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丘練文
（中國船級社質量認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、培養容易、含油高等特點，成為一種很有發展潛力的生物燃料。文章綜述了微藻高效固定CO2技術中微藻種類的篩選、培育、生長反應器及其系統的開發，以及微藻資源化利用的技術種類，展望了基于微藻資源化利用的碳減排技術發展前景。
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，造成溫室效應越來越嚴重，這嚴重影響了人們的生活環境。雖然二氧化碳減排控制已經成為了國內外研究的重點內容，綠色植物的光合作用也可以有效降低環境中的二氧化碳含量，但是這對于環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間最長的生物，它們自身的特點使其光合作用的效果遠遠要高于綠色植物,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進行研究[1]。
通過國內外優秀學者的文章，了解微藻凈化大氣層二氧化碳的現狀，進而對微藻高效固定二氧化碳技術進行研究。在研究過程中發現，微藻除了可以降低生活環境中的二氧化碳之外，還可以在特定環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，此外微藻自身結構特殊，具有極強的耐磨抗熱性，可以作為抗火抗熱材料進行利用，微藻也具有一定的營養，可以廣泛應用于醫藥、食物、營養等多行業領域。
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分與資源。它是當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境，對于廢水有清潔作用，甚至能夠在此類極端環境中生存，并且具備生長周期短、生長速度快等特點。
2微藻在廢水處理中的應用
微藻處理廢水技術發展至今已經有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，他們利用微藻進行了污水的處理，找到了利用微藻進行生物降解的途徑。通過降低廢水中的有害物質，以達到廢水再利用的效果，這對于當時的環保領域而言，是一個巨大的突破。當時有學者將微藻培養與廢水處理相結合，微藻通過吸收廢水中的營養物質加快其生長速度，同時降低了廢水中的有害物質濃度，使人的生活環境變得更好。
目前，應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，是最受關注的一類，目前已應用于各類污水治理的試驗。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，它們自身強大的防污特點以及對于廢水的吸收，可以有效促進環境的改善。我國著名學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行實驗。在實驗中，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。季節的變化對小球藻生長及污染物質的去除有顯著影響，夏季是小球藻成長速度最快的也是去污性最好的時期[3]。
我國著名環保學者王松山針對微藻處理養豬廢水的情況進行深入研究，王松山在研究過程中發現可以運用小球藻處理養豬廢水，小球藻在養豬廢水當中可以有效成長，并且總氮去除率也高達60%，這對于當前背景下我國農業環保有著極大的幫助。試驗結果表明：污水中的球團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倍時去除效率最高[4]。科學家成功挑選生產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，它們實現了高生物量、高產油量和廢水中營養物質的去除[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物，實驗發現廢水中成長的小球藻對營養物質的去除能力明顯提高，同時體內的蛋白質含量也明顯增加[6]。
微藻的細胞壁主要由多糖、蛋白質和脂類組成，帶有一定的負電荷，可提供許多官能團，污水中部分帶正電荷的金屬離子能夠與這些具有負電荷的官能團緊密地連接在一起。研究表明，死去的微藻也可用于去除廢水中的重金屬。科研人員在運用干藻粉混合物去除廢水中的重金屬時，發現重金屬銅和鎘的去除率在反應5分鐘時達到最大值，去除率分別達80%和100%。然而，高濃度的重金屬也對微藻有害，會限制它們的光合作用并導致其死亡。
各種菌藻共生系統逐步發展起來，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物，從而使污水中的污染物質得到進一步的降低。這類系統主要應用于污水的治理，其優點在于：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，這類系統已經得到了廣泛的應用。
3微藻高效固定CO2技術
3.1高效固定CO2微藻的篩選
適當增加環境二氧化碳濃度，結果表明，該方法能顯著促進微藻的生長發育，促進其光合作用。KodamaN等在高濃度二氧化碳環境下連續培養，結果顯示，二氧化碳濃度為20%~60%時，微藻細胞的生長速度明顯高于空氣環境[5]。Riebesell等的實驗結果表明，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%二氧化碳的環境中迅速成長的海生綠球菌。當二氧化碳濃度20%時，固碳速率可達0.85g/（L·d）[8]。王國棟等人發現，提高二氧化碳濃度對新月菱形藻和球藻類細胞的影響[9]。經過十余年的海藻篩選，發現在封閉的環境下，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
在微生物培養中，微藻培養的主要影響因素有：二氧化碳的含量、水溫、pH、光、鹽、氮、磷、金屬離子、培養方式等。根據植物對碳和光照的要求，可以將其分為自養、異養和混養三種類型。現在，各種微生物都可以進行光合作用，因此很多微生物可以有效的利用太陽能。自養養殖技術具有操作簡便、成本低、適用于各種微生物的優勢，但其缺點是光照條件限制、二氧化碳供應不足、水分蒸發、藻類生物量低、藻類收集難度大等。所謂的“異養”，就是將微生物通過有機碳進行增殖，其培養與自養環境相似，但加入了有機碳元素。異養培養法培養密度高、生長周期短、產量高、油脂含量高。但缺點是數量有限、成本高、污染嚴重。混養栽培是一種同時吸收二氧化碳、有機碳、光合代謝和呼吸代謝的復合培養法。與其它兩種栽培方式比較，混養栽培技術的生物量大，生長速度快，但也有一些不足之處。
3.3高效固定CO2微藻的反應器及系統
微生物菌種的規模化培育，必須建立起一套科學而高效的系統。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和最簡單的大型微生物培養體系，一般都是用塑膠或水泥制成反應器，因此，它的造價低廉，施工簡單，但同時也存在效率低、培養條件不易控制、藻類收集困難等缺點，目前僅適用于某些特定藻類的培養如小球藻、鹽藻、螺旋藻等。封閉式生物反應器又稱光生物反應器，具有易于控制的特點，生產效率高，不易染菌，而且具有節約用水量的優勢，但它的建造和運營費用高，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
現如今隨著人們生活水平的提高以及科學技術的飛速增長，微藻技術的運用十分廣泛。目前已經有油脂、蛋白、化工、維生素、甲烷等行業，對微藻大量使用，并將微藻逐漸作為企業內部的核心資源，以此來降低企業的消耗。
目前全世界化石燃料的使用量越來越大，這就導致了化石燃料在使用過程中對于自然環境會產生越來越大的影響。能源危機問題迫在眉睫，在此背景下，微藻的運用就越來越受到世界各方的重視。微藻燃料作為當前國內外各方積極研究的一項可再生能源，具有大規模替代石油等化石燃料的可能性。據相關研究表明，微藻具有極強的產油效果，其中個別種類產油量已達到了60%左右。并且微藻生物除可以生產燃油之外，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物是水，具有無污染的優點，是當前新能源應用的首選。目前微藻制氫仍處于起步階段，需進一步深入研究。
此外微藻生物也具備一定的食用價值。微藻自身的蛋白質含量極高，一些特殊的微藻蛋白質含量甚至比牛肉、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值與牛肉、大豆等相關傳統食物相比更具價值。微藻的蛋白質來源是微藻細胞，這種蛋白質是利于人體吸收的理想蛋白質，在運用過程中具有多項優勢。同時微藻自身含有大量色素，是天然的調色劑，且不具備危害性，可以廣泛使用于食品加工、化工產品等領域。
除此之外，微藻還具備一定的藥用價值。據相關學者研究發現，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，可以針對人體內部所存在的一些病毒起到作用，從而促進人體新陳代謝進行排毒，對于保護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，使得它們在農業上有著巨大的價值，微藻如今已經廣泛運用到寵物、家禽、魚、蝦類等生物的飼養當中。在飼料中加入微藻成分，可以給飼養物提供更多的營養以及維生素，對于加快其成長有著巨大的作用。據相關研究表明，豬在食用微藻后，自身的肉質以及豬的抗病毒能力都得到了有效提升，這對于加強肉類營養含量，提高養殖效果都有著巨大的作用。
4.1微藻高效資源化產油
通過對微藻應用價值的研究，發現可采用有機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、直接轉酯技術、原位萃取技術、微生物油脂的萃取技術、微生物油脂的體外釋放技術等都是近年來發展起來的技術。
隨著近年來高新技術的發展，國內外新能源公司針對微藻高質量產油技術的研發也極為重視，國外就有很多企業針對此類技術進行研究，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，技術相對落后，我國針對微藻培養的技術研發方向主要是小球藻的生物柴油萃取，對于光自養的研究主要集中在生物反應器上，國內在此類領域的巨頭公司，包括中石油公司以及新奧集團，這兩家公司涉足微藻領域的方向主要為微藻制油，但是還在小規模試生產的階段。
4.2微藻高效熱解技術
這種技術是目前熱解的常用技術之一，一般都是利用干藻粉末進行高溫熱分解，從而達到提高裂解效果和收率的目的。據相關數據表明，微藻在高效熱解后，可以有效提高油含量中的芳烴和辛烷。藻類細胞中的脂類性質（極性脂和中性脂）對熱解產物性質影響較小，但會影響產量。由于微藻含水率高，為了獲得干燥物料，必須進行預處理，這會耗費很多能源以使水分蒸發。為解決這個問題，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，節約干燥的費用。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生碳氫化合物。液化工藝的反應溫度低于熱解，因此能量消耗小，但是通常需要高壓。
4.3微藻生物制氫
除生產生物柴油外，利用藻類生物制氫技術也是可行的。氫具有輕質、高燃燒熱值、清潔可再生、利用形式多樣等優點，被譽為“含能體能源”。通過對燃料電池工藝的改進，可以將氫能量轉換成電。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外生物制氫研究的熱點。
結語
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行光合作用等相關特點，使得其擁有極高的價值。隨著近年來科技飛速發展，石油、煤炭等化石能源的大量消耗使得環境越發惡劣，如何改善人們的生活環境，凈化大自然成為國內外各界人士思考的重點問題。
本文基于此，針對微藻技術進行分析研究，希望通過對微藻的利用改善自然環境，優化人們的生活，為我國的能源發展和對自然環境的保護起到重要作用。
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太陽能光伏：