮式培養(yǎng)系統(tǒng)已被廣泛采用，但由于其需要消耗大量的水資源和能源，且采收成本高，進(jìn)一步規(guī)?；l(fā)展受限。近年來(lái)，固定化培養(yǎng)越來(lái)越受到人們的重視。固定化是一種在適宜的環(huán)境下，通過(guò)物理、化學(xué)等手段對(duì)游離藻細(xì)胞進(jìn)行固定并保持其活力的一種生物技術(shù)。微藻固定化培養(yǎng)可以做到培養(yǎng)基與微藻兩者分離，這就為微藻的高密度培養(yǎng)提供了可能。可通過(guò)提高培養(yǎng)密度和數(shù)量，增加藻細(xì)胞與光的接觸面積，不僅提高了光合效率，還可方便采集，降低成本。微生物固定化培養(yǎng)方法主要有偶聯(lián)法、包埋法和吸附法[5,18]。各類型生物膜反應(yīng)器也已被設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)原理、形狀、材料的選取都有很大差異。目前已有多種微藻生物膜培養(yǎng)體系，包括平板式膜反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)式膜反應(yīng)器等，利用聚氯乙烯、玻璃等高分子物質(zhì)對(duì)生物膜進(jìn)行吸附形成[65]。不過(guò)這些技術(shù)大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，還無(wú)法擴(kuò)大工業(yè)生產(chǎn)，還有設(shè)計(jì)原理優(yōu)化、設(shè)備以及控制工藝等問(wèn)題需要解決。

3.3 反應(yīng)器應(yīng)用優(yōu)化及可行性

開(kāi)放式和封閉式PBR雖各有利弊，但從大規(guī)模培養(yǎng)和高效固碳等角度看，雖然開(kāi)放式成本較低，但產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法保證，且其極易受到外界氣候環(huán)境的影響，對(duì)生產(chǎn)限制比較大。而封閉式的培養(yǎng)條件受人工調(diào)控，受外界環(huán)境影響較小，且單位體積產(chǎn)率高，在應(yīng)用前景方面具有巨大的潛力。由此，后者才是未來(lái)發(fā)展的趨向。同時(shí)，后者也有培養(yǎng)規(guī)模小，反應(yīng)器難以放大以及成本較高等缺點(diǎn)，待進(jìn)一步優(yōu)化。

在眾多封閉式PBR中，平板式PBR的比表面積大，可以獲得更高的藻細(xì)胞密度以及光合作用效率[66]。另外，不僅可通過(guò)改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方式來(lái)增加光照，還可通過(guò)添加輔助設(shè)備提高培養(yǎng)液的循環(huán)效率。因此平板式PBR 成為目前最容易實(shí)現(xiàn)放大的封閉式PBR。一種簡(jiǎn)單的改進(jìn)方式是利用多級(jí)并聯(lián)或串聯(lián)的方式以提高空間利用率，如在多節(jié)隔板PBR的基礎(chǔ)上增加多級(jí)進(jìn)氣裝置，可顯著提高原平板式PBR 的混合與傳質(zhì)性能，利于微藻固定化[67]?；贚ED燈發(fā)熱量低、體積小、便于安裝，而且?guī)ёV在25 nm 左右，可便于選擇和調(diào)試微藻生長(zhǎng)的最適色光[68]。設(shè)計(jì)一種合理的混合式微藻培養(yǎng)方式，也有望成為今后的研究熱點(diǎn)，其是能將封閉式與開(kāi)放式的優(yōu)點(diǎn)合理結(jié)合的一種新型PBR。先利用封閉式不易受外界環(huán)境影響的優(yōu)勢(shì)大量培養(yǎng)藻種，為后續(xù)提供所需純?cè)宸N，之后在開(kāi)放式PBR 中進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，利用后者的規(guī)?；瘍?yōu)勢(shì)以期獲得更高產(chǎn)量，為生產(chǎn)具有高附加值生物質(zhì)產(chǎn)品提供條件。如中科院青島生物能源所設(shè)計(jì)的一種混合式PBR，利用水泵連接平板式PBR 和開(kāi)放池，做到了培養(yǎng)液在兩者之間周期性循環(huán)流轉(zhuǎn)，最終微藻培養(yǎng)的平均產(chǎn)率超過(guò)了17 g/(m2·d)，與單一開(kāi)放池的培養(yǎng)產(chǎn)率相比翻了一番，可以預(yù)見(jiàn)混合式PBR是極具潛力的發(fā)展方向。

為解決封閉式PBR成本高的問(wèn)題，需建立微藻能源產(chǎn)品與高附加值產(chǎn)品的多聯(lián)產(chǎn)體系[7]。后期高價(jià)值產(chǎn)品的收益不僅可解決前期成本問(wèn)題，還可使微藻資源利用達(dá)到最大化。微藻代謝產(chǎn)物如褐藻黃素、甘露醇、藻膽素、瓊脂和卡拉膠等[69-70]，在化工、飼料、醫(yī)藥和食品等方面都有廣泛應(yīng)用。微藻生物質(zhì)能方面，許多企業(yè)和機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了各種嘗試和實(shí)踐，并推廣應(yīng)用。殼牌公司聯(lián)合夏威夷HR 公司在一億公頃的海面培養(yǎng)海藻，以規(guī)模生產(chǎn)和收集生物質(zhì)燃料。1999 年，日本就資助了用微藻固定CO2的項(xiàng)目，同時(shí)進(jìn)行PBR相關(guān)研究[71]。中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司、中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司和中國(guó)科學(xué)院在2009 年聯(lián)合推進(jìn)微藻生物柴油技術(shù)系列研發(fā)項(xiàng)目，同步研究和設(shè)計(jì)相應(yīng)PBR[13]。這都說(shuō)明PBR 的研究對(duì)建立微藻能源產(chǎn)品和高值產(chǎn)品多聯(lián)產(chǎn)體系極其關(guān)鍵。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

微藻光合固碳技術(shù)在諸多碳捕集和固定技術(shù)中具有優(yōu)勢(shì)，極具發(fā)展前景。影響微藻固碳效率的因素很多，微藻PBR 的應(yīng)用和設(shè)計(jì)研究成熟，微藻固碳生物質(zhì)應(yīng)用廣泛。其主要面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)包括：（1）商業(yè)化程度不高，微藻普遍產(chǎn)量水平較低，PBR 培養(yǎng)時(shí)，在采收以及下游產(chǎn)品的生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中，須耗費(fèi)大量成本，因此高密度培養(yǎng)和收集是一個(gè)重大難題；（2）針對(duì)影響微藻光合固碳的因素繁多，需要從培養(yǎng)過(guò)程中的管理、營(yíng)養(yǎng)需求優(yōu)化及CO2利用等方面入手，綜合制定高效固碳的培育策略，在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的道路上還需進(jìn)一步發(fā)展與探究；（3）在藻類篩選培育或馴化之外，還需完成對(duì)現(xiàn)有PBR的進(jìn)一步升級(jí)和改造，設(shè)計(jì)出更適于生產(chǎn)需求的高效反應(yīng)器。

微藻固碳減排需大規(guī)模培養(yǎng)，采用封閉式PBR及其升級(jí)構(gòu)造，將成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)?？尚械拇胧┌ǎ海?）可通過(guò)改變平板式PBR 組成結(jié)構(gòu)或升級(jí)裝置，來(lái)彌補(bǔ)封閉式PBR難以放大的缺點(diǎn)；（2）研究封閉式光反應(yīng)器與開(kāi)放式PBR 相結(jié)合的混合式微藻培養(yǎng)方式；（3）建立微藻生物質(zhì)能源產(chǎn)品與高附加值產(chǎn)品的多聯(lián)產(chǎn)體系。此外，微藻固碳與藻-菌聯(lián)用處理污水技術(shù)的偶聯(lián)，使得碳減排、能源生產(chǎn)和污水處理等的經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性目標(biāo)得到驗(yàn)證，也可探索深化微藻固碳技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用模式。