微藻可通过光合作用将废气中的二氧化碳和废水中的氮、磷等转化为生物质。研究人员将微藻细胞破坏,提取细胞内的油脂、糖类等有机成分,可进一步制备出生物油、生物气等清洁燃料。

二氧化碳过度排放是全球气候变暖的罪魁祸首之一,如何能减少二氧化碳?比如,能不能把它“吃掉”?还别说,小小的微藻就有这样的“好胃口”,而且它不仅能把二氧化碳“吃掉”,还能变“碳”为“油”。

重庆大学能源与动力工程学院的低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室的黄云副教授指出,如何实现二氧化碳的有效利用已成为各国科学家重点关注的问题,而微藻这一小小的古老生物凭借变“碳”为“油”的本领,已经成为我们固碳减排的好帮手。

小小微藻能变“碳”为“油”

小小的微藻能做到变“碳”为“油”,与微藻体内的成分有关。“微藻中富含的酯类和糖类是制备液体燃料的良好原料。”重庆大学能源与动力工程学院院长、低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室主任廖强介绍,在太阳光能的驱动下,微藻能够将二氧化碳合成为高能量密度的甘油三酯,而这些油脂分子不但能够制备生物柴油,也是提取高营养品EPA、DHA等不饱和脂肪酸的重要原料。

“微藻的光合作用效率是目前地球生物中最高的,是陆生植物的10到50倍。”廖强说,据估计,地球上微藻每年通过光合作用固定的碳约达900亿吨,能量达1380万亿兆千焦,可开发的能源约相当于全世界每年能耗的4—5倍,资源量巨大。

据了解,我国每年排放二氧化碳110亿吨左右,其中一半以上是燃煤烟气二氧化碳。在燃煤工业企业中利用微藻进行光合固碳,可以大大减少二氧化碳的排放,而且相比于传统燃煤电厂烟气减排技术,微藻固碳减排技术具有工艺设备简单、操作方便和绿色环保等优势。此外,微藻还具有群体众多、易培养且海洋、湖泊、盐碱地、沼泽等地方都可以生长等优点。

廖强表示,由于微藻兼具减少二氧化碳排放和可生产清洁能源的本领,因此它在国内外都受到了广泛关注。

不过想让在自然界自由生长的微藻成为工业线上的固碳“好员工”,并非易事。如何人工养藻?哪种微藻固碳的效果更好?如何提高微藻固碳效率?这些都是科学家们需要解决的难题。

让固碳不再是“赔本买卖”

去年12月,在深汕特别合作区的华润集团海丰电厂里,国内首个立柱式微藻光合反应器减排转化利用燃煤电厂烟气二氧化碳的工程竣工。该项目攻克了微藻减排燃煤电厂烟气二氧化碳的前沿核心技术,突破了传统跑道池占地面积大和利用二氧化碳效率低等技术瓶颈,实现了规模化高效低成本的微藻固碳工艺路线。据测算,与传统跑道池微藻反应器相比,立柱式微藻光合反应器使每亩微藻产量和固定二氧化碳量提高了5倍,且立柱式反应器结构紧凑,光照条件优越,大大减少了微藻固碳设备的占地面积。

“这个项目为我国烟气二氧化碳减排的大规模产业化提供了经济可行的技术路线选择。”作为国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”项目“二氧化碳烟气微藻减排技术”负责人,重庆大学能源与动力工程学院教授程军算了一笔账,煤化工厂烟气99%浓度二氧化碳捕集液化成本低于100元/吨,燃煤电厂烟气15%浓度二氧化碳提纯捕集压缩成本约为250元/吨,如果不能利用,进行封存还需要投入费用,对于企业来说,这是一笔赔钱的“买卖”,但是通过微藻固碳则能实现碳利用,创造经济价值。目前市场上,1吨食品级的藻粉可以卖到4万元,饲料级的价格为1吨1万—2万元,通过我们的技术,如果在煤化企业旁建起了微藻生产加工厂,吃饱了二氧化碳的微藻将变为值钱的藻粉,成为保健品、化妆品、动物饲料。

在内蒙古鄂尔多斯市鄂托克旗产业园,建设有全国最大的微藻固定二氧化碳产业示范工程,每年可以固定1万吨烟气提纯的食品级二氧化碳(指用于食品工业的二氧化碳产品),每年固碳微藻的经济产值达2亿元以上。鄂托克旗螺旋藻已经申请为国家地理标志农产品,目前该微藻固碳成果已向山东、江苏、广西、海南等地产业化推广。

微藻产“油”还需加快技术攻关

“虽然微藻固碳已经产业化,不过要微藻产油还有很长的路要走。”廖强表示,利用微藻制取生物燃料的方法主要有直接酯交换法、微生物发酵法、热解法、气化法、水热液化法等。采用热解或者气化等方法时需要对其进行充分干燥,能耗高;而直接以湿藻为原料的酯交换法,由于大量水的存在,为了萃取出油脂,需加入大量甲醇、乙醇等有机溶剂,容易造成环境的二次污染,同时还需要后期分离和油脂提质,技术和系统复杂,成本高,安全性差,难以工业化。

不过,我国对于微藻生物质能源的研究却从未止步。目前,我国在微藻生物质能源的基础研究方面拥有很强的研发力量,从微藻的高密度培养、脱水浓缩到能源转化技术等方面做了很多创新研究工作。

在重庆大学能源与动力工程学院的低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室建成的微藻光合生物固碳及多能互补生物燃料制取实验平台中,微藻可通过光合作用将废气中的二氧化碳和废水中的氮、磷等转化为生物质。研究人员将微藻细胞破坏,提取细胞内的油脂、糖类等有机成分,可进一步制备出生物油、生物气等清洁燃料。

微藻产业还有一些独特优势,大型藻必须在海里养,但微藻在哪里都可以养,只需将海水装在玻璃缸、反应器里,只要有阳光、二氧化碳、氮磷钾,它就能不停生长;将成熟的微藻通过离心机捞出后,水可以循环再用。沙漠有充足的阳光,这是一个非常好的条件。

“如果可以用我国海洋面积的5%或者我国全部沙漠、半沙漠及盐碱地来养殖微藻,理论上能固定我国燃煤排放的70多亿吨二氧化碳,生产38亿吨生物质。”廖强说,微藻是很有潜力的生物能源,但规模和成本是制约微藻产“油”产业化的两大难题。要让微藻真正地成为生物能源,一方面还需要在研发上加大投入,以实现生物燃料制取关键技术上的突破。另一方面要把微藻能源开发及其资源化利用技术作为一项长远事业,既要高度重视前沿基础研究,又要狠抓关键技术瓶颈的突破。要充分利用微藻中的高附加值成分,如DHA、EPA和叶黄素等,即先提取其中高值的成分,用于生产保健品、化妆品、饲料,再进行能源化利用,提高产品价值。


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