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丘練文
（中國船級社質(zhì)量認(rèn)證有限公司深圳分公司廣東深圳518000）
摘要：微藻類由于其高光合效率、零碳值、生長周期短、培養(yǎng)容易、含油高等特點(diǎn)，成為一種很有發(fā)展?jié)摿Φ纳锶剂稀Ｎ恼戮C述了微藻高效固定CO2技術(shù)中微藻種類的篩選、培育、生長反應(yīng)器及其系統(tǒng)的開發(fā)，以及微藻資源化利用的技術(shù)種類，展望了基于微藻資源化利用的碳減排技術(shù)發(fā)展前景。
引言
隨著近年來世界化石燃料消耗的快速增長，二氧化碳排放量快速升高，造成溫室效應(yīng)越來越嚴(yán)重，這嚴(yán)重影響了人們的生活環(huán)境。雖然二氧化碳減排控制已經(jīng)成為了國內(nèi)外研究的重點(diǎn)內(nèi)容，綠色植物的光合作用也可以有效降低環(huán)境中的二氧化碳含量，但是這對于環(huán)境的徹底改善還有較大距離。微藻作為隨處可見的微生物，也是自然界中生存時(shí)間最長的生物，它們自身的特點(diǎn)使其光合作用的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)要高于綠色植物,是綠色植物的50倍左右，本文基于此針對微藻生物的固碳技術(shù)進(jìn)行研究[1]。
通過國內(nèi)外優(yōu)秀學(xué)者的文章，了解微藻凈化大氣層二氧化碳的現(xiàn)狀，進(jìn)而對微藻高效固定二氧化碳技術(shù)進(jìn)行研究。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，微藻除了可以降低生活環(huán)境中的二氧化碳之外，還可以在特定環(huán)境下改變碳代謝途徑，這對于石油方面的利有有著巨大的意義，此外微藻自身結(jié)構(gòu)特殊，具有極強(qiáng)的耐磨抗熱性，可以作為抗火抗熱材料進(jìn)行利用，微藻也具有一定的營養(yǎng)，可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食物、營養(yǎng)等多行業(yè)領(lǐng)域。
1微藻概述
微藻是自然界中一種最為簡單的微生物，這種微生物通過光合作用吸收制造養(yǎng)分與資源。它是當(dāng)前地球上最為古老的生物，微藻總體分為兩大類，一類為原核生物，另一類是微核生物[2]。作為大自然食物鏈中的底層，微藻生物是最為原生態(tài)的微生物，他們通過光合作用吸收二氧化碳放出氧氣。微藻可以有效改善自然環(huán)境，對于廢水有清潔作用，甚至能夠在此類極端環(huán)境中生存，并且具備生長周期短、生長速度快等特點(diǎn)。
2微藻在廢水處理中的應(yīng)用
微藻處理廢水技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)有70多年的歷史。美國的安迪斯等人最早提出了微藻凈化廢水的概念，在此階段，他們利用微藻進(jìn)行了污水的處理，找到了利用微藻進(jìn)行生物降解的途徑。通過降低廢水中的有害物質(zhì)，以達(dá)到廢水再利用的效果，這對于當(dāng)時(shí)的環(huán)保領(lǐng)域而言，是一個(gè)巨大的突破。當(dāng)時(shí)有學(xué)者將微藻培養(yǎng)與廢水處理相結(jié)合，微藻通過吸收廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)加快其生長速度，同時(shí)降低了廢水中的有害物質(zhì)濃度，使人的生活環(huán)境變得更好。
目前，應(yīng)用最多的微藻有柵藻、小球藻、衣藻、扇貝、螺旋藻等，其中小球藻和柵藻對污水的凈化效果最好，是最受關(guān)注的一類，目前已應(yīng)用于各類污水治理的試驗(yàn)。如今中國的微藻廢水處理最為常用的藻類，主要是以柵藻、小球藻等為主的原核藻類，它們自身強(qiáng)大的防污特點(diǎn)以及對于廢水的吸收，可以有效促進(jìn)環(huán)境的改善。我國著名學(xué)者譚云躍就針對室外條件下，小球藻在稀釋厭氧廢水中的使用情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，小球藻能夠在這種低濃度的厭氧污水中良好的生長，而且在生長的過程中，小球藻對污水的凈化作用非常顯著。季節(jié)的變化對小球藻生長及污染物質(zhì)的去除有顯著影響，夏季是小球藻成長速度最快的也是去污性最好的時(shí)期[3]。
我國著名環(huán)保學(xué)者王松山針對微藻處理養(yǎng)豬廢水的情況進(jìn)行深入研究，王松山在研究過程中發(fā)現(xiàn)可以運(yùn)用小球藻處理養(yǎng)豬廢水，小球藻在養(yǎng)豬廢水當(dāng)中可以有效成長，并且總氮去除率也高達(dá)60%，這對于當(dāng)前背景下我國農(nóng)業(yè)環(huán)保有著極大的幫助。試驗(yàn)結(jié)果表明：污水中的球團(tuán)藻的稀釋比例對小球藻生長和脫除污染均有一定的作用。稀釋份額為20倍時(shí)去除效率最高[4]。科學(xué)家成功挑選生產(chǎn)油量較高且適合濃縮城市廢水的藻類，其中包括小球藻和柵藻，它們實(shí)現(xiàn)了高生物量、高產(chǎn)油量和廢水中營養(yǎng)物質(zhì)的去除[5]。有人嘗試通過小球藻去除肉類加工廢水中含有的高濃度有機(jī)物，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)廢水中成長的小球藻對營養(yǎng)物質(zhì)的去除能力明顯提高，同時(shí)體內(nèi)的蛋白質(zhì)含量也明顯增加[6]。
微藻的細(xì)胞壁主要由多糖、蛋白質(zhì)和脂類組成，帶有一定的負(fù)電荷，可提供許多官能團(tuán)，污水中部分帶正電荷的金屬離子能夠與這些具有負(fù)電荷的官能團(tuán)緊密地連接在一起。研究表明，死去的微藻也可用于去除廢水中的重金屬。科研人員在運(yùn)用干藻粉混合物去除廢水中的重金屬時(shí)，發(fā)現(xiàn)重金屬銅和鎘的去除率在反應(yīng)5分鐘時(shí)達(dá)到最大值，去除率分別達(dá)80%和100%。然而，高濃度的重金屬也對微藻有害，會(huì)限制它們的光合作用并導(dǎo)致其死亡。
各種菌藻共生系統(tǒng)逐步發(fā)展起來，通過微藻的氧化呼吸作用，可將污水中的微生物降解，而微生物產(chǎn)生的二氧化碳作為微藻光合作用的原料，使微藻不斷地氧化和降解有機(jī)物，從而使污水中的污染物質(zhì)得到進(jìn)一步的降低。這類系統(tǒng)主要應(yīng)用于污水的治理，其優(yōu)點(diǎn)在于：可通過大量的固-液相分離過程，降低污水中的藻類含量，回收后的固體還可以再利用。因此，近幾年，這類系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。
3微藻高效固定CO2技術(shù)
3.1高效固定CO2微藻的篩選
適當(dāng)增加環(huán)境二氧化碳濃度，結(jié)果表明，該方法能顯著促進(jìn)微藻的生長發(fā)育，促進(jìn)其光合作用。KodamaN等在高濃度二氧化碳環(huán)境下連續(xù)培養(yǎng)，結(jié)果顯示，二氧化碳濃度為20%~60%時(shí)，微藻細(xì)胞的生長速度明顯高于空氣環(huán)境[5]。Riebesell等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定程度上增加二氧化碳的含量，能加速硅藻和綠藻的增殖，并能加快其光合能力，從而增加其固碳能力[6]。庫拉諾等人在釜山灣海域中，研究了一種可以在10%至20%二氧化碳的環(huán)境中迅速成長的海生綠球菌。當(dāng)二氧化碳濃度20%時(shí)，固碳速率可達(dá)0.85g/（L·d）[8]。王國棟等人發(fā)現(xiàn)，提高二氧化碳濃度對新月菱形藻和球藻類細(xì)胞的影響[9]。經(jīng)過十余年的海藻篩選，發(fā)現(xiàn)在封閉的環(huán)境下，尤其是綠藻中的小球藻，可以有效地清除大氣中的二氧化碳。
3.2高效固定CO2微藻的培育
在微生物培養(yǎng)中，微藻培養(yǎng)的主要影響因素有：二氧化碳的含量、水溫、pH、光、鹽、氮、磷、金屬離子、培養(yǎng)方式等。根據(jù)植物對碳和光照的要求，可以將其分為自養(yǎng)、異養(yǎng)和混養(yǎng)三種類型。現(xiàn)在，各種微生物都可以進(jìn)行光合作用，因此很多微生物可以有效的利用太陽能。自養(yǎng)養(yǎng)殖技術(shù)具有操作簡便、成本低、適用于各種微生物的優(yōu)勢，但其缺點(diǎn)是光照條件限制、二氧化碳供應(yīng)不足、水分蒸發(fā)、藻類生物量低、藻類收集難度大等。所謂的“異養(yǎng)”，就是將微生物通過有機(jī)碳進(jìn)行增殖，其培養(yǎng)與自養(yǎng)環(huán)境相似，但加入了有機(jī)碳元素。異養(yǎng)培養(yǎng)法培養(yǎng)密度高、生長周期短、產(chǎn)量高、油脂含量高。但缺點(diǎn)是數(shù)量有限、成本高、污染嚴(yán)重。混養(yǎng)栽培是一種同時(shí)吸收二氧化碳、有機(jī)碳、光合代謝和呼吸代謝的復(fù)合培養(yǎng)法。與其它兩種栽培方式比較，混養(yǎng)栽培技術(shù)的生物量大，生長速度快，但也有一些不足之處。
3.3高效固定CO2微藻的反應(yīng)器及系統(tǒng)
微生物菌種的規(guī)模化培育，必須建立起一套科學(xué)而高效的系統(tǒng)。目前，微生物的繁殖體系有兩大類型，即開放式和封閉式。開放式體系是最傳統(tǒng)和最簡單的大型微生物培養(yǎng)體系，一般都是用塑膠或水泥制成反應(yīng)器，因此，它的造價(jià)低廉，施工簡單，但同時(shí)也存在效率低、培養(yǎng)條件不易控制、藻類收集困難等缺點(diǎn)，目前僅適用于某些特定藻類的培養(yǎng)如小球藻、鹽藻、螺旋藻等。封閉式生物反應(yīng)器又稱光生物反應(yīng)器，具有易于控制的特點(diǎn)，生產(chǎn)效率高，不易染菌，而且具有節(jié)約用水量的優(yōu)勢，但它的建造和運(yùn)營費(fèi)用高，而且不太完善。封閉式栽培體系分為平板式、管式、攪拌式和浮式薄膜式。
4微藻高效資源化利用
現(xiàn)如今隨著人們生活水平的提高以及科學(xué)技術(shù)的飛速增長，微藻技術(shù)的運(yùn)用十分廣泛。目前已經(jīng)有油脂、蛋白、化工、維生素、甲烷等行業(yè)，對微藻大量使用，并將微藻逐漸作為企業(yè)內(nèi)部的核心資源，以此來降低企業(yè)的消耗。
目前全世界化石燃料的使用量越來越大，這就導(dǎo)致了化石燃料在使用過程中對于自然環(huán)境會(huì)產(chǎn)生越來越大的影響。能源危機(jī)問題迫在眉睫，在此背景下，微藻的運(yùn)用就越來越受到世界各方的重視。微藻燃料作為當(dāng)前國內(nèi)外各方積極研究的一項(xiàng)可再生能源，具有大規(guī)模替代石油等化石燃料的可能性。據(jù)相關(guān)研究表明，微藻具有極強(qiáng)的產(chǎn)油效果，其中個(gè)別種類產(chǎn)油量已達(dá)到了60%左右。并且微藻生物除可以生產(chǎn)燃油之外，還可以通過光合作用生成氫氣和氧氣。氫氣在使用過程中的產(chǎn)物是水，具有無污染的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前新能源應(yīng)用的首選。目前微藻制氫仍處于起步階段，需進(jìn)一步深入研究。
此外微藻生物也具備一定的食用價(jià)值。微藻自身的蛋白質(zhì)含量極高，一些特殊的微藻蛋白質(zhì)含量甚至比牛肉、大豆還要高上3倍至6倍。由此可以說明微藻食品的食用價(jià)值與牛肉、大豆等相關(guān)傳統(tǒng)食物相比更具價(jià)值。微藻的蛋白質(zhì)來源是微藻細(xì)胞，這種蛋白質(zhì)是利于人體吸收的理想蛋白質(zhì)，在運(yùn)用過程中具有多項(xiàng)優(yōu)勢。同時(shí)微藻自身含有大量色素，是天然的調(diào)色劑，且不具備危害性，可以廣泛使用于食品加工、化工產(chǎn)品等領(lǐng)域。
除此之外，微藻還具備一定的藥用價(jià)值。據(jù)相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，微藻自身擁有極高的綠色素，這些色素對于人體極為有益，比如綠色素是一種天然的解毒劑，可以針對人體內(nèi)部所存在的一些病毒起到作用，從而促進(jìn)人體新陳代謝進(jìn)行排毒，對于保護(hù)人體健康有著巨大的作用；而蝦青素具備一定的抗氧化特性，在一定程度上可以延緩人的身體衰老。微藻繁殖迅速，生長較快的特點(diǎn)，使得它們在農(nóng)業(yè)上有著巨大的價(jià)值，微藻如今已經(jīng)廣泛運(yùn)用到寵物、家禽、魚、蝦類等生物的飼養(yǎng)當(dāng)中。在飼料中加入微藻成分，可以給飼養(yǎng)物提供更多的營養(yǎng)以及維生素，對于加快其成長有著巨大的作用。據(jù)相關(guān)研究表明，豬在食用微藻后，自身的肉質(zhì)以及豬的抗病毒能力都得到了有效提升，這對于加強(qiáng)肉類營養(yǎng)含量，提高養(yǎng)殖效果都有著巨大的作用。
4.1微藻高效資源化產(chǎn)油
通過對微藻應(yīng)用價(jià)值的研究，發(fā)現(xiàn)可采用有機(jī)萃取和超臨界流體萃取等方法提取微藻自身的油脂。通過這些方法提取微藻油之后，可以將微藻干燥，制成粉末。亞臨界水萃取技術(shù)、直接轉(zhuǎn)酯技術(shù)、原位萃取技術(shù)、微生物油脂的萃取技術(shù)、微生物油脂的體外釋放技術(shù)等都是近年來發(fā)展起來的技術(shù)。
隨著近年來高新技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外新能源公司針對微藻高質(zhì)量產(chǎn)油技術(shù)的研發(fā)也極為重視，國外就有很多企業(yè)針對此類技術(shù)進(jìn)行研究，如荷蘭的皇家有限公司、英國的英國石油公司，中國在這方面起步較晚，技術(shù)相對落后，我國針對微藻培養(yǎng)的技術(shù)研發(fā)方向主要是小球藻的生物柴油萃取，對于光自養(yǎng)的研究主要集中在生物反應(yīng)器上，國內(nèi)在此類領(lǐng)域的巨頭公司，包括中石油公司以及新奧集團(tuán)，這兩家公司涉足微藻領(lǐng)域的方向主要為微藻制油，但是還在小規(guī)模試生產(chǎn)的階段。
4.2微藻高效熱解技術(shù)
這種技術(shù)是目前熱解的常用技術(shù)之一，一般都是利用干藻粉末進(jìn)行高溫?zé)岱纸猓瑥亩_(dá)到提高裂解效果和收率的目的。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，微藻在高效熱解后，可以有效提高油含量中的芳烴和辛烷。藻類細(xì)胞中的脂類性質(zhì)（極性脂和中性脂）對熱解產(chǎn)物性質(zhì)影響較小，但會(huì)影響產(chǎn)量。由于微藻含水率高，為了獲得干燥物料，必須進(jìn)行預(yù)處理，這會(huì)耗費(fèi)很多能源以使水分蒸發(fā)。為解決這個(gè)問題，我們提出一種新的熱解工藝——液化工藝，它可以有效地使用高含水量的物料，節(jié)約干燥的費(fèi)用。另外，微藻的水份也能為氫的分解提供必要的氫，從而有利于熱分解并產(chǎn)生碳?xì)浠衔铩Ｒ夯に嚨姆磻?yīng)溫度低于熱解，因此能量消耗小，但是通常需要高壓。
4.3微藻生物制氫
除生產(chǎn)生物柴油外，利用藻類生物制氫技術(shù)也是可行的。氫具有輕質(zhì)、高燃燒熱值、清潔可再生、利用形式多樣等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“含能體能源”。通過對燃料電池工藝的改進(jìn)，可以將氫能量轉(zhuǎn)換成電。微藻由于其高光合效率、高生長速度、高氫酶活性和較長的放氫時(shí)間而成為制備氫能較好的原材料，其中微藻光合作用水解制氫是目前國內(nèi)外生物制氫研究的熱點(diǎn)。
結(jié)語
微藻作為大自然中最為常見的一種生物，其生長周期短、含油量高、可以吸收二氧化碳進(jìn)行光合作用等相關(guān)特點(diǎn)，使得其擁有極高的價(jià)值。隨著近年來科技飛速發(fā)展，石油、煤炭等化石能源的大量消耗使得環(huán)境越發(fā)惡劣，如何改善人們的生活環(huán)境，凈化大自然成為國內(nèi)外各界人士思考的重點(diǎn)問題。
本文基于此，針對微藻技術(shù)進(jìn)行分析研究，希望通過對微藻的利用改善自然環(huán)境，優(yōu)化人們的生活，為我國的能源發(fā)展和對自然環(huán)境的保護(hù)起到重要作用。
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