1、天然气催化燃烧烟气在干细胞培养中的应用摘要：天然气催化燃烧烟气洁净无菌，燃烧后的高温烟气经过与空气和 CO2 按照一定比例配比，配比后的气体达到干细胞所需要的气体成分， ，可将其经过过滤和降温通入无菌箱或超净工作台使工作区域洁净无菌，也可将气体通入到 CO2 培养箱中，应用到干细胞培养。 关键词：天然气；催化燃烧；细胞；培养 中图分类号：F407 文献标识码： A 随着我国大气污染的日益严重，雾霾天气区域性频发，环境问题已变成当前棘手的问题1。天然气催化燃烧能从源头上防治污染和保护生态环境，有助于形成低投入“低消耗”低排放和高效率的节约型增长方式，有利于对消耗高“污染重”技术落后的工艺和产品实
2、施淘汰，降低污染物排放总量，加强资源综合利用，加强污染防治2。 天然气属于清洁能源，天然气催化燃烧能达到 CO 和 NOx 均小于 5ppm的近零污染物排放，是一种节能环保的燃烧方式。天然气燃烧温度在1000以上，燃烧后的烟气无菌洁净3-4，对环境无污染，可将烟气与空气和 CO2 按照一定比例配比，配比后的气体达到干细胞所需要的气体成分，5-7，由于高温烟气与空气和 CO2 混合的，所以混合后的气体洁净无菌4，可将其经过过滤和降温通入无菌箱或超净工作台使工作区域洁净无菌，也可将气体通入到 CO2 培养箱中，应用到干细胞培养。 1.天然气催化燃烧烟气分析 中国计量科学研究院对天然气催化燃烧烟气检
3、测报告结果如表 1 所示： 表 1 天然气催化燃烧各组分气体浓度 天然气催化燃烧，燃料燃烧充分，并且其燃烧温度在 1100 摄氏度左右，基本上全部转为 CO2 和 H2O，CO 和 NOx 均小于 5ppm，基本为零，由于天然气中掺加极少量的 H2S，燃烧产物为 SO2 和 SO3，但其含量小于5ppm，几乎为零，所以天然气催化燃烧效率高，燃烧产物洁净无菌，可将其用到无菌箱中。 2.干细胞培养所需气体环境 除了满足营养的需要以外，培养环境还必须具备细胞生存并繁殖的生理学能接受限度内的物理化学特性，包括温度、气相及 PH 等。 2.1 温度 体外培养的细胞需在保持一定恒温的环境中才能生长，其适宜
4、的温度与取材的动物种类有关。 2.2 气相及 体外培养细胞需要理想的气体环境。包括 O2 及 CO2，但其量则须恰当。多数细胞需要在有 O2 条件下才能生长，氧张力通常维持在略低于大气状态，若 O2 分压超过大气中氧的含量可能对有些细胞有害。体外培养细胞采用开放培养时，其气体环境一般应为 5%CO295%空气的混合气体。大多数细胞适于在 pH7.27.4 条件下生长，低于 pH6.8 或高于 pH7.6 可能对细胞有害，甚至退变或死亡。 3.3 无污染及无毒 体外培养的细胞必须生长于无污染及无毒的环境。无毒是培养细胞的必需条件 5。 3. 催化燃烧烟气在细胞培养上的应用 无菌箱或超净工作台是细
5、胞培养中要使用的，催化燃烧烟气作为洁净无毒无污染的烟气可作为无菌气体持续不断地通入无菌箱，可使无菌箱持续保持无菌的状态4，燃烧的烟气与空气、CO2 按照一定比例混合后经过过滤降温通入无菌箱可以持续的保持无菌箱的无菌状态，我们将在无菌箱中对细胞操作完之后，将处理后的细胞放入 CO2 培养箱，传统形式下需要一个 5%的 CO2 瓶专门向 CO2 箱通入所需气体，现在我们只需要将通入无菌箱的气体通入 CO2 培养箱即可。 4. 实验装置 天然气催化燃烧 V 型炉烟气分析系统如图 1 所示，本次实验采用了两块独石并排的催化燃烧 V 型燃烧器，所用独石为堇青石蜂窝陶瓷，独石内表面上镀着钯（Pd）和铑（R
6、h）催化剂，独石采用正方形截面尺寸为 150mm150mm，厚度为 20mm，独石孔道尺寸 1mm1mm，壁厚0.18mm，软化温度为 1380。 图 1. 天然气催化燃烧 V 型炉系统图 反应气体天然气和空气分别通过量程为 050 L/min 型号为 GMS005 0BSRN200000 的流量计和量程为 080m3/h 型号为 CMG400A080100000 的空气流量计进行调节，这两个有稳流稳压器提供电流。在催化燃烧器点火前需要对燃烧器内部的混合腔利用风机进行吹扫 5 分钟左右，来保证内部无残留的燃气。点火过程中，先将过量空气系数调整到 1.3 左右进行气相燃烧从而达到预热的目的，期间
7、观察催化剂独石表面待表面火焰基本消失且内部变为红色时，将空气量调大使过量空气系数达到 2.0 左右，此状态为催化燃烧的稳定燃烧状态。此时，通过烟气分析仪测量排放的烟气，NO-NO2-NOx 分析仪测量烟气含量，待数据稳定后进行记录。在箱体出口处插入热电偶测量烟气温度。 5. 实验结果分析 5.1 实验结果 我们做了四组实验分别是燃气流量为 6.1L/min 、7、8、9，相应的空气流量为 7.3m3/h、7.8、9.2、10.3，对应的空气系数是2.09、1.94、2、2。图 2 为记录的烟气成分 CO、CO2、NOx 浓度以及烟气温度。 图 2.不同燃气流量下烟气各成分浓度图 3.不同燃气流
8、量下烟气温度 从图 2 可以看出，NOx 体积分数都在 1ppm 以下，CO 体积分数在 5ppm以下，接近于 0，污染物含量极低，燃烧效果较好，CO2 含量在 5.7%上下，略高于细胞培养要求的 5%，若将其应用到细胞培养必须改变 CO2 含量。从图 3 可以看出，排烟温度在 300以上，接近 400，与细胞培养要求的 37相差甚远，必须降温。因此需要考虑将烟气中通入某种气体或者某几种气体将 CO2 和 O2 含量调节到细胞培养要求的含量。下面具体分析烟气的主要成分。 5.2 天然气组分说明 表 3-2 为通过气相色谱仪所测得的实验过程中所使用的天然气组分及各组分的体积含量。 表 1.天然气
9、各组分体积分数 5.21 由于天然气的主要成分是甲烷，所以天然气燃烧的化学反应方程式如下8： 实验用到的天然气中甲烷占燃料总体积的 93%以上，所以实验中是以甲烷的不完全燃烧情况进行了计算。所有含碳燃料在燃烧过程中都会产生 CO 这一中间产物。根据上述反应方程式可知，反应前后 C 原子个数是守恒的，反应后 CO 和 CO2 的总体积与反应前 CH4 的体积相等，即 。因为含量微乎其微，可以忽略不计，所以可以认为和燃烧前的含量相等，即；产生水蒸气的量为，需要氧气量，需要空气量 烟气总体积: 5.22 过量空气系数为时，过量空气相当于多出未参加燃料反应的那部分空气产生的和水蒸气的量不变，即， 过量
10、空气相当于多出未参加燃料反应的那部分空气，烟气中氧气的体积: 烟气的总体积： 干烟气的总体积： 二氧化碳的体积分数: 氧气的体积分数: 干烟气中二氧化碳的体积分数: 氧气的体积分数: 催化燃烧空气的空气系数是 2，当过量空气系数为 2 时，带入上式 二氧化碳体积分数（烟气中有水蒸气）: 氧气体积分数（烟气中有水蒸气）: 二氧化碳体积分数（烟气中没有水蒸气）: 氧气体积分数（烟气中没有水蒸气）: 5.23 烟气分析仪使用塑料管将气体通入分析仪分析烟气成分，在管道中烟气降温到室温，水蒸气冷凝，所以可以近似认为烟气分析仪分析的气体为干烟气，数据计算 CO2 含量 5.5%与实验相当接近。 由于需要将
11、烟气中通气体，虽然向湿烟气中通气体调节，但通入细胞培养仪器时的温度为 37，中间水蒸气还会冷凝，所以调节气体的体积分数时仍然需要按照干烟气的计算调节。 对比烟气成分含量与要求的成分含量可以看出，需要降低 CO2 含量，提高氧气含量。因为氧气提高到略低于 21%所以可以通入空气，即能提高 O2 含量又能降低 CO2。假定烟气总体积为 V，通入空气体积为 Vx，则 CO2 体积为 5.541，O2 为 11.082。 通过计算通入空气后 CO2 含量会低于要求的含量，因此还需通入CO2，通入 CO2 体积为 VY 将， ， ， 解得， 当烟气的体积为 V（不含水蒸气）时，通入的燃气量为 0.055
12、4V，空气量为 1.0554V，所以只要通入体积，燃气量：空气量：CO2 量=0.0554:155；0.0523=1:2797:0.944 时，输出的烟气的成分即为， 。 6. 结论 天然气属于清洁能源，天然气催化燃烧烟气洁净无菌，将燃烧废气收集重新利用通入 CO2 培养箱进行干细胞培养，此种方法使用即可以将烟气充分利用，减少 CO2 排放，并且操作简单，只需要向燃烧完的高温烟气中通入定量的空气和 CO2 即可，而且从通入气体的比例来看，生成需要的气体向烟气中通入的空气很多，通入的 CO2 确很少，比较经济，因此天然气催化燃烧烟气应用到细胞培养是种经济环保的方式。 致谢 本资金由北京市供热供燃
13、气通风及空调工程重点实验室提供，项目编号 cxy2012019。 参考文献 1 王淑兰，柴发合，高健. 我国中长期 PM2.5 污染控制战略及对策J. 环境与可持续发展，2013，4：10-12 2 张世红，Dupont Valerie，Williams Alan，Rickett Gavin. 硫化合物存在时天然气催化燃烧机理与应用M. 科学出版社，2010:1-2 3 李宁. 化燃烧冷凝锅炉热效率及节能特性研究D. 北京建筑工程学院硕士学位论文，2011.03：1-3 4 L. F. Yan, M. Xiao, S. H. Zhang Exploration of exhaust gas o
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15、evels of Oxygen Promotes Clonogenic Sympathoadrenal Differentiation by Isolated Neural Crest Stem CellsJ. Neuroscience, 2000, 20(19):73707376. 8 S. H. Zhang, Z. H. Wang, combustion efficiency inside catalytic honeycomb monolith channel of natural gas burner start-up and low carbon energy of catalytic combustionJ. Frontiers in Heat and Mass Transfer (FHMT), 4, 023005 (2013), pp.1-6
