微藻生物固碳技術(shù)研究和應(yīng)用情況

龍菲平，遲慶雷

（1.國投生物科技投資有限公司；2.國投微藻生物科技中心；3.微藻生物能源與資源北京市重點實驗室）

1 引言

隨著全球氣候變暖和極端天氣頻發(fā)，世界各國紛紛提出碳減排目標(biāo)，“雙碳行動”是應(yīng)對氣候變暖國際行動的一部分，歐盟國家是“碳中和”的首倡者，他們提出要在2050年達(dá)到碳中和。我國2020年9月承諾，2030年實現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實現(xiàn)碳中和。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）曾指出，要實現(xiàn)巴黎協(xié)議中規(guī)定的將全球氣溫上升控制在1.5℃以下的目標(biāo)，負(fù)排放技術(shù)不可或缺（見表1）[1]。

表1 全球主要的負(fù)排放技術(shù)[2]

微藻固碳技術(shù)就是利用微藻將二氧化碳轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)的技術(shù)。微藻大多是光合自養(yǎng)微生物，可直接利用太陽能，固定CO2的效率是其他植物的10 倍～50倍[3]，生長周期短，遠(yuǎn)高于高等植物[4]，而且環(huán)境適應(yīng)能力強，不與糧爭地[5]。

2 可用于微藻固碳的藻種

目前已發(fā)現(xiàn)的微藻種類超4萬種[6]，但不同微藻的固碳效率有所不同，開展微藻固碳工作的前提就是篩選優(yōu)質(zhì)高效的藻種。小球藻屬是目前最常用于固定CO2的藻種，固定CO2速度為0.11-0.85g·L-1·d-1，最高能耐受60%濃度的CO2（詳見表2）。

表2 用于微藻固碳的藻種及特點

3 微藻生產(chǎn)設(shè)備

微藻生產(chǎn)設(shè)備的研究和開發(fā)是微藻生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，微藻主要生產(chǎn)設(shè)備為光生物反應(yīng)器，通過查詢國內(nèi)外相關(guān)專利，主要專利技術(shù)包括罐體式、培養(yǎng)池、管道式、柱式、板式、固定式和袋式培養(yǎng)裝置（見圖1）。

圖1 微藻培養(yǎng)裝置相關(guān)專利技術(shù)分布

目前最廣泛使用的微藻培養(yǎng)裝置為開放式跑道池反應(yīng)器和管道式光生物反應(yīng)器，前者結(jié)構(gòu)簡單、固定投入相對低，但培養(yǎng)條件不易控制，易發(fā)生污染；后者為封閉式光生物反應(yīng)器，培養(yǎng)條件易控制，能有效防止污染，產(chǎn)率高[14]。

4 固碳效率計算

一般認(rèn)為微藻細(xì)胞中碳含量約占50%，生成1kg的微藻則會固定1.83kg CO2[2,12]，這是當(dāng)前應(yīng)用最多的一種快速簡單的估算方法。

5 微藻固碳技術(shù)專利申請情況

經(jīng)查詢，全球微藻固碳專利申請于1979年～2001年處于萌芽期，年申請量僅在30 件以下，自2004年開始進(jìn)入發(fā)展期，年申請量達(dá)到100件以上，從2011年開始進(jìn)入穩(wěn)定期，如果去除中國申請的海外專利可以看到其他國家申請數(shù)量處于下降趨勢，說明2011年開始中國申請的專利成為全球總申請量的主力軍，而且自2019年快速上升（見圖2）。

圖2 微藻固碳技術(shù)全球?qū)＠秃Ｍ鈱＠暾堏厔?/p>

中國、美國、日本和韓國是主要的微藻固碳技術(shù)專利的申請國，中國申請數(shù)為967項，大于其余國家的總和。排名前8的全球申請人中國占了6位，日本2 位[15-41]（見圖3）。申請的專利主要涉及藻種選育、培養(yǎng)及反應(yīng)裝置、培養(yǎng)工藝和固碳應(yīng)用4 個方面的內(nèi)容，占比分別為17%、24%、44%和15%。

圖3 全球?qū)＠暾埲伺琶?/p>

6 微藻生物固碳研發(fā)投入和應(yīng)用情況

2016年國家科技部組織的“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”重點專項“二氧化碳煙氣微藻減排技術(shù)”項目，浙江大學(xué)為牽頭單位，項目在鄂爾多斯市鄂托克旗烏蘭鎮(zhèn)螺旋藻產(chǎn)業(yè)園區(qū)建立了示范工程。青島能源所與新疆慶華集團(tuán)于2012年曾合作開展微藻培養(yǎng)進(jìn)行二氧化碳固定和處理工業(yè)廢水聯(lián)產(chǎn)生物柴油的項目。深圳特別合作區(qū)碳中和示范基地微藻固碳暨干冰轉(zhuǎn)化項目于2021年7月在華潤海豐電廠動工，建成后將達(dá)到每年固定20 萬t 煤化工煙氣CO2[42]，標(biāo)志著二氧化碳捕集、封存和利用的產(chǎn)業(yè)化道路又向前邁上了一步。

國投生物微藻中心于2016年開展了微藻固定電廠排放二氧化碳技術(shù)的研究，結(jié)果表明使用煙道氣培養(yǎng)時，微藻生長情況優(yōu)于使用純二氧化碳的培養(yǎng)，GT2 號藻種在煙道氣中試規(guī)模培養(yǎng)產(chǎn)率可提高30%以上。在一個培養(yǎng)周期內(nèi)，煙道氣中CO2的平均去除率達(dá)88.4%。其在國投某發(fā)電廠廠區(qū)內(nèi)建設(shè)了煙道氣減排示范項目，反應(yīng)器體積為7 萬L，直接使用電廠煙道氣培養(yǎng)微藻，微藻最大生長速率超過0.8g·L-1·d-1，相當(dāng)于每天最大可減排二氧化碳2.83t。

美國肯塔基大學(xué)能源應(yīng)用研究中心（CAER）和杜克能源公司東灣電廠合作建設(shè)了19000 L 體系的微藻固碳示范項目，微藻夏季平均產(chǎn)量超過30g·m-1·d-1，CO2去除率平均為44%。對固碳后收獲的微藻進(jìn)行組分分析發(fā)現(xiàn)，除42.27%的碳和66.54%的易揮發(fā)性物質(zhì)，無砷、銫、鉻和汞等重金屬元素，表明微藻固碳后的產(chǎn)品可用于生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品。CAER獲得了來自美國能源部120萬美元的資助用于基于藻類的碳利用項目。2021年1月份，全球最大水務(wù)公司蘇伊士環(huán)境集團(tuán)與法國Fermentalg 公司（法國著名微藻企業(yè)）成立合資公司，致力于開發(fā)微藻固碳光生物反應(yīng)器與生物固碳應(yīng)用，計劃將這些固碳光反應(yīng)器應(yīng)用于城市環(huán)境固碳和工業(yè)廢氣固碳。

微藻生產(chǎn)具有不占用耕地、生長周期短、光合效率高等特點，受到排碳大戶們的廣泛關(guān)注。將微藻生產(chǎn)技術(shù)與火電廠、鋼鐵廠、化工廠和食品發(fā)酵廠等不同行業(yè)的結(jié)合，不僅可減排二氧化碳，而且生產(chǎn)得到的微藻生物質(zhì)可用于飼料、食品、化工產(chǎn)品和能源。中國二氧化碳捕集利用與封存2021年報告中指出，生物固碳與捕集等負(fù)排放技術(shù)是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要技術(shù)保障[42]。

目前微藻生物固碳技術(shù)的應(yīng)用仍處于中試階段，最關(guān)鍵的問題仍是降低成本，使固碳得到的微藻生物質(zhì)能滿足應(yīng)用行業(yè)可接受的成本，若碳交易價格能達(dá)到歐洲的水平（50歐元/t），或可沖抵部分微藻生產(chǎn)成本。隨著國內(nèi)外微藻科研持續(xù)投入及成果與產(chǎn)業(yè)融合，微藻固碳技術(shù)將為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。