水生所關於能源微藻用於工業煙氣生物脫硝的研究取得系列進展

国产v亚洲v天堂a氮氧化物(NOx)是化石燃料燃燒煙氣中所含的重要環境汙染物,主要以NO形式存在,是造成霧霾的重要“元兇”。傳統的煙氣脫硝方法能耗大,存在安全性問題並造成二次汙染。微藻生物量中氮元素含量高達細胞幹重的7-12%,其規模化培養可利用工業煙道氣中高濃度的氮氧化物(NOx)。通過能源微藻的培養,不僅可以脫去工業煙氣中的NOx,降低環境汙染,同時可以提供生物燃料的原料、生產高附加值產品(Zhang et al. 2014a;Chen et al. 2015;Zhu et al. 2016)。中國科學院水生生物研究所王強研究員學科組從2011年起與中國石化石油化工科學研究院合作,開展了“能源微藻應用於工業煙氣生物脫硝”的研究,取得了壹系列成果。?

国产v亚洲v天堂a  首先,基於工業煙氣生物脫硝中藻種對高濃度亞硝酸鹽耐受性及適應性的需要,開展了NOx高耐受性藻種篩選。研究發現,不同微藻藻種對高濃度NOx的耐受性具有種間特異性,而大多數小球藻屬種類對高濃度亞硝酸鹽具有良好的耐受性,進壹步的生理機制研究發現其適應性通過脅迫、適應和利用三個步驟實現(Li et al. 2016)。?

  隨後,通過利用自主發明的高效光生物反應器(中國發明專利,授權號201410063589.X)對小球藻在工業NOx環境下的生物脫硝能力進行了驗證,在獲得高生物量和細胞油脂含量的同時,達到60%的煙氣脫硝率,證明了微藻在工業煙氣生物脫硝領域的潛在應用價值(Zhang et al. 2014b)。提出了微藻生物脫硝、高附加值產品生產與生物柴油制備的聯合生產工藝Ver1.0 (中國發明專利,授權號201410063243.X)。?

  針對微藻光自養生長相對的低效率和工業煙氣減排的高需求之間的不匹配問題,進壹步開展了利用光合兼養培養方法進行煙氣生物脫硝的研究,通過逐步優化培養工藝在獲得最大生物量產率9.87 g L?1 d?1,脫硝率96%以上的同時,獲得1.83 g L?1 d?1的油脂產率。研究表明,兼養培養過程中有機碳和無機碳的同步吸收有利於顯著降低有機碳原料的消耗成本,同時在進行微藻生物脫硝的兼養培養末期,培養液中僅有微量的營養元素特別是有機碳和碳元素殘留,實現了避免二次汙染產生的綠色生產過程。該研究證明了能源微藻應用於工業煙氣生物脫硝和能源生產的可行性,同時提供了壹種土地有限的條件下進行煙氣減排的工業化策略(Chen et al. 2016)。在此基礎上,進壹步對微藻生物脫硝、高附加值產品生產與生物柴油制備的聯合生產工藝進行改進,提出了優化的生產工藝Ver2.0。?

  上述兩項發表於Environmental science & technology(Zhang et al. 2014b;Chen et al. 2016)的研究成果,先後被可再生能源全球創新(Renewable Energy global innovations)網站作為關鍵科學論文(Key Scientific Article)進行了跟蹤報道(https://reginnovations.org/bioenergy/evaluation-oil-producing-green-alga-chlorella-sp-c2-biological-denox-industrial-flue-gases/; https://reginnovations.org/bioenergy/effective-biological-denox-industrial-flue-gas-by-mixotrophic-cultivation-oil-producing-green-alga-chlorella-sp-c2/)。認為此項研究成果“首次證明了微藻用於工業汙染物減排的同時生產高值產品的真正可行性和實用性”。?

  基於以上研究成果,分別受到Applied Energy和Applied Microbiology and Biotechnology的邀請撰寫了綜述性論文(Chen et al. 2015;Zhu et al. 2016)。?

改進的微藻生物脫硝、高附加值產品生產與生物柴油制備的聯合生產工藝

改進的微藻生物脫硝、高附加值產品生產與生物柴油制備的聯合生產工藝

? ? ? ? ?上述研究得到了973計劃、國家自然科學基金、湖北省自然科學基金重點項目、水生所知識創新工程青年人才領域前沿項目和中石化企業橫向項目的資助。?

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  1.?Li T., Xu G., Rong J., Chen H., He C., Giordano M., Wang Q. 2016. The acclimation of Chlorella to high-level nitrite for potential application in biological NOx removal from industrial flue gases. Journal of plant physiology, accepted.?

  2.?Zhu X., Rong J., Chen H., He C., Hu W., Wang Q. 2016.?An informatics-based analysis of developments to date and prospects for the application of microalgae in the biological sequestration of industrial flue gas. Applied Microbiology and Biotechnology, 100, 2073-2082.? DOI: 10.1007/s00253-015-7277-7.?

  3.?Chen W., Zhang S., Rong J., Li X., Chen H., He C., Wang Q. 2016. Effective Biological DeNOx of Industrial Flue Gas by the Mixotrophic Cultivation of an Oil-Producing Green Alga Chlorella sp. C2. Environmental science & technology,50, 1620-1627. DOI: 10.1021/acs.est.5b04696.?

  4. Chen, H., Qiu, T., Rong, J., He, C. & Wang, Q. (2015)?Microalgal biofuel revisited: An informatics-based analysis of developments to date and future prospects. Applied Energy 155, 585-598,?

  5. Zhang, X., Chen, H.,?Chen, W., Qiao, Y., He, C., and Wang, Q. (2014b)?Evaluation of an Oil-Producing Green Alga?Chlorella?C2 for Biological DeNOx of Industrial Flue Gases. Environmental science & technology, 48, 10497-10504.?DOI: 10.1021/es5013824.?

  6.Zhang, X., Rong, J., Chen, H., He, C. & Wang, Q. Current Status and Outlook in the Application of Microalgae in Biodiesel Production and Environmental Protection. Frontiers in Energy Research 2, doi:10.3389/fenrg.2014.00032 (2014a).?

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