秦振芳，廖日紅，馬偉芳

（1 北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083；2 北京市南水北調(diào)環(huán)線(xiàn)管理處，北京 100176）

我國(guó)電力行業(yè)發(fā)展迅速，針對(duì)火電造成的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染問(wèn)題，國(guó)家出臺(tái)一系列政策，一定程度上實(shí)現(xiàn)了火電機(jī)組向清潔高效的轉(zhuǎn)型。電力行業(yè)的絕大部分碳排放來(lái)源于火電，火電機(jī)組再次面臨著低碳轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)。在“雙碳”目標(biāo)的背景下，中國(guó)能源結(jié)構(gòu)將實(shí)現(xiàn)從高碳向低碳的轉(zhuǎn)型升級(jí)，為保障電能安全穩(wěn)定供給，天然氣將成為轉(zhuǎn)型升級(jí)期內(nèi)最佳的過(guò)渡能源，燃?xì)庋b機(jī)容量穩(wěn)步增長(zhǎng)，從而確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展[1]。燃?xì)怆姀S以天然氣為燃料，天然氣被稱(chēng)為清潔能源，但本質(zhì)上屬于化石能源，燃燒后會(huì)生成CO2，對(duì)燃?xì)怆姀S低濃度CO2進(jìn)行捕集與利用能有效減少發(fā)電行業(yè)CO2排放。目前針對(duì)低濃度煙氣的CO2捕集技術(shù)，主要包括吸收法、吸附法和膜分離法；其中化學(xué)吸收法的應(yīng)用最廣泛，技術(shù)成熟，分離后的CO2純度高[2?3]，但存在再生能耗過(guò)高的問(wèn)題。針對(duì)燃?xì)怆姀S煙氣排放特點(diǎn)及降低捕集成本的要求，基于吸收?微藻法的工藝更具競(jìng)爭(zhēng)力[4]。而生物固碳法中，利用微藻可以將CO2快速封存并產(chǎn)生高效的光合作用，體內(nèi)脂質(zhì)含量超過(guò)其生物質(zhì)的20%，通過(guò)酯交換過(guò)程，脂質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為生物柴油[5?6]。因此，吸收?微藻法的耦合工藝在降低空氣污染物釋放的同時(shí)還可以產(chǎn)生生物柴油等能源物質(zhì)，具有很好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。本文結(jié)合燃?xì)怆姀S煙氣特征，概述工藝全過(guò)程中吸收液的應(yīng)用、培養(yǎng)模式、通氣方式以及微藻性能改進(jìn)這四個(gè)主要部分的研究現(xiàn)狀，以期為未來(lái)電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)碳中和提供可行思路。

1 燃?xì)怆姀S煙氣排放特征

燃?xì)怆姀S以天然氣為燃料，天然氣原料雜質(zhì)少，被稱(chēng)為清潔能源。經(jīng)過(guò)煤電的清潔改造，超低排放的燃煤機(jī)組主要大氣污染物的達(dá)標(biāo)排放率已經(jīng)達(dá)到99%以上，燃?xì)怆姀S和超低排放燃煤電廠的煙氣成分及占比情況如表1所示。隨著潔凈煤技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，煤原料更加清潔化，污染物控制更加嚴(yán)格，近零排放機(jī)組的改造現(xiàn)在也取得很好的效果，應(yīng)用清潔煤電近零排放技術(shù)的燃煤機(jī)組SO2和NOx排放濃度分別不高于10mg/m3、20mg/m3[7]。相比來(lái)看，燃?xì)怆姀S煙氣 CO2排放量不足燃煤電廠的1/3，SOx排放量遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的排放限值，可以不考慮其污染影響，則NOx為主要污染物。因此，針對(duì)燃?xì)怆姀SCO2濃度低這一典型特點(diǎn)，在低濃度下捕集CO2對(duì)捕集技術(shù)及工藝提出了更高的要求。

表1 超低排放燃煤電廠和燃?xì)怆姀S的煙氣成分[8?10]

2 微藻生物固定CO2的優(yōu)勢(shì)

微藻固定CO2同步產(chǎn)油為碳捕集和資源化利用提供了廣闊的應(yīng)用前景，將有效促進(jìn)碳減排。但由于微藻具有復(fù)雜的多組分生化相互作用機(jī)制，利用微藻進(jìn)行碳封存面臨著各種挑戰(zhàn)，大氣因素和生存因素的交互作用對(duì)微藻利用CO2效能有顯著影響[11?12]。與在自然大氣條件下[CO2體積分?jǐn)?shù)（下同）為0.03%]不同，電廠煙氣中含有更高濃度的CO2（CO2體積分?jǐn)?shù)范圍3%～16%），同時(shí)含有一些酸性成分（NOx和SOx），從而刺激了藻類(lèi)的繁殖和產(chǎn)油基因的表達(dá)。如小球藻Chlorellasp. (Cv)的氧化磷酸化、光合作用、硫代謝、氮代謝等基因的調(diào)控表達(dá)對(duì)CO2固定效能具有積極影響，表明煙氣中污染物的捕集與凈化速率和效能取決于微藻各種特定基因。此外，細(xì)胞內(nèi)硝酸鹽還原酶被消耗以刺激微藻細(xì)胞對(duì)NOx的利用，這表明電廠煙氣可以直接用于微藻培養(yǎng)，并有助于提高微藻對(duì)CO2的封存[13]。

目前發(fā)現(xiàn)的微藻種類(lèi)多樣，常見(jiàn)的微藻包括小球藻、微綠球藻、柵藻、葡萄藻等[14]。多種類(lèi)的微藻可以在不同濃度CO2的環(huán)境下生存，為固定不同濃度的CO2提供了多種選擇，基于燃?xì)怆姀S煙氣中CO2濃度低的特點(diǎn)，梳理出不同藻種在4%～6% CO2濃度下微藻的固碳效果（表2）。微藻的顯著優(yōu)勢(shì)是生長(zhǎng)速度快、油脂含量高。在光自養(yǎng)的培養(yǎng)模式下，微藻細(xì)胞通過(guò)光合作用利用CO2合成油脂，并以甘油三酯（TAG）的形式積累[15]。相比陸生植物，微藻生長(zhǎng)迅速（10～20h繁殖一代），光合效率可達(dá)到3%～6%[16]，CO2生物固定效率高，為陸生植物的10～15倍[17]，且?guī)缀跞可锪慷伎梢员晦D(zhuǎn)化，據(jù)報(bào)道，微藻利用1.8kg 的CO2可以轉(zhuǎn)化生產(chǎn)1kg 的生物質(zhì)[18]。在適宜的條件下，微藻生產(chǎn)不受季節(jié)影響，可以每天連續(xù)收獲[19]。不同種類(lèi)的微藻油脂含量差別較大，一般微藻的脂質(zhì)含量在20%～50%之間[20]，在生長(zhǎng)條件調(diào)控限制的情況下，含油量可以高達(dá)80%。常見(jiàn)是在氮限制條件下提升微藻脂質(zhì)含量，一方面藻類(lèi)細(xì)胞吸收大量碳，但無(wú)法進(jìn)行細(xì)胞分裂，碳直接轉(zhuǎn)化為T(mén)AG；另一方面，由于氮限制，積累的TAG 不能用于細(xì)胞內(nèi)各種膜的合成，因此以脂質(zhì)的形式儲(chǔ)存起來(lái)，其脂質(zhì)生產(chǎn)率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)油料作物，是生物燃料的優(yōu)質(zhì)原料[6]。

表2 低濃度CO2下微藻的固碳效果[21?25]

3 吸收?微藻法工藝研究進(jìn)展

3.1 生物轉(zhuǎn)化全流程分析

燃?xì)怆姀S煙氣成分相對(duì)清潔，可以直接用于微藻培養(yǎng)，在固定CO2的同時(shí)，微藻可以將煙氣中的NOx和SOx轉(zhuǎn)化為對(duì)生物質(zhì)有用的營(yíng)養(yǎng)成分。圖1展示了CO2從燃?xì)怆姀S排放到最終被生物轉(zhuǎn)化為生物柴油的全過(guò)程。燃?xì)怆姀S中天然氣燃燒后煙氣進(jìn)行余熱回收和脫硫脫硝預(yù)處理，處理后可以回收大量煙氣余熱且脫除煙氣中的部分NOx和SOx；同時(shí)煙氣溫度冷卻到30～35℃，可以直接通入光生物反應(yīng)器（主要成分包括藻液、化學(xué)吸收液和營(yíng)養(yǎng)成分）進(jìn)行CO2的吸收和微藻的培養(yǎng)：CO2氣體分子被吸收液吸收轉(zhuǎn)化為溶解的無(wú)機(jī)碳酸鹽，微藻在光照條件下捕獲光能，以無(wú)機(jī)碳酸鹽為碳源進(jìn)行光合作用，形成有機(jī)物。微藻的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程包含了三個(gè)階段：光能的捕獲與傳遞、無(wú)機(jī)碳濃縮以及光合碳代謝[26]。將培養(yǎng)一段時(shí)間后的微藻（生物量和脂質(zhì)含量達(dá)到最佳）收獲并干燥處理，在一系列化學(xué)轉(zhuǎn)化和工藝煉制后，蘊(yùn)藏在脂質(zhì)中的化學(xué)能以生物柴油的形式被使用。

圖1 吸收?微藻法固碳產(chǎn)油全流程圖

在生物反應(yīng)器中，CO2從氣體形式被吸收液吸收進(jìn)而形成無(wú)機(jī)碳源被微藻轉(zhuǎn)化利用的過(guò)程是吸收?微藻法工藝效率的關(guān)鍵。首先，吸收液類(lèi)型的選擇決定了CO2形成無(wú)機(jī)碳酸鹽的類(lèi)型（碳酸鹽或碳酸氫鹽），無(wú)機(jī)碳酸鹽導(dǎo)致吸收液的高堿度環(huán)境，對(duì)微藻的抗堿性提出更高的要求；其次，吸收液作為微藻生長(zhǎng)的潛在營(yíng)養(yǎng)源，由于直接與微藻細(xì)胞接觸，可能會(huì)對(duì)微藻細(xì)胞生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，因此需要慎重選擇吸收液的類(lèi)型；最后，隨著CO2氣體的不斷通入、吸收液的持續(xù)補(bǔ)充，微藻對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行吸收利用，吸收液的理化性質(zhì)隨之不斷改變，例如堿度和鹽度。總之，吸收液的性質(zhì)直接決定了CO2的吸收效能和微藻的生長(zhǎng)條件，因此了解吸收液的性質(zhì)并對(duì)氣體通入和微藻培養(yǎng)過(guò)程中的各種條件合理調(diào)控是提升工藝性能的關(guān)鍵。

吸收?微藻法的工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用一般在開(kāi)放池（高生產(chǎn)能力、成本低但易污染）和封閉式光生物反應(yīng)器（清潔但成本高）中進(jìn)行。大型工業(yè)生長(zhǎng)系統(tǒng)使用開(kāi)放池培養(yǎng)微藻，其連續(xù)運(yùn)行主要是使用槳輪（或泵）在周?chē)h(huán)微藻細(xì)胞、養(yǎng)分和水，使其有效混合，同時(shí)不斷暴露在環(huán)境中，以自然光為光源和熱源。相比而言，封閉式光生物反應(yīng)器更適合降低污染風(fēng)險(xiǎn)并簡(jiǎn)化參數(shù)控制以提高生產(chǎn)率。在考慮規(guī)?；杀镜囊蛩叵拢壳伴_(kāi)放池已在工業(yè)化規(guī)模微藻培養(yǎng)中普遍應(yīng)用。Moheimani[27]在室外工業(yè)規(guī)模的1000L氣升光生物反應(yīng)器中以半連續(xù)方式培養(yǎng)T. suecicaCS?187，燃煤發(fā)電站的未經(jīng)處理的煙氣用于維持這種藻類(lèi)生長(zhǎng)所需的無(wú)機(jī)碳。在7個(gè)月的培養(yǎng)中，在收獲日（每周3次）以電絮凝法回收微藻，培養(yǎng)液回流至反應(yīng)器中，同時(shí)補(bǔ)充被消耗的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，反應(yīng)器的自動(dòng)冷卻系統(tǒng)控制溫度在25℃左右。該規(guī)?；囵B(yǎng)的潛在有機(jī)生物質(zhì)生產(chǎn)力和碳封 存 為(178.90±30)mg/(L·d) 和(89.15±20)mgC/(L·d)。Wen 等[28]在200m2的開(kāi)放池（培養(yǎng)體積40000L）通入CO2培養(yǎng)富含脂質(zhì)的Graesiellasp.WBG?1，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)大槳輪控制藻液流速，同時(shí)放置在培養(yǎng)池底部的微孔聚合管（氣體擴(kuò)散器）自動(dòng)注入純CO2氣體，在線(xiàn)pH 傳感器控制CO2流量以維持一定的pH（pH 8.5～9.5），實(shí)現(xiàn)了65.7%的CO2利用率，脂質(zhì)含量高達(dá)33.4%千重（DW），其中約90%是儲(chǔ)存TAG。為充分發(fā)揮開(kāi)放池和封閉式光生物反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)，兩階段的混合培養(yǎng)系統(tǒng)不斷發(fā)展，第一階段是在封閉式光生物反應(yīng)器中獲得高生物質(zhì)濃度的微藻；第二階段是在開(kāi)放池中大規(guī)模進(jìn)行微藻光合固碳，Huntley 等[29]在25000L 的管道式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)藻種，50000L跑道式開(kāi)放池大規(guī)模培養(yǎng)微藻積累油脂，整個(gè)混合系統(tǒng)占地面積2ha（1ha=104m2），實(shí)際培養(yǎng)后系統(tǒng)的平均生物質(zhì)年產(chǎn)率達(dá)到38t/ha，油脂年產(chǎn)率達(dá)到10t/ha。

微藻采收成本過(guò)高是限制微藻工業(yè)化規(guī)模培養(yǎng)的重要瓶頸之一，微藻細(xì)胞體積小（3～30μm），培養(yǎng)密度較低（開(kāi)放池<0.6g/L，封閉式光生物反應(yīng)器<3g/L）[30]，微藻的采收難度較大，因此開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的采收技術(shù)對(duì)吸收?微藻法產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展非常重要。對(duì)于工業(yè)化大規(guī)模的微藻培養(yǎng)，目前最常采用的收集方法是使用工業(yè)分離機(jī)進(jìn)行收集，培養(yǎng)成熟的藻細(xì)胞進(jìn)入分離機(jī)后，在離心力、剪切力、分離機(jī)內(nèi)停留時(shí)間等因素的影響下，微藻細(xì)胞破損，強(qiáng)大的離心力使藻液分離[31]。微藻的采收技術(shù)還包括過(guò)濾、沉降、浮選和絮凝，但這幾種方法在大規(guī)模微藻采收的應(yīng)用中存在一定局限，其中絮凝技術(shù)具有較高的經(jīng)濟(jì)性和采收效率，發(fā)展?jié)摿薮?，有望成為普遍化的采收技術(shù)[32]。

3.2 吸收液類(lèi)型及理化因素對(duì)CO2吸收和微藻培養(yǎng)的影響

3.2.1 吸收液的選擇及固碳效果

目前，用于化學(xué)吸收法固定CO2的吸收液種類(lèi)繁多，研究及應(yīng)用最廣泛的四種吸收液分別是胺基溶液、碳酸鹽溶液、氨溶液以及氨基酸溶液（表3），在吸收?微藻法使用較多的單一吸收液是胺基溶液和碳酸鹽溶液。胺基溶液中，用于吸收CO2最多的是單乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和甲基二乙醇（MDEA），其中MEA 最常用于電廠煙氣中CO2的吸收，成本低。氨溶液最主要的問(wèn)題在于反應(yīng)過(guò)程中氨逃逸，顯著影響氨逃逸率的工藝參數(shù)主要包括氨濃度、吸收液堿度、CO2負(fù)載量、反應(yīng)溫度等[33]，這些參數(shù)是互相影響的，了解這些參數(shù)之間的相互關(guān)系有助于優(yōu)化工藝，減少氨損失。一些研究發(fā)現(xiàn)，使用胺、碳酸鉀等物質(zhì)以及金屬離子作添加劑不僅可以抑制氨逃逸，還可以提高CO2吸收[34?36]。氨基酸鹽溶液用于CO2吸收時(shí)，一般是精氨酸、脯氨酸和甘氨酸等氨基酸與鈉、鉀等金屬混合形成氨基酸鹽，加入金屬的目的是增加CO2的溶解度[37?38]，賴(lài)氨酸鉀的CO2吸收性能優(yōu)于大多數(shù)氨基酸鹽，與MEA 不相上下。在結(jié)構(gòu)上，氨基酸鹽和胺類(lèi)具有相似的官能團(tuán)，這種特性使氨基酸鹽能有效地用作混合吸收液的助溶劑和促進(jìn)CO2吸收的添加劑[39]。碳酸鹽溶液被證明可吸收CO2，包括碳酸鉀、碳酸鈉和碳酸鈣[40?42]，但碳酸鹽溶液存在吸收反應(yīng)速率緩慢的缺點(diǎn)，為了提高反應(yīng)速率，提出加入活化劑增強(qiáng)CO2反應(yīng)速率。碳酸鉀（K2CO3）作為典型碳酸鹽吸收液，由于具有成本低、對(duì)環(huán)境友好、耐蒸發(fā)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究，常用于促進(jìn)K2CO3活化劑的種類(lèi)包括鹽類(lèi)（硼酸鹽、砷酸鹽等）、碳酸酐酶、胺類(lèi)（伯胺、仲胺、叔胺）、聚合物和酸類(lèi)（硼酸等）[43]。由以上分析可知，可以利用單一吸收液的優(yōu)缺點(diǎn)取長(zhǎng)補(bǔ)短，朝著經(jīng)濟(jì)高效的目標(biāo)，探索混合吸收液的潛力。

表3 化學(xué)吸收法固定CO2常用的吸收液類(lèi)型

單一吸收液在吸收CO2的工藝中存在一定的缺陷，往往對(duì)CO2的吸收能力和選擇性有限，需要使用添加劑/促進(jìn)劑/抑制劑形成復(fù)合吸收液來(lái)改善它們的性能，提升系統(tǒng)對(duì)CO2吸收及固定的整體效率。例如2?氨基?2?甲基?1?丙醇共混物和胺共混物能實(shí)現(xiàn)約99%的CO2吸收。然而，一些添加劑/促進(jìn)劑/抑制劑具有毒性、腐蝕性和揮發(fā)性，因此復(fù)合吸收液要謹(jǐn)慎用于吸收?微藻的工藝中，常用的單一吸收液和復(fù)合吸收液應(yīng)用于吸收?微藻法中的性能的研究已經(jīng)有很多（表4），復(fù)合吸收液在用于微藻培養(yǎng)時(shí)均表現(xiàn)出比其研究中對(duì)照組的單一吸收液更優(yōu)異的性能，為更多復(fù)合吸收液的復(fù)配提供了思路。

表4 吸收-微藻法中不同類(lèi)型吸收液的固碳效果

3.2.2 吸收液的堿度和鹽度

堿度和鹽度是吸收液培養(yǎng)微藻體系中影響微藻光合效率和CO2同化效率的兩個(gè)關(guān)鍵理化因素，并且兩者會(huì)產(chǎn)生交互影響。在藻類(lèi)培養(yǎng)過(guò)程中消耗大量的碳酸氫鹽可能導(dǎo)致培養(yǎng)基的高堿度，相對(duì)較高的堿度可能伴隨著碳酸氫鹽濃度的增加，而葉綠素濃度由于細(xì)胞對(duì)碳酸氫鹽（HCO3?）的吸收增加而降低，影響微藻對(duì)脂質(zhì)的積累[59?60]。吸收液中各種碳酸鹽的平衡濃度也與溶液的堿度有關(guān)，在pH 低于4.5 時(shí)，碳酸鹽物質(zhì)將完全由碳酸（H2CO3）組成。當(dāng)pH 增加到約8.5 時(shí)，碳酸鹽物質(zhì)將完全由HC組成。當(dāng)pH升至8.5以上時(shí)，主要的無(wú)機(jī)碳物質(zhì)將是碳酸鹽（CO32?）[61]。相反地，溶解的無(wú)機(jī)碳會(huì)通過(guò)pH 的影響反饋到微藻對(duì)CO2的吸收，Yin 等[62]首次發(fā)現(xiàn)pH 對(duì)CO2吸收率的影響受無(wú)機(jī)碳鹽濃度的影響，當(dāng)培養(yǎng)基的溶解無(wú)機(jī)碳鹽濃度大于9.52mmol/L，較高的pH環(huán)境將有利于CO2的吸收和利用。

通常，微藻的最適pH 范圍是中性至微堿性（pH7～8），當(dāng)pH 變化時(shí)可能會(huì)改變酶活性，新陳代謝受到抑制。微藻在培養(yǎng)過(guò)程中，培養(yǎng)基的pH隨著微藻的生長(zhǎng)而增加，在微藻的可承受范圍內(nèi)可以保護(hù)微藻受到污染。在開(kāi)放的池塘培養(yǎng)系統(tǒng)中，輪蟲(chóng)、纖毛蟲(chóng)、變形蟲(chóng)等競(jìng)爭(zhēng)微藻物種對(duì)培養(yǎng)物的污染非常普遍。這些入侵的生物會(huì)通過(guò)捕食和競(jìng)爭(zhēng)危害藻類(lèi)培養(yǎng)物，最終可能導(dǎo)致生物量或脂質(zhì)生產(chǎn)率下降，甚至導(dǎo)致微藻難以存活。在某種程度上，高鹽度可用于控制這些捕食者對(duì)培養(yǎng)物的攻擊（如螺旋藻或杜氏鹽藻）[63]。然而，只有少數(shù)嗜鹽堿微藻適應(yīng)高鹽堿度的環(huán)境，對(duì)嗜堿（鹽）和耐堿（鹽）微藻還要進(jìn)一步篩選和研究。

3.3 CO2吸收及生物轉(zhuǎn)化的影響因素

3.3.1 溫度和光照

溫度和光照是影響微藻生長(zhǎng)和生物質(zhì)積累的重要因素。微藻的光合作用是溫度依賴(lài)的一系列物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，大多數(shù)微藻進(jìn)行光合作用的適宜溫度范圍在15～30℃，最佳生長(zhǎng)溫度在20～25℃。通常，過(guò)低溫度會(huì)抑制Rubisco 酶活性，光合作用速度減慢[64]；而過(guò)高溫度會(huì)降低CO2在培養(yǎng)基中的溶解度，導(dǎo)致Rubisco 酶與O2結(jié)合而不是CO2[65]，抑制微藻的代謝和呼吸強(qiáng)度。而微藻脂質(zhì)積累與細(xì)胞生長(zhǎng)呈相反的趨勢(shì)[66]，在過(guò)低和過(guò)高溫度下這種趨勢(shì)更加明顯。在實(shí)際情況下，封閉的光生物反應(yīng)器中可以通過(guò)調(diào)整工藝條件保持培養(yǎng)基的最佳溫度，使微藻處于最佳的生長(zhǎng)狀態(tài)。

微藻固定煙氣CO2利用的光源主要分為太陽(yáng)光（主要在開(kāi)放式培養(yǎng)中）和人工光（主要在封閉光生物反應(yīng)器培養(yǎng)中）兩種，微藻含有葉綠素、類(lèi)胡蘿卜素和藻蛋白等色素，可以利用這兩種可見(jiàn)光進(jìn)行生長(zhǎng)。據(jù)估計(jì)，43%～45%的總太陽(yáng)輻射參與了光合作用的開(kāi)始，這部分輻射被稱(chēng)為光合有效輻射（PAR），微藻使用大約27%的PAR將CO2轉(zhuǎn)化為碳水化合物[67]。通常，光照條件主要指光強(qiáng)度和光/暗周期，光強(qiáng)度和微藻生長(zhǎng)直接相關(guān)，將光照強(qiáng)度作為單一因素，其對(duì)微藻生長(zhǎng)速率的影響可以用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)表示[68]，如式(1)。

式中，μ是比生長(zhǎng)率；μmax是最大比生長(zhǎng)率；In是光強(qiáng)度；Kn是光強(qiáng)度半飽和常數(shù)，μmol/(m2·s)。微藻的光合速率隨著光照強(qiáng)度的增加而加快，但當(dāng)光合速率達(dá)到最大后（即達(dá)到光飽和），光合作用會(huì)隨著光照強(qiáng)度的增加而減慢。最常用的光強(qiáng)度范圍在100～200μmol/(m2·s)之間，并且在低光強(qiáng)度下，脂質(zhì)的積累會(huì)增加[69]。光照的光/暗周期也顯著影響微藻的生長(zhǎng)，微藻細(xì)胞在光周期進(jìn)行細(xì)胞生長(zhǎng)，在暗周期進(jìn)行細(xì)胞分裂，此外細(xì)胞代謝產(chǎn)物也受光/暗周期循環(huán)的影響。在小球藻培養(yǎng)時(shí)，相比24h連續(xù)光照，12h 光/12h 暗周期循環(huán)的光照條件下，小球藻的生物質(zhì)產(chǎn)量和脂質(zhì)含量更高[70]。光照影響甚至還和溫度有一定的關(guān)系，當(dāng)微藻在最適溫度下生長(zhǎng)時(shí)，可以更有效地利用可見(jiàn)光。

3.3.2 通氣方式

氣液傳質(zhì)是微藻固定CO2的限制條件之一，而且傳質(zhì)效率會(huì)影響微藻的生長(zhǎng)速率，通常解決辦法是改進(jìn)通氣方式，來(lái)提高接觸面積和混合程度（停留時(shí)間）[71?72]。目前，最廣泛使用的通氣方式有微孔鼓泡曝氣和氣升導(dǎo)流曝氣兩種，微孔鼓泡曝氣是氣體從底部通過(guò)孔盤(pán)進(jìn)入吸收液來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體交換和物質(zhì)傳遞的方式，氣泡的上升運(yùn)動(dòng)會(huì)形成剪切力驅(qū)動(dòng)吸收液流動(dòng)。氣升導(dǎo)流曝氣是在鼓泡曝氣的基礎(chǔ)上，在反應(yīng)器中安置導(dǎo)流筒或擋板，使氣流和微藻產(chǎn)生循環(huán)流動(dòng)，增強(qiáng)反應(yīng)器的氣液傳質(zhì)。

微孔鼓泡曝氣法中鼓泡深度決定了CO2在吸收液中的停留時(shí)間，時(shí)間越長(zhǎng)，碳固定率越高；經(jīng)回歸分析，CO2吸收率與鼓泡深度的對(duì)數(shù)成正比，回歸方程為式(2)（碳濃度為95.24mmol/L時(shí)）[62]。

y= 11.937lnx+ 44.058R2= 0.998 (2)

如果采用適當(dāng)工藝將CO2鼓泡深度提高到80cm，通過(guò)計(jì)算，CO2吸收率將提高到84.62%～95.98%，大大提高所供應(yīng)CO2的利用效率。此外，控制氣泡直徑是延長(zhǎng)停留時(shí)間的有效方法，不同尺寸的噴孔決定了氣泡直徑的大小。噴孔尺寸較大時(shí)，氣泡直徑較大，比表面積較小，不利于CO2傳質(zhì)，且由于上升速度較快導(dǎo)致停留時(shí)間短；較小的噴孔尺寸形成的氣泡直徑較小，在吸收液中停留時(shí)間較長(zhǎng)，但直徑過(guò)小的氣泡會(huì)在上升過(guò)程中攜帶微藻細(xì)胞并聚集在吸收液表面，不利于微藻利用CO2。因此在常見(jiàn)的內(nèi)徑為0.042m、高為0.3m、容積為400mL 的光生物反應(yīng)器內(nèi)，噴孔直徑以20～500μm 為宜[73?74]。從增加氣液接觸面積的角度來(lái)講，中空纖維膜的表面積大，CO2氣體與微藻充分接觸，氣泡產(chǎn)生更加均勻，停留時(shí)間長(zhǎng)，大大提高了CO2的傳質(zhì)速率[75?76]。

氣升導(dǎo)流曝氣的通氣方式在最近的研究中顯示出較好的氣液傳質(zhì)效果，對(duì)其不斷進(jìn)行改進(jìn)，可以進(jìn)一步提高其性能，對(duì)于氣升導(dǎo)流的傳質(zhì)效果的改進(jìn)主要在于對(duì)氣升式光生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及引入附屬裝置。引入靜態(tài)混合裝置可以有效提高氣液傳質(zhì)并加強(qiáng)光/暗循環(huán)，該裝置最顯著的特點(diǎn)是誘導(dǎo)CO2氣體和微藻定向紊流以促進(jìn)氣液混合，同時(shí)微藻從表面受光區(qū)可控地移動(dòng)到反應(yīng)器內(nèi)光線(xiàn)昏暗的地方，為微藻生長(zhǎng)提供光暗周期的交替，促進(jìn)微藻高產(chǎn)。將這種靜態(tài)混合器在集成式光生物反應(yīng)器（FPA?PBR）中，湍流動(dòng)能可以增加1.3倍，光/暗循環(huán)頻率提高了85%～95%[77]，相比無(wú)靜態(tài)混合器的光生物反應(yīng)器，培養(yǎng)微藻的體積生產(chǎn)率提高了3.4 倍[51]。采用不同類(lèi)型的擋板（矩形擋板、水紋擋板等）并將其分布安裝在光生物反應(yīng)器內(nèi)，可以設(shè)計(jì)出具有上升段和下降段的分體式光生物反應(yīng)器，對(duì)于紫球藻Porphyridium.的培養(yǎng)，這類(lèi)反應(yīng)器顯示出比鼓泡式光生物反應(yīng)器和傳統(tǒng)氣升式光生物反應(yīng)器更高的生物質(zhì)生產(chǎn)力[78?79]。無(wú)論采用何種設(shè)計(jì)，通氣方式的改進(jìn)主要集中在通過(guò)延長(zhǎng)氣體停留時(shí)間和增加氣液混合和傳質(zhì)。為了進(jìn)一步高效固定CO2，降低成本，促進(jìn)吸收?微藻法的規(guī)?；l(fā)展，需要研制新型光生物反應(yīng)器并優(yōu)化通氣方式。

通氣速率[每單位體積培養(yǎng)基的氣體體積流量（vvm）]是通氣過(guò)程中重要的參數(shù)，適當(dāng)?shù)耐饪梢源龠M(jìn)養(yǎng)分平衡，去除產(chǎn)生的氧氣以及防止微藻的聚集和沉淀，但過(guò)度的通氣可能會(huì)導(dǎo)致微藻細(xì)胞因難以承受由湍流引起的剪切力而受損，因此通氣速率要設(shè)置在微藻可以耐受的范圍內(nèi)。通常，微藻CO2固定和生物量生產(chǎn)的性能與通氣速率呈非線(xiàn)性關(guān)系。對(duì)于大多數(shù)封閉式培養(yǎng)，建議的通氣速率為0.10～1.00vvm[64]。此外，研究表明，通氣策略對(duì)微藻生長(zhǎng)具有一定的影響，例如與恒定CO2供應(yīng)相比，逐漸增加CO2供應(yīng)可以提高生長(zhǎng)速率和CO2固定速率。這是因?yàn)楫?dāng)CO2供應(yīng)緩慢增加時(shí)，微藻能夠很好地適應(yīng)新的CO2濃度，并增強(qiáng)其耐CO2能力，尤其是在相對(duì)較高的CO2濃度下。

3.4 藻種誘變馴化和基因改造

利用微藻進(jìn)行碳封存的第一步是篩選能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境并耐受濃縮碳源的菌株，表現(xiàn)出高酶活性水平以達(dá)到高生長(zhǎng)率，易于大規(guī)模培養(yǎng)，并且培養(yǎng)后的微藻可提煉油脂等有價(jià)值組分。對(duì)特定的微藻種類(lèi)進(jìn)行誘變馴化和基因改造，可以提升整個(gè)吸收?微藻工藝的性能。目前微藻誘變馴化的各項(xiàng)研究旨在提高油脂含量、加快生長(zhǎng)速率、增強(qiáng)抗逆性以及增加次生代謝產(chǎn)物產(chǎn)量等性狀的優(yōu)化，從而提高產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)效率[80]。通過(guò)用可誘導(dǎo)突變的不同誘變劑或誘變方式處理微藻細(xì)胞來(lái)實(shí)現(xiàn)誘變，主要包括化學(xué)誘變[甲烷磺酸乙酯（EMS）、N?甲基?N?硝基?N?亞硝基胍（NTG）]和物理誘變（重離子）、伽馬射線(xiàn)和紫外線(xiàn)（UV）[81]（表5）。

表5 微藻誘變獲得特殊性狀

此外，微藻的基因改造有助于開(kāi)發(fā)具有工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的藻種，不僅能提高微藻的生物質(zhì)生產(chǎn)力同時(shí)降低成本，提高生物燃料的質(zhì)量。在最先進(jìn)的CRISPR?Cas9 系統(tǒng)中，由sgRNAs 指導(dǎo)的Cas9 核酸酶可完成精準(zhǔn)的基因敲除，實(shí)現(xiàn)了微藻基因改造的可行性[82]，該系統(tǒng)已被用于提高萊茵衣藻、鹽藻、普通小球藻和微擬球藻的脂質(zhì)生產(chǎn)力[83]。在各種微藻中，碳分配的有效轉(zhuǎn)化促使碳從碳水化合物流向脂質(zhì)，基于有關(guān)微藻脂質(zhì)代謝的信息，已使用了各種基因工程策略，以提高微藻的脂質(zhì)產(chǎn)量和質(zhì)量。RNAi 機(jī)制則是利用dsRNA 有效且特異性降解細(xì)胞內(nèi)同源mRNA，已被用作敲除各種靶基因的反向遺傳學(xué)工具[84]，這種穩(wěn)定的RNAi 基因沉默已經(jīng)用在了萊茵衣藻、海洋微擬球藻[85]、珍珠柱形鼓藻[86]的固碳能力提升方面。進(jìn)行基因沉默，增強(qiáng)脂質(zhì)積累和質(zhì)量的主要分子方法包括過(guò)度表達(dá)脂質(zhì)生物合成酶，阻斷競(jìng)爭(zhēng)途徑，改變脂肪酸鏈長(zhǎng)和脂質(zhì)分泌（表6）。這些研究清楚地表明，對(duì)參與光合途徑的關(guān)鍵基因進(jìn)行修飾，可以作為增強(qiáng)微藻CO2生物轉(zhuǎn)化的一種有前途的策略。

表6 基因改造促進(jìn)微藻脂質(zhì)積累和脂質(zhì)質(zhì)量

4 經(jīng)濟(jì)分析

與碳捕集封存（CCS）相比，CO2的生物固定提供了資源化的新途徑。微藻轉(zhuǎn)化產(chǎn)品可作為第三代生物燃料的副產(chǎn)品進(jìn)行銷(xiāo)售，因此碳密集型行業(yè)可以將基于吸收?微藻的技術(shù)視為收入來(lái)源，而不是昂貴的減排措施。吸收?微藻法需要通過(guò)結(jié)合影響CO2固定參數(shù)的改變分析其經(jīng)濟(jì)特征。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（ANN）對(duì)搜集到的技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)（如微藻銷(xiāo)售價(jià)格、CO2固定的技術(shù)投資等）進(jìn)行建模分析，以顯示不同主導(dǎo)變量之間的相關(guān)性對(duì)微藻固定二氧化碳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。Rezvani 等[99]設(shè)計(jì)的ANN 中輸入層有5 個(gè)神經(jīng)元[包括表面積與體積（S?V）比、太陽(yáng)輻射、光合效率、微藻成本和特定資本投資]，4個(gè)神經(jīng)元的輸出層預(yù)測(cè)CO2固定、微藻生長(zhǎng)速率以及微藻銷(xiāo)售的特定收入和特定培養(yǎng)成本（反應(yīng)池或光生物反應(yīng)器施工、養(yǎng)分和供水成本等）。以天然氣聯(lián)合循環(huán)（NGCC）電廠為例進(jìn)行CO2生物固定技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（表7），發(fā)現(xiàn)在微藻價(jià)格為2881CNY/t，跑道式反應(yīng)器的特定資本投資較低的情況下，CO2捕集成本估計(jì)約為309CNY/t CO2（2160～3601CNY/t是生物燃料生產(chǎn)的合理微藻價(jià)格）。將光合產(chǎn)率提高到6%，對(duì)于特定跑道式反應(yīng)池成本為1080CNY/m3、微藻價(jià)格為2881CNY/t 的情況，CO2可以成為額外的收入來(lái)源（CO2捕集成本=?129CNY/t）。吸收?微藻法培養(yǎng)的能耗大大低于基于吸收技術(shù)的CCS 裝置所需的能耗，其中NGCC 電廠的能耗可以降低17%～40%。由此可知，只有在長(zhǎng)期運(yùn)行中確保技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)的優(yōu)化，在燃?xì)獍l(fā)電廠中大規(guī)模吸收?微藻法固碳才是可行的方法。而且，相關(guān)技術(shù)的更為廣泛研發(fā)有助于從微藻產(chǎn)品中獲取更高的利益。

表7 用于CO2生物固定技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的假設(shè)

為分析微藻生物柴油和商業(yè)化的潛力，Branco?Vieira 等[100]基于中試規(guī)模三角褐指藻種植實(shí)際操作獲得的數(shù)據(jù)放大方案，分析三角褐指藻生物柴油生產(chǎn)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。該模型假設(shè)80000m3的微藻培養(yǎng)在一套安裝于15.247ha土地上的鼓泡柱式光生物反應(yīng)器中，全年微藻生物量達(dá)到1811t，生物柴油171.705L。微藻生物量估計(jì)生產(chǎn)成本為13.93CNY/kg，生物柴油估計(jì)生產(chǎn)成本為2.287CNY/L。微藻生物柴油生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果表明（表8），如果考慮剩余生物質(zhì)和甘油副產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，微藻捕獲CO2生產(chǎn)柴油在10年可實(shí)現(xiàn)投資回收。

表8 生物柴油生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大方案項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)分析

目前有很多對(duì)化學(xué)吸收法捕集CO2的成本分析，但在計(jì)算具體成本時(shí)，由于對(duì)成本定義的不同、考慮因素的差異等各種原因，致使成本分析出現(xiàn)很大的變化和不一致。為更加直觀地比較吸收?微藻法和傳統(tǒng)化學(xué)吸收法捕集CO2的經(jīng)濟(jì)成本差異，選擇功率為700MW 且CO2捕集效率為90%的NGCC?CO2捕集集成電廠，對(duì)其連續(xù)運(yùn)行下耦合兩種不同CO2捕集工藝的固定投資、運(yùn)行費(fèi)用、預(yù)期收入作大致的對(duì)比分析（表9）[101?102]。傳統(tǒng)化學(xué)吸收法捕集工藝中的主要設(shè)備包括吸收器（吸收劑為MEA）、再生器以及壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)；吸收?微藻法捕集工藝中的主要設(shè)備包括光生物反應(yīng)器（或開(kāi)放池）以及微藻采收設(shè)備。固定資本主要包括必要設(shè)施和輔助服務(wù)的設(shè)計(jì)和建造相關(guān)的成本；運(yùn)行費(fèi)用主要包括維護(hù)費(fèi)用、人力費(fèi)用。由分析可知，微藻固碳技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的特點(diǎn)，可為我國(guó)各地區(qū)的煙氣CO2減排事業(yè)提供技術(shù)選擇。該技術(shù)在我國(guó)的室外規(guī)?；l(fā)展還要考慮選址、氣候以及光照等問(wèn)題，最好選擇光照條件好、平均氣溫高的區(qū)域，培養(yǎng)運(yùn)行選擇夏秋兩季，最大化微藻固碳速率的同時(shí)降低經(jīng)濟(jì)成本[103]。

表9 不同CO2捕集工藝的經(jīng)濟(jì)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)及展望

吸收?微藻法具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，我國(guó)迅速發(fā)展的微藻固碳產(chǎn)業(yè)為我國(guó)實(shí)現(xiàn)能源行業(yè)碳中和提供了新思路?；诂F(xiàn)在超低排放燃煤電廠的污染物排放濃度大大降低，甚至達(dá)到燃?xì)怆姀S污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，處于微藻耐受范圍，可以將吸收?微藻法應(yīng)用范圍擴(kuò)大至超低排放燃煤電廠，不斷改進(jìn)適用于清潔型煙氣的CO2捕集技術(shù)。為了最大限度地提高CO2捕集和生物質(zhì)生產(chǎn)的效能，在工業(yè)領(lǐng)域使用基于微藻的CO2固定和生物質(zhì)生產(chǎn)時(shí)，吸收液高效捕集CO2同步養(yǎng)殖微藻的設(shè)計(jì)與配置、運(yùn)行工藝參數(shù)的協(xié)同和工藝流程的全局優(yōu)化是決定工藝效率和運(yùn)行成敗的決定性要素。在實(shí)際應(yīng)用中，吸收?微藻法不斷發(fā)展，使用人工智能、過(guò)程自動(dòng)化和過(guò)程的嚴(yán)密控制是提高系統(tǒng)效率的必然選擇。此外，建立多產(chǎn)品生物精煉廠，通過(guò)改進(jìn)藻類(lèi)生物量的下游處理，拓展工藝鏈的下游產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)盈利最大價(jià)值。這種“化石產(chǎn)電+碳捕集利用同步產(chǎn)油”模式的規(guī)模化可以解決碳捕集之后的封存和資源化利用，有望在碳中和后期發(fā)揮關(guān)鍵作用。