基本信息
- 项目名称：
- 利用微藻固定CO2的技术研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 微藻作为光能自养微生物，在生长过程中需要从环境中摄取大量CO2作为碳源，利用光能完成自身的生长繁殖。因此，利用规模化培养的微藻来处理工业废气可以有效减少CO2的排放，同时促进微藻的生长。 该技术利用光合作用固定CO2，完全与环境相和谐，同时以光能作为能源，不会对环境造成二次污染，最终得到的藻细胞还可以用来加工生物产品，同现有的CO2固定技术相比优势明显。
- 详细介绍：
- 近些年来，针对最主要温室气体——CO2的减排，已经在世界范围内达成了广泛共识。 我国在2008年成为世界二氧化碳排放量最大的国家，2009年我国的能源消耗又增加了6.3%，二氧化碳排放量也相应增加，因此我国政府在温室气体减排方面面临前所未有的国际压力，可持续发展面临新的挑战。因此，无论是出于对环境问题的考虑还是对我国未来经济发展的考虑，我们都应当着力发展更高效的CO2减排技术，对CO2进行固定并加以利用，为全人类造福，也为我国未来赢得更大的发展空间。 近年来国内外针对CO2固定技术进行了大量研究,可以将现有的技术手段分为物理封存与化学吸收两大类。 物理封存主要是深海注射与地质封存，该方法虽然容易实现但却只能将危机向后推延，无法真正解决问题。被封存的CO2可能随着时间的推移逐渐释放到大气中，还可能在地下与矿物质发生反应影响地质结构甚至影响地下生物群落，造成无法预知的隐患。 化学方法目前应用较广泛，但是却存在一些共性的技术缺陷。主要表现在需要高浓度的CO2、压缩气体的传输成本较高、以及能耗较高等。此外，化学固定手段如果处理不当还可能造成环境的二次污染。 近年来，CO2生物固定技术受到了越来越多的关注。在自然界中，光合作用对CO2的利用是地球上CO2固定的最主要形式，在碳循环中起决定作用。因此，利用生物方法固定CO2既与环境相和谐，又可以通过光合作用来生产多种产品。生物方法对CO2的固定可以分为绿色植物与光合微生物两类，由于绿色植物单位面积的种植量较低而且生长缓慢，因此尚不具备工业化潜力。而以微藻为主的光合微生物则表现出了明显的技术优势：①微藻的生长速率和培养密度远远高于其他绿色植物；②微藻CO2固定技术能够实现碳元素完整的循环；③微藻通过光合作用固定CO2的同时能够生产出许多生物产品，这些产品存在于菌体中或培养液中，依靠现有的技术就能够加以利用，经济效益明显；④比起化学固定方法，微藻CO2固定技术不需要吸附剂、大的反应器，也不存在解吸工序，因此能耗和成本更低；⑤CO2的生物固定技术可以同生物燃料、废水处理等其他工业应用相结合，带来更高的效益。因此，微藻CO2固定技术以其环保、经济、高效、符合自然界循环特点等优势有着高度的工业化潜力。 本课题从微藻的高密度培养入手，确定了适宜的藻种培养条件，研究了藻种对不同环境的耐受性，提高其对CO2的固定效率，为该技术提供新思路，同时为其规模化应用奠定基础。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本课题旨在研发一项利用高密度培养的微藻来固定环境中CO2的工艺过程。微藻作为光能自养微生物，在生长过程中需要从环境中摄取大量CO2作为碳源，利用光能完成自身的生长繁殖。因此，利用规模化培养的微藻来处理工业废气可以有效减少CO2的排放，同时促进微藻的生长。 该技术利用光合作用来固定CO2，完全与环境相和谐，同时以光能作为能源，不会对环境造成二次污染，最终得到的藻细胞还可以用来加工生物产品，同现有的CO2固定技术相比优势明显。 该技术的关键主要在于以下几方面。首先是确定适宜的藻种；研究该藻种的培养条件和对环境的耐受性；提高培养密度和CO2固定效率；提高培养体系的光能利用率和传质效率。
科学性、先进性
- 近年来国内外针对CO2固定技术进行了大量研究,可以将现有的技术手段分为物理封存与化学吸收两大类。 物理封存主要是深海注射与地质封存，该方法虽然容易实现但却只能将危机向后推延，无法真正解决问题。被封存的CO2可能随着时间的推移逐渐释放到大气中，还可能在地下与矿物质发生反应影响地质结构甚至影响地下生物群落，造成无法预知的隐患。 化学方法目前应用较广泛，但是却存在一些共性的技术缺陷。主要表现在需要高浓度的CO2、压缩气体的传输成本较高、以及能耗较高等。此外，化学固定手段如果处理不当还可能造成环境的二次污染。 和现有的技术相比，微藻CO2固定技术具有很多优势。首先，微藻的光能利用率很高，为同等重量绿色植物的10-50倍。而且其生长速率和培养密度也比绿色植物高得多。该技术利用微藻的自身代谢将CO2转化成生物物质或自身生长的营养物质，条件温和、副作用最少、不会产生二次污染，最终得到的藻细胞还可以用来加工如生物柴油、保健食品等许多有价值的产品，因此该技术优势明显。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 成套技术引进和转让；合作研发
作品可展示的形式
- 实物、现场演示、模型、图片、图纸
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该技术对CO2的固定效率高，设备较为简便，无需储存气体，不需要额外供能，直接降低碳排放量。该技术完全符合当今低碳经济的发展趋势，对于碳排放量难以达标的工厂、企业来说是很好的选择。尤其是在未来美国将对进口产品征收“碳关税”的背景下，降低碳排放量所带来的经济效益将更为明显，因此该技术具有广阔的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 当前，国内外一些科研机构对相关课题进行了研究，得到了许多成果，但多数还处于科研开发阶段。 Clemens G.等人在一项利用Chlorella emersonii固定烟道气中CO2的研究中发现，烟道气中除CO2以外的其他成分对微藻生长的影响很小。实验以30d为一个周期，得到了CO2的固定效率为0.113g/L*d。 Gomez-Villa等人在开放式培养体系中利用人造工业废水来培养Scenedesmus obliquus，试图在固定CO2的同时净化废水。实验以3天为一个周期，得到了冬季CO2的固定效率为16.07mg/L*d，夏季为31.00mg/L*d。 Chae等利用Euglena gracilis固定烟道气中的CO2的同时生产高蛋白易消化的动物饲料，获得良好的经济效益和环境效益。 中国海洋大学孟范平等在一项筛选耐酸性和耐高浓度CO2微藻品种的研究中，从12种微藻中筛选出Dunaliella tertiolecta（杜氏盐藻）、Spirulina platensis（钝顶螺旋藻）、Chlorella pacifica（海水小球藻）和Nitzschia Closterium（小新月菱形藻）等4种具有较强的耐酸性，均可在pH4的培养基中正常生长，其中海水小球藻和小新月菱形藻同时能够耐受较高浓度CO2（5%）的冲击。 综合来看，微藻CO2固定技术非常具有潜力，但是目前针对该技术的相关研究还很不完善，许多技术难题需要克服，主要体现在以下几个方面：首先目前人类对微藻固定CO2的机制认识有限；此外优质工程菌的筛选较困难；光生物反应器的工作效率也有待提高。因此，需要我们进一步深入研究，不断解决技术难题，实现该技术的规模化应用。
