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“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项④
2亿元
微藻固定二氧化碳示范能力可达每年万吨级，固碳微藻相关产品经济产值超2亿元。目前，该项目成果已在山东、江苏、广西、海南等地区进行产业化推广。
在距离内蒙古鄂尔多斯市200多公里外的鄂托克旗产业园内，一种国家地理标志农产品——鄂托克旗螺旋藻正处于快速生长期。这种古老物种虽然形貌微小，但它的一项功能却令人称奇：捕食烟气中的二氧化碳，并将其转化为蛋白质、碳水化合物、油脂和色素等高附加值产品，成为利用自然规律实现固碳减排的“妙招”。
“微藻固定二氧化碳示范能力可达每年万吨级，固碳微藻相关产品经济产值超2亿元。”国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”项目“二氧化碳烟气微藻减排技术”负责人、浙江大学程军教授接受科技日报记者采访时表示，经过4年技术攻关，浙江大学牵头联合国内19家高校、科研院所和龙头企业完成了微藻固碳工程示范，为二氧化碳资源化利用、实现碳中和国家目标贡献了具备经济可行性的技术方案。
这颗固碳藻种来头不一般
种质资源涉及国家战略，关乎国家安全，培育本土“良种”是解决种源问题的关键。
通过诱变驯化改良微藻细胞，研究人员要从大约50万个微藻细胞中筛选出5000个，再根据固碳生长速率等筛选出5个细胞，最后得到遗传稳定性最好的1个固碳藻种。
程军介绍，利用高通量筛选育种技术对微藻细胞的固碳酶关键基因进行驯化改良，目标在于提高关键固碳酶——Rubisco酶等在烟气高浓度二氧化碳条件下的催化反应活性，换句话说，就是找到决定优质良种的关键基因。
项目烟气高浓度二氧化碳条件下的固碳藻种选育给出了可喜结论：显著增强了微藻细胞内光合色素酶和能量合成酶等固碳酶活性，增强了光反应中心的电子传递速率和光化学效率，提高了微藻细胞生长固碳速率。
项目团队通过二氧化碳梯度驯化，使微藻细胞内光合固碳途径中的多种固碳酶活性逐渐上调，固碳酶转运二氧化碳分子能力相应得到增强，从而在抑制微藻低效固碳反应途径的同时不断增强高效固碳反应途径，在光能转变为化学能过程中提高微藻固碳速率。
通过驯化改良与固碳途径变革，耐受烟气二氧化碳的高效固碳藻种培育成功。
涡流反应器提升微藻固碳速率
微藻进行碳捕获，本质是进行生物光合作用。该项目技术可加速生物光合作用发热反应速率，提高捕碳效率。
在反应器内，涡流可强化细胞光合作用。原因在于，微藻细胞固碳反应分为光反应和暗反应两个阶段，微藻在反应器光区和暗区进行快速漩涡流动，能够明显促进细胞混合传质和固碳反应。
基于此，项目团队提出了涡流强化细胞光量子转化效率的流体力学传质机理——在反应器内使二氧化碳气体在更短时间内产生更小的微气泡，增强与微藻细胞的扩散混合。
基于流体力学设计反应器，使反应器内交替产生顺时针和逆时针漩涡流场，增强二氧化碳微气泡的扩散速度，从而使微藻细胞在光区和暗区之间高频快速漩涡流动，提高光量子转化效率和固碳反应速率。
实践成果表明，高效光反应器使户外1个月微藻固定烟气二氧化碳的干基生物质生产能力超过每平方米每天25克。这意味着，微藻固碳技术能生产出更多高经济价值的藻粉生物质。
微米级二氧化碳曝气器加速反应效率
与传统工艺1毫米孔径的钢管曝气器相比，微米级孔径的二氧化碳曝气器生成的气泡直径和时间分别减小72%和49%，使得生物质干重提高了30%，从二氧化碳气体到藻粉生物质的转化效率也得到显著提高。
曝气器设备的研发来自项目应用的迫切需求。程军告诉科技日报记者，为了将煤化工厂烟气分离提纯的食品级二氧化碳高效供给大面积跑道池培养螺旋藻，需要提高螺旋藻过滤采收后循环液中的碳酸氢钠浓度。
项目团队研制了三层交错式变孔编织网曝气器置于藻液采收后的循环回水管道中，三层曝气结构组成曝气器，内部两层分别由一层径向编织和一层周向编织的孔网交错而成，最外面是一层微米级孔径的曝气网。
程军表示，该曝气器的效果在于，二氧化碳气体首先经过内部两层孔网的两次剪切形成初始气泡，再经过最外层孔径切割形成更小的气泡，分层剪切能够缩短气泡生成时间和生成直径，进而提高二氧化碳气泡与螺旋藻循环液中碳酸钠的反应速率。
“微藻固碳项目的成功之处在于，开发了微藻固定燃煤烟气二氧化碳的高效藻种、关键设备和核心技术，找到了规模化高效低成本工程实施的微藻固碳技术工艺路线。”程军表示，项目团队攻克了微藻固定烟气二氧化碳的关键核心技术，获得了自主知识产权，并形成了技术集成系统，建成的产业工程示范取得了显著的经济环境和社会效益。总体而言，微藻固碳项目对解决我国普遍存在的温室气体二氧化碳减排经济效益差的问题进行了有益尝试。
截至目前，该项目成果已在山东、江苏、广西、海南等地区进行产业化推广。它为烟气二氧化碳减排的商业化运行和降低生物固碳的技术经济成本提供了经济可行的技术路线选择。
延伸阅读
微藻固碳：面向“双碳”目标进行技术攻关
2020年9月习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话指出，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。
2020年我国二氧化碳排放量达到110亿吨，其中约60亿吨来自于燃煤烟气二氧化碳，为实现国家碳中和战略目标，燃煤电厂和煤化工烟气是我国二氧化碳减排的攻坚重点。
燃煤电厂排放的烟气中含有二氧化碳、硫化物、氮氧化物、重金属等污染物，显著影响了大气环境。传统的电厂烟气处理技术包括烟尘控制、烟气脱硫和脱硝等，但存在工艺设备复杂、能耗高、处理成本高及二次污染重等问题，制约其应用。
相比于传统燃煤电厂烟气减排技术，微藻固碳减排技术具有工艺设备简单、操作方便和绿色环保等优势。
“二氧化碳烟气微藻减排技术”项目以燃煤电厂烟气二氧化碳和煤化工厂烟气二氧化碳的减排为目标，以实现规模化养殖的螺旋藻、小球藻、微拟球藻等固碳藻种为基础，将高光效低成本的微藻光反应器研发作为突破口，开发了微藻减排烟气二氧化碳成套技术与微藻废水养殖技术，从而降低微藻固碳养殖系统成本。
项目建立了燃煤电厂和煤化工厂烟气二氧化碳微藻固碳的两种模式，实现工艺稳定、过程可控、连续稳定的微藻养殖，为微藻烟气固碳产业和实现碳中和国家战略目标提供了一个可持续的技术选择。(何 亮)
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