吸收-微藻法固定燃氣電廠低濃度CO2同步產油技術研究進展

秦振芳，廖日紅，馬偉芳

（1 北京林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，北京 100083；2 北京市南水北調環(huán)線管理處，北京 100176）

我國電力行業(yè)發(fā)展迅速，針對火電造成的能源浪費和環(huán)境污染問題，國家出臺一系列政策，一定程度上實現了火電機組向清潔高效的轉型。電力行業(yè)的絕大部分碳排放來源于火電，火電機組再次面臨著低碳轉型挑戰(zhàn)。在“雙碳”目標的背景下，中國能源結構將實現從高碳向低碳的轉型升級，為保障電能安全穩(wěn)定供給，天然氣將成為轉型升級期內最佳的過渡能源，燃氣裝機容量穩(wěn)步增長，從而確保電力系統的穩(wěn)定發(fā)展[1]。燃氣電廠以天然氣為燃料，天然氣被稱為清潔能源，但本質上屬于化石能源，燃燒后會生成CO2，對燃氣電廠低濃度CO2進行捕集與利用能有效減少發(fā)電行業(yè)CO2排放。目前針對低濃度煙氣的CO2捕集技術，主要包括吸收法、吸附法和膜分離法；其中化學吸收法的應用最廣泛，技術成熟，分離后的CO2純度高[2?3]，但存在再生能耗過高的問題。針對燃氣電廠煙氣排放特點及降低捕集成本的要求，基于吸收?微藻法的工藝更具競爭力[4]。而生物固碳法中，利用微藻可以將CO2快速封存并產生高效的光合作用，體內脂質含量超過其生物質的20%，通過酯交換過程，脂質可以轉化為生物柴油[5?6]。因此，吸收?微藻法的耦合工藝在降低空氣污染物釋放的同時還可以產生生物柴油等能源物質，具有很好的環(huán)境和經濟效益。本文結合燃氣電廠煙氣特征，概述工藝全過程中吸收液的應用、培養(yǎng)模式、通氣方式以及微藻性能改進這四個主要部分的研究現狀，以期為未來電力系統實現碳中和提供可行思路。

1 燃氣電廠煙氣排放特征

燃氣電廠以天然氣為燃料，天然氣原料雜質少，被稱為清潔能源。經過煤電的清潔改造，超低排放的燃煤機組主要大氣污染物的達標排放率已經達到99%以上，燃氣電廠和超低排放燃煤電廠的煙氣成分及占比情況如表1所示。隨著潔凈煤技術的應用和發(fā)展，煤原料更加清潔化，污染物控制更加嚴格，近零排放機組的改造現在也取得很好的效果，應用清潔煤電近零排放技術的燃煤機組SO2和NOx排放濃度分別不高于10mg/m3、20mg/m3[7]。相比來看，燃氣電廠煙氣 CO2排放量不足燃煤電廠的1/3，SOx排放量遠低于國家標準中關于燃氣發(fā)電機組的排放限值，可以不考慮其污染影響，則NOx為主要污染物。因此，針對燃氣電廠CO2濃度低這一典型特點，在低濃度下捕集CO2對捕集技術及工藝提出了更高的要求。

表1 超低排放燃煤電廠和燃氣電廠的煙氣成分[8?10]

2 微藻生物固定CO2的優(yōu)勢

微藻固定CO2同步產油為碳捕集和資源化利用提供了廣闊的應用前景，將有效促進碳減排。但由于微藻具有復雜的多組分生化相互作用機制，利用微藻進行碳封存面臨著各種挑戰(zhàn)，大氣因素和生存因素的交互作用對微藻利用CO2效能有顯著影響[11?12]。與在自然大氣條件下[CO2體積分數（下同）為0.03%]不同，電廠煙氣中含有更高濃度的CO2（CO2體積分數范圍3%～16%），同時含有一些酸性成分（NOx和SOx），從而刺激了藻類的繁殖和產油基因的表達。如小球藻Chlorellasp. (Cv)的氧化磷酸化、光合作用、硫代謝、氮代謝等基因的調控表達對CO2固定效能具有積極影響，表明煙氣中污染物的捕集與凈化速率和效能取決于微藻各種特定基因。此外，細胞內硝酸鹽還原酶被消耗以刺激微藻細胞對NOx的利用，這表明電廠煙氣可以直接用于微藻培養(yǎng)，并有助于提高微藻對CO2的封存[13]。

目前發(fā)現的微藻種類多樣，常見的微藻包括小球藻、微綠球藻、柵藻、葡萄藻等[14]。多種類的微藻可以在不同濃度CO2的環(huán)境下生存，為固定不同濃度的CO2提供了多種選擇，基于燃氣電廠煙氣中CO2濃度低的特點，梳理出不同藻種在4%～6% CO2濃度下微藻的固碳效果（表2）。微藻的顯著優(yōu)勢是生長速度快、油脂含量高。在光自養(yǎng)的培養(yǎng)模式下，微藻細胞通過光合作用利用CO2合成油脂，并以甘油三酯（TAG）的形式積累[15]。相比陸生植物，微藻生長迅速（10～20h繁殖一代），光合效率可達到3%～6%[16]，CO2生物固定效率高，為陸生植物的10～15倍[17]，且?guī)缀跞可锪慷伎梢员晦D化，據報道，微藻利用1.8kg 的CO2可以轉化生產1kg 的生物質[18]。在適宜的條件下，微藻生產不受季節(jié)影響，可以每天連續(xù)收獲[19]。不同種類的微藻油脂含量差別較大，一般微藻的脂質含量在20%～50%之間[20]，在生長條件調控限制的情況下，含油量可以高達80%。常見是在氮限制條件下提升微藻脂質含量，一方面藻類細胞吸收大量碳，但無法進行細胞分裂，碳直接轉化為TAG；另一方面，由于氮限制，積累的TAG 不能用于細胞內各種膜的合成，因此以脂質的形式儲存起來，其脂質生產率遠高于傳統油料作物，是生物燃料的優(yōu)質原料[6]。

表2 低濃度CO2下微藻的固碳效果[21?25]

3 吸收?微藻法工藝研究進展

3.1 生物轉化全流程分析

燃氣電廠煙氣成分相對清潔，可以直接用于微藻培養(yǎng)，在固定CO2的同時，微藻可以將煙氣中的NOx和SOx轉化為對生物質有用的營養(yǎng)成分。圖1展示了CO2從燃氣電廠排放到最終被生物轉化為生物柴油的全過程。燃氣電廠中天然氣燃燒后煙氣進行余熱回收和脫硫脫硝預處理，處理后可以回收大量煙氣余熱且脫除煙氣中的部分NOx和SOx；同時煙氣溫度冷卻到30～35℃，可以直接通入光生物反應器（主要成分包括藻液、化學吸收液和營養(yǎng)成分）進行CO2的吸收和微藻的培養(yǎng)：CO2氣體分子被吸收液吸收轉化為溶解的無機碳酸鹽，微藻在光照條件下捕獲光能，以無機碳酸鹽為碳源進行光合作用，形成有機物。微藻的生物轉化過程包含了三個階段：光能的捕獲與傳遞、無機碳濃縮以及光合碳代謝[26]。將培養(yǎng)一段時間后的微藻（生物量和脂質含量達到最佳）收獲并干燥處理，在一系列化學轉化和工藝煉制后，蘊藏在脂質中的化學能以生物柴油的形式被使用。

圖1 吸收?微藻法固碳產油全流程圖

在生物反應器中，CO2從氣體形式被吸收液吸收進而形成無機碳源被微藻轉化利用的過程是吸收?微藻法工藝效率的關鍵。首先，吸收液類型的選擇決定了CO2形成無機碳酸鹽的類型（碳酸鹽或碳酸氫鹽），無機碳酸鹽導致吸收液的高堿度環(huán)境，對微藻的抗堿性提出更高的要求；其次，吸收液作為微藻生長的潛在營養(yǎng)源，由于直接與微藻細胞接觸，可能會對微藻細胞生長產生抑制作用，因此需要慎重選擇吸收液的類型；最后，隨著CO2氣體的不斷通入、吸收液的持續(xù)補充，微藻對營養(yǎng)成分進行吸收利用，吸收液的理化性質隨之不斷改變，例如堿度和鹽度?？傊找旱男再|直接決定了CO2的吸收效能和微藻的生長條件，因此了解吸收液的性質并對氣體通入和微藻培養(yǎng)過程中的各種條件合理調控是提升工藝性能的關鍵。

吸收?微藻法的工業(yè)化規(guī)模應用一般在開放池（高生產能力、成本低但易污染）和封閉式光生物反應器（清潔但成本高）中進行。大型工業(yè)生長系統使用開放池培養(yǎng)微藻，其連續(xù)運行主要是使用槳輪（或泵）在周圍循環(huán)微藻細胞、養(yǎng)分和水，使其有效混合，同時不斷暴露在環(huán)境中，以自然光為光源和熱源。相比而言，封閉式光生物反應器更適合降低污染風險并簡化參數控制以提高生產率。在考慮規(guī)?；杀镜囊蛩叵?，目前開放池已在工業(yè)化規(guī)模微藻培養(yǎng)中普遍應用。Moheimani[27]在室外工業(yè)規(guī)模的1000L氣升光生物反應器中以半連續(xù)方式培養(yǎng)T. suecicaCS?187，燃煤發(fā)電站的未經處理的煙氣用于維持這種藻類生長所需的無機碳。在7個月的培養(yǎng)中，在收獲日（每周3次）以電絮凝法回收微藻，培養(yǎng)液回流至反應器中，同時補充被消耗的營養(yǎng)物質，反應器的自動冷卻系統控制溫度在25℃左右。該規(guī)模化培養(yǎng)的潛在有機生物質生產力和碳封 存 為(178.90±30)mg/(L·d) 和(89.15±20)mgC/(L·d)。Wen 等[28]在200m2的開放池（培養(yǎng)體積40000L）通入CO2培養(yǎng)富含脂質的Graesiellasp.WBG?1，電動機驅動大槳輪控制藻液流速，同時放置在培養(yǎng)池底部的微孔聚合管（氣體擴散器）自動注入純CO2氣體，在線pH 傳感器控制CO2流量以維持一定的pH（pH 8.5～9.5），實現了65.7%的CO2利用率，脂質含量高達33.4%千重（DW），其中約90%是儲存TAG。為充分發(fā)揮開放池和封閉式光生物反應器的優(yōu)勢，兩階段的混合培養(yǎng)系統不斷發(fā)展，第一階段是在封閉式光生物反應器中獲得高生物質濃度的微藻；第二階段是在開放池中大規(guī)模進行微藻光合固碳，Huntley 等[29]在25000L 的管道式光生物反應器培養(yǎng)藻種，50000L跑道式開放池大規(guī)模培養(yǎng)微藻積累油脂，整個混合系統占地面積2ha（1ha=104m2），實際培養(yǎng)后系統的平均生物質年產率達到38t/ha，油脂年產率達到10t/ha。

微藻采收成本過高是限制微藻工業(yè)化規(guī)模培養(yǎng)的重要瓶頸之一，微藻細胞體積?。?～30μm），培養(yǎng)密度較低（開放池<0.6g/L，封閉式光生物反應器<3g/L）[30]，微藻的采收難度較大，因此開發(fā)經濟高效的采收技術對吸收?微藻法產業(yè)的長遠發(fā)展非常重要。對于工業(yè)化大規(guī)模的微藻培養(yǎng)，目前最常采用的收集方法是使用工業(yè)分離機進行收集，培養(yǎng)成熟的藻細胞進入分離機后，在離心力、剪切力、分離機內停留時間等因素的影響下，微藻細胞破損，強大的離心力使藻液分離[31]。微藻的采收技術還包括過濾、沉降、浮選和絮凝，但這幾種方法在大規(guī)模微藻采收的應用中存在一定局限，其中絮凝技術具有較高的經濟性和采收效率，發(fā)展?jié)摿薮?，有望成為普遍化的采收技術[32]。

3.2 吸收液類型及理化因素對CO2吸收和微藻培養(yǎng)的影響

3.2.1 吸收液的選擇及固碳效果

目前，用于化學吸收法固定CO2的吸收液種類繁多，研究及應用最廣泛的四種吸收液分別是胺基溶液、碳酸鹽溶液、氨溶液以及氨基酸溶液（表3），在吸收?微藻法使用較多的單一吸收液是胺基溶液和碳酸鹽溶液。胺基溶液中，用于吸收CO2最多的是單乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和甲基二乙醇（MDEA），其中MEA 最常用于電廠煙氣中CO2的吸收，成本低。氨溶液最主要的問題在于反應過程中氨逃逸，顯著影響氨逃逸率的工藝參數主要包括氨濃度、吸收液堿度、CO2負載量、反應溫度等[33]，這些參數是互相影響的，了解這些參數之間的相互關系有助于優(yōu)化工藝，減少氨損失。一些研究發(fā)現，使用胺、碳酸鉀等物質以及金屬離子作添加劑不僅可以抑制氨逃逸，還可以提高CO2吸收[34?36]。氨基酸鹽溶液用于CO2吸收時，一般是精氨酸、脯氨酸和甘氨酸等氨基酸與鈉、鉀等金屬混合形成氨基酸鹽，加入金屬的目的是增加CO2的溶解度[37?38]，賴氨酸鉀的CO2吸收性能優(yōu)于大多數氨基酸鹽，與MEA 不相上下。在結構上，氨基酸鹽和胺類具有相似的官能團，這種特性使氨基酸鹽能有效地用作混合吸收液的助溶劑和促進CO2吸收的添加劑[39]。碳酸鹽溶液被證明可吸收CO2，包括碳酸鉀、碳酸鈉和碳酸鈣[40?42]，但碳酸鹽溶液存在吸收反應速率緩慢的缺點，為了提高反應速率，提出加入活化劑增強CO2反應速率。碳酸鉀（K2CO3）作為典型碳酸鹽吸收液，由于具有成本低、對環(huán)境友好、耐蒸發(fā)等優(yōu)點被廣泛研究，常用于促進K2CO3活化劑的種類包括鹽類（硼酸鹽、砷酸鹽等）、碳酸酐酶、胺類（伯胺、仲胺、叔胺）、聚合物和酸類（硼酸等）[43]。由以上分析可知，可以利用單一吸收液的優(yōu)缺點取長補短，朝著經濟高效的目標，探索混合吸收液的潛力。

表3 化學吸收法固定CO2常用的吸收液類型

單一吸收液在吸收CO2的工藝中存在一定的缺陷，往往對CO2的吸收能力和選擇性有限，需要使用添加劑/促進劑/抑制劑形成復合吸收液來改善它們的性能，提升系統對CO2吸收及固定的整體效率。例如2?氨基?2?甲基?1?丙醇共混物和胺共混物能實現約99%的CO2吸收。然而，一些添加劑/促進劑/抑制劑具有毒性、腐蝕性和揮發(fā)性，因此復合吸收液要謹慎用于吸收?微藻的工藝中，常用的單一吸收液和復合吸收液應用于吸收?微藻法中的性能的研究已經有很多（表4），復合吸收液在用于微藻培養(yǎng)時均表現出比其研究中對照組的單一吸收液更優(yōu)異的性能，為更多復合吸收液的復配提供了思路。

表4 吸收-微藻法中不同類型吸收液的固碳效果

3.2.2 吸收液的堿度和鹽度

堿度和鹽度是吸收液培養(yǎng)微藻體系中影響微藻光合效率和CO2同化效率的兩個關鍵理化因素，并且兩者會產生交互影響。在藻類培養(yǎng)過程中消耗大量的碳酸氫鹽可能導致培養(yǎng)基的高堿度，相對較高的堿度可能伴隨著碳酸氫鹽濃度的增加，而葉綠素濃度由于細胞對碳酸氫鹽（HCO3?）的吸收增加而降低，影響微藻對脂質的積累[59?60]。吸收液中各種碳酸鹽的平衡濃度也與溶液的堿度有關，在pH 低于4.5 時，碳酸鹽物質將完全由碳酸（H2CO3）組成。當pH 增加到約8.5 時，碳酸鹽物質將完全由HC組成。當pH升至8.5以上時，主要的無機碳物質將是碳酸鹽（CO32?）[61]。相反地，溶解的無機碳會通過pH 的影響反饋到微藻對CO2的吸收，Yin 等[62]首次發(fā)現pH 對CO2吸收率的影響受無機碳鹽濃度的影響，當培養(yǎng)基的溶解無機碳鹽濃度大于9.52mmol/L，較高的pH環(huán)境將有利于CO2的吸收和利用。

通常，微藻的最適pH 范圍是中性至微堿性（pH7～8），當pH 變化時可能會改變酶活性，新陳代謝受到抑制。微藻在培養(yǎng)過程中，培養(yǎng)基的pH隨著微藻的生長而增加，在微藻的可承受范圍內可以保護微藻受到污染。在開放的池塘培養(yǎng)系統中，輪蟲、纖毛蟲、變形蟲等競爭微藻物種對培養(yǎng)物的污染非常普遍。這些入侵的生物會通過捕食和競爭危害藻類培養(yǎng)物，最終可能導致生物量或脂質生產率下降，甚至導致微藻難以存活。在某種程度上，高鹽度可用于控制這些捕食者對培養(yǎng)物的攻擊（如螺旋藻或杜氏鹽藻）[63]。然而，只有少數嗜鹽堿微藻適應高鹽堿度的環(huán)境，對嗜堿（鹽）和耐堿（鹽）微藻還要進一步篩選和研究。

3.3 CO2吸收及生物轉化的影響因素

3.3.1 溫度和光照

溫度和光照是影響微藻生長和生物質積累的重要因素。微藻的光合作用是溫度依賴的一系列物理化學反應過程，大多數微藻進行光合作用的適宜溫度范圍在15～30℃，最佳生長溫度在20～25℃。通常，過低溫度會抑制Rubisco 酶活性，光合作用速度減慢[64]；而過高溫度會降低CO2在培養(yǎng)基中的溶解度，導致Rubisco 酶與O2結合而不是CO2[65]，抑制微藻的代謝和呼吸強度。而微藻脂質積累與細胞生長呈相反的趨勢[66]，在過低和過高溫度下這種趨勢更加明顯。在實際情況下，封閉的光生物反應器中可以通過調整工藝條件保持培養(yǎng)基的最佳溫度，使微藻處于最佳的生長狀態(tài)。

微藻固定煙氣CO2利用的光源主要分為太陽光（主要在開放式培養(yǎng)中）和人工光（主要在封閉光生物反應器培養(yǎng)中）兩種，微藻含有葉綠素、類胡蘿卜素和藻蛋白等色素，可以利用這兩種可見光進行生長。據估計，43%～45%的總太陽輻射參與了光合作用的開始，這部分輻射被稱為光合有效輻射（PAR），微藻使用大約27%的PAR將CO2轉化為碳水化合物[67]。通常，光照條件主要指光強度和光/暗周期，光強度和微藻生長直接相關，將光照強度作為單一因素，其對微藻生長速率的影響可以用半經驗模型來表示[68]，如式(1)。

式中，μ是比生長率；μmax是最大比生長率；In是光強度；Kn是光強度半飽和常數，μmol/(m2·s)。微藻的光合速率隨著光照強度的增加而加快，但當光合速率達到最大后（即達到光飽和），光合作用會隨著光照強度的增加而減慢。最常用的光強度范圍在100～200μmol/(m2·s)之間，并且在低光強度下，脂質的積累會增加[69]。光照的光/暗周期也顯著影響微藻的生長，微藻細胞在光周期進行細胞生長，在暗周期進行細胞分裂，此外細胞代謝產物也受光/暗周期循環(huán)的影響。在小球藻培養(yǎng)時，相比24h連續(xù)光照，12h 光/12h 暗周期循環(huán)的光照條件下，小球藻的生物質產量和脂質含量更高[70]。光照影響甚至還和溫度有一定的關系，當微藻在最適溫度下生長時，可以更有效地利用可見光。

3.3.2 通氣方式

氣液傳質是微藻固定CO2的限制條件之一，而且傳質效率會影響微藻的生長速率，通常解決辦法是改進通氣方式，來提高接觸面積和混合程度（停留時間）[71?72]。目前，最廣泛使用的通氣方式有微孔鼓泡曝氣和氣升導流曝氣兩種，微孔鼓泡曝氣是氣體從底部通過孔盤進入吸收液來實現氣體交換和物質傳遞的方式，氣泡的上升運動會形成剪切力驅動吸收液流動。氣升導流曝氣是在鼓泡曝氣的基礎上，在反應器中安置導流筒或擋板，使氣流和微藻產生循環(huán)流動，增強反應器的氣液傳質。

微孔鼓泡曝氣法中鼓泡深度決定了CO2在吸收液中的停留時間，時間越長，碳固定率越高；經回歸分析，CO2吸收率與鼓泡深度的對數成正比，回歸方程為式(2)（碳濃度為95.24mmol/L時）[62]。

y= 11.937lnx+ 44.058R2= 0.998 (2)

如果采用適當工藝將CO2鼓泡深度提高到80cm，通過計算，CO2吸收率將提高到84.62%～95.98%，大大提高所供應CO2的利用效率。此外，控制氣泡直徑是延長停留時間的有效方法，不同尺寸的噴孔決定了氣泡直徑的大小。噴孔尺寸較大時，氣泡直徑較大，比表面積較小，不利于CO2傳質，且由于上升速度較快導致停留時間短；較小的噴孔尺寸形成的氣泡直徑較小，在吸收液中停留時間較長，但直徑過小的氣泡會在上升過程中攜帶微藻細胞并聚集在吸收液表面，不利于微藻利用CO2。因此在常見的內徑為0.042m、高為0.3m、容積為400mL 的光生物反應器內，噴孔直徑以20～500μm 為宜[73?74]。從增加氣液接觸面積的角度來講，中空纖維膜的表面積大，CO2氣體與微藻充分接觸，氣泡產生更加均勻，停留時間長，大大提高了CO2的傳質速率[75?76]。

氣升導流曝氣的通氣方式在最近的研究中顯示出較好的氣液傳質效果，對其不斷進行改進，可以進一步提高其性能，對于氣升導流的傳質效果的改進主要在于對氣升式光生物反應器的結構優(yōu)化以及引入附屬裝置。引入靜態(tài)混合裝置可以有效提高氣液傳質并加強光/暗循環(huán)，該裝置最顯著的特點是誘導CO2氣體和微藻定向紊流以促進氣液混合，同時微藻從表面受光區(qū)可控地移動到反應器內光線昏暗的地方，為微藻生長提供光暗周期的交替，促進微藻高產。將這種靜態(tài)混合器在集成式光生物反應器（FPA?PBR）中，湍流動能可以增加1.3倍，光/暗循環(huán)頻率提高了85%～95%[77]，相比無靜態(tài)混合器的光生物反應器，培養(yǎng)微藻的體積生產率提高了3.4 倍[51]。采用不同類型的擋板（矩形擋板、水紋擋板等）并將其分布安裝在光生物反應器內，可以設計出具有上升段和下降段的分體式光生物反應器，對于紫球藻Porphyridium.的培養(yǎng)，這類反應器顯示出比鼓泡式光生物反應器和傳統氣升式光生物反應器更高的生物質生產力[78?79]。無論采用何種設計，通氣方式的改進主要集中在通過延長氣體停留時間和增加氣液混合和傳質。為了進一步高效固定CO2，降低成本，促進吸收?微藻法的規(guī)?；l(fā)展，需要研制新型光生物反應器并優(yōu)化通氣方式。

通氣速率[每單位體積培養(yǎng)基的氣體體積流量（vvm）]是通氣過程中重要的參數，適當的通氣可以促進養(yǎng)分平衡，去除產生的氧氣以及防止微藻的聚集和沉淀，但過度的通氣可能會導致微藻細胞因難以承受由湍流引起的剪切力而受損，因此通氣速率要設置在微藻可以耐受的范圍內。通常，微藻CO2固定和生物量生產的性能與通氣速率呈非線性關系。對于大多數封閉式培養(yǎng)，建議的通氣速率為0.10～1.00vvm[64]。此外，研究表明，通氣策略對微藻生長具有一定的影響，例如與恒定CO2供應相比，逐漸增加CO2供應可以提高生長速率和CO2固定速率。這是因為當CO2供應緩慢增加時，微藻能夠很好地適應新的CO2濃度，并增強其耐CO2能力，尤其是在相對較高的CO2濃度下。

3.4 藻種誘變馴化和基因改造

利用微藻進行碳封存的第一步是篩選能夠適應惡劣環(huán)境并耐受濃縮碳源的菌株，表現出高酶活性水平以達到高生長率，易于大規(guī)模培養(yǎng)，并且培養(yǎng)后的微藻可提煉油脂等有價值組分。對特定的微藻種類進行誘變馴化和基因改造，可以提升整個吸收?微藻工藝的性能。目前微藻誘變馴化的各項研究旨在提高油脂含量、加快生長速率、增強抗逆性以及增加次生代謝產物產量等性狀的優(yōu)化，從而提高產業(yè)化生產效率[80]。通過用可誘導突變的不同誘變劑或誘變方式處理微藻細胞來實現誘變，主要包括化學誘變[甲烷磺酸乙酯（EMS）、N?甲基?N?硝基?N?亞硝基胍（NTG）]和物理誘變（重離子）、伽馬射線和紫外線（UV）[81]（表5）。

表5 微藻誘變獲得特殊性狀

此外，微藻的基因改造有助于開發(fā)具有工業(yè)競爭力的藻種，不僅能提高微藻的生物質生產力同時降低成本，提高生物燃料的質量。在最先進的CRISPR?Cas9 系統中，由sgRNAs 指導的Cas9 核酸酶可完成精準的基因敲除，實現了微藻基因改造的可行性[82]，該系統已被用于提高萊茵衣藻、鹽藻、普通小球藻和微擬球藻的脂質生產力[83]。在各種微藻中，碳分配的有效轉化促使碳從碳水化合物流向脂質，基于有關微藻脂質代謝的信息，已使用了各種基因工程策略，以提高微藻的脂質產量和質量。RNAi 機制則是利用dsRNA 有效且特異性降解細胞內同源mRNA，已被用作敲除各種靶基因的反向遺傳學工具[84]，這種穩(wěn)定的RNAi 基因沉默已經用在了萊茵衣藻、海洋微擬球藻[85]、珍珠柱形鼓藻[86]的固碳能力提升方面。進行基因沉默，增強脂質積累和質量的主要分子方法包括過度表達脂質生物合成酶，阻斷競爭途徑，改變脂肪酸鏈長和脂質分泌（表6）。這些研究清楚地表明，對參與光合途徑的關鍵基因進行修飾，可以作為增強微藻CO2生物轉化的一種有前途的策略。

表6 基因改造促進微藻脂質積累和脂質質量

4 經濟分析

與碳捕集封存（CCS）相比，CO2的生物固定提供了資源化的新途徑。微藻轉化產品可作為第三代生物燃料的副產品進行銷售，因此碳密集型行業(yè)可以將基于吸收?微藻的技術視為收入來源，而不是昂貴的減排措施。吸收?微藻法需要通過結合影響CO2固定參數的改變分析其經濟特征。利用人工神經網絡模型（ANN）對搜集到的技術經濟數據（如微藻銷售價格、CO2固定的技術投資等）進行建模分析，以顯示不同主導變量之間的相關性對微藻固定二氧化碳的技術經濟可行性。Rezvani 等[99]設計的ANN 中輸入層有5 個神經元[包括表面積與體積（S?V）比、太陽輻射、光合效率、微藻成本和特定資本投資]，4個神經元的輸出層預測CO2固定、微藻生長速率以及微藻銷售的特定收入和特定培養(yǎng)成本（反應池或光生物反應器施工、養(yǎng)分和供水成本等）。以天然氣聯合循環(huán)（NGCC）電廠為例進行CO2生物固定技術經濟分析（表7），發(fā)現在微藻價格為2881CNY/t，跑道式反應器的特定資本投資較低的情況下，CO2捕集成本估計約為309CNY/t CO2（2160～3601CNY/t是生物燃料生產的合理微藻價格）。將光合產率提高到6%，對于特定跑道式反應池成本為1080CNY/m3、微藻價格為2881CNY/t 的情況，CO2可以成為額外的收入來源（CO2捕集成本=?129CNY/t）。吸收?微藻法培養(yǎng)的能耗大大低于基于吸收技術的CCS 裝置所需的能耗，其中NGCC 電廠的能耗可以降低17%～40%。由此可知，只有在長期運行中確保技術經濟參數的優(yōu)化，在燃氣發(fā)電廠中大規(guī)模吸收?微藻法固碳才是可行的方法。而且，相關技術的更為廣泛研發(fā)有助于從微藻產品中獲取更高的利益。

表7 用于CO2生物固定技術經濟分析的假設

為分析微藻生物柴油和商業(yè)化的潛力，Branco?Vieira 等[100]基于中試規(guī)模三角褐指藻種植實際操作獲得的數據放大方案，分析三角褐指藻生物柴油生產的技術和經濟可行性。該模型假設80000m3的微藻培養(yǎng)在一套安裝于15.247ha土地上的鼓泡柱式光生物反應器中，全年微藻生物量達到1811t，生物柴油171.705L。微藻生物量估計生產成本為13.93CNY/kg，生物柴油估計生產成本為2.287CNY/L。微藻生物柴油生產的經濟分析結果表明（表8），如果考慮剩余生物質和甘油副產品的經濟價值，微藻捕獲CO2生產柴油在10年可實現投資回收。

表8 生物柴油生產規(guī)模擴大方案項目的經濟分析

目前有很多對化學吸收法捕集CO2的成本分析，但在計算具體成本時，由于對成本定義的不同、考慮因素的差異等各種原因，致使成本分析出現很大的變化和不一致。為更加直觀地比較吸收?微藻法和傳統化學吸收法捕集CO2的經濟成本差異，選擇功率為700MW 且CO2捕集效率為90%的NGCC?CO2捕集集成電廠，對其連續(xù)運行下耦合兩種不同CO2捕集工藝的固定投資、運行費用、預期收入作大致的對比分析（表9）[101?102]。傳統化學吸收法捕集工藝中的主要設備包括吸收器（吸收劑為MEA）、再生器以及壓縮機和鼓風機；吸收?微藻法捕集工藝中的主要設備包括光生物反應器（或開放池）以及微藻采收設備。固定資本主要包括必要設施和輔助服務的設計和建造相關的成本；運行費用主要包括維護費用、人力費用。由分析可知，微藻固碳技術具有經濟、可持續(xù)的特點，可為我國各地區(qū)的煙氣CO2減排事業(yè)提供技術選擇。該技術在我國的室外規(guī)?；l(fā)展還要考慮選址、氣候以及光照等問題，最好選擇光照條件好、平均氣溫高的區(qū)域，培養(yǎng)運行選擇夏秋兩季，最大化微藻固碳速率的同時降低經濟成本[103]。

表9 不同CO2捕集工藝的經濟對比

5 結語及展望

吸收?微藻法具有顯著的技術經濟優(yōu)勢，我國迅速發(fā)展的微藻固碳產業(yè)為我國實現能源行業(yè)碳中和提供了新思路?；诂F在超低排放燃煤電廠的污染物排放濃度大大降低，甚至達到燃氣電廠污染物排放標準，處于微藻耐受范圍，可以將吸收?微藻法應用范圍擴大至超低排放燃煤電廠，不斷改進適用于清潔型煙氣的CO2捕集技術。為了最大限度地提高CO2捕集和生物質生產的效能，在工業(yè)領域使用基于微藻的CO2固定和生物質生產時，吸收液高效捕集CO2同步養(yǎng)殖微藻的設計與配置、運行工藝參數的協同和工藝流程的全局優(yōu)化是決定工藝效率和運行成敗的決定性要素。在實際應用中，吸收?微藻法不斷發(fā)展，使用人工智能、過程自動化和過程的嚴密控制是提高系統效率的必然選擇。此外，建立多產品生物精煉廠，通過改進藻類生物量的下游處理，拓展工藝鏈的下游產品實現盈利最大價值。這種“化石產電+碳捕集利用同步產油”模式的規(guī)模化可以解決碳捕集之后的封存和資源化利用，有望在碳中和后期發(fā)揮關鍵作用。