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【学者专栏】环境增殖:微藻生物固碳技术进展及趋势(1)引言
醉卧青云 2015-12-09
导语

大气中CO2含量升高是导致温室效应的主要原因,因此,减少CO2的排放和积累是解决全球气候变暖的重点。传统的CO2减排方法包括捕集(Capture)和贮存(Storage),涉及化学吸附、物理吸收、膜分离和低温蒸馏等一系列的物理化学方法,但它们都存在成本高和不可再生等缺点。通过种植或养殖生物质都可以捕集CO2。微藻生长周期短,光合效率高,其CO2固定效率是一般陆生植物的10~50倍,且微藻生长速度快,能利用不可耕地,发展前景非常广阔。本文概述了适用的藻种及所能达到的CO2固定效果,分析了光生物反应器类型、光照强度、光周期、温度、pH值、CO2浓度、CO2吸收效率、气体传质效率和营养需求 (包括来自市政和工业农废水中的N、P等营养) 等多种因素对微藻固碳效果的影响。最后,对微藻固碳的实际应用和经济可行性加以评估,展望了微藻固碳技术的发展和应用前景。


问题描述

随着世界经济的快速发展,世界对石油需求量大幅增加,导致化石能源资源日渐枯竭。另一方面,由于石油基能源的大量使用,产生了大量的温室气体,也导致全球气候变暖,生态环境恶化,例如海平面上升、洪水泛滥、生态系统改变等[1,2,3]。这些气候变化对中国影响也特别严重,如最近在中国多地出现的雾霾天气,空气污染非常严重。因此,开发清洁的可再生能源和减少碳排放技术已成为当前研究的热点。

目前CO2对温室效应贡献最大,占整个大气温室效应气体排放的68%以上。所以CO2的减排和控制已成为当前世界各国政府、企业界、学术界关注的焦点之一[4,5,6,7,8]。联合国1997年在日本京都制定的《京都议定书》(Kyoto Protocol)明确规定了各国需承担的CO2减排的义务,即在2008年至2012年间,全球主要工业国家的工业CO2排放量比1990年的排放量平均要低5.2%[1]。目前,欧美等国家已经开始征收CO2排放税,严格管理与控制其排放。中国已经正式签署《京都议定书》,并 承诺承担减排义务。因此开发出一整套经济、环保、高效的CO2固定技术成为当务之急[7]。

现有方法分析

目前用于CO2减排的方法主要包括物理封存法、化学固定法和生物固定转化法

物理法主要为地下封存,即把高浓度的CO2注入深海或地质底层如油气井、含盐水层和碱性矿物底层等暂时封埋起来,是一种操作相对简单的CO2固定方法。但需要选择合适的地质环境和空间,需要高成本的分离设备和技术(如吸附、物理吸收、膜分离和低温蒸馏等)来收集和浓缩高纯度的CO2,另外该方法容易泄露,不具长期可持续发展[9]。化学固定法包括利用吸附材料(如氢氧化锂)直接吸附固定和通过添加碱性中和试剂以碳酸盐或碳酸氢盐的形式固定CO2。这是一种相对安全且永久的CO2处理方法,但是试剂需要量大,因此成本非常高。


生物CO2固定技术,尤其是微藻固定CO2技术,是地球上最主要和最有效的固碳方式之一,从长远来讲也是唯一一种具经济可行、环境友好和可持续性发展的CO2固定技术。

微藻作为一种高效固定CO2的微小细胞工厂,具有以下几大独特的优点:1)能直接利用太阳能,与物理化学法相比节省了大量的能源;2)光合作用效率高,微藻利用太阳能固定CO2的效率是其他陆生植物的10~50倍[7];3)生长速率快,微藻繁殖快速,在几个小时内就繁殖一次,远远高于高等植物[10]; 4)能够循环利用CO2, CO2可以通过微藻的光合作用转化为生物能源,生物能源使用时产生的CO2又可被微藻固定转化,因此该方法是一种环境友好并具可持续性发展的方法[7];5)环境适应性强,微藻能忍耐和适应多种极端环境,能够在沿海滩涂、盐碱地和沙漠等地培养,不占用可耕地[11,12];6)能利用发电厂烟道废气和其它工业尾气为无机碳源并利用市政废水和工农业生产废水为营养源(N、P等)低成本培养微藻[3,13,14,15,16,17,18,19,20];7)能同时生产具有高附加值的微藻原料,用于制备食品、动物及水产养殖饲料、化妆品、医药品、肥料、有特殊用途的生物活性物质及生物燃料(包括生物柴油,生物氢、航空用油、甲烷)等[2]。

基于以上优点,微藻应用于各领域CO2减排,包括空气的净化、发电厂等工业烟道废气及汽车尾气中的CO2净化脱除等的研究已广泛展开。

微藻CO2固定技术的另一潜在用途是在军事和航天等领域,例如在核潜艇和载人航天器等密闭空间中研究如何利用微藻在环境控制和生命保护系统中去除CO2和产生O2 [21]。

微藻固定的CO2主要来自以下几个途径:

1)空气中的CO2(约0.03-0.06%, v/v);

2)工农业排出的废气,如发电厂烟道废气;

3)可溶性碳酸盐(NaHCO3和Na2CO3)等化学形式固定的CO2[2,7,21]。


图1为微藻生物固碳及其综合利用系统框架图。为使整个微藻CO2固定系统在经济上更具竞争力和环境友好性,含N、P丰富的市政及工农业废水也被用来代替人工培养基培养微藻。此外,在微藻下游精炼过程中产生的CO2和制备的生物能源在使用过程中产生的CO2再次被微藻循环利用,从而使该系统对环境的影响达到最低,具有非常广阔的应用前景。

困难与挑战

不过利用微藻介导生物固碳技术进行CO2的减排在实际应用方面也面临许多困难和挑战,比如大多数微藻只在CO2浓度低于5%(v/v)时发挥高效的CO2固定作用,浓度高于5%时,微藻细胞生长受到显著抑制[18,22,23],而通常需要减排的工厂废气中CO2的含量达到10%~20%,因此需要筛选耐受高浓度CO2的藻株;此外,还需设计新的光生物反应器,以达到最大的光利用率,同时找出在微藻大规模培养过程中影响CO2生物固定的各种参数并优化,并开发低成本的微藻下游处理技术,进一步降低微藻生物固碳的成本。

本文主要综述微藻的大规模培养现状及在CO2减排方面的应用,重点介绍高效固定CO2微藻的选育、微藻培养反应器、影响微藻大规模培养及高效固碳的关键因素以及微藻收获技术和微藻生物质应用的最新研究进展。 此外,也对微藻固碳技术的经济可行性和未来发展的方向进行分析和探讨。

(未完待续)

(本文作者,美国明尼苏达大学周文广博士,授权发布)

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作者 醉卧青云

博士生

哈尔滨工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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