印度圣雄甘地中央大学植物学系Prasad教授等探讨了伴随CO2封存的光养蓝藻生物量生产，选择了有效的预处理条件，然后将其用作微生物燃料电池（MFC）生产绿色燃料或生物电的原料。针对鱼腥藻（Anabaena sp.PCC 7120）生物量生产，对各种光生物反应器的性能进行了测试。在100µEm−2s−1的光照强度下，气升式生物反应器中9天的微藻生物量达到1.15 gL−1。预处理方法如超声、盐酸和H2O2处理（2%vv−1）用于消化收获的生物质。获得了更高的功率输出（6.76 Wm−3），使用2%（vv−1）酸预处理生物质消除了73.5%的COD。使用酸预处理的生物质获得了更好的结果，因为阳极电解液的电导率随着酸预处理生物质的中和而增加。结果表明，蓝藻生物量可以成功地作为可再生资源用于MFC的绿色燃料发电。
图文解读
气升式PBR获得1.14 gL−1的干生物质，运行9天后，其相对高于气泡塔和平板反应器,图1。结果表明，气升式反应器对藻类生物量的产生，以及其他PBR更有效。研究了不同光生物反应器（即气升式、鼓泡柱和平板）在不同光照强度下培养过程中的光能转化潜力随时间的变化。对于中等光照强度60 Em−2s−1，结果表明，气泡柱、平板和气升式PBR的光能转化效率最初分别为3.5%、5.5%和6.5%。。培养过程中，气升式PBR的相应时间平均光能转化效率为7.48%。另一方面，在120 Em−2s−1的光强下获得的最大Zb（转换效率）仅为9.68%，时间平均值为5.60%。最后，在200 Em−2s−1的光照强度下，Zb从5.75%开始，在大约6天后稳定攀升至约9.8%，之后发展停止，Zb下降至约4.5%。
Fig.1. Cyanobacterial biomass production (in different photobioreactors.
从不同的PBR中获得光自养生长的蓝藻生物量，然后收获。将收获的生物质冻干并进行不同的预处理方法，然后将其用作MFC中电生成的底物。对生物质进行了物理和化学预处理，如浴声处理、H2O2和盐酸处理。不同的预处理技术旨在将生物质中的复杂糖转化为溶解在阳极电解液中的简单糖。在HCl预处理技术中，用2%（vv−1）HCl处理干燥的藻类生物质并保持过夜（12小时）。这种处理导致藻类生物质中存在的复合糖的糖化。使用NaOH溶液中和整个水解产物。该裂解物用于电解，该过程有助于溶解水中的复合糖。生物质的结晶度对微生物电生技术有显著影响。生物质的结构对结晶指数（CrI）值有很大影响。对藻类生物量进行了不同类型的预处理。对于藻类生物量，总固体中的结晶淀粉可以通过CrI值测量。对于不同类型的预处理，CrI值会发生变化。
在没有任何预处理的情况下，鱼腥藻PCC7120的生物量具有8.93的最高CrI值，表明淀粉结晶度大于其他样品。对于HCl处理的生物质，CrI值为2.47是最低的。糖处理不同预处理工艺对结晶度指数有显著影响。发现HCl是最有效的处理，CrI最低为2.47，其次是高压釜和过氧化氢处理，分别为4.88和5.81。这些结果表明，HCl处理适合于消化糖，因此有利于简单糖的增溶。阳极室的基板可用性起着重要作用。这一发现可能是由于藻类生物质的淀粉成分在酸性条件下完全水解。研究结果表明，不同的预处理程序显著影响了生物质的晶体结构。Roy等人也进行了类似的观察，其中藻类生物量（小球藻）通过各种预处理来增加氢生成。他们发现，强酸性预处理同样降低了藻类生物量的结晶指数。然后用复合显微镜和SEM观察预处理的细胞。观察到，由于不同的预处理过程，细胞形态和完整性发生了扭曲。SEM图像表明细胞壁破裂和细胞内物质的释放。预处理前，图像中的细胞完整，主要呈球形，并聚集在一起。这表明碳水化合物被囚禁在细胞内。另一方面，使用不同浓度HCl的预处理微藻的显微照片显示细胞壁撕裂，如断裂细胞所示。未经处理的Anaebaena的形态完整且呈椭圆形。这可能是由于细胞质含量可能发生化学变化。从HCl预处理中回收最大量的可还原糖和蛋白质（图2）。用H2O2预处理得到的还原糖比酸处理的消化物少一点。这可能是由于藻类生物质基质的过度氧化。含有溶解的可还原糖的超声处理藻类生物质直接用于MFC中的阳极电解液。。
Fig. 2. Reducible sugar and protein recovery profile after different pretreatment processes.
在分批模式过程中，在36小时的进料循环时间，所有8个sMFC需要两周时间才能达到稳定条件。在操作持续时间内检测到电流缓慢上升。在100Ω的外部负载下，MFC酸T的电流生成在第8天达到最高值2.4mA。同时，用未经处理的藻类粗提取物进行MFC控制需要16天才能分别达到0.8mA废培养基的最大电流。这表明预处理生物质的MFC可以产生更多的功率输出；这也有助于减少发电的启动时间。MFC超声处理（第6次循环后）获得的最大电流输出比MFC酸T低59%，而其电流输出比MFC-H2O2T高10%。这一结果表明，在MFC中使用蓝藻生物质作为发电原料时，酸处理是合适的。
通过改变90 KΩ至40Ω的外部电阻，获得极化曲线以确定微生物燃料电池的效率。极化曲线发生器是一个有影响的实验，用于检查和描述与发电相关的燃料电池的质量。图3显示了sMFC的极化曲线。酸预处理生物质的最高发电潜力为6.76 Wm−3。较高体积发电量的可能原因可能是阳极电解液中简单碳水化合物的可用性。酸处理后的还原糖浓度为0.4 gL−1，这与生物乙醇和生物氢生成过程中的先前报告非常一致。据报道，在酸/碱处理过程中可能会产生糠醛，这些在酸或碱处理中产生的不需要的糠醛化合物会抑制发酵过程。
Fig. 3. Polarization diagrams for sMFCs with varied pretreatment algal biomass as substrate (volumetric power density and DC voltage as a function of volumetric current density). Solid and open symbols represent the data points representing power density and voltage.
循环伏安法是确定电极表面氧化和还原反应如何进行的一种好方法。在CV外部施加特定电压范围后测量电流产额。电流-电压图可以获得各种数据。在所有三种类型的MFC中，都进行了CV。图4显示了几个阳极记录的循环伏安图。测量生物电容以评估具有不同预处理基底的MFC的性能。生物电容是产电细菌的电荷收集能力。通过混合培养接种物的伏安图，在不同的电位（-0.04V和+0.08V）下观察到不同预处理藻类生物量的小氧化峰。
这可能是由于各种电活性细菌氧化了基质。特征的氧化峰已变为更高的正电位，这表明两种不同类型的细菌之间的电生相互作用。在具有不同预处理衬底的MFC中观察到电容的显著差异。基于MFC酸T的阳极发现了最高的测量生物电容，表明有效的底物转化为电流生成（0.0097 Fcm−2）（图4）。酸预处理允许更多的底物用于电解。此外，浴声处理显著改善了MFC声处理T中的电生成。MFC超声处理T记录的生物电容为0.0068 Fcm−2。通过蓝藻生物量的细胞壁破坏可氧化糖的可用性可能会导致更好的当前产量。循环伏安图证实了基质预处理的显著改善，促进了电生成。
Fig. 4. Cyclic voltammograms with different anodes- MFC-acidT, MFC-sonicationT, MFC-H2O2T and MFC-control.
总结
微藻是微小的真核生物，生长迅速，除了光合作用外，还能够将二氧化碳固定在大气中。淀粉和脂质颗粒是两种生物燃料前体，在藻类细胞中含量丰富。该研究旨在确定蓝藻生物质是否可以用作MFC中的底物。研究发现，在光自养条件下，Airlift PBR在产生最大量的生物质方面最有效。同时研究了光自养Anabaena sp. PCC 7120的几种预处理技术，并检查了它们的发电效率。
