以二氧化碳為原料，微藻變“碳”為寶
微藻進行碳捕獲，本質(zhì)是進行生物光合作用。該項目技術(shù)可加速生物光合作用發(fā)熱反應(yīng)速率，提高捕碳效率。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(guān)產(chǎn)品經(jīng)濟產(chǎn)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(qū)進行產(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)，一種國家地理標志農(nóng)產(chǎn)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(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)律實現(xiàn)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(guān)產(chǎn)品經(jīng)濟產(chǎn)值超2億元。”國家重點研發(fā)計劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”項目“二氧化碳煙氣微藻減排技術(shù)”項目負責(zé)人接受科技日報記者采訪時表示，經(jīng)過4年技術(shù)攻關(guān)，完成了微藻固碳工程示范，為二氧化碳資源化利用、實現(xiàn)碳中和國家目標貢獻了具備經(jīng)濟可行性的技術(shù)方案。
專家介紹，利用高通量篩選育種技術(shù)對微藻細胞的固碳酶關(guān)鍵基因進行馴化改良，目標在于提高關(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，就是找到?jīng)Q定優(yōu)質(zhì)良種的關(guān)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(jié)論：顯著增強了微藻細胞內(nèi)光合色素酶和能量合成酶等固碳酶活性，增強了光反應(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(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)運二氧化碳分子能力相應(yīng)得到增強，從而在抑制微藻低效固碳反應(yīng)途徑的同時不斷增強高效固碳反應(yīng)途徑，在光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)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(yīng)器提升微藻固碳速率
微藻進行碳捕獲，本質(zhì)是進行生物光合作用。該項目技術(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)，渦流可強化細胞光合作用。原因在于，微藻細胞固碳反應(yīng)分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個階段，微藻在反應(yīng)器光區(qū)和暗區(qū)進行快速漩渦流動，能夠明顯促進細胞混合傳質(zhì)和固碳反應(yīng)。
基于此，項目團隊提出了渦流強化細胞光量子轉(zhuǎn)化效率的流體力學(xué)傳質(zhì)機理——在反應(yīng)器內(nèi)使二氧化碳氣體在更短時間內(nèi)產(chǎn)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(xué)設(shè)計反應(yīng)器，使反應(yīng)器內(nèi)交替產(chǎn)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(qū)和暗區(qū)之間高頻快速漩渦流動，提高光量子轉(zhuǎn)化效率和固碳反應(yīng)速率。
實踐成果表明，高效光反應(yīng)器使戶外1個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)濟價值的藻粉生物質(zhì)。
微米級二氧化碳曝氣器加速反應(yīng)效率
與傳統(tǒng)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(zhì)干重提高了30%，從二氧化碳氣體到藻粉生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率也得到顯著提高。
曝氣器設(shè)備的研發(fā)來自項目應(yīng)用的迫切需求。項目負責(zé)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(yǎng)螺旋藻，需要提高螺旋藻過濾采收后循環(huán)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(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)部兩層分別由一層徑向編織和一層周向編織的孔網(wǎng)交錯而成，最外面是一層微米級孔徑的曝氣網(wǎng)。
項目負責(zé)人表示，該曝氣器的效果在于，二氧化碳氣體首先經(jīng)過內(nèi)部兩層孔網(wǎng)的兩次剪切形成初始氣泡，再經(jīng)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(huán)液中碳酸鈉的反應(yīng)速率。
“微藻固碳項目的成功之處在于，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施的微藻固碳技術(shù)工藝路線。”負責(zé)人表示，項目團隊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)濟環(huán)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(jīng)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(qū)進行產(chǎn)業(yè)化推廣。它為煙氣二氧化碳減排的商業(yè)化運行和降低生物固碳的技術(shù)經(jīng)濟成本提供了經(jīng)濟可行的技術(shù)路線選擇。
延伸閱讀
微藻固碳：面向“雙碳”目標進行技術(shù)攻關(guān)
2020年9月習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)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(xiàn)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(xiàn)國家碳中和戰(zhàn)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(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)備簡單、操作方便和綠色環(huán)保等優(yōu)勢。
“二氧化碳煙氣微藻減排技術(shù)”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(xiàn)規(guī)模化養(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。
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(xiàn)工藝穩(wěn)定、過程可控、連續(xù)穩(wěn)定的微藻養(yǎng)殖，為微藻煙氣固碳產(chǎn)業(yè)和實現(xiàn)碳中和國家戰(zhàn)略目標提供了一個可持續(xù)的技術(shù)選擇。(何 亮)
來源：科技日報
