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(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州，310027；2.鄂爾多斯市加力螺旋藻業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯，016199；3.內(nèi)蒙古再回首生物工程有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯，016199)

2020年習(xí)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(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)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?jǐn)?shù)為10%～15%的CO2，煤化工廠煙氣富含體積分?jǐn)?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(diǎn)。而螺旋藻培養(yǎng)過程中會不斷產(chǎn)生氫氧根到培養(yǎng)液中[8]，因此，螺旋藻培養(yǎng)液中CO32?質(zhì)量濃度會逐漸增高。若將含體積分?jǐn)?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(chǎn)生高質(zhì)量濃度HCO-3，用于螺旋藻的培養(yǎng)[10?12]。進(jìn)一步地，將煤化工廠煙氣CO2凈化提純至食品級CO2，則可生產(chǎn)出食品級螺旋藻藻粉，從而產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益。在煤化工廠煙氣CO2與螺旋藻培養(yǎng)液反應(yīng)過程中，如何延長CO2與螺旋藻培養(yǎng)液的反應(yīng)時間，提高CO2利用效率，避免CO2回流至大氣中是關(guān)鍵問題。

在實(shí)際應(yīng)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(bǔ)充CO2[13?14]，然而，該方法產(chǎn)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(yīng)過程的時間短(通常為毫秒級)，反應(yīng)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(jìn)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(chǎn)生CO2微小氣泡延長反應(yīng)時間[15]，則可顯著提高CO2與Na2CO3的反應(yīng)效率，將氣態(tài)的碳轉(zhuǎn)化為液態(tài)的碳儲存于藻循環(huán)液中用于螺旋藻細(xì)胞生長，解決CO2氣泡在培養(yǎng)液中停留時間與螺旋藻細(xì)胞CO2利用時間不匹配的難題[10]。

本文研制一種編制網(wǎng)式曝氣器，應(yīng)用于煤化工廠煙氣CO2與螺旋藻循環(huán)液的反應(yīng)，促進(jìn)螺旋藻的規(guī)模化培養(yǎng)，對比煤化工廠煙氣CO2補(bǔ)充前、傳統(tǒng)曝氣條式曝氣器和編制網(wǎng)式曝氣器反應(yīng)前后的Na2CO3質(zhì)量濃度、NaHCO3質(zhì)量濃度、螺旋藻藻絲螺距和長度以及螺旋藻細(xì)胞光合反應(yīng)效率等參數(shù)，證實(shí)了編制網(wǎng)式曝氣器對于螺旋藻生物質(zhì)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(shí)驗(yàn)在內(nèi)蒙古鄂爾多斯螺旋藻產(chǎn)業(yè)園開展，測試區(qū)域內(nèi)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(qū)動，每2個跑道池安裝1個電機(jī)驅(qū)動漿輪，電機(jī)功率為1.5 kW，漿輪轉(zhuǎn)速為40 r/min。漿輪每天7∶00開，22∶00關(guān)。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?jǐn)?shù)為98%)，經(jīng)過預(yù)脫硫、氣體壓縮、有機(jī)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(chǎn)得到質(zhì)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(chǎn)品，所產(chǎn)生的CO2純度達(dá)到99.99%，然后經(jīng)罐車運(yùn)輸儲存至螺旋藻產(chǎn)業(yè)園內(nèi)的CO2液體儲罐中。

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

圖1 螺旋藻在跑道池內(nèi)固碳培養(yǎng)運(yùn)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(jīng)過靜置除沙池沉降凈化，然后通過過濾篩絹(孔徑約40 μm)進(jìn)行過濾收獲，在該階段的螺旋藻細(xì)胞密度較高，NaHCO3質(zhì)量濃度較低；

2)過濾后的(低藻細(xì)胞密度、低NaHCO3質(zhì)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(yīng)，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(jìn)CO2氣體與Na2CO3反應(yīng)產(chǎn)生NaHCO3；

3)反應(yīng)后的(低藻細(xì)胞密度、高NaHCO3質(zhì)量濃度)微藻循環(huán)液作為新鮮培養(yǎng)基進(jìn)入下一輪培養(yǎng)周期；

4)經(jīng)篩絹過濾后的藻液通過噴霧干燥機(jī)和封裝機(jī)烘干封裝，得到食品級螺旋藻粉產(chǎn)品。

1.2 編制網(wǎng)式曝氣器研制

為提高CO2氣體與循環(huán)液中高質(zhì)量濃度Na2CO3在短時間內(nèi)(通常為幾毫秒)的反應(yīng)速率，在CO2氣體與循環(huán)液混合區(qū)域布置微米曝氣器產(chǎn)生微氣泡是一種經(jīng)濟(jì)高效的方式。目前在螺旋藻產(chǎn)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(zhì)，通過機(jī)械打孔控制孔徑為0.7～1.0 mm。

本文研制了一種編制網(wǎng)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(wǎng)式曝氣器為不銹鋼3層變孔編制網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其中，第1層為橫向矩形編織網(wǎng)(孔徑為300～500 μm)，第2 層為縱向矩形編織網(wǎng)(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(cè)連接。實(shí)際運(yùn)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(yīng)后再次回流至跑道池中。

2 藻液中無機(jī)碳濃度及螺旋藻光化學(xué)效率測試

2.1 藻液中無機(jī)碳濃度測試

藻液中Na2CO3和NaHCO3質(zhì)量濃度采用雙指示劑法進(jìn)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(biāo)液滴定至無色，記此時消耗的H2SO4標(biāo)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(biāo)液滴定由黃變?yōu)槌壬?，記此時消耗的H2SO4標(biāo)液的體積為V2(HCO-3+H+→CO2+H2O)。則藻液中Na2CO3和NaHCO3質(zhì)量濃度為

ρ(Na2CO3)=c×V1×w/10，

ρ(NaHCO3)=c×(V2?V1)×w/10。

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

2.2 藻絲螺距和藻絲長度測試

實(shí)驗(yàn)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(biāo)定顯微鏡的實(shí)際刻度，通過ISCaptue 軟件進(jìn)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(jù)的準(zhǔn)確性，每組數(shù)據(jù)至少重復(fù)100次。

2.3 螺旋藻光化學(xué)效率測試

采用螺旋藻細(xì)胞暗適應(yīng)下PSII 的最大量子產(chǎn)額和單位反應(yīng)中心吸收的光能表征螺旋藻細(xì)胞生長過程中光化學(xué)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(xì)胞的葉綠素OJIP 熒光誘導(dǎo)動力學(xué)曲線，每秒連續(xù)記錄10 萬次熒光蹤跡數(shù)據(jù)。根據(jù)OJIP 熒光曲線可直接讀出最大量子產(chǎn)額和單位反應(yīng)中心吸收光能。測試前將螺旋藻細(xì)胞暗適應(yīng)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(fù)2次。

螺旋藻細(xì)胞生物質(zhì)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(zhì)量，稱質(zhì)量計(jì)算得到生物質(zhì)質(zhì)量濃度，每組測試重復(fù)2次。

3 結(jié)果與討論

3.1 編制網(wǎng)曝氣器提高藻循環(huán)液NaHCO3 質(zhì)量濃度

曝氣器內(nèi)所發(fā)生的反應(yīng)主要為Na2CO3+CO2+H2O→2NaHCO3，該反應(yīng)與反應(yīng)壓力、CO2氣泡直徑和反應(yīng)時間等有直接關(guān)系。反應(yīng)壓力受CO2儲罐罐體壓力所控制，反應(yīng)壓力越大，反應(yīng)速率越快。然而，過大反應(yīng)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(zhì)量濃度促進(jìn)螺旋藻細(xì)胞生長，降低CO2氣泡生成直徑、延長反應(yīng)時間是最經(jīng)濟(jì)、可行且高效的方式。本文研制的編制網(wǎng)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(zhì)量濃度。

圖2所示為跑道池內(nèi)循環(huán)液與CO2氣體在編制網(wǎng)曝氣器和曝氣條中反應(yīng)后NaHCO3質(zhì)量濃度，由圖2可見：采用曝氣條式曝氣器反應(yīng)后NaHCO3質(zhì)量濃度從2.7 g/L 升高至3.4 g/L，Na2CO3質(zhì)量濃度從9.4 g/L 降低至9.3 g/L，而采用編制網(wǎng)曝氣器反應(yīng)后NaHCO3質(zhì)量濃度從2.7 g/L 升高至3.7 g/L，Na2CO3質(zhì)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(wǎng)曝氣器內(nèi)NaHCO3質(zhì)量濃度從0.7 g/L 提高至1.0 g/L，提升了43%，而Na2CO3質(zhì)量濃度從0.1 g/L 提高至0.2 g/L。由此可見，編制網(wǎng)曝氣器可有效促進(jìn)CO2氣體與Na2CO3的反應(yīng)。其主要原因在于編制網(wǎng)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(yīng)時間，進(jìn)而增大了反應(yīng)效率。而反應(yīng)后的高NaHCO3質(zhì)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(zhì)量濃度會有所下降，Na2CO3質(zhì)量濃度會有所上升。

圖2 跑道池內(nèi)循環(huán)液與CO2氣體在編制網(wǎng)曝氣器和曝氣條中反應(yīng)后NaHCO3質(zhì)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(wǎng)曝氣器對藻液NaHCO3 質(zhì)量濃度的影響

反應(yīng)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(jìn)化過程中，由于空氣中CO2含量較低，無法滿足細(xì)胞機(jī)體對碳的需求量，螺旋藻等微藻細(xì)胞體內(nèi)進(jìn)化出“碳濃縮機(jī)制(CCM)”[19?24]，即利用細(xì)胞體外的NaHCO3或Na2CO3作為補(bǔ)充碳源以滿足機(jī)體生長所需碳源。螺旋藻細(xì)胞通過膜上碳酸酐酶(CA)將HCO-3轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)，然后穿過類囊體膜轉(zhuǎn)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(jī)制尚有待考究)，產(chǎn)生的OH?導(dǎo)致藻液中的CO2-3質(zhì)量濃度逐漸增大，其主要反應(yīng)式為HCO-3+OH?→CO2-3+H2O。

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

3.3 編制網(wǎng)曝氣器對藻絲螺距和藻絲長度的影響

螺旋藻細(xì)胞在跑道池培養(yǎng)過程中，編織網(wǎng)曝氣器造成培養(yǎng)液中初始NaHCO3和Na2CO3質(zhì)量濃度不同，從而對螺旋藻藻絲螺距和長度產(chǎn)生影響[25?26]，如圖3(b)所示。螺旋藻細(xì)胞在跑道池內(nèi)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(nèi)，在未補(bǔ)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(bǔ)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(wǎng)曝氣器補(bǔ)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(wǎng)曝氣器補(bǔ)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(nèi)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(wǎng)曝氣器的微米級孔徑導(dǎo)致CO2氣泡直徑減小，從而促進(jìn)了CO2與Na2CO3的反應(yīng)，導(dǎo)致藻液中初始NaHCO3質(zhì)量濃度升高。充分供應(yīng)碳源促進(jìn)了螺旋藻細(xì)胞的暗反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)積累了更多的營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而加速細(xì)胞分裂，導(dǎo)致螺旋藻藻絲長度增加，而光合暗反應(yīng)的促進(jìn)引起藻細(xì)胞對于ATP和NADPH的需求增加，進(jìn)而導(dǎo)致光反應(yīng)速率增加。通過增加藻絲螺距，增大藻細(xì)胞內(nèi)類囊體膜與光量子的接觸面積，進(jìn)而促進(jìn)光反應(yīng)[27]。因此，采用編制網(wǎng)曝氣器補(bǔ)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(wǎng)曝氣器對螺旋藻細(xì)胞光合速率的影響

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

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

3.5 編制網(wǎng)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(zhì)量濃度Na2CO3反應(yīng)產(chǎn)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(wǎng)式微米級曝氣器可進(jìn)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(nèi)，在未補(bǔ)充CO2以前，螺旋藻生物質(zhì)質(zhì)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(wǎng)曝氣器補(bǔ)充CO2以后，螺旋藻生物質(zhì)質(zhì)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(chǎn)生的微氣泡可提高CO2與Na2CO3的反應(yīng)時間，從而產(chǎn)生更多的NaHCO3，進(jìn)而提高了跑道池中接種液的碳源質(zhì)量濃度，由于微藻細(xì)胞的碳濃縮機(jī)制，螺旋藻細(xì)胞可優(yōu)先利用HCO-3離子，高質(zhì)量濃度NaHCO3藻液促進(jìn)了螺旋藻細(xì)胞的卡爾文循環(huán)，為滿足光合暗反應(yīng)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(xì)胞的單位反應(yīng)中心吸收光能和最大PSII光能轉(zhuǎn)換效率增加，從而導(dǎo)致螺旋藻生物質(zhì)密度增加。

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

4 應(yīng)用前景展望

該編制網(wǎng)式曝氣器在螺旋藻的規(guī)?；囵B(yǎng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。相較于通過曝氣器在跑道池中直接曝氣補(bǔ)充CO2形式，在進(jìn)入跑道池前的循環(huán)液中通入CO2與Na2CO3反應(yīng)，將氣態(tài)的碳轉(zhuǎn)化為液態(tài)的碳用于螺旋藻細(xì)胞的生長，無論從反應(yīng)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(dá)0.7 mm，所產(chǎn)生的CO2氣泡通常為1.0 mm 以上，不利于CO2與Na2CO3反應(yīng)。編制網(wǎng)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(yīng)時間，從而提高了螺旋藻的生物質(zhì)質(zhì)量濃度。從實(shí)際應(yīng)用看，編制網(wǎng)式曝氣器安裝簡單，不易塞孔，具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

1)研制了一種編制網(wǎng)式曝氣器產(chǎn)生微米級CO2氣泡，編制網(wǎng)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(yīng)時間，導(dǎo)致螺旋藻過濾采收后循環(huán)液中NaHCO3質(zhì)量濃度提升，相較于傳統(tǒng)曝氣提高了43%，進(jìn)而提高了螺旋藻的生長固碳速率。

2)采用在編制網(wǎng)曝氣器補(bǔ)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(zhì)量濃度升高，充分供應(yīng)碳源促進(jìn)了螺旋藻細(xì)胞的暗反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)積累了更多的營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而加速了細(xì)胞分裂，螺旋藻藻絲長度增加，而光合暗反應(yīng)引起藻細(xì)胞對于ATP 和NADPH 的需求增加，進(jìn)而導(dǎo)致光反應(yīng)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(wǎng)曝氣器補(bǔ)充CO2后，供應(yīng)充足的NaHCO3碳源導(dǎo)致藻細(xì)胞的卡爾文循環(huán)反應(yīng)速率增加，對ATP 的需求量增大，從而導(dǎo)致光合光反應(yīng)速率增加，螺旋藻藻細(xì)胞單位反應(yīng)中心吸收光能提高了28%，螺旋藻生物質(zhì)質(zhì)量濃度相較于未補(bǔ)充CO2提高了15%。