生化反应工程酶法和微藻对CO2的固定和转化

1、生化反应工程论文酶法和微藻对CO2的固定和转化 学 院 生命科学与技术学院 姓 名 张小霞 学 号 2014201091 任课老师 陈必强 冯巍 酶法和微藻对CO2的固定和转化生命科学与技术学院 张小霞 2014201091摘要：CO2是导致温室效应的主要气体，固定和转化CO2已成为近几年研究的重点。目前，CO2的固定方法有物理法、化学法和生物法，生物法主要指酶法和微藻固定CO2，由于其反应条件温和且绿色无污染，并且微藻固定CO2同时还能产生其他高附加值产品如生物柴油，这也提高了微藻的综合利用，成为最环保、最有发展前景的方法。本文论述了生物法固定CO2技术存在的困难及可能解决的方法，为其发展提

2、供参考。关键词：二氧化碳；酶法固定CO2；微藻；菌种选育；基因工程CO2是碳和含碳化合物的最终氧化产物，在地球上储量极为丰富，在大气中的含量约为 0.03%0.04%，总量约为2.75×1012 t。随着工业化进程的加快，人类大量使用煤和石油等化石燃料，CO2的排放量急剧攀升1，严重影响生态平衡，并导致了温室效应以及一系列与人类生活环境紧密相关的生态问题，严重地威胁着人类的生存环境。因此，CO2的固定和再利用一直是备受关注和亟待解决的问题。CO2作为未来碳源，既可弥补因石油、天然气的大量消耗而引起的“碳源危机”，又可有效地缓解温室效应问题。所以，世界各国对 CO2开发、利用、转化、固

3、定的高度重视，使得CO2的研究开发工作近年来取得了迅猛的发展。依据现行技术的特性分类，大致可分为物理CO2固定法、化学CO2固定法和生物CO2固定法三大类。本文主要论述使用生物法即酶法和微藻对CO2进行固定和转化。1 生物CO2固定法简介生物CO2固定法是地球上最主要和最有效的固碳方式，在碳循环中起决定作用，利用此法来进行CO2固定和减排，符合自然界循环和节省能源的理想方式。香山科学会议第279次学术讨论会与会专家认为，生物固碳是最安全有效、经济的固碳工程。能利用该法进行固碳的主要是植物、光合细菌以及藻类。微藻具有光合速率高、繁殖快、环境适应性强、处理效率高、可调控以及易与其他工程技术集成等优

4、点，且可获得高效、立体、高密度的培养技术，同时固碳后产生大量的藻体具有很好的利用价值，因此具有高度的工业化潜力。故微藻CO2固定有望成为一种具有相当可行性和经济价值的CO2固定方法。从持续发展的角度来看，生物CO2固定技术，尤其是微藻减排CO2技术，更具环保、经济、彻底、符合自然界循环的独特优势，为人类解决能源、环境问题提供了一条全新而有效的固碳模式，受到国内外研究者的高度重视。2 酶法固定CO2微生物法固定 CO2 实质上是微生物中的某些酶在生物体内一系列的催化反应。早在1984 年就有人提出酶法还原CO2，即以酶为催化剂通过一连串酶促反应，将CO2 转化为有用物质。比如转化CO2生成甲酸、

5、甲醇，或其它一些有机酸，完成物质的代谢过程，并生成生物体内的代谢产物（如草酰乙酸、酮戊二酸、异柠檬酸等）。目前研究还原CO2 较多的是多酶体系，包括三种脱氢酶：甲酸脱氢酶（FDH）、甲醛脱氢酶（FADH）、甲醇脱氢酶（MDH）。多酶系统固定CO2 是向该系统中供给逆反应进行方向的物质，使得CO2 被还原。2.1 酶法固定CO2合成甲醇生物体内的酶催化反应大多是连续的，通过多酶连续催化可以得到不同的产物。在体外，多酶体系用于固定 CO2的研究也很多。1999 年，Obert 等2将甲酸脱氢酶（FateDH）、甲醛脱氢酶（FaldDH）和醇脱氢酶（ADH）同时固定于硅胶基质中，以NADH 作为每个

6、酶催化还原的终端电子供体将 CO2转化为甲醇，甲醇得率达到了 91.2%，反应体系如图1所示。自此，甲醇一直是 CO2催化转化的一个研究方向。Bilal 等3提出了辅因子循环的策略，将CO2生成甲醇的顺序反应与谷氨酸脱氨生成酮戊二酸的反应相偶联：催化CO2生成甲醇的3个脱氢酶（FateDH、FaldDH 及 ADH）均以 NADH 为辅酶，在催化过程中不断将 NADH 转化为 NAD+；而谷氨酸生成酮戊二酸的过程不断消耗 NAD+生成 NADH，由此，在反应过程中实现了辅因子的循环再生。将还原 CO2生成甲醇的三酶体系与谷氨酸脱氢酶（GDH）共固定，并将辅酶NADH 共价结合到微粒上，构建固定

7、化的多酶体系，该固定化体系表现出良好的稳定性和可重复性。重复利用 11 次之后仍保留超过 80%的活力，基于辅因子数量的甲醇累积得率达到 127%。图 2 所示为带有辅因子循环的多酶反应体系。图1 CO2到甲醇转化过程示意图图2 带有NADH原位再生的CO2到甲醇的转化体系2.2 酶法转化 CO2为丙酮酸、乳酸等高附加值产品Miyazaki 等4报道了一种新的酶合成方法，以丙酮酸脱羧酶为催化剂，硫胺素焦磷酸为辅酶，在高 pH 值缓冲液条件下，以 CO2和乙醛为底物实现了由CO2到丙酮酸的转化。此后又采用此法实现了CO2到乳酸的酶法合成5。图3 从CO2和乙醇合成L-乳酸的酶反应路线3微藻减排二

8、氧化碳的研究进展近些年国内外对微藻固定C02技术的研究主要从3个方面开展：（1）筛选和培育高效、耐高C02浓度及抗污染的藻种（2）结合其他领域新技术，开发新型高效光生物反应器和工艺过程；（3）在固碳的过程中利用微藻本身代谢特点，同时生产高价值生物燃料或高附加值有用物质。3.1 耐高浓度 CO2的微藻筛选 岳丽宏等6在青岛某温泉中分离得到一株可耐高浓度 CO2的绿藻，命名为 KX-2 藻，通过在培养基中通入不同浓度的CO2研究其CO2耐受性，发现在 CO2浓度为 60%80%时KX-2 藻仍能缓慢生长，当 CO2体积分数为 15%时，生长最好。Chang等7在中国台湾200多种微藻中筛选出1种单

9、细胞绿藻 Chlorella sp. NTU-H15，发现该藻能在 60% CO2的环境中生长，当 CO2体积分数为 5%时，固碳速率最大。夏金兰等8采用原生质体-紫外诱变技术，以55高温培养为选择压力，从内蒙古筛选得到 Chlorella sorokiniana CS-01，将该藻用于固定烟道气中的CO2，发现烟道气中高浓度的 CO2气体有效地促进了藻细胞的生长，生长周期缩短2天。显然，高浓度CO2对该藻的生长起到了积极作用。 表1总结了部分耐受高CO2浓度的藻种，可见，耐高浓度CO2的微藻以绿藻和蓝藻为主，尤其是绿藻中的小球藻。 同时，也可以结合基因工程改造方法，改良微藻体内的代谢酶系或者

10、引入外源代谢途径，可以提高微藻的固碳效率。表1 部分耐受高CO2浓度菌种类型藻类藻种耐受CO2体积分数/%绿藻月牙藻（Selenastrum KX-2）6080小球藻 NTU-H15（Chlorella sp. NTU-H15）60小球藻（Chlorella sorokiniana CS-01）>13小球藻 ZY-1（Chlorella sp. ZY-1）70小球藻（Chlorella kessleri）18斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）18蓝藻嗜热蓝藻（Chlorogleopsis sp.）5螺旋藻（Spirulina sp.）183.2 纯CO2条件下小球藻固定

11、CO2的影响采用静态吸收方式，研究纯 CO2通入对普通小球藻的生长特性、固定 CO2效率以及藻液pH变异的影响，研究9表明：（1）通入纯 CO2抑制了小球藻的生长，小球藻需要较长时间才能适应培养条件，使其生长延滞期显著延长，因此，采用普通小球藻固定高浓度CO2时，可以通过提高接种量，以缩短培养周期；（2）小球藻固定CO2速率可分为2个过程，第114 天为第 1 阶段，对应藻细胞生长的延滞期，第1416 天为第 2 阶段，对应藻细胞生长的指数期、稳定期和衰退期。2个阶段中，固定CO2速率变化趋势都是先增大后降低，第1阶段即延滞期的峰值由CO2溶解于培养液造成，即物理固碳过程，第2阶段的峰值由藻细

12、胞指数生长造成，即生物固碳过程。因此，可通过缩短延滞期，使小球藻提前进入生物固碳过程；（3）向培养液中通入纯 CO2后，经过光照阶段的吸收利用，藻液 pH 值很快（4 d）下降到7.0 以下，并且藻液 pH 值变化速率明显高于后续培养时间。随后藻液在每日光照结束时的 pH 值基本稳定在7.5 左右，但是其变化速率却逐渐降低。这表明，在培养前期，培养液 pH 值的监测密度必须比后期要高，以及时调控培养液pH适宜微藻生长。由于CO2吸收方式对微藻培养的影响也较大，并且微藻生长受到温度的影响，再加上CO2浓度渐增还是固定也会进一步影响固碳效率，需要深入研究上述影响才能进一步揭示微藻固碳效应机制，从而

13、为微藻培养过程中环境调控技术提供数据支持。3.3 微藻固碳机制微藻大多数是专性光合自养生物，利用无机碳通过光合作用转化为生物质，其光合作用强度大大超过同等质量的植物的代谢总量。它从溶于水中的无机碳中获取碳源，如CO2、H2CO3、HCO3-及CO32-等型态，各型态所占比例因pH不同而异，但不是每种无机碳型态都能被微藻所固定转化。C02是微藻可利用的型态，HCO3-的利用与藻种类别和环境条件有关，而H2CO3和CO32-型态微藻无法利用。许多研究者为了探索外界环境中的无机碳是如何进入细胞内的奥秘，提出了不同的无机碳转运模型。邱保胜等对蓝藻的C02浓缩机制(CCM)进行了归纳综述，指出了HCO3

14、-、CO2的转运模式以及Na+、羧体对CO2固定的影响10。可以看出，不同种微藻碳转移途径都有差异，各种模型也未能完整地揭示藻类CCM机制，这还需进一步探索。3.4 新型光反应器的开发光生物反应器是微藻的培养系统，其优化设计可以提高藻密度及 CO2固定效率。它一般可以分为敞开式和封闭式反应器两大类11。敞开式反应器成本低，而且易于放大的优势使其适用于微藻的低成本、大规模培养。但是敞开式反应器仍存在很多问题，例如较低的产率、藻种易污染及操作条件不稳定等。封闭式反应器相较于敞开式培养系统有明显优势，具体表现在培养效率高、不易受污染、培养环境易于控制等方面，主要分为管道式、垂直柱式和平板式反应器。要

15、使选育得到的优良藻种在实际应用中获得很高的CO2固定效果，其合理的工艺工程条件也是必不可少的。要做到微藻高密度培养、高效率的CO2固定效果，这依赖于高效光生物反应器的设计。光生物反应器优化设计主要依赖于3个参数：比表面积、气液传质效率和光源设计。这3个方面直接决定了微藻CO2固定效率的高低，也是实现工业化的关键。 岳丽宏12设计了3种密闭式光生物反应器：圆锥形螺旋盘管式光生物反应器、圆柱形螺旋盘管式光生物反应器及平板式光生物反应器，这3种气升式光反应器都具有比较大的表面积，有助于提高 CO2的固定效率。Cheng等13将中空纤维膜组件与光生物反应器串联，增大了气液接触面积，大大改善了藻液与气相

16、之间的混合和传质效果，使气泡在藻液中的停留时间从原来的2s增加20s，同时将微藻固定 CO2的效率提高了5倍。布罗德等14发明了一种包含旋转振荡光源（导光设备和LED）的光生物反应器，分布于培养液中的光源可进行任意的旋转振荡运动以实现光源空间分布近似均匀，而且可通过强度和振荡调节以达到适合培养液及其密度的光输入，从而提高光利用效率。Kao等15设计了一个带有气体循环开关装置的户外光反应器，利用Chlorella sp. MM-2从脱硫沼气中捕获并固定CO2，在阴天和晴天的CO2捕获效率分别达到70%和80%。 光生物反应器内的混合效果不仅影响培养液中藻细胞和营养物质的分布、温度及 pH 值的控

17、制、CO2和 O2传递等，更影响微藻细胞的受光特性。林晨等16采用CFD模型对一种新型多节隔板-平板式光生物反应器在不同通气量下的流场分布进行了模拟并与PIV（particle image veloeimetry）测量结果进行比较，结果表明CFD模型可用于光生物反应器流场的模拟。理论分析表明，三节隔板-平板式光生物反应器为最佳选择，并通过 Isochrysis galbana 3011培养实验对此进行了验证。诸发超等采用CFD技术对敞开式跑道池光生物反应器流场进行了研究，考察了导流板结构、跑道池底部进气孔长度和宽度方向间距对流场的影响规律，为优化光反应器的设计提供了理论依据。 3.5 对微藻的

18、综合利用微藻在固定CO2的同时会产生大量的藻体，如不对藻体加以综合利用必然会带来污染。如开发合适的综合利用途径不仅可以避免二次污染，还可降低过程成本。将微藻固定CO2与高附加值产品的生产相耦合一直是该领域的研究热点。利用微藻生产生物柴油及生物制氢的技术已日趋成熟，而微藻生产其它生物燃料（烃类、醇类等）、多不饱和脂肪酸及其它化学品的研究也越来越多。此外，也可结合微藻本身价值，利用现代高新技术，将其转化为生物柴油等高价值液体燃料，或生产有用物质如类脂和蛋白质，或作为提取高附加值药物原料等。 4 总结CO2固定与有用物质生产相偶联是酶法固定CO2的宗旨，目前，用于固定 CO2的多酶体系数量有限，且所

19、用辅酶因子价格较高，因此建立新的反应体系以扩展其应用领域并降低生产成本是今后研究的主要课题，在进一步拓展生物催化转化CO2的应用领域时，如何有效地构建和利用包括辅因子循环在内的多酶体系是一个很关键的问题，需要提出新的思路，并进行深入的基础研究。 微藻固定CO2的分子作用机制的研究还不是很透彻，有待于进一步深入，为微藻的基因工程改造提供支持。藻类的基因工程改造仍处于研究初期，而且只针对单个基因进行改造效果不大，一般需要对多个基因进行操作，但由于微藻细胞生物技术手段的不成熟，在藻细胞中进行多个基因的共同操纵存在困难。目前，针对微藻各个代谢途径中关键基因的作用及其表达调控的研究正在开展17-18，将

20、为目的性地改造微藻提供理论依据。此外，新型光反应器的研发和放大对于提高固碳效率也十分重要，探索各传递现象在规模放大中变化规律、提炼培养液气液传质及流动特性对微藻生长的影响机制是光反应器放大的基础19，CFD模拟与微藻培养实验相结合的方法来优化反应器的设计是未来发展的主要方向。藻越来越多地应用于烟道气中CO2的固定、废水的处理以及高附加值产品的生产。如果能和其他高新技术相结合，将微藻CO2固定技术、微藻废水的处理以及微藻高附加值产品的生产这3种技术进行集成，则可为人类解决能源、健康、环境等问题提供了一条全新、经济而有效的固碳模式。5 参考文献：1 倪小明，谭猗生，韩怡卓. 二氧化碳催化转化的研究

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