利用微拟球藻固定燃煤电厂烟气的应用进展

齐运峰

(汇智工程科技股份有限公司，山东 青岛　266100)

火电厂所用的燃料主要是煤，煤燃烧时排放的二氧化碳(CO2)是温室气体之一，温室气体的增加对气候、环境和生态系统的构成有复杂和严重的影响。受中国快速的产业发展和城市化影响，2006年以后，从单年度的二氧化碳排放量来看中国已经位居世界首位，且排放量已占到全球总排放量的四分之一。2014年我国二氧化碳总排放量在104亿t。其中，煤、石油和天然气等化石燃料的燃烧和水泥生产是最主要的工业排放源。面对巨大的减排压力，二氧化碳规模化回收利用和下游应用研究已经在全球范围内展开。由于依赖火力发电导致大气污染愈发严重，雾霾天气呈现频发性、全国性态势，越来越严重，要求中国向清洁能源转移，削减二氧化碳排放量的声音越来越强。二氧化碳同时也是一种宝贵的资源，提纯净化后可广泛应用于机械加工、化学合成、石油开采、烟丝膨化、农业施肥、消防灭火、食品及医药卫生等多种领域。国务院印发的《“十三五”节能减排综合工作方案》指出加快节能减排共性关键技术研发示范推广，继续组织实施节能减排重大科技产业化工程。CCUS(Carbon Capture，Utilization and Storage)碳捕获、利用与封存是应对全球气候变化的关键技术之一，受到世界各国的高度重视，纷纷加大研发力度，在微藻生物固碳技术等方面取得进展，但在产业化方面还处于起步摸索阶段。随着技术的进步及成本的降低，CCUS前景光明。

1　微藻生物固碳技术介绍

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。2006年，美国两家企业建立了可与1040MW电厂烟气相连接的商业化系统，成功地利用烟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。2007年，以色列一家公司对外展示了利用海藻吸收二氧化碳，将太阳能转化为生物质能的技术，每5kg藻类可生产1L燃料。

经过行业工作者的努力探索与钻研，我国的微藻生物柴油技术取得了长足发展，国家863计划主题项目“燃煤烟气CCUS关键技术” 采用60Co -γ射线诱变获得了高效固碳藻种，固定CO2效率和生长速率比野生型藻种明显提高，在山东烟台建成了10万m2燃煤电厂烟气养殖微藻固定CO2的示范工程，养藻系统每年捕集利用电厂烟气CO2收获微拟球藻藻粉能力达到500t。这个项目是一个里程碑式的项目，提振了众多行业从业者继续探索改进的信心。

2　微藻养殖、采收、提取工艺流程

本文以华南某农业科技有限公司微拟球藻养殖项目为对象，分析其养殖、采收、提取工艺流程，研究其生产过程中存在的问题，为同行业者完善生产过程提供参考。

2.1　高耐烟气藻种的筛选

优良的微拟球藻藻种是产业化规模养殖中能够得到特定产品的基础和关键， 藻种应满足以下要求：遗传性稳定、种子培养上生长旺盛、快速繁殖、培养周期短、高耐烟气和目标产物收集率高。本项目所用藻种采购自相关海洋生物研究单位。

2.2　培养基

培养基是微拟球藻生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的多种营养物质的混合物。培养基的成分和配比，对微拟球藻的生长、发育、代谢及产物合成有很大的影响。培养基一般含有碳源、氮源、无机盐及微量元素、生长因子、水等菌体生长所必需的元素。培养基的设计和优化贯穿于微拟球藻养殖的各个阶段，包括培养瓶培育、平板式光反应器扩配、跑道池养殖。不同生长阶段的培养基组份均不相同。本项目培养瓶培育、平板式光反应器扩配阶段碳源采用搅拌或鼓泡方式引入空气，跑道池养殖阶段碳源采用曝气方式引入燃煤电厂经湿法脱硫后的高二氧化碳含量(约15%)的烟气。一定范围内，二氧化碳的浓度越高，植物的光合作用也越强，因此二氧化碳是最好的碳源来源。氮源采用尿素，无机盐使用磷酸二氢钾。水是培养基的主要组成成分，用量也是最大的，水质的好坏是非常重要的因素，本项目用水包括海水和淡水。海水使用经过加氯消毒和石英砂过滤后的海水。因为养殖过程中水分蒸发，盐度过高会影响微拟球藻的正常生长，淡水主要用于补充到培养基中，使盐度保持在一定的范围内。

2.3　培养过程

经过固体平板培养基选育，各级培养瓶培育、平板式光生物反应器扩培。达到一定浓度后依次扩培到小型、中型和大型的跑道池中。跑道池每批培养之前都需要投放适量的消毒剂对培养基进行消毒，氮源、无机盐随着培养过程的不断进行及时补充。在每天8～18点往跑道池内曝气，通气比设置为0.003vvm。考虑到烟气的腐蚀性，烟气输送管道采用衬塑钢管，烟气曝气管道选用ABS材质的微孔膜式曝气器。跑道池内液体流动采用电动浆轮驱动。培养周期为7 d。

2.4　采收

因为微拟球藻的粒径大约为2～8μm，非常小，不适合直接用离心机浓缩，需经过絮凝过程。絮凝包括物理絮凝、化学絮凝、生物絮凝。国内一些科研单位对絮凝剂的选用做了很多研究，本项目选用生物絮凝剂。将培养到一定浓度的藻液经过管道泵入絮凝池中。先将藻液pH值调到一定的数值，加入配制好的絮凝剂，搅拌均匀后曝气一段时间后静置。通过池底的排水口将清液重新泵入培养跑道池中，循环使用。待清液排净后剩余很浓的絮凝藻团，通过卧式螺旋离心机将大部分水分离心掉后得到藻泥。藻泥从离心机中排出后经过喷雾干燥设备后得到干藻粉。浓缩藻浆是将培养到一定浓度的跑道池中的藻液直接进入碟片式离心机，通过调节碟片式离心机的参数可以得到不同浓度的浓缩藻浆。浓缩藻浆可直接用于海水育苗调节水色、保持育苗水体中轮虫等活体饵料的营养等，也可以用于轮虫的营养强化，可明显提高海水育苗的成活率。

2.5　提取

微拟球藻富含油脂，油脂含量占干重的比重达60%以上，油脂以C16和C18脂肪酸为主，还含有丰富的EPA。在提取工艺中，一般提取介质分为水、乙醇、丙酮等，根据微拟球藻的特性，本项目选用乙醇提取工艺。藻液提取工艺流程图见图1，藻液提取系统主要设备见表1。

图1藻液提取系统简要流程图

操作步骤包括将干藻粉和无水乙醇加入藻油提取罐中，开启热源系统及搅拌系统进行加热搅拌，达到一定温度后保持一段时间，将提取液用泵打到提取液储罐内。提取液储罐的目的是缓和上下游工序。用单效蒸发器将藻油提取液中的乙醇蒸发分离，使得提取液浓度逐渐增大，经取样检测符合要求时即可停机排放粗藻油至粗藻油储罐中。经过乙醇浸提后的藻渣排出提取罐，并被藻渣输送车接收并运送至藻渣烘干车间。藻渣加入双锥回转真空干燥机中，罐内在真空状态下，向夹套内通入蒸汽进行加热，热量通过罐体内壁与湿藻渣接触，湿藻渣吸热后蒸发的乙醇蒸汽，经真空排气管被抽走。乙醇蒸汽经过冷凝回收装置回收乙醇。回收到的乙醇可作为溶剂再利用。藻渣可用于饲料添加。

表1　藻液提取系统的主要设备表

表1(续)

3　结语

微拟球藻培养属于新型产业，养殖工艺过程还不成熟，尚存在一些亟待完善的环节。比如烟气成分复杂且波动较大，选育高耐抗性的藻种；改进二氧化碳的曝气方式，提高二氧化碳的利用率；养殖池受天气影响非常大，探索养殖场抗天气变化影响的手段及措施；研究总结合理的培养基配比比例，提高目标产物的收率。深入开展研究藻种选育、开发更为合理的养殖工艺过程，是同行业科研工作人员和包括作者在内的广大设计工作者的挑战与使命，对推动微拟球藻养殖的产业化发展十分重要，同时也对我国的碳减排计划具有重大意义。

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