微生物固碳制造新能源

微生物固碳制造新能源

微生物固碳制造新物质能源实际上是自养微生物通过摄取光能或化能吸收转化CO2从而生成可以为我们所加以利用的新的物质能源，变废为宝，从而构成一条制取可再生资源的良性循环路线。研究表明，自养微生物固定CO2的能力远远超过异养微生物，所以目前世界上的相关研究都是围绕自养微生物进行，自养微生物主要分为两类：光能自养型微生物和化能自养型微生物。

（1）生物能源进程

迄今为止，人类还没有找到一种堪称完美的生物能源。以粮食作物为代表的第一代生物能源，成为粮价飞涨的推手之一。事实上，目前全球所生产的乙醇几乎全部由农作物中所含的淀粉和糖类转化而来，造成了对农业资源和可耕种土地的大量占用，并推高了粮价。

以麻疯树为代表的木本油料作物作为第二代生物柴油开始引起关注，木本油料可以利用中低山和丘陵地大规模种植，不与粮争地。我国政府在四川已经种植了1.73万公顷麻疯树，产油6万吨。但因其高度的分散和管理不便，规模化种植的难度较大。加上木本油料多在山区，收获和运输的人力成本让最终的产品—生物柴油的成本难以和石油竞争。

二代生物能源受困于成本，还没有进入产业化阶段，又掀起了第三代生物能源——藻类的开发热潮。藻类的生长不占用土地和淡水这两大资源，只要有阳光和海水就能生长，甚至在废水和污水中也能生长。生长速度以天计，从生长到产油只需要两周左右，而多数能源作物需要几个月。它的产油量也非常可观，一亩大豆一年下来约产油300公斤，而一亩海藻至少能产油2～3吨。

（2）微藻制油

现在被认为有效的二氧化碳捕集、封存方法，如海底封存、废弃煤矿封存、油田封存等，都存在成本高、难操作和可能引起其他环境灾难的问题。而生物法固定二氧化碳是地球上主要的、有效的固碳方式。如果能用二氧化碳生产生物质油，将二氧化碳化害为利、变废为宝，一举数得。

微藻在生长过程中可利用废弃二氧化碳，从而与二氧化碳的处理和减排相结合，国外已经有利用发电厂排放的废弃二氧化碳生产微藻的尝试，占地1平方公里的养藻场一年可以处理5万吨二氧化碳。

美国从1976年起就启动了微藻能源研究，攻关以化石燃料产生的废气生产高含脂微藻。这一计划虽然因经费精简、藻类制油成本过高于1996年终止，但美国科学家已经培育出了富油的工程小环藻。这种藻类在实验室条件下的脂质含量可达到60%以上(比自然状态下微藻的脂质含量提高了3～12倍)，户外生产也可增加到40%以上，为后来的研究提供了坚实基础。

2006年，美国两家企业建立了可与1040兆瓦电厂烟道气相连接的商业化系统，成功地利用烟道气中的二氧化碳进行大规模光合成培养微藻，并将微藻转化为生物“原油”。2007年，美国宣布由国家能源

局支持的微型曼哈顿计划，计划在2010年实现微藻制备生物柴油工业化，各项技术研发全面提速。值得关注的是，继波音公司在美国西雅图完成微藻生物燃油的飞机首航，造成巨大的轰动效应以后；2009年11月23日，法航和荷航的一架747客机搭载约40名特殊乘客从阿姆斯特丹起飞，这是欧洲第一架使用微藻生物燃料驱动升空的民航客机。

微藻固碳制油的工艺联想：主体设备是一种适合微藻生长的塔式立体培养器，将含有二氧化碳的电厂烟气从塔底分段进气、逐级溶碳脱氧、分段外排；而含有藻种的养殖液体从塔顶逐级流到塔底，通过光合作用完成微藻的一个生长周期；塔底微藻与养殖液分离，大部分藻液外排分离微藻和养殖液，小部分藻液作为藻种，回收的养殖液在补充营养后，用养殖液泵送回塔顶进行再次循环，通过微藻连续养殖和二氧化碳减排偶联，最终实现二氧化碳的固定和资源化利用。

图1 微藻生质能源工厂预想图

图2 微藻制油学术思路

图3 微藻制油技术途径

（3）微藻制油两大瓶颈问题

虽然微藻用于生产生物燃料的优势明显，但微藻生物燃料技术链是一个复杂的系统工程，涉及多个科学与工程技术问题。

大规模微藻生物质资源获得困难和微藻生物能源产品成本过高是目前微藻生物能源技术面临的两大瓶颈。以目前的技术进行产业化，存在大规模培养占地面积过大、基础建设投资过高、加工过程能耗物耗过大的问题。这两大瓶颈的解决需要从微藻生物能源产业链涉及的各个环节进行技术攻关与突破。

首先要强化优质藻种选育技术的研究，通过现代生物技术，获得和构建能够适应工业化大规模应用、

高光效、高油脂产率和高抗逆的工程微藻株系。其次要特别加强微藻规模培养工艺与装备技术开发。目前，微藻的规模培养远未能充分发挥其速生高产的优势。因此需要发展高效低成本可规模化的微藻培养创新技术体系，建立和发展废水和燃厂废气CO2利用的微藻生态养殖技术，大幅度提高单位面积微藻生物产率、降低物能消耗，从根本上解决培养占地和成本瓶颈。第三要研究开发高效低能耗的微藻加工转化的工艺、关键技术与装备，形成和建立以微藻生物柴油、航空煤油等为核心能源产品，以微藻生物质全组分、多元化利用为特色的微藻生物炼制技术体系。

目前有大量培养或生产的微藻分属于4个藻门：蓝藻门、绿藻门、金藻门和红藻门。微拟球藻是油质性藻的一种，可透过光合作用将二氧化碳固定，转化成化合物储存于体内并以油脂形式大量储存，是制造生物柴油的理想原料。

发展生物柴油产业为目的产油微藻应该满足以下几个条件：快速生长；适应多种极端或胁迫生理条件(耐盐碱、光温胁迫、光氧化胁迫、营养基质胁迫)；含油量≥60％；适应高浓度二氧化碳与烟气处理极端条件(高温、酸性、二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫)；具有高值化综合利用的潜力。

（3）微藻制氢气

氢气是理想的再生能源，其来源除了解电解水及其他化学的方法外，可借由某些藻类，在特定的代谢条件下产生氢气。如衣藻可透过氢化酵素的作用，在缺硫、无氧、有光源的条件下，暂时性的产生氢气。目前研究人员正积极寻求微藻量产氢气的条件。

1939年，芝加哥大学的研究人员Hans Gaffron，在Nature发表了令人惊讶的报告，首先提出在斜生栅藻的培养过程中，发生有氢气的产生。这个发现却在五、六十年后，才在寻找替代能源的需求下，开始爱到重视。

有关于单细胞藻类产生氢气的研究，目前以衣藻的研究较多，主要原因在于衣藻的氢化酵素，其基因和酵素的作用机制有较多资讯，加上藻种的取得和培养也较容易。目前已知会产生氢气的单细胞藻类，其所需的条件不尽相同，推测是其产生氢气的代谢机制不同所导致。以同一种藻种而言，不同的培养环境，所诱发产生的氢气产量也会有差异。但总得来说，单细胞藻类产生氢气，是一种非经常性的代谢模式，其目的是为了弥补不能顺利进行光合作用产生ATP和NADPH所产生的代偿反应。