|
2021年6月8日浙江省委印发《浙江省碳达峰碳中和科技创新行动方案》中，第二项“重点任务”第7条：“超前部署 CCUS 技术。聚焦碳捕集与利用，加快研发碳 捕集先进材料、专用大型 CO2分离与换热装备、CO2资源化利用等关键核心技术，突破烟气 CO2捕集、CO2矿化及微藻利用技术，部署直接空气 CO2捕集等负排放技术。到2025年，力争实现 CO2 捕集率≥90%，CO2转化利用率≥90%，碳捕集能耗下降 35%以上。”文件中提到“CO2利用微藻固碳模式”，微藻是自然生态系统重要组成部分，在物质循环过程中发挥着重要作用，同时微藻固碳产业已成为实现碳中和战略目标一个可持续发展的技术路线。下面小编整理出微藻培育产业的基础知识，共享给热爱CO2资源化利用的朋友们一起学习讨论。 一、微藻是什么 微藻是自然生态系统中的重要组成部分，微藻（microalgae）是细小藻类群体总称。微藻是单细胞生物，也属于一种浮游植物，一般存在于淡水、海洋系统中及陆地系统中，微藻体内含有叶绿体，意味它可以进行光合作用。它们体积很小，从几微米到几百微米不等，肉眼观察不到。微藻同时是一种浮游植物，没有根、茎、叶组织构造，与高等植物不同。它们特别适应黏力环境中。有些微藻会有特殊生存环境，比如螺旋藻是最耐碱生物，pH值11以上环境可以存活；部分微藻细胞体外有细胞壁，可以起到保护作用，还有部分微藻表面具有鞭毛，可以帮助其在水中游动。  各种微藻 微藻分为原核微藻和真核微藻两类。目前我国学者一般将藻类分为11种，分别为：蓝藻、红藻、隐藻、甲藻、金藻、黄藻、硅藻、褐藻、裸藻、绿藻、轮藻。微藻形状奇形怪状，有球状、三角状、椭圆状、星状及不规则形状。微藻体内含各种色素，比如雨生红球藻体内含有虾青素，颜色为红色。种类繁多的微藻构成了一个绚丽多彩的世界。微藻体内具有光合作用叶绿素，能高效地利用光能、CO2和水进行光合作用，产生氧气并合成碳水化合物，与其他光合细菌一起为食物链上游端生物提供营养，微藻可以利用CO2以光合作用方式生长。微藻光合作用对地球上非常重要，地球大气的O2中约一半都是靠这些微藻进行光合作用产生的。 二、微藻功效 微藻既是单细胞生物，又属于浮游植物，微藻通过光合作用生长的机理为微藻培育产业提供广阔前景，下面小编为大家介绍微藻产品主要功效。 2.1生物燃料：微藻富含酯类和甘油是制备生物燃料的良好原料，有“油霸”之美誉，微藻能够利用光合作用将CO2转化为自身生物量，将碳元素固定在体内，再通过诱导反应转化为油脂，并利用物理化学法将油脂转化到细胞外。通过提炼加工，微藻油是亚临界生物技术合成生物柴油最佳原料，是理想的可再生能源，在石油价格大幅上升，粮食短缺问题日渐突出的今日，该产业有广阔发展前景。 2.2生物保健类食品：除了能作为生物燃料外，各种微藻体内有超过15000种有益化合物可被提取，微藻中富含多糖、类胡萝卜素、维生素、氨基酸等生物活性物质，还有酶、聚合物、肽、抗氧化剂、有用毒素和固醇等，这些丰富的粗蛋白，可以被制作成优质的生物保健品或食品添加剂。 2.3生物制药，一种耐盐藻成为盐藻，同时富含β-胡萝卜素，天然β-胡萝卜素具有抑制肿瘤和升高白细胞等作用，特别是对萎缩性胃炎、口腔溃疡、皮肤疾病和放化疗患者有明显辅助治疗效果；一种源自海洋棕色海藻-褐藻多糖，对HIV（人体免疫缺陷病毒）有一定抗病毒活性；多不饱和脂肪酸（DHA、RHA）在婴儿食品和保健品中的使用深受人们的欢迎。（科普一下：脂肪酸链中含有两个及两个以上顺式双键的脂肪酸称多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid, PUFA，简称PUFA）下图为某科普论文提到含有多不饱和脂肪酸的微藻类型。  含有PUFA的微藻类型  含有PUFA的微藻类型 2.4应用于化妆品，微藻中的多糖具有良好的成膜性能，可减少皮肤表面水分蒸发，可用作制作皮肤保湿产品；岩藻黄质（源自海洋微藻）和虾青素（源自雨生红球藻）具有很强抗氧化活性，能够清除自由基、防止脂质氧化，可以起到祛斑、防皱和防衰老功能；拟甲色球藻能够合成具有紫外吸收作用的伪枝藻素和类菌胞素氨基酸，是制备防晒化妆品的良好原料，诸如此类等等，皆是应用于化妆品领域。 2.5微藻运用到农业领域，微藻体内含有丰富的粗蛋白，可以被制作成优质的动物饲料添加剂。蓝绿色藻类还可以被用来当作生物肥料，因为这种微藻不仅能固碳还能固氮，作为生物肥料，它们能将大气中碳和氮固定在土壤中供作物吸收利用，用作肥料和饲料，真是经济又环保。 三、微藻培育 微藻主要生活在淡水和海洋生态系统中，科学家们又是如何将它从自然环境中提取并扩大培育，形成微藻培育产业呢，根据小编学习了解分别给大家介绍。 3.1主要提取手段是先将微藻个体从环境中分离，并利用特定培养基扩大，在开放池、发酵罐或者光反应器中进行大规模繁殖。由于微藻品种培育类似农业种业培育，关乎种业安全，涉及国家战略，因此培育本土良种微藻是解决微藻种源问题的核心关键。科技人员一般是通过诱变驯化改良微藻细胞，从大约50万个微藻细胞中筛选出5000个，再根据固碳生长速率等再筛选出5个细胞，最后得到遗传稳定性最好的1个固碳藻种，这样才完成一个优良微藻品种培育。  微藻培育实验 3.2微藻体内的合成物质不是固定不变的，会根据品种类别和繁殖条件而发生变化，如通过改变环境因素如：pH值、温度、光照、CO2浓度、营养物质等，就可以培育特定品种微藻，研究人员必须找到决定优质良种的关键基因。如固氮鱼腥藻是典型的念珠状微藻，属于蓝藻门，在人工养殖时，它更喜好微碱性环境，需要多种营养元素，如氮、磷、钾、钙、镁、硼等。除此以外，光照强度应控制在5000~8000lux，温度在25~30℃之间；对于火电厂排放的高烟气CO2环境条件下，研究人员通过提高烟气CO2浓度梯度变化，以及提高关键固碳酶-Rubisco酶等在烟气高浓度CO2条件下的催化反应活性，显著增强了微藻细胞内光合色素酶和能量合成酶等固碳酶活性，增强了光反应中心的电子传递速率和光化学效率，提高了微藻细胞生长固碳速率。要想生产适合的微藻类型，需要合理利用培养条件，这就是研究人员要解决的课题。 3.3微藻的营养方式可分为自养型和异养型，而且多数是属于光能自养型，只要有了“光”和CO2，叶绿素就可以进行光合作用，就能进行微藻培育。不同微藻类型和不同培育需求，必须根据研究人员的实验室研究成果，提供不同的光源强度和CO2浓度梯度驯化条件，使微藻细胞内光合固碳途径中的多种固碳酶活性上调，固碳酶转运CO2分子能力得到增强，从而不断增强高效固碳反应途径，在光能转变为化学能过程中提高微藻固碳速率。 3.4通过基因工程育种方法选育高产油微藻。通过光合生物反应器进行废水培养并逐步放大培养，实现在跑道池规模化培养，同时解决了微藻收集、油脂提取、生物柴油生产存在问题，最后对藻渣进行发酵产沼气，实现微藻综合利用，有效降低微藻生物柴油生产成本，并实现微藻的低成本规模化培养。 3.5涡流技术提升微藻养殖能力。国内部分研发团队基于流体力学设计反应器，提出了涡流强化细胞光量子转化效率的流体力学传质机理，在反应器内使CO2气体在更短时间内产生更小微气泡，使反应器内交替产生顺时针和逆时针漩涡流场，增强二氧化碳微气泡扩散速度。反应器内涡流可强化细胞光合作用，由于微藻细胞固碳反应分为光反应和暗反应两个阶段，微藻在反应器光区和暗区进行快速漩涡流动，能够明显促进细胞混合传质和固碳反应，增强与微藻细胞扩散混合，从而使微藻细胞在光区和暗区之间高频快速漩涡流动，提高光量子转化效率和固碳反应速率，可加速生物光合作用发热反应速率，提高微藻固碳效率，提升微藻培育产量。 四、微藻培育案例 中国是全球第一大微藻生产国，每年微藻产量已超过万吨。从我国微藻产业品类看，80%为螺旋藻，其他小球藻占比10%，雨生红球藻占8%，盐生杜氏藻占2%比重。《中国渔业统计年鉴2020》显示，我国螺旋藻2019年养殖面积已经达到750万平方米，年产量突破1万多吨，占据全球市场近六成，我国微藻培育主要在内蒙古，内蒙古螺旋藻产量最大占据全国总产量三分之一。 4.1内蒙古鄂尔多斯市鄂托克旗产业园螺旋藻培育项目。1996年，内蒙古农业大学教授乔辰带领螺旋藻课题组对鄂尔多斯沙区碱湖进行考察，惊喜地在鄂托克旗的众多碱湖发现了原生天然钝顶螺旋藻，即后来认证的鄂托克螺旋藻，后为经原农业部地理标志认证的鄂托克螺旋藻。2009年投资3.2亿元，占地面积12400亩螺旋藻产业园区，计划3-5年打造“中国藻都”，截至2020年底，产业园累计总投资5.8亿元，有24家螺旋藻生产企业入园，其中1家在建，净养殖面积达4000亩、养殖大棚近4000座，建成收藻车间5.4万平方米，烘干车间2.1万平方米，安装烘干等机械设施42套，成为全球第一的规模型、集约型、生态型、环保型、循环型、绿色型特色产业园区。园区年藻粉产量达到4000吨，占全国总产量50%以上，全球总产量的35%以上，藻片产量300余吨，藻蓝蛋白粉产量70余吨。作为全球最大的螺旋藻规模化产业集群养殖基地，全球主要的螺旋藻粉和藻蓝蛋白粉出口基地，产能全球独大，产品质量一流，70%产品远销美国、德国、英国、法国等20多个国家和地区。  鄂托克旗产业园螺旋藻培育项目 4.2吉林省希玛生物科技有限公司，于2016年投资1.2亿元建年产1000吨微藻DHA高技术产业化项目，项目占地面积5万平方米，其中建筑面积1.5万平方米。该项目由中科院微生物研究所、中科院天津工业生物技术研究所、美国华盛顿州立大学合作，成功运用生物工程技术培养富含DHA的海洋微藻，从中提取生产植物性DHA营养强化剂，主要应用于奶粉、保健品、医药及食品的添加，可取代同代产品的深海鱼油，并获得国家发明专利，具有完全自主知识产权。  希玛生物科技有限公司 4.3江西省永新县垦殖场官山分场螺旋藻养殖基地， 投资约1亿元建设微藻深加工厂，基地总占地3000亩，其中螺旋藻养殖面积2800亩，厂房及办公楼1万平方米，年可产螺旋藻1000吨，藻粉300吨。基地园区包括新大泽生物工程公司、盛发微藻公司、三禾生物工程公司等养殖规模超千亩；基地建成后具备发展螺旋藻养殖、加工和养生保健产品开发的场所条件及技术力量，并进一步建设为江西省螺旋藻养殖和螺旋藻产品开发基地，螺旋藻养殖经济效益可观，发展前景诱人。 4.4国内还有利用废水生产微藻技术与产业化示范项目。中科院广州能源所三水能源微藻培养基地位于佛山市三水区南山镇，建设于 2011年遥基地占地面积约 83亩，已建成并投入使用的面积约 40亩，目前的微藻培养面积约为 10000平方米，能源微藻培养规模能达到 2000立方米。科学家寄望通过开展能源与高附加值微藻规模化培养研究，假以时日，随着科研选出产油率高的优势藻类、突破水平的提高、生产技术的进步、微废水、废气培育微藻等关键技术藻的产油成本一定会不断下降、等进一步降低微藻生产成本，将微藻培育成为替代石油的生物能源。 4.5宁夏德希恩生物研发有限公司是石嘴山市大武口区研发种植基地，2017年宁夏德希恩生物研发有限公司投资6000万元，建设螺旋藻及灵芝虫草研发种植基地，该项目占地面积1000多亩，核心业务主要是生产螺旋藻、灵芝等健康绿色食品。项目建成后将带动就业120人，年产螺旋藻600吨、食用菌100吨，年产值近4200万元。 五、微藻培育困境与展望 5.1微藻生产成本居高不下是制约该技术发展的主要限制因素。微藻培养成本占到微藻生物柴油生产总成本的 70%以上，微藻培养过程中需投加氮磷等大量无机营养盐。 5.2微藻培育需占用大量土地面积，按国内主流培育技术考虑，基本每1000吨产能都需要50-80亩土地面积，按土地收益率计算并不显著，适合在荒地盐碱地等工业利用价值不大土地建设养殖基地。 5.3农业废水由传统排放到微藻的处理方式转变。一方面：农业生产过程氮磷化肥使用过量造成水体中氮磷浓度升高，导致的富营养化已成为近年来地表水所面临的最大问题之一，对农村和城市用水构成极大威胁。利用农业富营养水体培养高产油微藻，可以实现富营养水体脱氮除磷，同时实现污水净化，降低微藻油脂生产成本。另一方面：奶牛场和猪场养殖废水的净化和资源化工艺优化，从而有效控制农业废水对环境污染，由于微藻提取油脂后，藻渣经沼气发酵处理，产生的生物燃气作为能源利用，产生的沼液可作为有机肥施用，改善土壤结构、增加土壤肥力、提高农作物产量，可形成 “农业废水-能源-肥料-农业”全产业链条。因此，农业污水培育微藻生物柴油产业已成为我国部分农村地区的经济发展模式，结合当下国家乡村振兴和共同富裕的要求，这是农村地区低碳可行，且具持续发展的新动力模式。同时也实现工艺稳定、过程可控、稳定生产的微藻养殖，为微藻烟气固碳产业，为国家碳中和战略目标提供了一个可探讨的技术选择。 |
|
|
