以二氧化碳為原料，微藻變“碳”為寶
微藻進行碳捕獲，本質是進行生物光合作用。該項目技術可加速生物光合作用發熱反應速率，提高捕碳效率。目前，微藻固定二氧化碳示范能力可達每年萬噸級，固碳微藻相關產品經濟產值超2億元。目前該項目成果已在山東、江蘇、廣西、海南等地區進行產業化推廣。
在距離內蒙古鄂爾多斯市200多公里外的鄂托克旗產業園內，一種國家地理標志農產品——鄂托克旗螺旋藻正處于快速生長期。這種古老物種雖然形貌微小，但它的一項功能卻令人稱奇：捕食煙氣中的二氧化碳，并將其轉化為蛋白質、碳水化合物、油脂和色素等高附加值產品，成為利用自然規律實現固碳減排的“妙招”。
“微藻固定二氧化碳示范能力可達每年萬噸級，固碳微藻相關產品經濟產值超2億元。”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”項目負責人接受科技日報記者采訪時表示，經過4年技術攻關，完成了微藻固碳工程示范，為二氧化碳資源化利用、實現碳中和國家目標貢獻了具備經濟可行性的技術方案。
專家介紹，利用高通量篩選育種技術對微藻細胞的固碳酶關鍵基因進行馴化改良，目標在于提高關鍵固碳酶——Rubisco酶等在煙氣高濃度二氧化碳條件下的催化反應活性，換句話說，就是找到決定優質良種的關鍵基因。
項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論：顯著增強了微藻細胞內光合色素酶和能量合成酶等固碳酶活性，增強了光反應中心的電子傳遞速率和光化學效率，提高了微藻細胞生長固碳速率。
項目團隊通過二氧化碳梯度馴化，使微藻細胞內光合固碳途徑中的多種固碳酶活性逐漸上調，固碳酶轉運二氧化碳分子能力相應得到增強，從而在抑制微藻低效固碳反應途徑的同時不斷增強高效固碳反應途徑，在光能轉變為化學能過程中提高微藻固碳速率。
通過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。
渦流反應器提升微藻固碳速率
微藻進行碳捕獲，本質是進行生物光合作用。該項目技術可加速生物光合作用發熱反應速率，提高捕碳效率。
在反應器內，渦流可強化細胞光合作用。原因在于，微藻細胞固碳反應分為光反應和暗反應兩個階段，微藻在反應器光區和暗區進行快速漩渦流動，能夠明顯促進細胞混合傳質和固碳反應。
基于此，項目團隊提出了渦流強化細胞光量子轉化效率的流體力學傳質機理——在反應器內使二氧化碳氣體在更短時間內產生更小的微氣泡，增強與微藻細胞的擴散混合。
基于流體力學設計反應器，使反應器內交替產生順時針和逆時針漩渦流場，增強二氧化碳微氣泡的擴散速度，從而使微藻細胞在光區和暗區之間高頻快速漩渦流動，提高光量子轉化效率和固碳反應速率。
實踐成果表明，高效光反應器使戶外1個月微藻固定煙氣二氧化碳的干基生物質生產能力超過每平方米每天25克。這意味著，微藻固碳技術能生產出更多高經濟價值的藻粉生物質。
微米級二氧化碳曝氣器加速反應效率
與傳統工藝1毫米孔徑的鋼管曝氣器相比，微米級孔徑的二氧化碳曝氣器生成的氣泡直徑和時間分別減小72%和49%，使得生物質干重提高了30%，從二氧化碳氣體到藻粉生物質的轉化效率也得到顯著提高。
曝氣器設備的研發來自項目應用的迫切需求。項目負責人告訴科技日報記者，為了將煤化工廠煙氣分離提純的食品級二氧化碳高效供給大面積跑道池培養螺旋藻，需要提高螺旋藻過濾采收后循環液中的碳酸氫鈉濃度。
項目團隊研制了三層交錯式變孔編織網曝氣器置于藻液采收后的循環回水管道中，三層曝氣結構組成曝氣器，內部兩層分別由一層徑向編織和一層周向編織的孔網交錯而成，最外面是一層微米級孔徑的曝氣網。
項目負責人表示，該曝氣器的效果在于，二氧化碳氣體首先經過內部兩層孔網的兩次剪切形成初始氣泡，再經過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間和生成直徑，進而提高二氧化碳氣泡與螺旋藻循環液中碳酸鈉的反應速率。
“微藻固碳項目的成功之處在于，開發了微藻固定燃煤煙氣二氧化碳的高效藻種、關鍵設備和核心技術，找到了規模化高效低成本工程實施的微藻固碳技術工藝路線。”負責人表示，項目團隊攻克了微藻固定煙氣二氧化碳的關鍵核心技術，獲得了自主知識產權，并形成了技術集成系統，建成的產業工程示范取得了顯著的經濟環境和社會效益。總體而言，微藻固碳項目對解決我國普遍存在的溫室氣體二氧化碳減排經濟效益差的問題進行了有益嘗試。
截至目前，該項目成果已在山東、江蘇、廣西、海南等地區進行產業化推廣。它為煙氣二氧化碳減排的商業化運行和降低生物固碳的技術經濟成本提供了經濟可行的技術路線選擇。
延伸閱讀
微藻固碳：面向“雙碳”目標進行技術攻關
2020年9月習近平總書記在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話指出，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。
2020年我國二氧化碳排放量達到110億噸，其中約60億噸來自于燃煤煙氣二氧化碳，為實現國家碳中和戰略目標，燃煤電廠和煤化工煙氣是我國二氧化碳減排的攻堅重點。
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，顯著影響了大氣環境。傳統的電廠煙氣處理技術包括煙塵控制、煙氣脫硫和脫硝等，但存在工藝設備復雜、能耗高、處理成本高及二次污染重等問題，制約其應用。
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。
“二氧化碳煙氣微藻減排技術”項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，以實現規模化養殖的螺旋藻、小球藻、微擬球藻等固碳藻種為基礎，將高光效低成本的微藻光反應器研發作為突破口，開發了微藻減排煙氣二氧化碳成套技術與微藻廢水養殖技術，從而降低微藻固碳養殖系統成本。
項目建立了燃煤電廠和煤化工廠煙氣二氧化碳微藻固碳的兩種模式，實現工藝穩定、過程可控、連續穩定的微藻養殖，為微藻煙氣固碳產業和實現碳中和國家戰略目標提供了一個可持續的技術選擇。(何 亮)
來源：科技日報
