捕食溫室氣體，微藻變“碳”為寶

微藻固定二氧化碳示范能力可達(dá)每年萬(wàn)噸級(jí)，固碳微藻相關(guān)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值超2億元。目前，該項(xiàng)目成果已在山東、江蘇、廣西、海南等地區(qū)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣。

在距離內(nèi)蒙古鄂爾多斯市200多公里外的鄂托克旗產(chǎn)業(yè)園內(nèi)，一種國(guó)家地理標(biāo)志農(nóng)產(chǎn)品——鄂托克旗螺旋藻正處于快速生長(zhǎng)期。這種古老物種雖然形貌微小，但它的一項(xiàng)功能卻令人稱奇：捕食煙氣中的二氧化碳，并將其轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)、碳水化合物、油脂和色素等高附加值產(chǎn)品，成為利用自然規(guī)律實(shí)現(xiàn)固碳減排的“妙招”。

“微藻固定二氧化碳示范能力可達(dá)每年萬(wàn)噸級(jí)，固碳微藻相關(guān)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值超2億元?！眹?guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”項(xiàng)目“二氧化碳煙氣微藻減排技術(shù)”負(fù)責(zé)人、浙江大學(xué)程軍教授接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，經(jīng)過(guò)4年技術(shù)攻關(guān)，浙江大學(xué)牽頭聯(lián)合國(guó)內(nèi)19家高校、科研院所和龍頭企業(yè)完成了微藻固碳工程示范，為二氧化碳資源化利用、實(shí)現(xiàn)碳中和國(guó)家目標(biāo)貢獻(xiàn)了具備經(jīng)濟(jì)可行性的技術(shù)方案。

這顆固碳藻種來(lái)頭不一般，種質(zhì)資源涉及國(guó)家戰(zhàn)略，關(guān)乎國(guó)家安全，培育本土“良種”是解決種源問(wèn)題的關(guān)鍵。

通過(guò)誘變馴化改良微藻細(xì)胞，研究人員要從大約50萬(wàn)個(gè)微藻細(xì)胞中篩選出5000個(gè)，再根據(jù)固碳生長(zhǎng)速率等篩選出5個(gè)細(xì)胞，最后得到遺傳穩(wěn)定性最好的1個(gè)固碳藻種。

程軍介紹，利用高通量篩選育種技術(shù)對(duì)微藻細(xì)胞的固碳酶關(guān)鍵基因進(jìn)行馴化改良，目標(biāo)在于提高關(guān)鍵固碳酶——Rubisco酶等在煙氣高濃度二氧化碳條件下的催化反應(yīng)活性，換句話說(shuō)，就是找到?jīng)Q定優(yōu)質(zhì)良種的關(guān)鍵基因。

項(xiàng)目煙氣高濃度二氧化碳條件下的固碳藻種選育給出了可喜結(jié)論：顯著增強(qiáng)了微藻細(xì)胞內(nèi)光合色素酶和能量合成酶等固碳酶活性，增強(qiáng)了光反應(yīng)中心的電子傳遞速率和光化學(xué)效率，提高了微藻細(xì)胞生長(zhǎng)固碳速率。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)二氧化碳梯度馴化，使微藻細(xì)胞內(nèi)光合固碳途徑中的多種固碳酶活性逐漸上調(diào)，固碳酶轉(zhuǎn)運(yùn)二氧化碳分子能力相應(yīng)得到增強(qiáng)，從而在抑制微藻低效固碳反應(yīng)途徑的同時(shí)不斷增強(qiáng)高效固碳反應(yīng)途徑，在光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能過(guò)程中提高微藻固碳速率。

通過(guò)馴化改良與固碳途徑變革，耐受煙氣二氧化碳的高效固碳藻種培育成功。

渦流反應(yīng)器提升微藻固碳速率。微藻進(jìn)行碳捕獲，本質(zhì)是進(jìn)行生物光合作用。該項(xiàng)目技術(shù)可加速生物光合作用發(fā)熱反應(yīng)速率，提高捕碳效率。

在反應(yīng)器內(nèi)，渦流可強(qiáng)化細(xì)胞光合作用。原因在于，微藻細(xì)胞固碳反應(yīng)分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)階段，微藻在反應(yīng)器光區(qū)和暗區(qū)進(jìn)行快速漩渦流動(dòng)，能夠明顯促進(jìn)細(xì)胞混合傳質(zhì)和固碳反應(yīng)。

基于此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出了渦流強(qiáng)化細(xì)胞光量子轉(zhuǎn)化效率的流體力學(xué)傳質(zhì)機(jī)理——在反應(yīng)器內(nèi)使二氧化碳?xì)怏w在更短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生更小的微氣泡，增強(qiáng)與微藻細(xì)胞的擴(kuò)散混合。

基于流體力學(xué)設(shè)計(jì)反應(yīng)器，使反應(yīng)器內(nèi)交替產(chǎn)生順時(shí)針和逆時(shí)針漩渦流場(chǎng)，增強(qiáng)二氧化碳微氣泡的擴(kuò)散速度，從而使微藻細(xì)胞在光區(qū)和暗區(qū)之間高頻快速漩渦流動(dòng)，提高光量子轉(zhuǎn)化效率和固碳反應(yīng)速率。

實(shí)踐成果表明，高效光反應(yīng)器使戶外1個(gè)月微藻固定煙氣二氧化碳的干基生物質(zhì)生產(chǎn)能力超過(guò)每平方米每天25克。這意味著，微藻固碳技術(shù)能生產(chǎn)出更多高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的藻粉生物質(zhì)。

與傳統(tǒng)工藝1毫米孔徑的鋼管曝氣器相比，微米級(jí)孔徑的二氧化碳曝氣器生成的氣泡直徑和時(shí)間分別減小72%和49%，使得生物質(zhì)干重提高了30%，從二氧化碳?xì)怏w到藻粉生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率也得到顯著提高。

曝氣器設(shè)備的研發(fā)來(lái)自項(xiàng)目應(yīng)用的迫切需求。程軍告訴科技日?qǐng)?bào)記者，為了將煤化工廠煙氣分離提純的食品級(jí)二氧化碳高效供給大面積跑道池培養(yǎng)螺旋藻，需要提高螺旋藻過(guò)濾采收后循環(huán)液中的碳酸氫鈉濃度。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研制了三層交錯(cuò)式變孔編織網(wǎng)曝氣器置于藻液采收后的循環(huán)回水管道中，三層曝氣結(jié)構(gòu)組成曝氣器，內(nèi)部?jī)蓪臃謩e由一層徑向編織和一層周向編織的孔網(wǎng)交錯(cuò)而成，最外面是一層微米級(jí)孔徑的曝氣網(wǎng)。

程軍表示，該曝氣器的效果在于，二氧化碳?xì)怏w首先經(jīng)過(guò)內(nèi)部?jī)蓪涌拙W(wǎng)的兩次剪切形成初始?xì)馀?，再?jīng)過(guò)最外層孔徑切割形成更小的氣泡，分層剪切能夠縮短氣泡生成時(shí)間和生成直徑，進(jìn)而提高二氧化碳?xì)馀菖c螺旋藻循環(huán)液中碳酸鈉的反應(yīng)速率。

“微藻固碳項(xiàng)目的成功之處在于，開發(fā)了微藻固定燃煤煙氣二氧化碳的高效藻種、關(guān)鍵設(shè)備和核心技術(shù)，找到了規(guī)模化高效低成本工程實(shí)施的微藻固碳技術(shù)工藝路線?！背誊姳硎?，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)攻克了微藻固定煙氣二氧化碳的關(guān)鍵核心技術(shù)，獲得了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并形成了技術(shù)集成系統(tǒng)，建成的產(chǎn)業(yè)工程示范取得了顯著的經(jīng)濟(jì)環(huán)境和社會(huì)效益?？傮w而言，微藻固碳項(xiàng)目對(duì)解決我國(guó)普遍存在的溫室氣體二氧化碳減排經(jīng)濟(jì)效益差的問(wèn)題進(jìn)行了有益嘗試。

截至目前，該項(xiàng)目成果已在山東、江蘇、廣西、海南等地區(qū)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣。它為煙氣二氧化碳減排的商業(yè)化運(yùn)行和降低生物固碳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本提供了經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)路線選擇。

延伸閱讀

微藻固碳：面向“雙碳”目標(biāo)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)

2020年9月習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話指出，中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

2020年我國(guó)二氧化碳排放量達(dá)到110億噸，其中約60億噸來(lái)自于燃煤煙氣二氧化碳，為實(shí)現(xiàn)國(guó)家碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)，燃煤電廠和煤化工煙氣是我國(guó)二氧化碳減排的攻堅(jiān)重點(diǎn)。

燃煤電廠排放的煙氣中含有二氧化碳、硫化物、氮氧化物、重金屬等污染物，顯著影響了大氣環(huán)境。傳統(tǒng)的電廠煙氣處理技術(shù)包括煙塵控制、煙氣脫硫和脫硝等，但存在工藝設(shè)備復(fù)雜、能耗高、處理成本高及二次污染重等問(wèn)題，制約其應(yīng)用。

相比于傳統(tǒng)燃煤電廠煙氣減排技術(shù)，微藻固碳減排技術(shù)具有工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便和綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。

“二氧化碳煙氣微藻減排技術(shù)”項(xiàng)目以燃煤電廠煙氣二氧化碳和煤化工廠煙氣二氧化碳的減排為目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；B(yǎng)殖的螺旋藻、小球藻、微擬球藻等固碳藻種為基礎(chǔ)，將高光效低成本的微藻光反應(yīng)器研發(fā)作為突破口，開發(fā)了微藻減排煙氣二氧化碳成套技術(shù)與微藻廢水養(yǎng)殖技術(shù)，從而降低微藻固碳養(yǎng)殖系統(tǒng)成本。