莫壯洪，朱俊英，榮峻峰，宗保寧

(1.儋州市環(huán)境監(jiān)測站，海南 儋州 571700；2.中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司)

全球變暖給人類社會及生態(tài)環(huán)境帶來了廣泛且深遠(yuǎn)的影響,例如食物危機(jī)、海平面上升、極端天氣頻繁發(fā)生等諸多問題,大約91%地球物理災(zāi)害與氣候變化有關(guān),若不采取有效的措施應(yīng)對氣候問題,2050年全球經(jīng)濟(jì)損失預(yù)計(jì)將達(dá)到7.9萬億美元[1],如何應(yīng)對氣候變化已成為世界各國可持續(xù)發(fā)展共同面臨的重大挑戰(zhàn)之一。目前全球120多個國家或地區(qū)均制定了“凈零”或“碳中和”相關(guān)政策來應(yīng)對氣候惡化,以期在未來10～50年內(nèi)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)[2]。

碳捕集、利用與封存(CCUS)技術(shù)作為溫室氣體主要減排技術(shù),被認(rèn)為是減少化石能源利用產(chǎn)生CO2的關(guān)鍵手段[3]。CCUS諸多技術(shù)組成中,基于微藻介導(dǎo)的生物固碳備受關(guān)注,其主要優(yōu)勢為[4-5]:微藻可利用廢氣、廢水生長,不占用耕地,可在鹽堿地、灘涂等邊際土地上養(yǎng)殖;微藻生長快,固碳效率高(約是陸生植物的10～50倍);微藻固碳過程環(huán)境友好,能直接利用太陽能捕獲CO2并轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)、脂肪、色素等代謝物質(zhì),通過生物煉制可生產(chǎn)生物能源、營養(yǎng)保健品、健康食品等高價值產(chǎn)品。因此,微藻CCUS技術(shù)既能高效固碳,生成的生物質(zhì)又可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益增值,實(shí)現(xiàn)碳的循環(huán)利用,在促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)方面具有極大應(yīng)用潛力。

微藻生物技術(shù)雖然為碳減排提供了新的策略和方向,但微藻CCUS技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用仍面臨很多挑戰(zhàn),包括工藝高效性、經(jīng)濟(jì)性及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展等難題。本文以碳的捕獲及資源化利用為主線,對微藻生物介導(dǎo)的CCUS技術(shù)研究現(xiàn)狀及潛力進(jìn)行梳理,重點(diǎn)討論工程應(yīng)用中氣液多相強(qiáng)化傳質(zhì)及高效反應(yīng)器等對提高微藻固碳效率的重要性,同時分析微藻固碳的經(jīng)濟(jì)可行性,旨在為碳中和背景下推動微藻CCUS技術(shù)工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 CO2捕集與利用

目前碳減排的途徑主要包括3個方面[6-7]:①供應(yīng)端發(fā)展可再生能源或非碳能源;②能源消費(fèi)端用綠氫、綠電等替代,并提高能效;③固碳端大力發(fā)展碳減排技術(shù)。能源供應(yīng)端及消費(fèi)端在技術(shù)上要達(dá)到“零碳排放”難以實(shí)現(xiàn),目前能源結(jié)構(gòu)仍以化石能源為主,在可預(yù)見的未來,完全“零碳”的清潔能源尚無法全部替代化石燃料以滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展和消費(fèi)需求[8],并且能源利用率進(jìn)一步提高也愈加困難;另外,某些行業(yè)在生產(chǎn)過程中無法避免碳排放,如鋼鐵、水泥等行業(yè)使用碳基原材料必不可少[9]。因此,通過CCUS技術(shù)將排放的CO2進(jìn)行捕集利用,對實(shí)現(xiàn)零碳或者負(fù)碳排放至關(guān)重要,也是碳中和目標(biāo)的戰(zhàn)略性技術(shù)選擇。

1.1 碳捕集

CO2捕集是CCUS技術(shù)的前提,涉及到后續(xù)碳的轉(zhuǎn)化、封存與利用。按燃燒分離過程順序,主要有3種CO2捕集方式:燃燒前捕集、富氧燃燒捕集和燃燒后捕集[3]。燃燒前捕集包括工業(yè)分離和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)系統(tǒng)兩類[10],主要通過蒸汽重整及氣化等方法將燃料轉(zhuǎn)化為合成氣(CO和H2的混合物),并在高壓條件下通過催化反應(yīng)器將CO轉(zhuǎn)化為CO2,經(jīng)進(jìn)一步分離實(shí)現(xiàn)捕集脫碳[3],目前我國在該技術(shù)領(lǐng)域整體處于示范應(yīng)用階段[10]。富氧燃燒是利用純氧代替空氣作為助燃劑進(jìn)入燃燒系統(tǒng),燃料在純氧條件下充分燃燒得到純度較高的CO2,并實(shí)現(xiàn)從煙道氣中分離捕獲CO2[11]。該方法雖然有燃料消耗少及抑制SOx,NOx,CO產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)[7],但氧氣消耗多、設(shè)備投資高,如需配備空氣分離器、煙氣循環(huán)系統(tǒng)等裝置[3]。燃燒后捕集通過在煙道中安裝分離設(shè)備,在煙氣排放到大氣之前直接捕獲回收CO2,目前該方式相對成熟,應(yīng)用最廣泛,主要在鋼鐵、發(fā)電、石化及水泥等行業(yè)應(yīng)用[12]。

CO2捕集分離技術(shù)包括化學(xué)吸收、物理吸附、膜分離以及低溫分離等[11]。化學(xué)吸收分離法涉及有機(jī)胺法、熱鉀堿法、氨吸收法等,該方法主要通過堿性吸收劑將氣態(tài)CO2吸收溶解在液相中,然后將富含CO2的吸收液經(jīng)重新加熱并釋放高純度的CO2[11]。常用的吸收劑如單乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)等,其中MEA對CO2吸收效率高(90%以上)而被廣泛利用[13]?；瘜W(xué)吸收法是目前應(yīng)用最成熟的技術(shù)之一,具有吸收效果好、效率高及吸附劑可循環(huán)使用的優(yōu)勢[11],但也存在胺降解、設(shè)備容易腐蝕等缺點(diǎn)。物理吸附技術(shù)是利用固體吸附材料(如碳基材料、沸石、金屬有機(jī)框架或金屬氧化物等)依靠范德華力或靜電力將CO2從氣相轉(zhuǎn)移到固體材料上實(shí)現(xiàn)分離[11],包括變壓吸附或變壓變溫吸附等[12]。具有低壓低溫下可逆能力、高孔隙率、高比表面積及低成本的吸附材料是物理吸附法高效捕集CO2的關(guān)鍵因素[13]。膜分離法是一項(xiàng)新技術(shù),主要是在一定壓力下利用膜的滲透性和選擇性分離捕集CO2[12],因此若應(yīng)用于高壓氣體的碳捕集可減少額外的加壓設(shè)備成本與能耗[11]。常用的膜材料有聚合物膜、陶瓷膜及雜化膜等類型,但膜材料成本高、耐用性及穩(wěn)定性差是該技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用的主要障礙[3]。另外,低溫蒸餾[9]、化學(xué)循環(huán)燃燒[11]等技術(shù)也用于捕獲分離CO2,這些技術(shù)各有利弊,如低溫方法成本、能耗較高等[13],在工業(yè)規(guī)模應(yīng)用上難以與化學(xué)吸收法競爭。

1.2 CO2利用與封存

CO2捕獲后利用是CCUS技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),直接影響能否產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益、降低成本及最終消納CO2。CO2的利用與封存包括化工利用、生物利用和地質(zhì)利用封存3種方式。化工利用方面,主要是通過化學(xué)、電化學(xué)或光催化等方法將捕獲的CO2轉(zhuǎn)化為增值產(chǎn)品,如無機(jī)化工材料(各類金屬碳酸鹽、硼砂、純堿等)或高附加值化工產(chǎn)品(醇類、醚類、甲酸、合成氣、高分子聚合物等),化工利用可促進(jìn)碳的循環(huán),變廢為寶,產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價值[9,11]。地質(zhì)利用及封存是將CO2注入深海或深層地質(zhì)封藏同時強(qiáng)化能源與資源開采,如在能源行業(yè)、大型油田等領(lǐng)域強(qiáng)化采油、采氣、煤層采收等[11],但是該技術(shù)也存在碳逃逸或者深海封存CO2泄漏導(dǎo)致海洋酸化等風(fēng)險[13],長期效果有待驗(yàn)證。

化工及地質(zhì)碳利用或封存方式屬于能源密集型技術(shù),其工藝是基于高溫、高壓或催化等高能耗過程,碳中和注重碳元素的循環(huán)利用,追求過程的零碳或負(fù)碳,從能源角度看,生物利用更適于進(jìn)行碳中和。微藻作為最古老的光合生物,是地球固定CO2的主角之一,與其他碳利用技術(shù)相比,其最大優(yōu)勢是在環(huán)境溫度及壓力下直接利用太陽能將CO2合成各種代謝化合物,反應(yīng)條件溫和,產(chǎn)生的生物質(zhì)可被開發(fā)為高附加值產(chǎn)品,符合碳中和的屬性特征[14],而且通過微藻固碳減排生產(chǎn)生物質(zhì)產(chǎn)品的方式可進(jìn)一步發(fā)展為循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)。李明豐等[15]指出若養(yǎng)殖3 400畝(1畝≈666.7 m2)的微藻,每年可固定10 kt CO2,并可生產(chǎn)約5 400 t生物質(zhì),產(chǎn)值達(dá)7 000萬元。因此微藻CCUS技術(shù)由于其綠色及可持續(xù)性得到廣泛關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì),自2009年以來美國、中國、印度和歐洲一些國家等關(guān)于微藻碳捕獲領(lǐng)域有大量的研究報(bào)道,微藻CCUS專利數(shù)量也逐年增加[2,16]。微藻CCUS技術(shù)中可直接或間接實(shí)現(xiàn)高效碳固定策略,如圖1所示。圖1方案①中,化石燃料燃燒后煙氣直接輸送至培養(yǎng)設(shè)施養(yǎng)殖微藻;方案②中,使用物理化學(xué)方法捕集CO2,再將捕獲的碳源用于培養(yǎng)微藻。

圖1 微藻CCUS技術(shù)路線

2 微藻生物固碳能力

自養(yǎng)微藻作為光合細(xì)胞工廠,主要通過Calvin循環(huán)對CO2進(jìn)行捕獲與固定[14]。微藻對CO2固定具有獨(dú)特能力,不僅可以利用大氣中低濃度(體積分?jǐn)?shù)小于1%)的CO2,而且還能在高濃度工業(yè)煙氣CO2(體積分?jǐn)?shù)10%～20%)中生長[14],具有非常高的適應(yīng)性。一些常見藻種如柵藻、小球藻、螺旋藻等均顯示出良好的固碳性能,能在CO2較高濃度條件下快速生長,實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)高效獲得[2,17]。在自然環(huán)境中,為了應(yīng)對大氣中低CO2濃度,微藻在長期進(jìn)化中形成了碳濃縮機(jī)制(CCM),該機(jī)制通過Rubisco酶(核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶)能夠富集CO2,以增強(qiáng)其光合固碳能力并滿足其自身生長需要[14]。Valdovinos-García等[18]指出微藻是一種具有極大潛力的碳捕獲系統(tǒng),在碳捕獲方面比陸生植物具有更高效率。Ighalo等[14]報(bào)道了微藻對CO2的固定率可達(dá)到93.7%,具有良好的固碳能力。經(jīng)估算1 kg微藻生物量可固定1.48～1.98 kg CO2,平均可固定1.83 kg CO2[19]。Zhao Bingtao等[20]評估100 000 km2的養(yǎng)殖面積可捕獲CO2高達(dá)2.35 Gt,占全球碳排放量的5%～8%。Xu Peilun等[2]報(bào)道近年來不同微藻在常用的光生物反應(yīng)器中對CO2固定能力介于0.1～2.0 g/(L·d)之間。Ho等[21]報(bào)道25種微藻中大多數(shù)對CO2的固定速率為0.2～0.6 g/(L·d)。此外,某些微藻在固碳方面表現(xiàn)出更高效率,如魚腥藻[1.45 g/(L·d)],一些小球藻對CO2固定速率為0.7～1.8 g/(L·d)[22]。表1列出了部分微藻對CO2的固定能力。

表1 微藻生物固定CO2速率

微藻的固碳能力受到多種因素影響,如藻種、培養(yǎng)條件、光生物反應(yīng)器等[2],近年來對提高微藻固碳效率方面有很多研究報(bào)道,通過微藻快速增長實(shí)現(xiàn)高效固碳或提高藻種個體的固碳能力等是主要策略。Wang Zhenyi等[33]利用CO2含量梯度(體積分?jǐn)?shù)0.04%,3%,6%,10%,12%)馴化藻種,成功獲得了適應(yīng)高濃度CO2的微藻種,相比原藻種,新藻種在CO2體積分?jǐn)?shù)15%的煙氣下生物量產(chǎn)量增長了22.7倍,并有效提高了光合固碳效率。Lin Jiayi等[34]對萊茵衣藻碳酸酐酶進(jìn)行修飾,實(shí)現(xiàn)了每克生物量固定2.792 g的CO2。Li Dingyi等[35]利用金屬有機(jī)框架(MOF)作為CO2濃縮器耦合組裝在小球藻細(xì)胞表面,極大改善了藻細(xì)胞對CO2的吸收轉(zhuǎn)化能力,光能轉(zhuǎn)化率由5.1%提高到9.8%,固碳效率提高了1.9倍。Cheng等[36]通過優(yōu)化培養(yǎng)基pH培養(yǎng)小球藻,當(dāng)pH由6.5上升到8.0時,微藻生物量增長了約1.6倍,對CO2固定率由34.8%提高到84.2%。Guo Wangbiao等[37]設(shè)計(jì)了一種新型多孔鎳泡沫填充的光生物反應(yīng)器,通過促進(jìn)CO2轉(zhuǎn)化為碳酸氫鹽,實(shí)現(xiàn)無機(jī)碳源的充足供應(yīng),促進(jìn)微藻快速生長并使CO2固定效率提高了1.1倍。研究表明傳統(tǒng)化學(xué)吸收-微藻固碳聯(lián)合應(yīng)用也是很好的方法,能夠快速培養(yǎng)微藻并且極大地提高CO2固定效率[38]。因此,不同方法條件下微藻對CO2的固定能力差異較大,提高微藻固碳效率還有很大空間,仍需要進(jìn)行系統(tǒng)研究。

通常高濃度的CO2供應(yīng)能促進(jìn)微藻生長及提高固碳效率。雖然藻細(xì)胞具有CCM機(jī)制,但大氣環(huán)境中CO2的濃度極低,微藻生長過程中需要消耗大約40%的能量以富集大氣中的CO2來滿足自身生長需求[39],因此與大氣相比,煙氣由于含有高濃度的CO2,可通過微藻細(xì)胞內(nèi)外滲透壓直接擴(kuò)散到細(xì)胞質(zhì)中,簡化了CO2轉(zhuǎn)運(yùn)途徑,為微藻生長提供足夠碳源,也更適合養(yǎng)殖微藻[39-40]。但不可否認(rèn),雖然培養(yǎng)系統(tǒng)中直接供應(yīng)煙氣養(yǎng)殖微藻能夠?qū)崿F(xiàn)減排并降低成本,但煙氣比大氣更復(fù)雜,對微藻生長也提出更高適應(yīng)要求。即使一些微藻經(jīng)馴化改良后,在合適條件下對煙氣有較好的適應(yīng)性及耐受性,固碳效率可達(dá)到較好效果,但煙氣的高溫、復(fù)雜成分(煙塵、氫化物、有機(jī)物、重金屬等有毒有害物質(zhì))往往對微藻產(chǎn)生抑制作用[4,13],也影響高附加值生物質(zhì)產(chǎn)品開發(fā)。如煙氣中的重金屬會破壞藻細(xì)胞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、生物酶的合成,高濃度的SOx溶于水會導(dǎo)致培養(yǎng)系統(tǒng)pH過低,同時酸性條件下亞硫酸氫鹽轉(zhuǎn)為硫酸鹽過程中會產(chǎn)生羥基自由基等強(qiáng)氧化性自由基,對藻細(xì)胞生長產(chǎn)生嚴(yán)重抑制作用[4,40]。目前直接利用工業(yè)煙氣規(guī)?；B(yǎng)殖微藻實(shí)際運(yùn)營案例較少,大多數(shù)研究是基于實(shí)驗(yàn)室研究或通過模擬煙道氣開展驗(yàn)證。因此,無論是直接供給煙道氣養(yǎng)殖微藻,或者先對煙氣中CO2進(jìn)行捕集再養(yǎng)殖微藻,以滿足微藻對較高濃度碳源需求及避免直接利用煙氣影響高價值生物質(zhì)品質(zhì),都為利用微藻CCUS技術(shù)提供了更多選擇。

3 微藻固碳過程傳質(zhì)與調(diào)控轉(zhuǎn)化

3.1 養(yǎng)殖體系內(nèi)CO2傳質(zhì)及轉(zhuǎn)化

CO2是自養(yǎng)微藻的主要碳源,也是微藻光合作用固碳和合成生物質(zhì)的關(guān)鍵底物。CO2在培養(yǎng)基中的氣液相傳質(zhì)及轉(zhuǎn)化主要涉及3個過程[41]:①CO2跨越氣液膜層從氣相轉(zhuǎn)移到液相;②液相中CO2及溶解無機(jī)碳進(jìn)入藻細(xì)胞內(nèi);③無機(jī)碳源被藻細(xì)胞吸收利用。前兩步驟是CO2溶解及氣液流動傳質(zhì)過程,也是微藻固定CO2的關(guān)鍵限制步驟[4,41]。由于CO2跨氣/液雙膜的傳質(zhì)阻力大,傳質(zhì)效率低[42],在25 ℃純水中CO2溶解度僅為1 650 μg/g[43],當(dāng)CO2直接鼓泡進(jìn)入液體介質(zhì)時容易逸散,造成所供應(yīng)的CO2難以被微藻有效吸收利用。因此提高CO2在培養(yǎng)體系中的溶解傳輸對微藻固碳效率至關(guān)重要。

CO2傳質(zhì)阻力主要來自氣/液膜層,提高跨雙膜的傳輸效率是解決CO2溶解瓶頸的主要方法,包括最小化擴(kuò)散邊界層、增加氣液相界面以及延長氣泡停留時間等[42-43]。微藻養(yǎng)殖過程中通常是利用曝氣器將富含CO2的氣體以氣泡形式曝氣到微藻懸浮液中,傳統(tǒng)曝氣器形成的氣泡通常具有尺寸大、比表面積小、上升快的缺點(diǎn),因此改變曝氣器的孔徑對CO2傳質(zhì)起著重要作用[42]。Cheng Jun等[44]開發(fā)了一種三層可變微孔曝氣器,該曝氣器可以使CO2氣體在輸出過程中氣泡尺寸逐漸減小;與傳統(tǒng)曝氣器相比,其氣泡直徑可以減小72.3%,提高了氣液接觸面積及CO2利用率,微藻生物量產(chǎn)量增加了80.1%。微孔曝氣深度也決定氣泡停留時間,研究表明若鼓泡深度為80 cm時,CO2吸收率可達(dá)到84.62%～95.98%,將極大提高CO2的利用率[38]。Moraes等[45]設(shè)計(jì)了一種用于培養(yǎng)螺旋藻的膜曝氣器,該曝氣器利用中空纖維膜產(chǎn)生的微氣泡提高了傳質(zhì)效率,CO2固定率達(dá)到80.5%。Li Nan等[46]利用旋轉(zhuǎn)曝氣器產(chǎn)生的剪應(yīng)力縮短氣泡產(chǎn)生時間、減小氣泡直徑并延長停留時間,微藻生物量提高了 57.7%。Xu Junchen等[47]通過在反應(yīng)器內(nèi)加入螺旋上升擋板,使CO2氣泡螺旋上升,可極大提高氣泡停留時間及CO2溶解濃度,傳質(zhì)系數(shù)提高了69.2%,微藻生物量提高40.8%。但利用微氣泡提高氣體傳輸效率時,要避免微小氣泡在上升過程中對微藻的吸附聚集,而且通過額外剪切力可能帶來較高能耗、增加養(yǎng)殖成本,并可能會對一些敏感微藻種帶來損傷。另外,近年來各種添加劑(如納米顆粒、各類吸收劑)也被用來解決微藻培養(yǎng)基中CO2溶解的問題[38,48]。如利用堿性吸附劑可極大提高培養(yǎng)基中無機(jī)碳溶解濃度,同時堿性吸收劑也可中和煙氣中酸性氣體,因此通過微藻生物法與化學(xué)吸收法相結(jié)合用于煙氣的碳固定具有很大的潛力[49-50]。

近年來,流體動力學(xué)等學(xué)科的發(fā)展為流體流動、傳熱和傳質(zhì)等領(lǐng)域?qū)嵺`應(yīng)用提供了很好的理論支撐[51]。CO2從氣相到液相的轉(zhuǎn)化過程涉及動力學(xué)、熱力學(xué)等傳質(zhì)理論,雖然目前關(guān)于提高CO2傳質(zhì)方面的報(bào)道較多,但對于微藻培養(yǎng)體系中無機(jī)碳分布規(guī)律、數(shù)學(xué)模型構(gòu)建等研究較少,而通過構(gòu)建CO2傳質(zhì)模型,深入分析供氣的方式、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及無機(jī)碳分布等因素對培養(yǎng)系統(tǒng)氣液多相傳輸轉(zhuǎn)化的綜合影響,用科學(xué)研究方法實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用過程的定量控制。這對提高微藻固碳效率、促進(jìn)微藻技術(shù)發(fā)展具有重要的工程應(yīng)用意義[4]。

3.2 養(yǎng)殖系統(tǒng)的調(diào)控及強(qiáng)化

微藻可持續(xù)的高效固碳過程受光生物反應(yīng)器影響非常大[52],研究表明微藻在高效的封閉式光生物反應(yīng)器(PBRs)中CO2固定效率可高達(dá)90%以上,在開放式光生物反應(yīng)器(ORPs)中固碳效率僅20%～50%[53]。高效的微藻培養(yǎng)裝置一般具備以下特點(diǎn)[41]:①充足的光分布;②良好的氣液傳質(zhì)傳輸;③外源污染少;④成本低、調(diào)控性能佳及占地面積少。傳統(tǒng)的微藻開放式光生物反應(yīng)器如跑道池,由于成本較低、操作簡單、易于放大被廣泛應(yīng)用,但也存在占地面積大、生產(chǎn)效率低、混合傳輸差及水量蒸發(fā)大等缺點(diǎn);相比之下,封閉式光生物反應(yīng)器可以較好改善上述缺點(diǎn),如氣泡柱式、管式、氣升式或平板式等,但成本及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高,難以大規(guī)模應(yīng)用[4]。因此,開發(fā)新型高效光生物反應(yīng)器并強(qiáng)化調(diào)控,對微藻規(guī)模化養(yǎng)殖與微藻固碳效率提高具有重要作用。

光生物反應(yīng)器對微藻光合固碳的強(qiáng)化調(diào)控主要包括光傳導(dǎo)分布、CO2等營養(yǎng)物質(zhì)混合及傳質(zhì)[42]。光源作為自養(yǎng)微藻的唯一驅(qū)動力,當(dāng)光進(jìn)入培養(yǎng)基時,由于液體對光的吸收、氣泡及藻細(xì)胞之間的遮擋會導(dǎo)致光發(fā)生衰減,微藻生物量的增加會使透光性急劇變差[41],嚴(yán)重影響藻細(xì)胞的生長進(jìn)而降低固碳效率。為了實(shí)現(xiàn)光生物反應(yīng)器內(nèi)良好的光傳導(dǎo),研究人員通過在反應(yīng)器添加內(nèi)置光源、提高入射光強(qiáng)度、使用導(dǎo)光材料或梯度性光照等方式解決微藻快速生長的光需求[41-42]。Carneiro等[54]通過在跑道池中安裝內(nèi)置LED燈帶養(yǎng)殖微藻,與未安裝LED燈相比,微藻生長更快,產(chǎn)量約提高了13.7%。Yang Hao等[55]設(shè)計(jì)了一種S型光生物反應(yīng)器,通過在反應(yīng)器內(nèi)安裝溝槽和擋板以減少光的衰減及提高傳質(zhì)效率,微藻固碳率約提高了28%。除了強(qiáng)化光傳導(dǎo)以外,還可通過對光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提高氣液傳質(zhì)效果,增強(qiáng)CO2的溶解傳輸以實(shí)現(xiàn)微藻高效固碳。Carone等[56]設(shè)計(jì)了一種新型平板光生物反應(yīng)器,通過內(nèi)部安裝混合槽和循環(huán)泵有效提高氣液傳質(zhì)效果,微藻生物量達(dá)到1.9 g/L,CO2固定率達(dá)到64%。Fu Jingwei等[57]在傳統(tǒng)氣升板式生物反應(yīng)器內(nèi)增加靜態(tài)翼型導(dǎo)流板,氣液傳質(zhì)效率提高11.5%,微藻生物量及CO2固定率分別提高了18.3%和10.9%。一些新材料、新思路也為光生物反應(yīng)器的優(yōu)化及降低成本等方面提供了更多策略。Kumar等[58]提出將開放式和封閉式光生物反應(yīng)器相結(jié)合,利用兩種培養(yǎng)系統(tǒng)的優(yōu)勢互補(bǔ)以高效培養(yǎng)處于不同生長階段的微藻。Barbera等[59]報(bào)道了將光伏與開放式光生物反應(yīng)器優(yōu)化組合,不僅能有效避免光抑制以提高微藻生物量產(chǎn)量,而且能滿足微藻養(yǎng)殖生產(chǎn)的能源需求,有效降低生產(chǎn)成本。雖然目前關(guān)于光生物反應(yīng)器強(qiáng)化性能研究較多,但相關(guān)理論指導(dǎo)、生產(chǎn)成本及能耗等仍然面臨很多挑戰(zhàn),新型光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及強(qiáng)化調(diào)控仍是今后微藻固碳技術(shù)研究的重點(diǎn)方向。

3.3 微藻固碳過程的自動化調(diào)控

目前,微藻養(yǎng)殖過程自動化程度較低,導(dǎo)致微藻生產(chǎn)成本中人工成本占了較大比例。人工智能(AI)及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等信息化技術(shù)應(yīng)用微藻智能養(yǎng)殖,不僅提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和管理水平,也是增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益、推動微藻生物技術(shù)向智能工業(yè)化轉(zhuǎn)變的重要前提[60]。

目前商業(yè)微藻養(yǎng)殖主要采用戶外光生物反應(yīng)器生產(chǎn),除了需大量的人力成本支持外[60],生產(chǎn)資源精準(zhǔn)供給及自然動態(tài)影響因素(如陽光、溫度等)的不協(xié)調(diào)導(dǎo)致微藻養(yǎng)殖的生產(chǎn)效率低、能耗及成本高[61],如養(yǎng)殖過程中供應(yīng)的CO2與自然光照、溫度等培養(yǎng)條件若不匹配,大部分供應(yīng)的CO2將浪費(fèi),導(dǎo)致碳利用率低及能源浪費(fèi)[61]。而用科學(xué)技術(shù)和工程控制手段實(shí)現(xiàn)工藝過程的定量控制是產(chǎn)業(yè)化的必要條件,通過在微藻養(yǎng)殖全流程應(yīng)用信息化技術(shù),采用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等實(shí)時監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制微藻養(yǎng)殖、采收及生物質(zhì)加工等過程,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的智能化自動控制,可極大提高生產(chǎn)效率及資源利用率,降低生產(chǎn)成本[60,62]。Zambon等[63]報(bào)道了微藻養(yǎng)殖中利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可節(jié)省30%的生產(chǎn)成本,并實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)產(chǎn)量增加20%。Hermadi等[64]結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),設(shè)計(jì)的養(yǎng)殖系統(tǒng)能自動優(yōu)化控制pH、溫度及CO2供應(yīng)量,不僅有效提高生產(chǎn)力,而且開發(fā)的智能攪動混合裝置可以使能耗減少60%。Naira等[65]基于實(shí)時光強(qiáng)度的CO2智能供應(yīng),在室內(nèi)和室外養(yǎng)殖分別實(shí)現(xiàn)了藻細(xì)胞密度達(dá)5.12 g/L及9.0 g/L。Zhu Chenba等[66]在跑道池中設(shè)計(jì)智能攪拌技術(shù),根據(jù)溫度及光照強(qiáng)度動態(tài)變化實(shí)時控制槳輪攪拌速率,能耗減少了30%,生產(chǎn)效率提高了23.6%。此外,通過利用GIS(地理信息系統(tǒng))也可以為戶外養(yǎng)殖位置、環(huán)境因素、生產(chǎn)運(yùn)輸條件等提供分析便利。因此,利用智能養(yǎng)殖技術(shù)能極大促進(jìn)高效生產(chǎn),但信息化技術(shù)的應(yīng)用還處于起步階段,目前仍依賴于傳統(tǒng)的人工作業(yè)養(yǎng)殖模式,未來迫切需要開發(fā)更多適用于微藻養(yǎng)殖的自動化控制、人工智能及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),助力實(shí)現(xiàn)工業(yè)智慧化的微藻固碳及生物質(zhì)生產(chǎn)。

4 微藻生物質(zhì)利用

4.1 微藻生物能源

發(fā)展低碳可再生清潔能源不僅能緩解能源危機(jī),而且能夠助力推動碳中和進(jìn)程。微藻因其生長快、油脂含量高等特點(diǎn)而成為生物能源的重要原料。以微藻為基礎(chǔ)開發(fā)的生物燃料也稱為“第三代生物能源”,如生物柴油、生物乙醇、生物甲烷和生物氫等[67-68]。自1978年美國啟動水生物種計(jì)劃(ASP)以來,聚焦采用微藻生產(chǎn)生物燃料成為研究開發(fā)熱點(diǎn),我國 973 項(xiàng)目也重點(diǎn)支持了微藻生物柴油的項(xiàng)目研發(fā)。近年來,利用基因工程、合成生物學(xué)及工藝工程等方法提高生物燃料產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)性方面有很多報(bào)道[68-69]。在化石燃料逐漸枯竭、能源需求持續(xù)增長及應(yīng)對氣候變化背景下,微藻生物燃料作為一種具有碳中性屬性的可再生能源,為減污降碳提供一條可行的途徑。目前微藻生物燃油技術(shù)路線已打通,但較高的生產(chǎn)成本阻礙了其商業(yè)應(yīng)用,當(dāng)前微藻生物燃油價格是化石燃油的2.5～4.1倍[67],特別是隨著石油價格持續(xù)下跌,如2016年幾乎達(dá)到最低價(39.3美元/bbl,1 bbl≈159 L)[69],微藻生物燃油在商業(yè)上不具備競爭力,基于微藻平臺的“純生物燃料”尚未找到工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)途徑,尋找具有經(jīng)濟(jì)可行性的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)開發(fā)方案仍是今后關(guān)注的重點(diǎn)。

4.2 微藻蛋白

自20世紀(jì)50年代以來,微藻蛋白就已作為一種有益的健康產(chǎn)品受到市場青睞[13]。微藻的氨基酸含量豐富,如蛋氨酸、精氨酸、谷氨酸等。一些微藻如極大螺旋藻、鈍頂螺旋藻、小球藻和斜生柵藻的蛋白質(zhì)含量分別高達(dá) 60%～71%,46%～63%,51%～58%,50%～56%,均是理想的蛋白來源[13],特別是螺旋藻作為最廣泛接受的微藻保健品,以蛋白含量高、營養(yǎng)價值豐富廣受歡迎。在飼用蛋白方面,微藻蛋白具有增強(qiáng)免疫力、提高繁殖率、促進(jìn)消化、增加體重等特點(diǎn)[70],是水產(chǎn)養(yǎng)殖、家禽牲畜等飼用蛋白優(yōu)質(zhì)原料及補(bǔ)充劑[71]。目前我國大豆等傳統(tǒng)飼用蛋白對外依存度高達(dá)80%以上,而要實(shí)現(xiàn)每年100 Mt的進(jìn)口大豆的國內(nèi)種植替代,需要約6億多畝耕地。隨著人們對蛋白產(chǎn)品需求日益增長,在耕地紅線及糧食安全紅線下,開發(fā)微藻生物質(zhì)作為優(yōu)質(zhì)的大宗蛋白來源替代,對解決我國蛋白需求、保障糧食安全具有重要戰(zhàn)略意義。但現(xiàn)階段微藻飼用蛋白的其生產(chǎn)價格仍高于魚粉、豆粕等傳統(tǒng)原料,如何規(guī)?；B(yǎng)殖獲得量大價優(yōu)的微藻蛋白是面臨的主要挑戰(zhàn),如果依托豐富的鹽堿地、灘涂等邊際土地資源養(yǎng)殖微藻以及更多相關(guān)扶持政策或?qū)⑹呛芎玫慕鉀Q途徑。

4.3 其他方面應(yīng)用

微藻生物質(zhì)中富含的不飽和脂肪酸、色素等生物活性物質(zhì)具有很高的商業(yè)價值,被用于提取開發(fā)營養(yǎng)素、抗氧化劑/抗炎劑、免疫激活劑和維生素前體等高價值產(chǎn)品,如天然β-胡蘿卜素、蝦青素、花生四烯酸、γ-亞麻酸、二十碳五烯酸及二十二碳六烯酸等,在營養(yǎng)保健品、功能食品、醫(yī)藥和化妝品中廣泛應(yīng)用[72],如圖2所示。這些高價值產(chǎn)品中,多不飽和脂肪酸、藻藍(lán)蛋白、蝦青素等部分產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,生物活性肽、藻多糖等仍處于產(chǎn)品開發(fā)階段[73]。此外,基于微藻開發(fā)的生物肥料可以有效改善土壤肥力,提高作物產(chǎn)量,改良土壤土質(zhì)及養(yǎng)分,是優(yōu)良的有機(jī)生物肥料[68]。最近研究報(bào)道微藻生物質(zhì)在生物塑料方面的應(yīng)用,如作為聚羥基脂肪酸酯或聚乳酸的生產(chǎn)原料、淀粉基生物塑料的新來源,在替代傳統(tǒng)塑料、環(huán)境保護(hù)方面可發(fā)揮重要作用[68]。

圖2 微藻生物質(zhì)利用領(lǐng)域

5 經(jīng)濟(jì)性評估與市場需求

雖然對微藻CCUS技術(shù)的關(guān)注度越來越高,但目前該技術(shù)實(shí)際應(yīng)用成本還比較高,工業(yè)化示范不足,經(jīng)濟(jì)可行性仍是商業(yè)化發(fā)展的主要障礙?，F(xiàn)階段生產(chǎn)微藻生物燃料在經(jīng)濟(jì)上并不具有吸引力,如微藻生物柴油成本為2～2.59美元/L[74],遠(yuǎn)高于化石柴油。據(jù)估算當(dāng)原油價格為每桶100美元時,微藻燃油的成本不應(yīng)超過0.69美元/L才能與化石燃油競爭[69]。微藻生產(chǎn)工藝流程包括養(yǎng)殖、采收、脫水干燥以及生物質(zhì)加工等過程,涉及的成本投入包括養(yǎng)殖設(shè)施及配套設(shè)備、營養(yǎng)原料供應(yīng)、人工費(fèi)用及日常運(yùn)維等。Banerjee等[75]基于經(jīng)濟(jì)模型分析,微藻生產(chǎn)成本介于500～9 560美元/t之間,成本波動的原因主要是由于區(qū)域位置、養(yǎng)殖系統(tǒng)及工藝工程等差異性造成。Peter等[76]評估規(guī)模為14 m3的PBR微藻養(yǎng)殖設(shè)施建造成本約為45.1萬美元,并且持續(xù)的日常運(yùn)營成本支出將是影響生產(chǎn)盈利的關(guān)鍵因素。Schade等[77]報(bào)道了光生物反應(yīng)器材料投資成本占總成本的24%～31%,干燥系統(tǒng)成本占21%～24%,建筑物建設(shè)成本占18%～21%。因此,深入評估微藻生物技術(shù)的成本經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。

5.1 養(yǎng)殖系統(tǒng)成本評估

ORPs及PBRs是微藻養(yǎng)殖常用的光生物反應(yīng)器,能夠推廣應(yīng)用的養(yǎng)殖裝置應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高及能耗低等優(yōu)點(diǎn)。PBRs生產(chǎn)效率高,在科學(xué)研究及生產(chǎn)高價值生物質(zhì)產(chǎn)品方面應(yīng)用較多,但由于材料、建設(shè)和運(yùn)行等費(fèi)用高,已成為PBRs規(guī)?；B(yǎng)殖微藻的瓶頸。從經(jīng)濟(jì)性角度分析,目前90%以上的微藻養(yǎng)殖均采用ORPs技術(shù),最近研究報(bào)道若ORPs使用聚氯乙烯或聚乙烯等材料組裝式建造,則生物質(zhì)生產(chǎn)成本可能會更低[52]。Banerjee等[75]指出露天跑道池中微藻生產(chǎn)成本約為540美元/t,而在平板光生物反應(yīng)器中生產(chǎn)成本為3 452美元/t;Llamas等[78]經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析表明,PBRs和ORPs建設(shè)成本分別為2 000歐元/m3和50歐元/m3,生物質(zhì)生產(chǎn)平均成本分別為12.4美元/kg和1.6美元/kg。Acién等[79]報(bào)道PBRs材料及設(shè)備的復(fù)雜性導(dǎo)致其建造成本約為5 000歐元/m3,成本支出約占總體設(shè)備成本的47%。同時,ORPs通常是戶外開放式,水蒸發(fā)量大,ORPs水損失為1～10 L/(m2·d),而PBRs水損失約為0.5 L/(m2·d)[78],當(dāng)以自來水等外購水源養(yǎng)殖微藻時,日常運(yùn)行的水耗也是較大的成本支出。回收培養(yǎng)液循環(huán)使用是很好的方法,這將節(jié)省大量的水源和營養(yǎng)原料[80]。因此,養(yǎng)殖系統(tǒng)是微藻生產(chǎn)成本的重要支出,若PBRs建設(shè)成本可以進(jìn)一步降低,則采用PBRs將極具市場競爭力。

5.2 采收干燥過程成本評估

目前,微藻采收方法有離心沉淀、絮凝和過濾等,由于微藻細(xì)胞尺寸非常小,一般為幾微米或幾十微米,不僅增加了采收的難度,而且導(dǎo)致采收過程的高成本及高能耗,成為限制微藻工業(yè)化養(yǎng)殖的重要瓶頸。Brennan等[81]報(bào)道微藻采收過程成本通常占總生產(chǎn)成本的20%～30%。Jerney等[82]表明離心法雖然是一種高效的收獲方法,但其高能耗導(dǎo)致較高的成本支出。絮凝被認(rèn)為是一種較好的采收技術(shù)[83],但絮凝劑價格浮動50%時會導(dǎo)致微藻生產(chǎn)成本相應(yīng)提高約10%[75]。絮凝方法中化學(xué)絮凝劑由于價格較低、效果好而得到廣泛應(yīng)用,但化學(xué)絮凝劑也會對微藻生物質(zhì)利用產(chǎn)生潛在的品質(zhì)或安全風(fēng)險[84],近年來開發(fā)的低成本綠色生物絮凝劑受到重視。Suparmaniam等[85]將一種低成本的廢魚骨綠色生物絮凝劑用于采收小球藻,絮凝效率達(dá)到97.65%。微藻種類對采收成本有重要影響,如螺旋藻長達(dá)數(shù)十微米,可以直接采用價格較低的濾布、網(wǎng)篩等收獲,而對于其他微藻種(如小球藻尺寸僅幾微米)采收過程的固液分離往往需要更多的技術(shù)成本[69]。

微藻干燥工段通常要將其含水率降至10%以下,也是能耗及成本較高的過程。常用的干燥方法有自然曬干、烘干、噴霧干燥、滾筒干燥及冷凍干燥等,目前微藻規(guī)模養(yǎng)殖干燥多采用熱源烘干方式,但該方法能耗高,可占總能耗80%以上[86]。采用機(jī)器干燥(干燥機(jī))工藝規(guī)模化運(yùn)營一般需要購置多臺機(jī)組設(shè)備,如中型噴霧干燥機(jī)平均成本約為4.7萬元/臺以上,滾筒干燥機(jī)約為1.8萬元/臺[86],同時設(shè)備日常的運(yùn)行成本也是很大支出,而且噴霧干燥容易導(dǎo)致微藻色素品質(zhì)下降。冷凍干燥雖然是一種溫和的干燥方法,但成本高,基本僅應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究。Lopez等[87]最新報(bào)道了利用太陽能干燥技術(shù),太陽能集熱器面積僅占生產(chǎn)總面積的2.8%,干燥成本1.16歐元/kg,與使用傳統(tǒng)噴霧干燥機(jī)相比成本降低49%。

5.3 經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化策略

優(yōu)化微藻養(yǎng)殖生產(chǎn)工藝,提高生產(chǎn)效率,是有效降低生產(chǎn)成本的方法。經(jīng)濟(jì)評估表明微藻生產(chǎn)能力與成本成反比,當(dāng)ORPs生產(chǎn)效率提高或降低20%時,微藻生產(chǎn)成本也相應(yīng)從540美元/t下降至500美元/t或上漲至600美元/t[75]。當(dāng)微藻生物量生產(chǎn)率達(dá)到26 g/(m2·d)時,PBRs和ORPs生物質(zhì)成本可分別降至8.38美元/kg和1.0美元/kg[78]。Schipper等[88]報(bào)道了將養(yǎng)殖規(guī)模從1 hm2擴(kuò)大到10 hm2,生物質(zhì)生產(chǎn)成本可降低67%。從營養(yǎng)原料供給方面,廢水或煙氣中的碳氮磷及礦物質(zhì)等可用于微藻養(yǎng)殖,通過合適工藝?yán)脧U棄物養(yǎng)殖微藻不僅實(shí)現(xiàn)污染物減排且具有成本效益[74,89]。研究表明,若利用煙氣或廢水時微藻生物質(zhì)生產(chǎn)成本可降至2歐元/kg以下,具有用于生產(chǎn)飼料、生物肥料甚至生物能源的經(jīng)濟(jì)可行性[52]。Judd等[90]報(bào)道了利用煙氣/污水作為營養(yǎng)源養(yǎng)殖微藻并生產(chǎn)生物質(zhì)產(chǎn)品,成本可降低35%～86%。另外,單純以微藻固定CO2生產(chǎn)生物燃料成本較高,若不實(shí)現(xiàn)微藻生物質(zhì)的綜合利用,則單一產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)上不可持續(xù)[17]?；谘h(huán)經(jīng)濟(jì)理念,可通過微藻生物質(zhì)產(chǎn)品多層次開發(fā)使其經(jīng)濟(jì)價值最大化,反補(bǔ)養(yǎng)殖成本,如采用生物煉制方法與生產(chǎn)生物柴油相結(jié)合,其他高價值的副產(chǎn)品開發(fā)可以極大提高商業(yè)化的機(jī)會[91]。研究表明,葉黃素和生物柴油聯(lián)產(chǎn)在經(jīng)濟(jì)上可行,每千克生物柴油可生產(chǎn)價值約17～95美元的游離葉黃素[92]。Karan等[93]報(bào)道通過生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)多種增值產(chǎn)品可提高經(jīng)濟(jì)可行性,基于生物精煉聯(lián)產(chǎn)葉綠素、葉黃素、蛋白質(zhì)和生物燃油,可實(shí)現(xiàn)10%的內(nèi)部收益率。

微藻養(yǎng)殖過程中常通過動力泵將CO2注入藻液中,由于CO2難以被微藻全部吸收利用,需要提供更多的CO2,同時微藻養(yǎng)殖場地通常距離工業(yè)企業(yè)等CO2主要排放源較遠(yuǎn),要通過鋪設(shè)管道或者其他運(yùn)輸方式輸送CO2,這就導(dǎo)致需要更多的碳源供給成本。為應(yīng)對氣候變化,《巴黎協(xié)定》締約國家預(yù)計(jì)在21世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)碳中和,并推動建立和完善了碳排放交易市場,已覆蓋全球33個司法管轄區(qū)(截止2021年3月)[94]。只有獲得碳排放配額才允許排放CO2,1個配額相當(dāng)于1 t CO2并可以在市場上進(jìn)行交易。碳排放監(jiān)管愈加嚴(yán)格,促使碳價格快速上漲。目前我國已成為全球最大的碳交易市場,2023年8月我國碳交易市場碳價首次超過70元/t,突破了碳市場啟動以來的價格波動區(qū)間(40～60元/t),而2023年以來歐盟碳配額價格平均在80歐元/t以上,2月更是突破100歐元/t,2019年歐洲碳配額平均價格僅約為29歐元/t[69]。研究評估表明,若CO2配額為30歐元/t,利用工業(yè)煙氣CO2培養(yǎng)微藻,并在最大產(chǎn)率[26 g/(m2·d)]及不考慮水/營養(yǎng)原料成本等條件下,跑道池低價值生物質(zhì)生產(chǎn)成本可降低至0.07歐元/kg,當(dāng)CO2配額為50歐元/t時,成本則降至0.01歐元/kg[78]。因此,CO2配額等碳經(jīng)濟(jì)政策工具將可能成為優(yōu)化微藻CCUS技術(shù)成本的重要因素。此外,自1990年北歐國家(如芬蘭、丹麥等)實(shí)施碳稅以來,越來越多國家先后加入到征收碳稅行列[89],目前全球首個“碳關(guān)稅”——?dú)W盟碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制(CBAM)已生效,以“碳關(guān)稅、低碳、零碳”等為特征的新貿(mào)易關(guān)系正在形成,產(chǎn)品市場準(zhǔn)入將更加嚴(yán)格。在減少產(chǎn)品碳足跡、促進(jìn)行業(yè)碳中和已成為發(fā)展趨勢的背景下,微藻CCUS技術(shù)的成本經(jīng)濟(jì)效益將更有競爭力,可成為高碳排放行業(yè)應(yīng)對碳稅的替代方案[89]。Wiesberg等[95]分析表明,當(dāng)碳稅為50美元/t時,如果微藻生物燃油售價高于2.5美元/kg,則基于微藻的碳固定及利用將比納稅更有利。除了市場政策外,微藻生物技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性還取決于政府的補(bǔ)貼及激勵措施等。如美國大力推動微藻綠色燃料項(xiàng)目,制定了相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃和目標(biāo),并為此投入大量財(cái)政支持資金,歐盟在支持微藻綠色能源及低碳生物經(jīng)濟(jì)方面也資助許多項(xiàng)目[89],有力促進(jìn)了生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

目前成本評估及優(yōu)化由于實(shí)際運(yùn)行、參數(shù)設(shè)置、定義或模型差異等各種因素,在具體的成本分析上會出現(xiàn)一定差異性,因此迫切需要開展更多微藻CCUS技術(shù)工業(yè)示范的經(jīng)濟(jì)性、可行性驗(yàn)證,在市場實(shí)踐中論證及持續(xù)優(yōu)化成本結(jié)構(gòu),并在技術(shù)進(jìn)步、市場推廣及政策等支持下,不斷提高經(jīng)濟(jì)效益,助力產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

5.4 微藻產(chǎn)品市場

解決微藻CCUS技術(shù)面臨的經(jīng)濟(jì)性問題,有必要了解及評估微藻產(chǎn)品的市場需求。微藻生物質(zhì)是一種非常有價值的生物資源,潛在應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛,涵蓋生物能源、蛋白飼料、保健品、食品、醫(yī)藥及化妝品等。即使2020年COVID-19疫情流行期間,全球微藻市場仍約為34億美元,預(yù)計(jì)到2027年將達(dá)到46億美元,復(fù)合年增長率約為4.3%[86]。北美、亞太、歐洲等均是微藻產(chǎn)業(yè)主要發(fā)展區(qū)域。中國已連續(xù)15年成為世界主要微藻生產(chǎn)國,年產(chǎn)量超過10 kt(干重),產(chǎn)值約20億美元,占全球微藻生物質(zhì)總產(chǎn)量一半以上,擁有從生產(chǎn)到加工利用相對完整的產(chǎn)業(yè)鏈,也是螺旋藻商業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模最大的國家之一[86,96]。美國多年來持續(xù)支持生物能源發(fā)展,已成為全球最大微藻生物燃料市場之一,并且孵化發(fā)展了很多微藻生物能源初創(chuàng)企業(yè)[97];日本也注重發(fā)展微藻生物燃料產(chǎn)業(yè),市場規(guī)模約為1 280億日元,同時微藻健康食品、保健品等領(lǐng)域也發(fā)展迅速[86]。歐洲微藻產(chǎn)業(yè)處于快速發(fā)展階段,擁有完整產(chǎn)業(yè)鏈,年產(chǎn)量為500～2 500 t,約有480家微藻相關(guān)企業(yè),德國、葡萄牙和法國等均是主要生產(chǎn)國[96]。從產(chǎn)品前景看,雖然微藻生物質(zhì)作為未來能源商業(yè)化的可行性仍難以預(yù)測,但微藻能源仍被認(rèn)為具有替代價值2.1萬億美元化石燃料的巨大潛力[86];而在飼用蛋白方面,目前全球豆油及豆粕總產(chǎn)量超過200 Mt/a(售價約3 500元/t),魚油及魚粉產(chǎn)量超過7.0 Mt/a(售價約12 000元/t)[52,73],即使目前螺旋藻生產(chǎn)成本約是魚粉價格的3倍[96],但成本若進(jìn)一步降低,微藻作為飼用蛋白或添加劑應(yīng)用市場規(guī)模巨大,假如微藻產(chǎn)能達(dá)到飼料產(chǎn)能的10%,可創(chuàng)造約百億級市場增量。此外微藻高附加值產(chǎn)品市場規(guī)模也在持續(xù)增長,如2020年β-胡蘿卜素市場規(guī)模超過5.2億美元,葉黃素預(yù)計(jì)2027年市場價值將達(dá)到 4.09億歐元,蝦青素市場預(yù)計(jì)將從2021年的6.471億美元增至2026年的9.658億美元[72]?？梢灶A(yù)見,微藻作為未來可持續(xù)的生物質(zhì)來源可滿足不同的應(yīng)用需求,具有很好的市場前景。

6 結(jié)語與展望

眾多碳捕集利用技術(shù)中,微藻CCUS技術(shù)是能產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)價值且可持續(xù)的CO2減排方案,在實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)和保障我國大宗蛋白供應(yīng)中具有巨大應(yīng)用潛力。在閔恩澤先生的倡導(dǎo)下,中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司在微藻生物固碳及產(chǎn)品利用等方面進(jìn)行了大量研發(fā)工作,開發(fā)了低成本、高效率的微藻CCUS兼產(chǎn)高蛋白生物質(zhì)的成套技術(shù),已完成小試、中試,目前正在開展工業(yè)示范,將為規(guī)?；a(chǎn)實(shí)踐及經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

技術(shù)與大規(guī)模養(yǎng)殖是微藻固碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵,光生物反應(yīng)器內(nèi)氣液多相傳質(zhì)、高效且易于調(diào)控的養(yǎng)殖系統(tǒng)及生產(chǎn)過程的自動化控制水平等對提高微藻生產(chǎn)及CO2固定效率至關(guān)重要。目前,經(jīng)濟(jì)可行性仍是微藻生物技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的主要障礙,頂層設(shè)計(jì)、政策激勵、技術(shù)開發(fā)、生物質(zhì)綜合利用及市場發(fā)展等將成為優(yōu)化成本效益的關(guān)鍵因素。展望未來,隨著碳中和目標(biāo)的日益臨近,具有碳中和潛力的微藻固碳技術(shù)正處于發(fā)展的黃金時期,要搶抓機(jī)遇加快關(guān)鍵技術(shù)突破、提高成本競爭力及開展更多工業(yè)化示范項(xiàng)目,并通過技術(shù)、政策與市場協(xié)同發(fā)力,推動產(chǎn)業(yè)規(guī)模大幅升級,實(shí)現(xiàn)微藻CCUS技術(shù)真正在實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)過程中發(fā)揮重要作用。