代理德国BlueSens在线气体分析仪在光生物反应器中的应用

1.引言

光生物反应器（PBR）正越来越多地被用于培养藻类，以生产生物燃料和其他产物。光照和二氧化碳是制约光生物反应器中藻类生长的两大主要限制条件。大气中二氧化碳的含量仅为0.04%，为突破这一瓶颈，研究人员开始将有机废弃物厌氧消化（AD）所产生的沼气接入光生物反应器，沼气主要由二氧化碳和甲烷构成。沼气中的二氧化碳组分一般被视为不利杂质，采用非生物手段去除该组分成本较高。但传统中温厌氧消化工艺反应速率缓慢。近年相关研究证实，生物电化学系统（BES）能够加快有机废弃物厌氧分解生成沼气的过程。该系统依靠阳极表面厌氧富集的产红色色素的产电型地杆菌，以及与生物阴极共生、作用机制尚不明确的电活性产甲烷菌来实现上述效果。

2．研究目的

本研究将BlueSens二氧化碳、甲烷以及氧气气体传感器集成到一套新型生物电化学系统供给型光生物反应器装置中，验证生物电化学产出的沼气是否可用于藻类培养。若该方案可行，则有望实现有机废弃物的快速处理，同时利用光自养生物强化生长，对生物电化学产生的沼气进行生物转化。这套集成气体传感器的装置可对BES‑PBR耦合系统内部整体代谢活性开展实时表征。实验搭建两套光生物反应器系统进行对照测试，对比普通厌氧消化沼气与生物电化学系统产出沼气，在BG‑11培养基中对普通小球藻生长情况的影响（图1）。

图1：配备BlueSens在线氧气、二氧化碳、甲烷气体传感器的、由生物电化学系统沼气供气的光生物反应器简化原理示意图

3 材料与方法

3.1 光生物反应器

将两个容积18.9升的长方形玻璃鱼缸改造成沼气供给式闭环光生物反应器。每个鱼缸顶部开口处，使用定制切割的玻璃板配合环氧树脂进行密封。采用金刚石钻头在玻璃盖板两端钻出0.5厘米的孔洞，气体进出硅胶管路穿过孔洞并做密封处理，防止气体泄漏。进气管路连接固定于缸底的曝气石，实现气体均匀扩散，并依靠气泡对培养基进行搅拌。气泡上升至反应器顶部气腔后，通过出气管路排出光生物反应器，出气管路接有密封在空心塑料储液罐内的气泵。该泵组可使气体在闭环光生物反应器系统内持续循环。气体重新进入光生物反应器之前，会经由管路流过氧气、二氧化碳、甲烷在线传感器。每套光生物反应器均设有沼气输送管路，接入泵前端的循环气路，管路安装单向阀。单向阀可避免氧气进入生物电化学系统或厌氧消化腔室，抑制内部厌氧菌活性。处于对数生长期的普通小球藻接种至每套光生物反应器的5升BG‑11培养基中，光照条件为12小时光照、12小时黑暗，初始光密度OD值为0.025（图2）。

图2：侧视实拍图，展示两套装有小球藻的光生物反应器，左侧通入生物电化学系统沼气，右侧通入厌氧消化沼气。系统内的泵、传感器等部件，由侧边图例中带编号的箭头进行标注。

3.2 厌氧消化罐与生物电化学反应器

搭建三组气体连通的厌氧消化装置，采用100 mL血清瓶，瓶内装入75 mL合成废水；合成废水组成为50 mM磷酸盐缓冲盐水（PBS），添加1 g/L乙酸钠，同时补充沃尔夫维生素与矿物质。所有血清瓶通入氮气除氧，压盖密封，再接入0.5 mL接种污泥，接种源为已运行5周、以乙酸盐为底物的产沼气消化罐。

三组厌氧消化罐的顶部气室，通过刺穿橡胶塞的针头与管路互相连通。沼气自身产生的压力，推动沼气经过单向阀，再进入光生物反应器的循环气路。

同样制备三组生物电化学反应器，每个血清瓶内置两根10 cm电极，使用Biologic MPG‑2电化学工作站施加0.7 V电压，同时实时监测电流，电流可表征生物电化学活性与乙酸盐消耗情况。使用分光光度计在600 nm波长下定期测定菌体光密度。

4 结果与结论

BlueSens在线甲烷传感器检测结果表明：相较于传统厌氧消化对照反应器，生物电化学‑光生物反应器体系的气室中甲烷积累速度明显更快（图3A）。三套生物电化学反应器的恒电位仪电流均在4天内达到峰值，说明乙酸盐被快速分解代谢（图3B）。

两套普通小球藻培养体系，在整个培养周期内光密度均高于初始接种基线（0.025），证明两套光生物反应器内BG‑11培养基中藻类均实现生长（图4A）。厌氧消化对照组光生物反应器前期生长速率更快，但生物电化学耦合光生物反应器最终菌体密度更高。氧气传感器数据同时表明，生物电化学耦合光生物反应器在实验后期藻类光合作用水平更高（图4B）。

两套反应器的二氧化碳浓度均维持在接近检测基线的水平；这很可能是由于反应器顶部气腔容积较大，同时藻类培养体系光合作用消耗二氧化碳所致。

增大生物电化学反应器与厌氧消化罐相对于光生物反应器培养体积的容积，有望进一步提升生产效率。上述结果表明，将BlueSens传感器与光生物反应器联用，可利用太阳能、经生物电化学处理的有机废弃物这类可再生资源，实现生物燃料生产过程的优化。

图3：光生物反应器内甲烷累积与二氧化碳消耗情况(A)；耦合生物电化学‑光生物反应器的三组平行生物电化学反应器的电流输出(B)

图4：光生物反应器内普通小球藻的菌体光密度(A)，以及光生物反应器中持续检测到的氧气(B)