微藻：“吃”下二氧化碳，“吐”出生物油

雍黎 單倩瀾

二氧化碳過度排放是全球氣候變暖的罪魁禍首之一，如何能減少二氧化碳？比如，能不能把它“吃掉”？還別說，小小的微藻就有這樣的“好胃口”，而且它不僅能把二氧化碳“吃掉”，還能變“碳”為“油”。

重慶大學能源與動力工程學院的低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室的黃云副教授指出，如何實現二氧化碳的有效利用已成為各國科學家重點關注的問題，而微藻這一小小的古老生物憑借變“碳”為“油”的本領，已經成為我們固碳減排的好幫手。

小小微藻能變“碳”為“油”

小小的微藻能做到變“碳”為“油”，與微藻體內的成分有關。“微藻中富含的酯類和糖類是制備液體燃料的良好原料。”重慶大學能源與動力工程學院院長、低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室主任廖強介紹，在太陽光能的驅動下，微藻能夠將二氧化碳合成為高能量密度的甘油三酯，而這些油脂分子不但能夠制備生物柴油，也是提取高營養品EPA、DHA等不飽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，是陸生植物的10到50倍。”廖強說，據估計，地球上微藻每年通過光合作用固定的碳約達900億噸，能量達1380萬億兆千焦，可開發的能源約相當于全世界每年能耗的4—5倍，資源量巨大。

據了解，我國每年排放二氧化碳110億噸左右，其中一半以上是燃煤煙氣二氧化碳。在燃煤工業企業中利用微藻進行光合固碳，可以大大減少二氧化碳的排放，而且相比于傳統燃煤電廠煙氣減排技術，微藻固碳減排技術具有工藝設備簡單、操作方便和綠色環保等優勢。此外，微藻還具有群體眾多、易培養且海洋、湖泊、鹽堿地、沼澤等地方都可以生長等優點。

廖強表示，由于微藻兼具減少二氧化碳排放和可生產清潔能源的本領，因此它在國內外都受到了廣泛關注。

不過想讓在自然界自由生長的微藻成為工業線上的固碳“好員工”，并非易事。如何人工養藻？哪種微藻固碳的效果更好？如何提高微藻固碳效率？這些都是科學家們需要解決的難題。

讓固碳不再是“賠本買賣”

去年12月，在深汕特別合作區的華潤集團海豐電廠里，國內首個立柱式微藻光合反應器減排轉化利用燃煤電廠煙氣二氧化碳的工程竣工。該項目攻克了微藻減排燃煤電廠煙氣二氧化碳的前沿核心技術，突破了傳統跑道池占地面積大和利用二氧化碳效率低等技術瓶頸，實現了規模化高效低成本的微藻固碳工藝路線。據測算，與傳統跑道池微藻反應器相比，立柱式微藻光合反應器使每畝微藻產量和固定二氧化碳量提高了5倍，且立柱式反應器結構緊湊，光照條件優越，大大減少了微藻固碳設備的占地面積。

“這個項目為我國煙氣二氧化碳減排的大規模產業化提供了經濟可行的技術路線選擇。”作為國家重點研發計劃“煤炭清潔高效利用和新型節能技術”項目“二氧化碳煙氣微藻減排技術”負責人，重慶大學能源與動力工程學院教授程軍算了一筆賬，煤化工廠煙氣99%濃度二氧化碳捕集液化成本低于100元/噸，燃煤電廠煙氣15%濃度二氧化碳提純捕集壓縮成本約為250元/噸，如果不能利用，進行封存還需要投入費用，對于企業來說，這是一筆賠錢的“買賣”，但是通過微藻固碳則能實現碳利用，創造經濟價值。目前市場上，1噸食品級的藻粉可以賣到4萬元，飼料級的價格為1噸1萬—2萬元，通過我們的技術，如果在煤化企業旁建起了微藻生產加工廠，吃飽了二氧化碳的微藻將變為值錢的藻粉，成為保健品、化妝品、動物飼料。

在內蒙古鄂爾多斯市鄂托克旗產業園，建設有全國最大的微藻固定二氧化碳產業示范工程，每年可以固定1萬噸煙氣提純的食品級二氧化碳（指用于食品工業的二氧化碳產品），每年固碳微藻的經濟產值達2億元以上。鄂托克旗螺旋藻已經申請為國家地理標志農產品，目前該微藻固碳成果已向山東、江蘇、廣西、海南等地產業化推廣。

微藻產“油”還需加快技術攻關

“雖然微藻固碳已經產業化，不過要微藻產油還有很長的路要走。”廖強表示，利用微藻制取生物燃料的方法主要有直接酯交換法、微生物發酵法、熱解法、氣化法、水熱液化法等。采用熱解或者氣化等方法時需要對其進行充分干燥，能耗高；而直接以濕藻為原料的酯交換法，由于大量水的存在，為了萃取出油脂，需加入大量甲醇、乙醇等有機溶劑，容易造成環境的二次污染，同時還需要后期分離和油脂提質，技術和系統復雜，成本高，安全性差，難以工業化。

不過，我國對于微藻生物質能源的研究卻從未止步。目前，我國在微藻生物質能源的基礎研究方面擁有很強的研發力量，從微藻的高密度培養、脫水濃縮到能源轉化技術等方面做了很多創新研究工作。

在重慶大學能源與動力工程學院的低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室建成的微藻光合生物固碳及多能互補生物燃料制取實驗平臺中，微藻可通過光合作用將廢氣中的二氧化碳和廢水中的氮、磷等轉化為生物質。研究人員將微藻細胞破壞，提取細胞內的油脂、糖類等有機成分，可進一步制備出生物油、生物氣等清潔燃料。

微藻產業還有一些獨特優勢，大型藻必須在海里養，但微藻在哪里都可以養，只需將海水裝在玻璃缸、反應器里，只要有陽光、二氧化碳、氮磷鉀，它就能不停生長；將成熟的微藻通過離心機撈出后，水可以循環再用。沙漠有充足的陽光，這是一個非常好的條件。

“如果可以用我國海洋面積的5%或者我國全部沙漠、半沙漠及鹽堿地來養殖微藻，理論上能固定我國燃煤排放的70多億噸二氧化碳，生產38億噸生物質。”廖強說，微藻是很有潛力的生物能源，但規模和成本是制約微藻產“油”產業化的兩大難題。要讓微藻真正地成為生物能源，一方面還需要在研發上加大投入，以實現生物燃料制取關鍵技術上的突破。另一方面要把微藻能源開發及其資源化利用技術作為一項長遠事業，既要高度重視前沿基礎研究，又要狠抓關鍵技術瓶頸的突破。要充分利用微藻中的高附加值成分，如DHA、EPA和葉黃素等，即先提取其中高值的成分，用于生產保健品、化妝品、飼料，再進行能源化利用，提高產品價值。