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改進(jìn)的微藻生物脫硝、高附加值產(chǎn)品生產(chǎn)與生物柴油制備的聯(lián)合生產(chǎn)工藝
氮氧化物(NOx)是化石燃料燃燒煙氣中所含的重要環(huán)境污染物，主要以NO形式存在。傳統(tǒng)的煙氣脫硝方法能耗大，存在安全性問題并造成二次污染。微藻生物量中氮元素含量高達(dá)細(xì)胞干重的7-12%，其規(guī)模化培養(yǎng)可利用工業(yè)煙道氣中高濃度的氮氧化物(NOx)。通過能源微藻的培養(yǎng)，不僅可以脫去工業(yè)煙氣中的NOx，降低環(huán)境污染，同時(shí)可以提供生物燃料的原料，生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品（Zhang et al.2014a；Chen et al.2015；Zhu et al.2016）。中國科學(xué)院水生生物研究所研究員王強(qiáng)學(xué)科組從2011年起與中國石化石油化工科學(xué)研究院合作，開展了“能源微藻應(yīng)用于工業(yè)煙氣生物脫硝”的研究，取得了一系列成果。
首先，基于工業(yè)煙氣生物脫硝中藻種對高濃度亞硝酸鹽耐受性及適應(yīng)性的需要，開展了NOx高耐受性藻種篩選。研究發(fā)現(xiàn)，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(shù)小球藻屬種類對高濃度亞硝酸鹽具有良好的耐受性，進(jìn)一步的生理機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)其適應(yīng)性通過脅迫、適應(yīng)和利用三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)（Li et al. 2016）。
隨后，通過利用自主發(fā)明的光生物反應(yīng)器（中國發(fā)明，授權(quán)號201410063589.X）對小球藻在工業(yè)NOx環(huán)境下的生物脫硝能力進(jìn)行了驗(yàn)證，在獲得高生物量和細(xì)胞油脂含量的同時(shí)，達(dá)到60%的煙氣脫硝率，證明了微藻在工業(yè)煙氣生物脫硝領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值（Zhang et al. 2014b）。提出了微藻生物脫硝、高附加值產(chǎn)品生產(chǎn)與生物柴油制備的聯(lián)合生產(chǎn)工藝Ver1.0(中國發(fā)明，授權(quán)號201410063243.X)。
針對微藻光自養(yǎng)生長相對的低效率和工業(yè)煙氣減排的高需求之間的不匹配問題，進(jìn)一步開展了利用光合兼養(yǎng)培養(yǎng)方法進(jìn)行煙氣生物脫硝的研究，通過逐步優(yōu)化培養(yǎng)工藝在獲得大生物量產(chǎn)率9.87gL−1d−1，脫硝率96%以上的同時(shí)，獲得1.83gL−1d−1的油脂產(chǎn)率。研究表明，兼養(yǎng)培養(yǎng)過程中有機(jī)碳和無機(jī)碳的同步吸收有利于顯著降低有機(jī)碳原料的消耗成本，同時(shí)在進(jìn)行微藻生物脫硝的兼養(yǎng)培養(yǎng)末期，培養(yǎng)液中僅有微量的營養(yǎng)元素特別是有機(jī)碳和碳元素殘留，實(shí)現(xiàn)了避免二次污染產(chǎn)生的綠色生產(chǎn)過程。該研究證明了能源微藻應(yīng)用于工業(yè)煙氣生物脫硝和能源生產(chǎn)的可行性，同時(shí)提供了一種土地有限的條件下進(jìn)行煙氣減排的工業(yè)化策略（Chen et al.2016）。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對微藻生物脫硝、高附加值產(chǎn)品生產(chǎn)與生物柴油制備的聯(lián)合生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)，提出了優(yōu)化的生產(chǎn)工藝Ver2.0。
上述兩項(xiàng)發(fā)表于Environmental science & technology（Zhang et al. 2014b；Chen et al. 2016）的研究成果，先后被可再生能源創(chuàng)新（Renewable Energy global innovations）網(wǎng)站作為關(guān)鍵科學(xué)論文（Key Scientific Article）進(jìn)行了跟蹤報(bào)道。認(rèn)為此項(xiàng)研究成果“證明了微藻用于工業(yè)污染物減排的同時(shí)生產(chǎn)高值產(chǎn)品的真正可行性和實(shí)用性”。
基于以上研究成果，研究人員分別受到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）。
上述研究得到了“973”計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、水生所知識創(chuàng)新工程青年人才領(lǐng)域前沿項(xiàng)目和中石化企業(yè)橫向項(xiàng)目的資助。
