齊運峰

(匯智工程科技股份有限公司，山東 青島　266100)

火電廠所用的燃料主要是煤，煤燃燒時排放的二氧化碳(CO2)是溫室氣體之一，溫室氣體的增加對氣候、環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成有復(fù)雜和嚴(yán)重的影響。受中國快速的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和城市化影響，2006年以后，從單年度的二氧化碳排放量來看中國已經(jīng)位居世界首位，且排放量已占到全球總排放量的四分之一。2014年我國二氧化碳總排放量在104億t。其中，煤、石油和天然氣等化石燃料的燃燒和水泥生產(chǎn)是最主要的工業(yè)排放源。面對巨大的減排壓力，二氧化碳規(guī)模化回收利用和下游應(yīng)用研究已經(jīng)在全球范圍內(nèi)展開。由于依賴火力發(fā)電導(dǎo)致大氣污染愈發(fā)嚴(yán)重，霧霾天氣呈現(xiàn)頻發(fā)性、全國性態(tài)勢，越來越嚴(yán)重，要求中國向清潔能源轉(zhuǎn)移，削減二氧化碳排放量的聲音越來越強。二氧化碳同時也是一種寶貴的資源，提純凈化后可廣泛應(yīng)用于機械加工、化學(xué)合成、石油開采、煙絲膨化、農(nóng)業(yè)施肥、消防滅火、食品及醫(yī)藥衛(wèi)生等多種領(lǐng)域。國務(wù)院印發(fā)的《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》指出加快節(jié)能減排共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)示范推廣，繼續(xù)組織實施節(jié)能減排重大科技產(chǎn)業(yè)化工程。CCUS(Carbon Capture，Utilization and Storage)碳捕獲、利用與封存是應(yīng)對全球氣候變化的關(guān)鍵技術(shù)之一，受到世界各國的高度重視，紛紛加大研發(fā)力度，在微藻生物固碳技術(shù)等方面取得進(jìn)展，但在產(chǎn)業(yè)化方面還處于起步摸索階段。隨著技術(shù)的進(jìn)步及成本的降低，CCUS前景光明。

1　微藻生物固碳技術(shù)介紹

美國從1976年起就啟動了微藻能源研究，攻關(guān)以化石燃料產(chǎn)生的廢氣生產(chǎn)高含脂微藻。這一計劃雖然因經(jīng)費精簡、藻類制油成本過高于1996年終止，但美國科學(xué)家已經(jīng)培育出了富油的工程小環(huán)藻。這種藻類在實驗室條件下的脂質(zhì)含量可達(dá)到60%以上。2006年，美國兩家企業(yè)建立了可與1040MW電廠煙氣相連接的商業(yè)化系統(tǒng)，成功地利用煙氣中的二氧化碳進(jìn)行大規(guī)模光合成培養(yǎng)微藻，并將微藻轉(zhuǎn)化為生物“原油”。2007年，美國宣布由國家能源局支持的微型曼哈頓計劃，計劃在2010年實現(xiàn)微藻制備生物柴油工業(yè)化，各項技術(shù)研發(fā)全面提速。2007年，以色列一家公司對外展示了利用海藻吸收二氧化碳，將太陽能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能的技術(shù)，每5kg藻類可生產(chǎn)1L燃料。

經(jīng)過行業(yè)工作者的努力探索與鉆研，我國的微藻生物柴油技術(shù)取得了長足發(fā)展，國家863計劃主題項目“燃煤煙氣CCUS關(guān)鍵技術(shù)” 采用60Co -γ射線誘變獲得了高效固碳藻種，固定CO2效率和生長速率比野生型藻種明顯提高，在山東煙臺建成了10萬m2燃煤電廠煙氣養(yǎng)殖微藻固定CO2的示范工程，養(yǎng)藻系統(tǒng)每年捕集利用電廠煙氣CO2收獲微擬球藻藻粉能力達(dá)到500t。這個項目是一個里程碑式的項目，提振了眾多行業(yè)從業(yè)者繼續(xù)探索改進(jìn)的信心。

2　微藻養(yǎng)殖、采收、提取工藝流程

本文以華南某農(nóng)業(yè)科技有限公司微擬球藻養(yǎng)殖項目為對象，分析其養(yǎng)殖、采收、提取工藝流程，研究其生產(chǎn)過程中存在的問題，為同行業(yè)者完善生產(chǎn)過程提供參考。

2.1　高耐煙氣藻種的篩選

優(yōu)良的微擬球藻藻種是產(chǎn)業(yè)化規(guī)模養(yǎng)殖中能夠得到特定產(chǎn)品的基礎(chǔ)和關(guān)鍵， 藻種應(yīng)滿足以下要求：遺傳性穩(wěn)定、種子培養(yǎng)上生長旺盛、快速繁殖、培養(yǎng)周期短、高耐煙氣和目標(biāo)產(chǎn)物收集率高。本項目所用藻種采購自相關(guān)海洋生物研究單位。

2.2　培養(yǎng)基

培養(yǎng)基是微擬球藻生長繁殖和生物合成各種代謝產(chǎn)物所需要的多種營養(yǎng)物質(zhì)的混合物。培養(yǎng)基的成分和配比，對微擬球藻的生長、發(fā)育、代謝及產(chǎn)物合成有很大的影響。培養(yǎng)基一般含有碳源、氮源、無機鹽及微量元素、生長因子、水等菌體生長所必需的元素。培養(yǎng)基的設(shè)計和優(yōu)化貫穿于微擬球藻養(yǎng)殖的各個階段，包括培養(yǎng)瓶培育、平板式光反應(yīng)器擴配、跑道池養(yǎng)殖。不同生長階段的培養(yǎng)基組份均不相同。本項目培養(yǎng)瓶培育、平板式光反應(yīng)器擴配階段碳源采用攪拌或鼓泡方式引入空氣，跑道池養(yǎng)殖階段碳源采用曝氣方式引入燃煤電廠經(jīng)濕法脫硫后的高二氧化碳含量(約15%)的煙氣。一定范圍內(nèi)，二氧化碳的濃度越高，植物的光合作用也越強，因此二氧化碳是最好的碳源來源。氮源采用尿素，無機鹽使用磷酸二氫鉀。水是培養(yǎng)基的主要組成成分，用量也是最大的，水質(zhì)的好壞是非常重要的因素，本項目用水包括海水和淡水。海水使用經(jīng)過加氯消毒和石英砂過濾后的海水。因為養(yǎng)殖過程中水分蒸發(fā)，鹽度過高會影響微擬球藻的正常生長，淡水主要用于補充到培養(yǎng)基中，使鹽度保持在一定的范圍內(nèi)。

2.3　培養(yǎng)過程

經(jīng)過固體平板培養(yǎng)基選育，各級培養(yǎng)瓶培育、平板式光生物反應(yīng)器擴培。達(dá)到一定濃度后依次擴培到小型、中型和大型的跑道池中。跑道池每批培養(yǎng)之前都需要投放適量的消毒劑對培養(yǎng)基進(jìn)行消毒，氮源、無機鹽隨著培養(yǎng)過程的不斷進(jìn)行及時補充。在每天8～18點往跑道池內(nèi)曝氣，通氣比設(shè)置為0.003vvm?？紤]到煙氣的腐蝕性，煙氣輸送管道采用襯塑鋼管，煙氣曝氣管道選用ABS材質(zhì)的微孔膜式曝氣器。跑道池內(nèi)液體流動采用電動漿輪驅(qū)動。培養(yǎng)周期為7 d。

2.4　采收

因為微擬球藻的粒徑大約為2～8μm，非常小，不適合直接用離心機濃縮，需經(jīng)過絮凝過程。絮凝包括物理絮凝、化學(xué)絮凝、生物絮凝。國內(nèi)一些科研單位對絮凝劑的選用做了很多研究，本項目選用生物絮凝劑。將培養(yǎng)到一定濃度的藻液經(jīng)過管道泵入絮凝池中。先將藻液pH值調(diào)到一定的數(shù)值，加入配制好的絮凝劑，攪拌均勻后曝氣一段時間后靜置。通過池底的排水口將清液重新泵入培養(yǎng)跑道池中，循環(huán)使用。待清液排凈后剩余很濃的絮凝藻團，通過臥式螺旋離心機將大部分水分離心掉后得到藻泥。藻泥從離心機中排出后經(jīng)過噴霧干燥設(shè)備后得到干藻粉。濃縮藻漿是將培養(yǎng)到一定濃度的跑道池中的藻液直接進(jìn)入碟片式離心機，通過調(diào)節(jié)碟片式離心機的參數(shù)可以得到不同濃度的濃縮藻漿。濃縮藻漿可直接用于海水育苗調(diào)節(jié)水色、保持育苗水體中輪蟲等活體餌料的營養(yǎng)等，也可以用于輪蟲的營養(yǎng)強化，可明顯提高海水育苗的成活率。

2.5　提取

微擬球藻富含油脂，油脂含量占干重的比重達(dá)60%以上，油脂以C16和C18脂肪酸為主，還含有豐富的EPA。在提取工藝中，一般提取介質(zhì)分為水、乙醇、丙酮等，根據(jù)微擬球藻的特性，本項目選用乙醇提取工藝。藻液提取工藝流程圖見圖1，藻液提取系統(tǒng)主要設(shè)備見表1。

圖1藻液提取系統(tǒng)簡要流程圖

操作步驟包括將干藻粉和無水乙醇加入藻油提取罐中，開啟熱源系統(tǒng)及攪拌系統(tǒng)進(jìn)行加熱攪拌，達(dá)到一定溫度后保持一段時間，將提取液用泵打到提取液儲罐內(nèi)。提取液儲罐的目的是緩和上下游工序。用單效蒸發(fā)器將藻油提取液中的乙醇蒸發(fā)分離，使得提取液濃度逐漸增大，經(jīng)取樣檢測符合要求時即可停機排放粗藻油至粗藻油儲罐中。經(jīng)過乙醇浸提后的藻渣排出提取罐，并被藻渣輸送車接收并運送至藻渣烘干車間。藻渣加入雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機中，罐內(nèi)在真空狀態(tài)下，向夾套內(nèi)通入蒸汽進(jìn)行加熱，熱量通過罐體內(nèi)壁與濕藻渣接觸，濕藻渣吸熱后蒸發(fā)的乙醇蒸汽，經(jīng)真空排氣管被抽走。乙醇蒸汽經(jīng)過冷凝回收裝置回收乙醇?；厥盏降囊掖伎勺鳛槿軇┰倮?。藻渣可用于飼料添加。

表1　藻液提取系統(tǒng)的主要設(shè)備表

表1(續(xù))

3　結(jié)語

微擬球藻培養(yǎng)屬于新型產(chǎn)業(yè)，養(yǎng)殖工藝過程還不成熟，尚存在一些亟待完善的環(huán)節(jié)。比如煙氣成分復(fù)雜且波動較大，選育高耐抗性的藻種；改進(jìn)二氧化碳的曝氣方式，提高二氧化碳的利用率；養(yǎng)殖池受天氣影響非常大，探索養(yǎng)殖場抗天氣變化影響的手段及措施；研究總結(jié)合理的培養(yǎng)基配比比例，提高目標(biāo)產(chǎn)物的收率。深入開展研究藻種選育、開發(fā)更為合理的養(yǎng)殖工藝過程，是同行業(yè)科研工作人員和包括作者在內(nèi)的廣大設(shè)計工作者的挑戰(zhàn)與使命，對推動微擬球藻養(yǎng)殖的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展十分重要，同時也對我國的碳減排計劃具有重大意義。

[1]黃云.微藻固定煙氣高濃度CO2的藻種改良和過程優(yōu)化調(diào)控[D].杭州:浙江大學(xué),2014.

[2]孫發(fā)強.適于規(guī)模化生產(chǎn)的富油微擬球藻藻株篩選研究[D].青島:中國海洋大學(xué),2015.

[3]蔣新龍.發(fā)酵工程[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2011:56-60.