利用微擬球藻固定燃煤電廠煙氣的應用進展

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、環境和生態系統的構成有復雜和嚴重的影響。受中國快速的產業發展和城市化影響，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是最主要的工業排放源。面對巨大的減排壓力，二氧化碳規模化回收利用和下游應用研究已經在全球范圍內展開。由于依賴火力發電導致大氣污染愈發嚴重，霧霾天氣呈現頻發性、全國性態勢，越來越嚴重，要求中國向清潔能源轉移，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用于機械加工、化學合成、石油開采、煙絲膨化、農業施肥、消防滅火、食品及醫藥衛生等多種領域。國務院印發的《“十三五”節能減排綜合工作方案》指出加快節能減排共性關鍵技術研發示范推廣，繼續組織實施節能減排重大科技產業化工程。CCUS(Carbon Capture，Utilization and Storage)碳捕獲、利用與封存是應對全球氣候變化的關鍵技術之一，受到世界各國的高度重視，紛紛加大研發力度，在微藻生物固碳技術等方面取得進展，但在產業化方面還處于起步摸索階段。隨著技術的進步及成本的降低，CCUS前景光明。

1　微藻生物固碳技術介紹

美國從1976年起就啟動了微藻能源研究，攻關以化石燃料產生的廢氣生產高含脂微藻。這一計劃雖然因經費精簡、藻類制油成本過高于1996年終止，但美國科學家已經培育出了富油的工程小環藻。這種藻類在實驗室條件下的脂質含量可達到60%以上。2006年，美國兩家企業建立了可與1040MW電廠煙氣相連接的商業化系統，成功地利用煙氣中的二氧化碳進行大規模光合成培養微藻，并將微藻轉化為生物“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年實現微藻制備生物柴油工業化，各項技術研發全面提速。2007年，以色列一家公司對外展示了利用海藻吸收二氧化碳，將太陽能轉化為生物質能的技術，每5kg藻類可生產1L燃料。

經過行業工作者的努力探索與鉆研，我國的微藻生物柴油技術取得了長足發展，國家863計劃主題項目“燃煤煙氣CCUS關鍵技術” 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燃煤電廠煙氣養殖微藻固定CO2的示范工程，養藻系統每年捕集利用電廠煙氣CO2收獲微擬球藻藻粉能力達到500t。這個項目是一個里程碑式的項目，提振了眾多行業從業者繼續探索改進的信心。

2　微藻養殖、采收、提取工藝流程

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

2.1　高耐煙氣藻種的篩選

優良的微擬球藻藻種是產業化規模養殖中能夠得到特定產品的基礎和關鍵， 藻種應滿足以下要求：遺傳性穩定、種子培養上生長旺盛、快速繁殖、培養周期短、高耐煙氣和目標產物收集率高。本項目所用藻種采購自相關海洋生物研究單位。

2.2　培養基

培養基是微擬球藻生長繁殖和生物合成各種代謝產物所需要的多種營養物質的混合物。培養基的成分和配比，對微擬球藻的生長、發育、代謝及產物合成有很大的影響。培養基一般含有碳源、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。培養基的設計和優化貫穿于微擬球藻養殖的各個階段，包括培養瓶培育、平板式光反應器擴配、跑道池養殖。不同生長階段的培養基組份均不相同。本項目培養瓶培育、平板式光反應器擴配階段碳源采用攪拌或鼓泡方式引入空氣，跑道池養殖階段碳源采用曝氣方式引入燃煤電廠經濕法脫硫后的高二氧化碳含量(約15%)的煙氣。一定范圍內，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。水是培養基的主要組成成分，用量也是最大的，水質的好壞是非常重要的因素，本項目用水包括海水和淡水。海水使用經過加氯消毒和石英砂過濾后的海水。因為養殖過程中水分蒸發，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基中，使鹽度保持在一定的范圍內。

2.3　培養過程

經過固體平板培養基選育，各級培養瓶培育、平板式光生物反應器擴培。達到一定濃度后依次擴培到小型、中型和大型的跑道池中。跑道池每批培養之前都需要投放適量的消毒劑對培養基進行消毒，氮源、無機鹽隨著培養過程的不斷進行及時補充。在每天8～18點往跑道池內曝氣，通氣比設置為0.003vvm。考慮到煙氣的腐蝕性，煙氣輸送管道采用襯塑鋼管，煙氣曝氣管道選用ABS材質的微孔膜式曝氣器。跑道池內液體流動采用電動漿輪驅動。培養周期為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，需經過絮凝過程。絮凝包括物理絮凝、化學絮凝、生物絮凝。國內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。將培養到一定濃度的藻液經過管道泵入絮凝池中。先將藻液pH值調到一定的數值，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跑道池中，循環使用。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過噴霧干燥設備后得到干藻粉。濃縮藻漿是將培養到一定濃度的跑道池中的藻液直接進入碟片式離心機，通過調節碟片式離心機的參數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節水色、保持育苗水體中輪蟲等活體餌料的營養等，也可以用于輪蟲的營養強化，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，一般提取介質分為水、乙醇、丙酮等，根據微擬球藻的特性，本項目選用乙醇提取工藝。藻液提取工藝流程圖見圖1，藻液提取系統主要設備見表1。

圖1藻液提取系統簡要流程圖

操作步驟包括將干藻粉和無水乙醇加入藻油提取罐中，開啟熱源系統及攪拌系統進行加熱攪拌，達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。提取液儲罐的目的是緩和上下游工序。用單效蒸發器將藻油提取液中的乙醇蒸發分離，使得提取液濃度逐漸增大，經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。藻渣加入雙錐回轉真空干燥機中，罐內在真空狀態下，向夾套內通入蒸汽進行加熱，熱量通過罐體內壁與濕藻渣接觸，濕藻渣吸熱后蒸發的乙醇蒸汽，經真空排氣管被抽走。乙醇蒸汽經過冷凝回收裝置回收乙醇。回收到的乙醇可作為溶劑再利用。藻渣可用于飼料添加。

表1　藻液提取系統的主要設備表

表1(續)

3　結語

微擬球藻培養屬于新型產業，養殖工藝過程還不成熟，尚存在一些亟待完善的環節。比如煙氣成分復雜且波動較大，選育高耐抗性的藻種；改進二氧化碳的曝氣方式，提高二氧化碳的利用率；養殖池受天氣影響非常大，探索養殖場抗天氣變化影響的手段及措施；研究總結合理的培養基配比比例，提高目標產物的收率。深入開展研究藻種選育、開發更為合理的養殖工藝過程，是同行業科研工作人員和包括作者在內的廣大設計工作者的挑戰與使命，對推動微擬球藻養殖的產業化發展十分重要，同時也對我國的碳減排計劃具有重大意義。

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[2]孫發強.適于規模化生產的富油微擬球藻藻株篩選研究[D].青島:中國海洋大學,2015.

[3]蔣新龍.發酵工程[M].杭州:浙江大學出版社,2011:56-60.